Design of a controller for ideal positioning servosystem

Motion systems as core technologies, as mechanical systems, like microelectronic manufacturing equipment, are required to achieve high speed and accuracy. The influence of the dynamics of a mechanical system on the quality of the position tracking syste

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык английский
Дата добавления 26.08.2020
Размер файла 581,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Design of a controller for ideal positioning servosystem

Lubica Mikovв

Annotation

Urgency of the research. In advanced mechatronics, motion systems are the key technology, since mechanical systems such as Microelectronics manufacturing equipments are often required for high speed and accuracy. As a result, the increasing influence of the dynamics of the mechanical system on the quality of the position servosystem is noticeable. One of the important dynamic effects is the dynamics of the mechatronic system's vibroisolation, which arises as a result of the reaction force generated by the action variable.

Target setting. The aim of the paper was to design a PID controller for an ideal positioning servosystem. Ideal positioning servosystem consists of a one mass which is actuated by the Fservo force.

Actual scientific researches and issues analysis. In modern controllers, in the correction error value, classic feedback combines with forwarding feedback. The forward control is based on the fact that if the model of the mechanical actuator is known and all the initial conditions are zero, the desired position can be reached without the use of feedback. mechanical microelectronic speed

Uninvestigated parts of general matters defining. From a theoretical point of view, it has been devoted to ideal positioning servosystem for quite a long time, but the results achieved are rarely used in practice. One of the reasons is their theoretical focus, using complex mathematics, and as a result there is a great gap between theory and engineering practice.

The research objective. Design of PID controller is based on equation for crossover frequencies, which allows to determine the derivative and integration constant of a PID controller for a given bandwidth.

The statement of basic materials. The most important dynamic effects that impact the properties of actuators are actuator flexibility, flexibility of system limited mass and rigidity of the stationary part of the system. From the equation for the eigenfrequency a>DP of the low-pass second order filter is determined. Finally, the specific gain P is determined to suit the amplitude and phase margin. This completes the design of the ideal positioning servosystem.

Conclusions. PID controller for an ideal positioning servosystem is design based on equation for crossover frequencies, which allows to determine the derivative and integration constant of a PID controller for a given bandwidth.

Keywords: мotion control; vibroisolation; stability; performance control system.

Любица Микова

ПРОЕКТУВАННЯ КОНТРОЛЕРА ДЛЯ ІДЕАЛЬНОГО ПОЗИЦІОНУВАННЯ СЕРВОСИСТЕМ

Актуальність теми дослідження. У сучасній мехатроніці основними технологіями є рухові системи, оскільки такі механічні системи, як, наприклад, виробництво обладнання для мікроелектроніки. часто вимагають високої швидкості та точності позиціонування. В результаті помітний зростаючий вплив динаміки механічної системи на якість позиціонування сервосистеми. Одним із важливих динамічних ефектів є динаміка віброізоляції мехатронної системи, яка виникає внаслідок дії реакційної сили, що генерується змінною дії.

Постановка проблеми. Ідеальна сервосистема позиціонування складається з маси, яка приводиться в дію силою Fservo. Цю силу задає PID-контролер, що включений послідовно з низькочастотним фільтром другого порядку.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У сучасних контролерах класичний зворотний зв'язок поєднується з прямим зворотним зв'язком за значенням помилки. Пряме управління засноване на тому факті, що якщо модель механічного приводу відома і всі початкові умови дорівнюють нулю, бажаного положення можна досягти без використання зворотного зв'язку.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Теоретична точка зору довгий час була прив'язана до ідеальної сервосистеми позиціонування, але отримані результати рідко використовуються на практиці. Однією з причин є їх теоретична направленість з використанням складної математики, і, як результат, існує великий розрив між теорією і інженерною практикою.

Постановка завдання. Проектування PID-контролера засноване на рівнянні для частот зрізу, що дозволяє визначати диференційну та інтегральну складові PID-контролера для заданої пропускної здатності.

Виклад основного матеріалу. Три найважливіші динамічні ефекти, що впливають на властивості приводів, - це гнучкість приводу, гнучкість системи, обмежена маса та жорсткість нерухомої частини системи. З рівняння для власної частоти °DP визначається низькочастотний фільтр другого порядку. Нарешті, пропорційна складова P визначається відповідно до амплітуди та фази. Це завершує проектування ідеальної сервосистеми позиціонування.

Висновки відповідно до статті. Метою статті було розробити PID-контролер для ідеальної сервосистеми позиціонування. Його конструкція заснована на рівнянні для частот зрізу, що дозволяє визначати диференційну та інтегральну складові PID-контролера для заданої пропускної здатності.

Ключові слова: контроль руху; віброізоляція; стабільність; система контролю продуктивності.

Introduction

In [1] discusses the demands for proper tools for computer aided control system design of mechatronic systems and identifies a number of tasks in this design process. Real mechatronic design, involving input from specialists from varying disciplines, requires that the system can be represented in multiple views. The idea of feedback to make corrective actions based on the difference between the desired and the actual values of a quantity can be implemented in many different ways [3]. In modern controllers, in the correction error value, classic feedback combines with forwarding feedback. The forward control is based on the fact that if the model of the mechanical actuator is known and all the initial conditions are zero, the desired position can be reached without the use of feedback. The required feedback characteristics, which are generally expressed within the bandwidth, depend very much on the errors of the system [2 - 10]. The three most important dynamic effects that have impact on parameters of actuators are:

actuator flexibility,

flexibility of the system,

• limited mass and rigidity of the stationary part of the system [5].

Ideal positioning servosystem. Ideal positioning servosystem consists of a one mass which is actuate by the Fservo force. This force is generated by PID controller with which it is involved in a series of the low-pass second order filter. Position of mass шл represents the actuator and is measured to the relatively fixed base.

Fig. 1. Closed loop control system of ideal positioning servosystem

To derive the transfer function of the PID controller and the low pass filter of the 2nd order, we start from the typical crossover frequencies for the PID controller with the low pass filter of the 2nd order related to the bandwidth, which is defined by frequency fSp. The following relations used for the crossover frequencies:

The relationship between PID controller constants and crossover frequencies can be derived from the following PID controller transfer function, where P is proportional, D - derivative and I - integral values:

Then

For crossover frequencies we get:

This means that we get the integration constant I and the derivative constant D for the controller from the following set of two equations of two unknowns:

The proportional constant then adjusts the gain to ensure that the position actuator is stable. The Bode characteristic in the asymptotic approximation for the PID controller (without filter) is shown in fig. 2.

Fig. 2. Bode characteristic of PID controller

We will consider the transfer function of the low-pass second order filter in the form:

In this equation, the damping factor ;F and the eigenfrequency .Dp, which represents the break frequency, are present. This frequency must satisfy the condition in the equations for crossover frequencies.

We will consider a small overshoot of the low-pass second order filter, so we choose the damping factor ;F _ 0,7 The asymptotic approximation of the Bode characteristic of the low- pass second order filter is shown in fig. 3.

Fig. 3. The asymptotic approximation of the Bode characteristic of the low-pass second-order filter

From the above-mentioned partial Bode characteristics its clear, that is possible to construct the overall characteristics of the PID controller and the second-pass low-pass second order filter. Its graphical representation in asymptotic form is shown in Fig. 4.

Fig. 4. Asymptotic approximation of Bode characteristic

It has already been mentioned that the actuator is represented as a mass of the mA applied to the force Fservo.

Fig. 5. Model of actuator of ideal positioning servosystem

The dependence between the output variable of the Xservo actuator and the input variable Fservo is described by the equation:

The transfer function is then:

The corresponding Bode characteristic is shown in fig. 6. Throughout the whole frequency range, the amplitude characteristic has a slope -40dB/dek and the phase frequency characteristic is equal -n.

Fig. 6. Bode characteristics of the actuator of the positioning servosystem and Bode characteristic of open loop the positioning servosystem

Where PM - Phase margin and GM - Gain margin. Amplitude and phase margin determine the degree of stability and basicaly show, how close to the point (-1.0) is the frequency characteristic in the complex plane. Amplitude margin determines how many times the gain P of the proportional term of the PID controller can be increased before the positioning servosystem reaches the stability limit. Phase margin determines how much delay the excitation signal can afford at a given frequency before the phase delay reaches -180° and the feedback system reaches the stability limit. Amplitude and phase margin can be easily read from the Bode characteristic (Fig. 6). In our case, according to the gain of the proportional term of the PID controller, three cases can appear, which are illustrated by the Nyquist characteristic in Fig. 7.

Fig. 7. Frequency characteristic of open ideal positioning servosystem for different gain of the proportional term of the PID controller

From these frequency characteristics follows, that the permissible gain P is limited both from above and below. Therefore, a suitable gain value P must ensure sufficient margin in both amplitude and phase.

Conclusion. The aim of this article was to design a PID controller for an ideal positioning servosystem. Its design is based on equation for crossover frequencies, which allows to determine the derivative and integration constant of a PID controller for a given bandwidth. From the equation for the eigenfrequency qdp of the low-pass second order filter is determined. Finally, the specific gain P is determined to suit the amplitude and phase margin. This completes the design of the ideal positioning servosystem.

Acknowledgement. This research was funded by Slovak Grant Agency VEGA1/0872/16 "Research of synthetic and biological inspired locomotion of mechatronic systems in rugged terrain " and by project Slovak Grant Agency VEGA 1/0389/18 "Research on kinematically redundant mechanisms ".

References

1. Amerongen, J., Coelingh, E., De Vries, T. J. A. (2000). Computer support for mechatronic control system design, Robotics and autonomous systems, no 30.

2. Дstrцm, K., Hдgglund, T. (1995) PID Controllers: Theory, Design, and Tuning, USA: Instrument Society of America, Research Triangle Park, North Carolina.

3. Дstrцm, K., Murray, R. M. (2008) Feedback Systems. Library of Congress Cataloging-inPublication Data, North Carolina, ISBN 978-0-691-13576-2.

4. Bishop, R. (2002). The Mechatronics Handbook. CRC Press, ISBN 0-8493-0066-5.

5. Rankers, A. M. (1997). Machine dynamics in mechatronics systems, An Engineering Approach, Philips Electronics N. V., ISBN: 90-365-0957-2.

6. Sandin, E. P. (2003). Robot mechanisms and mechanical devices, ISBN 0-07-142928-X.

7. Fatikow, S., Rembold, U. Microsystem Technology and Microrobotics. Berlin: Springer Verlag, 1997, ISBN: 3540606580.

8. Fukuda, T., Menz, W. (1998). Micro mechanical systems, principles and technology. Amsterdam: Elsevier, ISBN: 044482363.

9. Isermann, R., Mьnchhof, M. (2003) Identification of Dynamic Systems, Springer-Verlag London Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-540-78878-2.

10. Janschek, K. Mechatronic systems design, Springer Heidelberg Dordrecht, London, ISBN 9783-642-17531-2.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Пропитка декоративных бумаг полиэфирными, акриловыми, карбамидными и меламиновыми смолами. Декоративные бумажные пластики и гетинаксы. Пропиточные установки компании Nantong New Century mechanical and Electronic Co. История, численность персонала фирмы.

    презентация [223,3 K], добавлен 24.10.2014

  • General structure of a river petroleum storage depot. Calculation of reservoirs capacity for fuel storage, selecting of reservoirs type, its equipment. Selection of fuel purification means. Equipment for fuel distributing and distributing process itself.

    контрольная работа [4,7 M], добавлен 17.11.2014

  • Назначение и цели создания автоматизируемой системы управления технологическими процессами. Приборы и средства автоматизации абсорбционной установки осушки газа. Оценка экономической эффективности применения кориолисовых расходомеров Micro Motion CMF.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 22.04.2015

  • Технологічний процес роботи автоматичної установки для сушіння вологого матеріалу сільськогосподарського призначення – бурячного жому. Застосування логічного мікропроцесорного контролера VIPA SYSTEM 200V, контури контролю та регулювання процесів.

    курсовая работа [1,7 M], добавлен 07.12.2011

  • Методы защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы. Структура и функциональные особенности автоматизированной системы контроля окружающей среды, принципы ее эксплуатации. Робот-медуза Oceanic Cleaning System.

    реферат [186,3 K], добавлен 30.03.2014

  • Описание технологического процесса фракционирования углеводородного сырья. Схема дисцилляции — фракционирования нефти. Регулирование уровня мазута в кубе ректификационной колонны. Обработка массива данных с помощью пакета System Identification Toolbox.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 28.05.2015

  • Расчет и конструирование двигателя, выбор главных размеров, расчет обмотки статора. Расчет размеров зубцовой зоны статора и выбор воздушного зазора. Моделирование двигателя в среде MatLab Power System Blockset а также с параметрами номинального режима.

    курсовая работа [331,3 K], добавлен 25.09.2009

  • Protection of technological equipment from mechanical injury. Organizational and technical measures to protect against explosions high pressure. Means automatic control and alarm, protection of the dangers of robotic manufacturing; electrical safety.

    презентация [7,9 M], добавлен 07.04.2014

  • Introduction to Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) for mobile robot. Navigational sensors used in SLAM: Internal, External, Range sensors, Odometry, Inertial Navigation Systems, Global Positioning System. Map processing and updating principle.

    курсовая работа [3,4 M], добавлен 17.05.2014

  • The principles of nonlinear multi-mode coupling. Consider a natural quasi-linear mechanical system with distributed parameters. Parametric approach, the theory of normal forms, according to a method of normal forms. Resonance in multi-frequency systems.

    реферат [234,3 K], добавлен 14.02.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.