Сравнение линейных алгоритмов управления положением для прямых сервоприводов
Ключевые слова:
прецизионный электропривод, сервопривод, синтез систем управления, замкнутые системы управления, регулирование положения, прямые программные связи, наблюдатели координат
Аннотация
Прямые сервоприводы используются в промышленных установках, требующих высокой динамики и точности перемещения. Построение системы управления играет ключевую роль для достижения требуемых точностных и динамических показателей сервопривода.
Рассмотрены две базовые линейные структуры управления положением прецизионного сервопривода: структура с ПИД- регулятором положения, а также с П-регулятором положения и вложенным контуром скорости с ПИ-регулятором. Выполнен анализ с учетом возможности их дополнения фильтрами, наблюдателями и предикторами. Результаты симуляции, а также эксперимента на базе вращательного прецизионного сервопривода показали, что при точно известных параметрах системы структуры позволяют обеспечить сопоставимую точность перемещений. Для этого выведены уравнения перерасчета настроек из одной структуры в другую (для аналоговых и цифровых систем). При вариации параметров системы структура с ПИД-регулятором положения обеспечивает высокую траекторную точность и требует наименьшее количество вычислений, что делает предпочтительным её использование в системах управления высокоточными сервоприводами. Показано, что достижение сравнимых показателей в системе подчиненного регулирования возможно за счет использования предиктора Смита
Литература
1. Балковой А.П., Цаценкин В.К. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями. М.: Издат. дом МЭИ, 2010.
2. Kaiser D., Engineer S., Compumotor P., Park R. Fundamentals of Servo Motion Control [Электрон ресурс] https://www.machinedesign.com/technologies/fundamentals-servo-motion-control (дата обращения 31.01.2018).
3. Sheikholeslami C., Goers J., Kramer B. Modern Motion Control Strategies Obtain Consistent and Better Performance in Uncertain Conditions. ACS Motion Control, 2010. Pp. 1—8.
4. Денисенко В.А. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66—75.
5. Балковой А.П. Система управления прямого прецизионного электропривода // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 71 Межрегион. науч.-техн. конф. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013. Т. 2. С. 52—56.
6. Анучин А.С., Балковой А.П., Гуляев И.В. Использование аппаратного ускорителя на базе ПЛИС в системах управления электроприводов // Промышленная энергетика. 2016. № 3. C. 40—43.
7. Rassudov L.N., Balkovoi A.P., Anuchin A.S., Gulyaev I.V. FPGA Implementation of Servodrive Control System // Proc. 57 Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga: Riga Technl University, 2016.
8. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.
9. Vahedpour M., Noei A.R., Kholerdi H.A. Comparison Between Performance of Conventional, Fuzzy and Fractional Order PID Controllers in Practical Speed Control of Induction Motor // Proc. II Intern. Conf. Knowledgebased Eng. and Innovation. Teheran, 2015.
10. Tian Z., Guo H., Ding X., He X. A PID Neural Network Control for Position Servo System with Gear Box at Variable Load // Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf. Hangzhou, 2016.
11. Gnezdov NE., Lebedev S.K., Kolganov A.R. Structural and Parametric Synthesis of Positioning Systems of Electromechatronic Modules // IX Intern. Conf. Power Drives Syst. Perm, 2016. Pp. 1—6.
12. Rubio L., Ibeas A., Luo X. P-PI and Super Twisting Sliding Mode Control Schemes Comparison for High-precision CNC Machining // Proc. XXIV Iranian Conf. Electrical Eng. Shiraz, 2016.
13. Fang H., Xia C., Chen Z., Wei X. Position Servo Control of Brushless DC Motor Based on the Second Discrete Filter // Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Biometrics. Sanya, 2007.
14. Толстых O.A. Разработка и исследование калиброванного электропривода с вентильным двигателем: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2010.
15. Рассудов Л.Н. и др. Калиброванное управление силой вентильного двигателя // Электротехника. 2015. Т. 2. № 2. С. 3—6.
16. Kolganov A.R., Lebedev S.K., Gnezdov N.E. Modern control methods in electromechanical systems. Design, realization, application. Ivanovo: ISPU Publ., 2012.
17. Åström K.J., Hȁgglund T. Automatic Tuning of PID Controllers. Pittsburg: Instrument Soc. of America, 1956.
18. Ashida Y., Wakitani S., Yamamoto T. Design of a Multivariable Self-tuning PID Controller // Proc. 56 Annual Conf. Society of Instrument and Control Engineers of Japan. Kanazawa, 2017.
19. Zieglar J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers // Trans. of ASME. 1942. V. 64. No. 8. Pp. 759—768.
20. Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems. New Jersey: Wiley – IEEE Press, 2011.
21. Vukosavić S.N., Pai M.A., Stankovic A.M. Digital Control of Electrical Drives. N.-Y.: Springer Sci., 2007.
22. Schmirgel H., Krah J.O., Goergen H. Comparison of Auto Tuning Algorithms for the Velocity Loop of Servo Drives // Intern. Exhibition and Conf. for Power Electronics. Intelligent Motion and Power Quality. Nuremberg, 2008.
23. HIWIN. Torque Motor (Direct Drive Motor) Technical Information [Электрон. ресурс] www.hiwin. com/pdf/torque_motor_rotary_tables.pdf (дата обращения 27.01.2018).
24. Tiapkin M., Elenskiy D., Balkovoi A., Tolstykh O. Control Features of Motion System with Parallel Kinematics // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Eng. St. Petersburg, 2018.
---
Для цитирования: Самыгина Е.К., Рассудов Л.Н., Балковой А.П. Сравнение линейных алгоритмов управления положением для прямых сервоприводов // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 57—64. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-57-64.
#
1. Balkovoy A.P., Tsatsenkin V.K. Pretsizionnyy Elektroprivod s Ventil'nymi Dvigatelyami. M.: Izdat. Dom MEI, 2010. (in Russian).
2. Kaiser D., Engineer S., Compumotor P., Park R. Fundamentals of Servo Motion Control [Elektron Resurs] https://www.machinedesign.com/technologies/fundamentals-servo-motion-control (Data Obrashcheniya 31.01.2018).
3. Sheikholeslami C., Goers J., Kramer B. Modern Motion Control Strategies Obtain Consistent and Better Performance in Uncertain Conditions. ACS Motion Control, 2010:1—8.
4. Denisenko V.A. PID-regulyatory: Printsipy Postroeniya i Modifikatsii. Sovremennye Tekhnologii Avtomatizatsii. 2006;4:66—75. (in Russian).
5. Balkovoy A.P. Sistema Upravleniya Pryamogo Pretsizionnogo Elektroprivoda. Aktual'nye Problemy Sovremennoy Nauki, Tekhniki i Obrazovaniya: Materialy 71 Mezhregion. Nauch.-tekhn. Konf. Magnitogorsk: FGBOU VPO «MGTU», 2013;2:52—56. (in Russian).
6. Anuchin A.S., Balkovoy A.P., Gulyaev I.V. Ispol'zovanie Apparatnogo Uskoritelya na Baze PLIS v Sistemakh Upravleniya Elektroprivodov. Promyshlennaya Energetika. 2016;3:40—43. (in Russian).
7. Rassudov L.N., Balkovoi A.P., Anuchin A.S., Gulyaev I.V. FPGA Implementation of Servodrive Control System. Proc. 57 Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga: Riga Technl University, 2016.
8. Klyuchev V.I. Teoriya Elektroprivoda. M.: Energoatomizdat, 1985. (in Russian).
9. Vahedpour M., Noei A.R., Kholerdi H.A. Comparison Between Performance of Conventional, Fuzzy and Fractional Order PID Controllers in Practical Speed Control of Induction Motor. Proc. II Intern. Conf. Knowledgebased Eng. and Innovation. Teheran, 2015.
10. Tian Z., Guo H., Ding X., He X. A PID Neural Network Control for Position Servo System with Gear Box at Variable Load. Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf. Hangzhou, 2016.
11. Gnezdov NE., Lebedev S.K., Kolganov A.R. Structural and Parametric Synthesis of Positioning Systems of Electromechatronic Modules. IX Intern. Conf. Power Drives Syst. Perm, 2016:1—6.
12. Rubio L., Ibeas A., Luo X. P-PI and Super Twisting Sliding Mode Control Schemes Comparison for High-precision CNC Machining. Proc. XXIV Iranian Conf. Electrical Eng. Shiraz, 2016.
13. Fang H., Xia C., Chen Z., Wei X. Position Servo Control of Brushless DC Motor Based on the Second Discrete Filter. Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Biometrics. Sanya, 2007.
14. Tolstykh O.A. Razrabotka i Issledovanie Kalibrovannogo Elektroprivoda s Ventil'nym Dvigatelem: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: MEI, 2010. (in Russian).
15. Rassudov L.N. i dr. Kalibrovannoe Upravlenie Siloy Ventil'nogo Dvigatelya. Elektrotekhnika. 2015;2;2: 3—6. (in Russian).
16. Kolganov A.R., Lebedev S.K., Gnezdov N.E. Modern control methods in electromechanical systems. Design, realization, application. Ivanovo: ISPU Publ., 2012.
17. Åström K.J., Hȁgglund T. Automatic Tuning of PID Controllers. Pittsburg: Instrument Soc. Of America, 1956.
18. Ashida Y., Wakitani S., Yamamoto T. Design of a Multivariable Self-tuning PID Controller. Proc. 56 Annual Conf. Society of Instrument and Control Engineers of Japan. Kanazawa, 2017.
19. Zieglar J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. Trans. of ASME. 1942;64;8: 759—768.
20. Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems. New Jersey: Wiley – IEEE Press, 2011.
21. Vukosavić S.N., Pai M.A., Stankovic A.M. Digital Control of Electrical Drives. N.-Y.: Springer Sci., 2007.
22. Schmirgel H., Krah J.O., Goergen H. Comparison of Auto Tuning Algorithms for the Velocity Loop of Servo Drives. Intern. Exhibition and Conf. for Power Electronics. Intelligent Motion and Power Quality. Nuremberg, 2008.
23. HIWIN. Torque Motor (Direct Drive Motor) Technical Information [Elektron Resurs] www.hiwin.com/ pdf/torque_motor_rotary_tables.pdf (Data Obrashcheniya 27.01.2018).
24. Tiapkin M., Elenskiy D., Balkovoi A., Tolstykh O. Control Features of Motion System with Parallel Kinematics. IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Eng. St. Petersburg, 2018.
---
For citation: Samygina E.K., Rassudov L.N., Balkovoi A.P. Comparison of the Linear Position Control Algorithms for Direct Servo Drives. Bulletin of MPEI. 2019;2:57—64. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-57-64.
2. Kaiser D., Engineer S., Compumotor P., Park R. Fundamentals of Servo Motion Control [Электрон ресурс] https://www.machinedesign.com/technologies/fundamentals-servo-motion-control (дата обращения 31.01.2018).
3. Sheikholeslami C., Goers J., Kramer B. Modern Motion Control Strategies Obtain Consistent and Better Performance in Uncertain Conditions. ACS Motion Control, 2010. Pp. 1—8.
4. Денисенко В.А. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66—75.
5. Балковой А.П. Система управления прямого прецизионного электропривода // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 71 Межрегион. науч.-техн. конф. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013. Т. 2. С. 52—56.
6. Анучин А.С., Балковой А.П., Гуляев И.В. Использование аппаратного ускорителя на базе ПЛИС в системах управления электроприводов // Промышленная энергетика. 2016. № 3. C. 40—43.
7. Rassudov L.N., Balkovoi A.P., Anuchin A.S., Gulyaev I.V. FPGA Implementation of Servodrive Control System // Proc. 57 Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga: Riga Technl University, 2016.
8. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.
9. Vahedpour M., Noei A.R., Kholerdi H.A. Comparison Between Performance of Conventional, Fuzzy and Fractional Order PID Controllers in Practical Speed Control of Induction Motor // Proc. II Intern. Conf. Knowledgebased Eng. and Innovation. Teheran, 2015.
10. Tian Z., Guo H., Ding X., He X. A PID Neural Network Control for Position Servo System with Gear Box at Variable Load // Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf. Hangzhou, 2016.
11. Gnezdov NE., Lebedev S.K., Kolganov A.R. Structural and Parametric Synthesis of Positioning Systems of Electromechatronic Modules // IX Intern. Conf. Power Drives Syst. Perm, 2016. Pp. 1—6.
12. Rubio L., Ibeas A., Luo X. P-PI and Super Twisting Sliding Mode Control Schemes Comparison for High-precision CNC Machining // Proc. XXIV Iranian Conf. Electrical Eng. Shiraz, 2016.
13. Fang H., Xia C., Chen Z., Wei X. Position Servo Control of Brushless DC Motor Based on the Second Discrete Filter // Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Biometrics. Sanya, 2007.
14. Толстых O.A. Разработка и исследование калиброванного электропривода с вентильным двигателем: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2010.
15. Рассудов Л.Н. и др. Калиброванное управление силой вентильного двигателя // Электротехника. 2015. Т. 2. № 2. С. 3—6.
16. Kolganov A.R., Lebedev S.K., Gnezdov N.E. Modern control methods in electromechanical systems. Design, realization, application. Ivanovo: ISPU Publ., 2012.
17. Åström K.J., Hȁgglund T. Automatic Tuning of PID Controllers. Pittsburg: Instrument Soc. of America, 1956.
18. Ashida Y., Wakitani S., Yamamoto T. Design of a Multivariable Self-tuning PID Controller // Proc. 56 Annual Conf. Society of Instrument and Control Engineers of Japan. Kanazawa, 2017.
19. Zieglar J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers // Trans. of ASME. 1942. V. 64. No. 8. Pp. 759—768.
20. Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems. New Jersey: Wiley – IEEE Press, 2011.
21. Vukosavić S.N., Pai M.A., Stankovic A.M. Digital Control of Electrical Drives. N.-Y.: Springer Sci., 2007.
22. Schmirgel H., Krah J.O., Goergen H. Comparison of Auto Tuning Algorithms for the Velocity Loop of Servo Drives // Intern. Exhibition and Conf. for Power Electronics. Intelligent Motion and Power Quality. Nuremberg, 2008.
23. HIWIN. Torque Motor (Direct Drive Motor) Technical Information [Электрон. ресурс] www.hiwin. com/pdf/torque_motor_rotary_tables.pdf (дата обращения 27.01.2018).
24. Tiapkin M., Elenskiy D., Balkovoi A., Tolstykh O. Control Features of Motion System with Parallel Kinematics // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Eng. St. Petersburg, 2018.
---
Для цитирования: Самыгина Е.К., Рассудов Л.Н., Балковой А.П. Сравнение линейных алгоритмов управления положением для прямых сервоприводов // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 57—64. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-57-64.
#
1. Balkovoy A.P., Tsatsenkin V.K. Pretsizionnyy Elektroprivod s Ventil'nymi Dvigatelyami. M.: Izdat. Dom MEI, 2010. (in Russian).
2. Kaiser D., Engineer S., Compumotor P., Park R. Fundamentals of Servo Motion Control [Elektron Resurs] https://www.machinedesign.com/technologies/fundamentals-servo-motion-control (Data Obrashcheniya 31.01.2018).
3. Sheikholeslami C., Goers J., Kramer B. Modern Motion Control Strategies Obtain Consistent and Better Performance in Uncertain Conditions. ACS Motion Control, 2010:1—8.
4. Denisenko V.A. PID-regulyatory: Printsipy Postroeniya i Modifikatsii. Sovremennye Tekhnologii Avtomatizatsii. 2006;4:66—75. (in Russian).
5. Balkovoy A.P. Sistema Upravleniya Pryamogo Pretsizionnogo Elektroprivoda. Aktual'nye Problemy Sovremennoy Nauki, Tekhniki i Obrazovaniya: Materialy 71 Mezhregion. Nauch.-tekhn. Konf. Magnitogorsk: FGBOU VPO «MGTU», 2013;2:52—56. (in Russian).
6. Anuchin A.S., Balkovoy A.P., Gulyaev I.V. Ispol'zovanie Apparatnogo Uskoritelya na Baze PLIS v Sistemakh Upravleniya Elektroprivodov. Promyshlennaya Energetika. 2016;3:40—43. (in Russian).
7. Rassudov L.N., Balkovoi A.P., Anuchin A.S., Gulyaev I.V. FPGA Implementation of Servodrive Control System. Proc. 57 Intern. Sci. Conf. Power and Electrical Eng. Riga: Riga Technl University, 2016.
8. Klyuchev V.I. Teoriya Elektroprivoda. M.: Energoatomizdat, 1985. (in Russian).
9. Vahedpour M., Noei A.R., Kholerdi H.A. Comparison Between Performance of Conventional, Fuzzy and Fractional Order PID Controllers in Practical Speed Control of Induction Motor. Proc. II Intern. Conf. Knowledgebased Eng. and Innovation. Teheran, 2015.
10. Tian Z., Guo H., Ding X., He X. A PID Neural Network Control for Position Servo System with Gear Box at Variable Load. Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf. Hangzhou, 2016.
11. Gnezdov NE., Lebedev S.K., Kolganov A.R. Structural and Parametric Synthesis of Positioning Systems of Electromechatronic Modules. IX Intern. Conf. Power Drives Syst. Perm, 2016:1—6.
12. Rubio L., Ibeas A., Luo X. P-PI and Super Twisting Sliding Mode Control Schemes Comparison for High-precision CNC Machining. Proc. XXIV Iranian Conf. Electrical Eng. Shiraz, 2016.
13. Fang H., Xia C., Chen Z., Wei X. Position Servo Control of Brushless DC Motor Based on the Second Discrete Filter. Proc. IEEE Intern. Conf. Robotics and Biometrics. Sanya, 2007.
14. Tolstykh O.A. Razrabotka i Issledovanie Kalibrovannogo Elektroprivoda s Ventil'nym Dvigatelem: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: MEI, 2010. (in Russian).
15. Rassudov L.N. i dr. Kalibrovannoe Upravlenie Siloy Ventil'nogo Dvigatelya. Elektrotekhnika. 2015;2;2: 3—6. (in Russian).
16. Kolganov A.R., Lebedev S.K., Gnezdov N.E. Modern control methods in electromechanical systems. Design, realization, application. Ivanovo: ISPU Publ., 2012.
17. Åström K.J., Hȁgglund T. Automatic Tuning of PID Controllers. Pittsburg: Instrument Soc. Of America, 1956.
18. Ashida Y., Wakitani S., Yamamoto T. Design of a Multivariable Self-tuning PID Controller. Proc. 56 Annual Conf. Society of Instrument and Control Engineers of Japan. Kanazawa, 2017.
19. Zieglar J.G., Nichols N.B. Optimum Settings for Automatic Controllers. Trans. of ASME. 1942;64;8: 759—768.
20. Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems. New Jersey: Wiley – IEEE Press, 2011.
21. Vukosavić S.N., Pai M.A., Stankovic A.M. Digital Control of Electrical Drives. N.-Y.: Springer Sci., 2007.
22. Schmirgel H., Krah J.O., Goergen H. Comparison of Auto Tuning Algorithms for the Velocity Loop of Servo Drives. Intern. Exhibition and Conf. for Power Electronics. Intelligent Motion and Power Quality. Nuremberg, 2008.
23. HIWIN. Torque Motor (Direct Drive Motor) Technical Information [Elektron Resurs] www.hiwin.com/ pdf/torque_motor_rotary_tables.pdf (Data Obrashcheniya 27.01.2018).
24. Tiapkin M., Elenskiy D., Balkovoi A., Tolstykh O. Control Features of Motion System with Parallel Kinematics. IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Eng. St. Petersburg, 2018.
---
For citation: Samygina E.K., Rassudov L.N., Balkovoi A.P. Comparison of the Linear Position Control Algorithms for Direct Servo Drives. Bulletin of MPEI. 2019;2:57—64. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-57-64.
Опубликован
2018-04-03
Выпуск
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (05.09.03)
