Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe Jakub Możaryn

(1)

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki

Warszawa, 2017

Jakub Możaryn Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

(2)

Zakres wykładu

2. Zakres wykładu

(3)

Dane dotyczące przedmiotu

Dane dotyczące przedmiotu

Prowadzący: dr inż. Jakub Możaryn, Gmach Mechatroniki, p. 346, e-mail: j.mozaryn@mchtr.pw.edu.pl.

Strona www przedmiotu: http://jakubmozaryn.esy.es Informacje o przedmiocie Wykład - 16 godzin

Laboratorium - 6 godzin Projektowanie - 8 godzin

(4)

Warunki zaliczenia

Warunki zaliczenia

Kolokwium zaliczeniowe lub prezentacja projektu 3 (1 kolokwium, na ostatnich zajęciach) - 30% oceny końcowej

Projekty 1 i 2 (sprawozdanie z projektu) – 40% oceny końcowej Laboratorium (obecność na zajęciach laboratoryjnych jest obowiązkowa) – 30% oceny końcowej

Liczba punktów ECTS - 3

(5)

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.

(6)

Program

Tematyka wykładów cz. 1

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.

2: Układy sterowania serwonapędów - Sterowanie zwykłe i adaptacyjne.

Sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe. Sterowanie kaskadowe.

Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od zmiennych stanu. Sterowanie suboptymalne LQR i MPC. Metodyka projektowania sterowania.

3: Dynamika serwonapędów - Linearyzacja i upraszczanie opisu bilansowego zachowań dynamicznych. Modele z czasem ciągłym i z czasem dyskretnym.

Modele predykcyjne. Modelowanie zachowań dynamicznych podstawowych serwonapędów.

4: Estymacja zachowań dynamicznych serwonapędów - 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.

(7)

Program

Tematyka wykładów, cz. 2

5: Odtwarzanie zmiennych stanu - Dostępność zmiennych stanu i sposoby ich odtwarzania. Kryteria oceny jakości odtwarzania zmiennych stanu. Odtwarzanie przez różniczkowanie i obserwację. Niestandardowe metody odtwarzania zmiennych stanu. Usuwanie opóźnień odtwarzania.

6: Projektowanie standardowego układu sterowania - Projektowanie układu sterowania dla wybranego serwonapędu i wybór algorytmu sterowania. Kryteria oceny jakości układu sterowania. Kompensacja nieliniowości. Metody doboru nastaw regulatorów.

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 serwonapędu. Sterowanie ślizgowe.

Sterowanie suboptymalne MPC i LQR/LQG.

8: Realizacja, uruchomienie i eksploatacja układu sterowania - Implementacja procedur sterowania na przykładzie wybranego sterownika procesorowego.

Procedury uruchomienia na przykładzie wybranego aktuatora. Zasady eksploatacji.

(8)

Program

Zakres ćwiczeń laboratoryjnych Serwonapęd elektrohydrauliczny - Uruchomienie

elektrohydraulicznego serwonapędu tłokowego w wersji dławieniowej i objetościowej (wyporowej). Badanie wpływu obciążenia masowego na wybrany wskaźnik jakości pozycjonowania przestawnego.

Serwonapęd elektryczny - Uruchomienie elektrycznego serwonapędu silnikowego prądu przemiennego z falownikiem impulsowym i przekładnią ruchu obrotowego na liniowy. Badanie układu regulacji wahadła odwróconego z regulatorem LQR/MPC.

(9)

Program

Zakres ćwiczeń projektowych

Projekt 1: 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.

Projekt 2: Projekt układu napędowego wybranego członu mechanizmu maszyny lub robota - Wybór rodzaju i dobór elementów układu napędowego: silnika lub siłownika, mechanizmu przekładniowego, sensoryki i sterowników/falowników. Szkic dokumentacji projektowej układu napędowego.

Projekt 3: Koncepcja, projekt i dobór parametrów układu sterowania dla wybranego układu mechanicznego - Opracowanie modelu zachowań dynamicznych wybranego układu mechanicznego i napędowego. Wybór koncepcji i struktury układu sterowania. Dobór nastaw układu sterowania. Sprawdzenie poprawności działania układu z wykorzystaniem wybranego oprogramowania

symulacyjnego.

(10)

Literatura

Olszewski M.: Basics of servopneumatics. VDI Verlag, Duesseldorf, 2007.

Olszewski M.: Sterowanie pozycyjne pneumatycznego napędu siłownikowego.

OWPW, Warszawa, 2002.

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, 2001.

Pełczewski W., Krynke M.: Metoda zmiennych stanu w analizie dynamiki układów napędowych. WNT, Warszawa, 1984.

Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT, Warszawa, 1995.

Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi.

OWPWr, Wrocław, 1995.

Holejko D., Kościelny W.: Automatyka procesów ciągłych, Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2012.

Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, WNT, Warszawa, 2013

(11)

Wprowadzenie

2. Pojęcia podstawowe

(12)

Wprowadzenie

Aktuatoryka/aktoryka

Dziedzina mechatroniki zajmująca się budową i sterowaniem urządzeń wykonawczych, realizujących zadania ruchowe i siłowe eliminując tym samym udział człowieka w sterowaniu.

Aktuator/aktor

(ang. actuator - urządzenie uruchamiające, nastawnik) – 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.

(13)

Wprowadzenie

Rysunek :System mechatroniczny

(14)

Wprowadzenie

Rysunek :Wybrane urządzenia wykonawcze

(15)

Wprowadzenie

Rysunek :Budowa serwomechanizmu napędowego

(16)

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.

(17)

Wprowadzenie

Zadania układów sterowania, cz.1

przeniesienia procedur sterowania na układ pozycyjny zestawiony ze sterownika procesorowego współpracującego z przetwornikiem (sensorem) położenia i ewentualnie innymi sensorami (pomiar siły, temperatury, etc.),

pełna sutomatyzacja 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), autotuning, 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).

(18)

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 liczbę braków,

bezpieczeństwo przebiegu procesu, co znacząco wpływa zysk.

(19)

Wprowadzenie

Sterowanie pozycyjne (pozycjonowanie) układu napędowego

Celowe oddziaływanie 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, jako kolejne, fazowe zmienne stanu.

(20)

Wprowadzenie

Sterowanie siłowe (momentowe)

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

(21)

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 µm 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).

(22)

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).

(23)

Przykłady zastosowania serwonapędów

Rysunek :Operowanie materiałem.

(24)

Przykłady zastosowania serwonapędów

Rysunek :Montaż.

(25)

Przykłady zastosowania serwonapędów

Rysunek :Cięcie na wymiar.

(26)

Napędy w robotyce

Rysunek :Robot ATLAS - DARPA Robotics Challenge

(http://www.theroboticschallenge.org/).

We współczesnych robotach stosowane są 3 trzy rodzaje serwonapędów

pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne (obecnie 50% robotów).

Każdy robot jest wyposa- żony w układ siłowników i przekładni rozmieszczonych odpowiednio w jego połą- czeniach ruchowych, tworząc układ napędowy robota.

(27)

Napędy w robotyce - 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.

(28)

Napędy w robotyce - napędy hydrauliczne

Wady:

duży hałas wytwarzany przez pompę;

zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.

(29)

Napędy w robotyce - 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.

(30)

Napędy w robotyce - 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 w porównaniu z napędami hydraulicznymi;

konieczność zabezpieczania elementów przed korozją;

trudność sterowania położenia elementu wykonawczego.

(31)

Napędy w robotyce - 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.

(32)

Napędy w robotyce - 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.

(33)

Napędy w robotyce - podsumowanie

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 zakończe- niu 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.

(34)

Popularność napędów na rynku polskim

Rysunek :Popularność napędów różnego rodzaju na rynku polskim (źródło:www.automatykab2b.pl)

(35)

Popularność napędów w robotyce

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

(36)

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: http://www.automatykab2b.pl)

(37)

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: http://www.automatykab2b.pl)

(38)

Producenci napędów - napędy elektryczne

Rysunek :Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędów elektrycznych (źródło: http://www.automatykab2b.pl)

(39)