Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Transkrypt

1 Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe Instytut Automatyki i Robotyki Warszawa, 2015

2 Program Dane dotyczące przedmiotu Prowadzący:, Gmach Mechatroniki, p. 346, Strona www przedmiotu: Wykład - 16 godzin Laboratorium - 6 godzin Projektowanie - 8 godzin Informacje o przedmiocie

3 Program Warunki zaliczenia Kolokwium zaliczeniowe lub prezentacja projektu (1 kolokwium, na ostatnich zajęciach) - 30% oceny końcowej Projekt (sprawozdanie z projektu) 40% oceny końcowej Laboratorium (obecność na zajęciach laboratoryjnych jest obowiązkowa) 30% oceny końcowej Liczba punktów ECTS - 3

4 Program Cele przedmiotu Nabycie umiejętności projektowania, realizacji, uruchomienia i eksploatacji układów sterowania napędów maszyn, urządzeń mechatronicznych i robotów z uwzględnieniem zachowań statycznych i dynamicznych serwonapędów pneumotronicznych, hydrotronicznych i elektrycznych.

5 Program Tematyka wykładów WYKŁAD 1: Wprowadzenie do aktuatoryki maszyn i robotów - Aktuatoryka współczesnych maszyn i urządzeń mechatronicznych, z uwzględnieniem urządzeń stowanych w robotach. Zadania układów sterowania. Sterowanie pozycyjne: przestawianie i nadążanie oraz sterowanie siłowe (momentowe). Budowa aktuatora: serwonapęd, przekładnia, sensoryka, sterownik procesorowy. Specyfika różnych rozwiązań napędowych. Dobór serwonapędu do określonych zadań. WYKŁAD 2: Układy sterowania aktuatorów - Sterowanie zwykłe i adaptacyjne. Sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe. Sterowanie kaskadowe. Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od zmiennych stanu. Metodyka projektowania sterowania. WYKŁAD 3: Dynamika aktuatorów - Linearyzacja i upraszczanie opisu bilansowego zachowań dynamicznych. Modele z czasem ciągłym i z czasem dyskretnym. Modele predykcyjne. Modelowanie zachowań dynamicznych podstawowych serwonapędów. WYKŁAD 4: Estymacja zachowań dynamicznych aktuatorów - Identyfikacja statystyczna struktury i parametrów modelu na przykładzie wybranego serwonapędu. Konwersja parametrów estymowanego modelu dyskretnego w parametry modelu ciągłego. Realizacja identyfikacji uruchomieniowej i w trakcie normalnej pracy.

6 Program Tematyka wykładów WYKŁAD 5: Odtwarzanie zmiennych stanu - Dostępność zmiennych stanu i sposoby ich odtwarzania. Kryteria oceny jakości odtwarzania. Odtwarzanie przez różniczkowanie i obserwację. Niestandardowe metody odtwarzania zmiennych stanu. Usuwanie opóźnień odtwarzania. WYKŁAD 6: Projektowanie standardowego układu sterowania - Projektowanie układu sterowania dla wybranego serwonapęu i rodzaju sterowania. Kryteria oceny jakości sterowania. Kompensacja nieliniowości. Metody doboru nastaw sterowania. WYKŁAD 7: Optymalizacja sterowania zwykłego przez działania adaptacyjne i predykcyjne - Iteracyjna modyfikacja nastaw sterowania. Modyfikacja nastaw z zastosowaniem logiki rozmytej. Nadążanie za zadanym modelem zachowań. Predykcyjne nadążania za zadaną trajektorią parametrów. Sterowania z identyfikacją zachowań dynamicznych. Sterowanie ślizgowe. WYKŁAD 8: Realizacja, uruchomienie i eksploatacja sterowania - Implementacja procedur sterowania na przykładzie wybranego sterownika procesorowego. Procedury uruchomienia na przykładzie wybranego aktuatora. Zasady eksploatacji.

7 Program Zakres ćwiczeń laboratoryjnych Aktuator elektrohydrauliczny - Uruchomienie aktuatora elektrohydraulicznego serwonapędu tłokowego w wersji dławieniowej i objetościowej (wyporowej). Badanie wpływu obciążenia masowego na wybrany wskaźnik jakości pozycjonowania przestawnego. Aktuator elektryczny -Uruchomienie aktuatora elektrycznego serwonapędu silnikowego prądu przemiennego z falownikiem impulsowym i przekładnią ruchu obrotowego na liniowy. Badanie jakości sterowania prędkością ruchu (prędkością obrotową silnika).

8 Program Zakres ćwiczeń projektowych Dobór układu kinematycznego i kinetycznego wybranej maszyny lub robota - Analiza zachowań statycznych i dynamicznych napędzanego członu mechanizmu kinematycznego wybranej maszyny lub robota na przykładzie zadanych obciążeń masowych i siłowych oraz parametrów ruchu. Dobór aktuatora wybranego członu mechanizmu maszyny lub robota -Wybór rodzaju i dobór elementów aktuatora: silnika lub siłownika, mechanizmu przekładniowego, sensoryki i procesoryki. Szkic dokumentacji projektowej aktuatora. Wybór koncepcji i dobór nastaw układu sterowania wybranego aktuatora - Opracowanie modelu zachowań dynamicznych aktuatora. Wybór koncepcji i struktury układu sterowania. Dobór nastaw sterowania. Sprawdzenie poprawności działania układu z wykorzystaniem wybranego oprogramowania symulacyjnego.

9 Literatura Olszewski M.: Basics of servopneumatics. VDI Verlag, Duesseldorf, Olszewski M.: Sterowanie pozycyjne pneumatycznego napędu siłownikowego. OWPW, Warszawa, Osowski S.: Modelowanie i symulacja układów i procesów dynamicznych, OWPW, Warszawa, 2007 Winnicki A.: Odporne na zakłócenia ślizgowe sterowanie pozycyjne napędu elektrohydraulicznego. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, Warszawa, 2013 Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody, przykłady. WN PWN, Warszawa, Pełczewski W., Krynke M.: Metoda zmiennych stanu w analizie dynamiki układów napędowych. WNT, Warszawa, Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT, Warszawa, Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi. OWPWr, Wrocław, Holejko D., Kościelny W.: Automatyka procesów ciągłych, Oficyna Wyd. PW, Warszawa Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, WNT, Warszawa, 2013

10 Wprowadzenie Aktuatoryka/aktoryka (ang. actuator - urządzenie uruchamiające, nastawnik) dziedzina mechatroniki zajmująca się budową i sterowaniem urządzeń wykonawczych, realizujących zadania ruchowe i siłowe eliminując tym samym udział człowieka w sterowaniu. Aktuator/aktor (urządzenie wykonawcze, element wykonawczy) w technice, określenie urządzenia mechanicznego, występującego w układach regulacji, które na podstawie sygnału sterującego wypracowuje sygnał wejściowy do obiektu regulacji. Do urządzeń wykonawczych można zaliczyć m.in.: w mechanice siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki, dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne, są to odpowiedniki : rąk, dłoni, nóg, palców człowieka.

11 Wprowadzenie Rysunek : System mechatroniczny

12 Wprowadzenie Rysunek : Wybrane urządzenia wykonawcze

13 Wprowadzenie Rysunek : Budowa serwomechanizmu napędowego

14 Wprowadzenie Sterowanie Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na obiekt sterowania, mające doprowadzić do pożądanych zmian w procesach w nim zachodzących. Poziom energetyczny sygnałów sterujących z reguły znacznie niższy niż sygnałów, na które wpływają.

15 Wprowadzenie Zadania układów sterowania przeniesienia procedur sterowania na układ pozycyjny zestawiony ze sterownika procesorowego współpracującego z przetwornikiem (sensorem) położenia i ewentualnie innymi sensorami, pełna automatyzacja działań rozruchu i uruchomienia układu napędowego z założeniem niepełnej lub całkowitej nieznajomości przez operatora parametrów napędu, zapewnienie bezpiecznego przejścia od fazy rozruchu i uruchomienia do fazy normalnej pracy układu (zapewnienie determinowanego zachowania napędu), dobór nastaw startowych sterowania automatycznie, z założeniem nieznajomości zasad parametryzacji sterowania przez operatora (z ewentualnym wymaganiem niedopuszczenia operatora do tej czynności), odporność sterowania pozycyjnego na skokowe zmiany warunków pracy: zmiany wartości zadanych położeń i zakresów przemieszczeń, zmiany kierunku ruchu napędu, zmiany położenia układu napędowego, zmiany wartości obciążenia (masowego).

16 Wprowadzenie Zadania układów sterowania, cd. kompensacja przez układ sterowania powolnych zmian wartości systemowych: temperatury otoczenia parametrów zasilania (wartości napięć, ciśnień itp.) właściwości ciernych napędu i napędzanego urządzenia (np.. starzenie i zanieczyszczenie smaru) zjawisk tribologicznych wywołanych postojem układu napędowego Generalnie można także powiedzieć, że ogólnym zadaniem układu sterowania jest zwiększenie globalnego zysku przedsiębiorstwa. Wyżej wymienione zadania są tylko elementami pośrednimi w realizacji tego głównego celu. Dobrze dobrany układ sterowania pozwala osiągnąć: wysoką dokładność wykonania towarów, mniejsza ilość braków, bezpieczeństwo przebiegu procesu, co znacząco wpływa zysk.

17 Wprowadzenie Sterowanie pozycyjne (pozycjonowanie) układu napędowego jest celowym oddziaływaniem na przebieg procesu ruchu elementu ruchomego napędu dla zapewnienia żądanych zmian wartości jego położenia (drogi, pozycji, przemieszczenia liniowego lub kątowego) jako głównej wielkości sterowanej napędowego układu pozycyjnego. Rozróżnia się dwa rodzaje pozycjonowania: przestawianie przemieszczenie elementu ruchomego do pozycji zadanej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu i utrzymanie zadanej wartości położenia pozycji w czasie z określoną odchyłką ustaloną, nadążanie przemieszczanie elementu ruchomego w sposób określony zmianami wartości wielkości zadającej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu i określonej odchyłki nadążania Pomocniczymi wielkościami sterowanymi układu pozycyjnego są: prędkość, przyśpieszenie, itp., jako kolejne, fazowe, zmienne stanu.

18 Wprowadzenie Sterowanie siłowe (momentowe) Sterowanie siłowe (momentowe) jest oddziaływaniem siłowym na element napędzanego urządzenia

19 Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom W warunkach statycznych: dysponowanie siłą lub momentem obrotowym potrzebnym do pokonania sił tarcia oraz obciążeń masowych, siłowych i momentowych dysponowanie dużym zakresem regulacji prędkości lub obrotów wykonywanie ruchu z minimalnymi przemieszczeniami (np.: od 0,1 µ m do 1 mm) ruch ze stałą prędkością (v const), także dla najmniejszych prędkości (roboczych, technologicznych, pełzania) (rzędu 1 mm/s - 5 mm/s), brak drgań - zwłaszcza ciernych (tzw. tarcia przylgowego, ang. stick slip)

20 Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom w warunkach dynamicznych: duże przyspieszenia (załączanie) i opóźnienia (hamowanie) ruchu dysponowanie odpowiednio dużymi momentami przyspieszenia i hamowania dokładność odtworzenia toru ruchu przy zadanych prędkościach roboczych (1 µm - 1 mm) i prędkościach jałowych (1 mm - 10 mm)

21 Przykłady zastosowania serwonapędów Rysunek : Operowanie materiałem.

22 Przykłady zastosowania serwonapędów Rysunek : Montaż.

23 Przykłady zastosowania serwonapędów Rysunek : Cięcie na wymiar.

24 Napędy w robotyce We współczesnych robotach stosowane są 3 trzy rodzaje serwonapędów pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne (obecnie 50% robotów). Rysunek : Robot ATLAS - DARPA Robotics Challenge ( Każdy robot jest wyposażony w układ siłowników i przekładni rozmieszczonych odpowiednio w jego połączeniach ruchowych, tworząc układ napędowy robota.

25 Napędy w robotyce Napęd hydrauliczny, pozostaje nadal jednym z podstawowych napędów, szczególnie tam, gdzie chodzi o szybkie przemieszczanie przy znacznych obciążeniach robota. Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężone powietrze. Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrza do zasilania układu oraz możliwość łączenia układu z atmosferą po zakończeniu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w porównaniu z napędem hydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji. Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne i niewielką sztywność (w porównaniu do cieczy). W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotów drugiej i wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych. Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny.

26 Napędy hydrauliczne Zalety: łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeń; łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego; bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładności części ruchomych sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają się bardzo dużą prędkością działania; łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych; możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania przekładni mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwość zabezpieczenia przed przeciążeniami; łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostota użytkowania; duża pewność ruchowa.

27 Napędy hydrauliczne Wady: duży hałas wytwarzany przez pompę; zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.

28 Napędy pneumatyczne Zalety: bardzo duża pewność ruchowa; większa prostota konstrukcji w porównaniu do napędów hydraulicznych; niska cena urządzeń w porównaniu z napędem hydraulicznym; mała masa urządzeń i pomijalna masa czynnika roboczego w porównaniu z napędami hydraulicznymi; powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniu chwytaków (stąd często przy hydraulicznym lub elektrycznym napędzie ramion manipulatora spotyka się napęd pneumatyczny chwytaka;) duża przeciążalność; iskrobezpieczeństwo.

29 Napędy pneumatyczne Wady: trudność uzyskiwania ruchów jednostajnych z powodu dużej ściśliwości czynnika roboczego; duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia; gwałtowny rozruch, szczególnie przy małym obciążeniu; znacznie mniejsze siły i momenty aniżeli dla napędów hydraulicznych. konieczność zabezpieczania elementów przed korozją; trudność sterowania położenia elementu wykonawczego.

30 Napędy elektryczne Zalety: niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędem hydraulicznym; prostota układu zasilania; duża niezawodność; duża prostota czynności konserwacyjnych; praca bez hałasu; małe wymiary układu sterowania i zasilania.

31 Napędy elektryczne Wady: niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunek mocy do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napędu elektrycznego; właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużego postępu w tej dziedzinie, wciąż są gorsze od właściwości dynamicznych napędu hydraulicznego; wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić do spalenia silnika; duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowania przekładni redukcyjnych

32 Popularność napędów na rynku polskim Rysunek : Popularność napędów różnego rodzaju na rynku polskim (źródło:

33 Popularność napędów w robotyce Rysunek : Udział procentowy różnego rodzaju siłownikow stosowanych w robotach: a) rok 1977, b) rok 1990

34 Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka Polscy producenci napędów Agromet ZEHS (cylindry hydrauliczne, Lubań), Centrum Produkcyjne Pneumatyki Prema (spółka akcyjna, pneumatyka siłowa, Kielce), Controlmatica Z AP-PNEFAL (różnorodna automatyka, w tym siłowniki, Ostrów Wielkopolski), FMB Bumar-Hydroma (cylindry i pompy hydrauliczne, Szczecin), Gramet (siłowniki i cylindry, Jelenia Góra), Hydroster (hydraulika, Gdańsk), Hydrotor (hydraulika siłowa, Tuchola), Pneumat System (siłowniki pneumatyczne, Wrocław), Ponar Wadowice (hydraulika siłowa, Wadowice), Zorin (siłowniki pneumatyczne, Dopiewo). (źródło:

35 Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka Zagraniczni producenci napędów dostarczający produkty na rynek polski Bosch Rexroth (napędy elektryczne, hydraulika siłowa, pneumatyka, Warszawa), Festo (pneumatyka i napędy elektryczne oraz rozwiązania mechatroniczne, Janki), IMI International Oddział Norgren Herion (pneumatyka, zawory, siłowniki, Warszawa), Parker Hannifin (pneumatyka, hydraulika, zawory, pompy, Warszawa), SMC Industrial Automation (pneumatyka, hydraulika, napędy liniowe, systemy, Warszawa). (źródło:

36 Producenci napędów - napędy elektryczne Rysunek : Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędów elektrycznych (źródło:

37 Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe Instytut Automatyki i Robotyki Warszawa, 2015