show English version

Identifikace výsledku:
ZCU/KKY/2023/027

autorizovaný software (R)

Rok vydání: 2023
Autor: Goubej M., Špirk, M.

Softwarový nástroj pro robustní a optimální návrh regulátorů s omezenou strukturou pro elektromechanické systémy

Systémy řízení pohybu jsou základem celé řady strojů, mechatronických systémů a výrobních procesů. Pro správnou funkčnost a výkonnost vyžadují správný návrh a vyladění parametrů regulačních struktur. Inženýři a technici musí nastavovat parametry regulátorů pohybu, což je náročný úkol. Řízené zařízení má pro každý stroj jedinečnou dynamiku, takže vyladění regulace musí odpovídat konkrétnímu systému. Proces ladění je často ruční a vyžaduje mnoho pokusů a omylů. Výsledky jsou často neoptimální a závisí na lidech, kteří je provádějí.


Správné seřízení parametrů je velmi důležité, protože průmyslové výrobní systémy mají stále vyšší požadavky na výkon, které ovlivňují vrstvu řízení. U systémů řízení pohybu to znamená přísné požadavky na šířku pásma a přesnost sledování. Vysoké požadavky na výkon mohou vést k problémům s vibracemi, pokud se šířka pásma překrývá s rezonančními frekvencemi řízeného systému. Nežádoucí kmity ztěžují ladění řídicího systému. Metody automatického ladění jsou zavedené a široce užívané v řízení procesů, ale ne v mechatronických systémech. Proto je pro průmyslovou praxi velmi důležité vyvinout systematické metody, které mohou pomoci při uvádění do provozu.


Vyvinutý software implementuje nové návrhové metody, které umožňují dosáhnout robustnosti i optimality v regulačních smyčkách.


Obr. 1. Formulace návrhové úlohy - zpětnovazební smyčka s měřenou veličinou y a penalizovaným výstupem z, cílem je navrhnout regulátor C zajišťující dostatečnou robustnost ve stabilitě v rámci zformované smyčky a zároveň optimální kvality řízení vzhledem k penalizovanému výstupu

Uvažujeme strukturu zpětnovazební smyčky s různou zpětnovazební a penalizovanou výstupní veličinou. Toto uspořádání je běžné v mechatronice a v systémech řízení pohybu, kde se někdy označuje jako kolokovaná zpětná vazba. Termín "kolokovaná" znamená, že dvojice akční člen-senzor se fyzicky nachází na stejném místě řízeného zařízení. Výstup y je obvykle zajišťován snímačem na hřídeli rotoru elektrického pohonu. Tento signál se používá k uzavření rychlostní nebo polohové zpětnovazební smyčky. Cílem je však často řídit jinou fyzikální veličinu z; obvykle polohu nebo rychlost referenčního bodu na pohyblivé části na straně zátěže, jako je koncový efektor robotu nebo vřeteno CNC obráběcího stroje. Je-li zátěž v ideálním případě tuhá, pohybují se pracovní mechanismus a akční člen společně. Výstupy y a z jsou stejné (s výjimkou možného škálování v důsledku kinematické transformace) a topologie řízení je standardní smyčka zpětné vazby s jedním vstupem a jedním výstupem (SISO). Mechanická pružnost zátěže však přidává další stupně volnosti. Často dochází ke složitějšímu chování s nežádoucími oscilacemi v důsledku ohybových režimů zařízení. To ztěžuje návrh zpětnovazebního řízení, protože to ze své podstaty zavádí problém návrhu více proměnných. Dobrý výkon pro zpětnovazební proměnnou y neznamená automaticky dobrou odezvu pro zájmovou proměnnou z.

Postup použití implementované návrhové metody lze shrnout následovně:

1. Odvození modelu řízeného systému z experimentálních dat pomocí identifikace systému nebo s využitím matematicko-fyzikálního modelování, případně definice modelu neurčitosti pro robustní návrh řízení.
2. Definice zpětnovazební a penalizované veličiny y a z, které tvoří systém s jedním vstupem a dvěma výstupy (jednodušší scénář SISO je speciálním případem pro volbu y = z).
3. Nalezení množiny stabilizujících regulátorů dané struktury splňujících určitou podmínku robustní stability v rámci smyčky uzavřené přes zpětnovazební výstup y
4. Z přípustné množiny nalezení optimální sady parametrů regulátoru s ohledem na definovanou penalizovanou veličinz z a zvolené kritérium kvality řízení.
5. (nepovinně) Poskytnutí množiny suboptimálních regulátorů s redukovaným zesílením, které umožňí jemné doladění regulátoru během uvádění do provozu, aby se našel vhodný kompromis mezi kvalitou a cenou/spotřebou/robustností.

Podrobnosti o algoritmu byly zveřejněny v publikaci
Goubej, M., Tvrz, J., Kubeš, B., Robustní a optimální návrh regulátorů s pevnou strukturou v systémech s kolokovaným pohybem. In 2023 IEEE 28th International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA),

Algoritmy pro návrh řízení byly implementovány ve skriptech Matlab v jazyce m. Pro jejich použití na různých cílových platformách lze vygenerovat kód C. Software lze používat pomocí rozhraní příkazového řádku nebo prostřednictvím vyvinutého grafického uživatelského rozhraní (GUI), které uživateli umožňuje zasahovat do procesu návrhu regulátoru a dolaďovat jej. Grafické uživatelské rozhraní je k dispozici ve formě aplikace Matlab nebo jako samostatná aplikace pro počítače s operačním systémem Windows nebo Linux.

Obr. 2. Grafické uživatelské rozhraní vyvinutého nástroje pro návrh řízení

Tento projekt byl financován společným podnikem ECSEL na základě grantové dohody č. 101007311. Společný podnik získává podporu z programu Evropské unie pro výzkum a inovace Horizont 2020 a z Nizozemska, České republiky, Španělska, Řecka, Irska, Itálie, Belgie, Lotyšska, Portugalska, Německa, Finska, Rumunska a Švýcarska. 

Licenční podmínky

Software je zdarma pro nekomerční použití. Pro komerční využití je třeba získání licence.

Lokalizace výsledku / potvrzení o užívání

Software je využíván na Západočeské univerzitě v Plzni.

Kontaktní formulář

Tento software je chráněn licencí, pro jeho stažení, kontrolu RIV, či získání informací o něm, prosím, vyplňte tento formulář: