Aké sú riadiace algoritmy používané vo vysokorýchlostnom regulátore servomotora?

Ahoj! Ako dodávateľ vysokorýchlostných servomotorov som v poslednej dobe dostával veľa otázok o riadiacich algoritmoch používaných v ovládačoch vysokorýchlostných servomotorov. Tak som si myslel, že si nájdem chvíľku a rozoberiem ti to.

Najprv si povedzme, čo je servomotor. Servomotor je typ motora, ktorý dokáže presne ovládať svoju polohu, rýchlosť a zrýchlenie. Bežne sa používa v aplikáciách, kde sa vyžaduje presné riadenie pohybu, ako je robotika, CNC stroje a automatizované výrobné systémy. Vysokorýchlostné servomotory, ako už názov napovedá, sú navrhnuté tak, aby fungovali pri veľmi vysokých rýchlostiach pri zachovaní tejto presnosti.

Teraz k riadiacim algoritmom. Toto sú mozgy za činnosťou ovládača servomotora, ktoré určujú, ako motor reaguje na rôzne vstupy a príkazy. Vo vysokorýchlostných regulátoroch servomotorov sa používa niekoľko typov riadiacich algoritmov, z ktorých každý má svoje silné a slabé stránky.

Algoritmus riadenia PID

Jeden z najpoužívanejších riadiacich algoritmov v regulátoroch servomotorov je proporcionálny - integrálny - derivačný (PID) riadiaci algoritmus. Je to klasika a z dobrého dôvodu. PID regulátor funguje tak, že vypočítava chybovú hodnotu ako rozdiel medzi požadovanou požadovanou hodnotou a aktuálnou procesnou premennou (ako je poloha alebo rýchlosť motora).

Proporcionálny člen (P) je úmerný aktuálnej chybe. Ak je chyba veľká, regulátor vykoná veľké nápravné opatrenie. Integrálny člen (I) akumuluje chybu v priebehu času a pomáha eliminovať akúkoľvek chybu v ustálenom stave. Odvodený člen (D) je založený na rýchlosti zmeny chyby. Pomáha tlmiť oscilácie a zlepšuje stabilitu systému.

Vzorec pre PID regulátor je:
[u(t)=K_p e(t)+K_i\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau + K_d\frac{de(t)}{dt}]
kde (u(t)) je riadiaci výstup, (e(t)) je chyba v čase (t), (K_p) je proporcionálne zosilnenie, (K_i) je integrálne zosilnenie a (K_d) je derivačné zosilnenie.

Výhodou PID regulátora je jeho jednoduchosť a univerzálnosť. Dá sa jednoducho vyladiť tak, aby dobre fungovala v širokej škále aplikácií. Nemusí to byť však najlepšia voľba pre veľmi rýchle alebo vysoko dynamické systémy, pretože niekedy môže mať problém držať krok s rýchlymi zmenami.

Ovládanie fuzzy logikou

Ďalšou zaujímavou možnosťou je ovládanie fuzzy logikou. Na rozdiel od PID regulátora, ktorý používa presné matematické rovnice, je riadenie fuzzy logikou založené na fuzzy množinách a fuzzy pravidlách. Dokáže efektívnejšie spracovať nepresné alebo neisté informácie.

Vo fuzzy logickom regulátore sú vstupné premenné (ako chyba a rýchlosť zmeny chyby) najskôr fuzzifikované, čo znamená, že sú priradené rôznym fuzzy množinám s hodnotami príslušnosti. Potom sa na určenie výstupu použije súbor fuzzy pravidiel. Nakoniec je výstup defuzzifikovaný, aby sa získala ostrá hodnota, ktorú možno použiť na ovládanie motora.

Napríklad fuzzy pravidlo môže byť niečo ako: "Ak je chyba veľká a rýchlosť zmeny chyby je pozitívna, potom by mal byť výstup kontroly veľký a pozitívny."

Výhodou riadenia fuzzy logikou je, že sa dokáže dobre prispôsobiť meniacim sa podmienkam a nevyžaduje presný matematický model systému. Vyladenie regulátora fuzzy logiky však môže byť v porovnaní s regulátorom PID zložitejšie a subjektívnejšie.

Riadenie neurónovej siete

Riadenie neurónovou sieťou je pokročilejší prístup. Neurónové siete sú inšpirované ľudským mozgom a môžu sa naučiť modelovať zložité vzťahy medzi vstupmi a výstupmi. V kontexte ovládača servomotora môže byť trénovaná neurónová sieť na mapovanie požadovanej polohy alebo rýchlosti na príslušné riadiace signály pre motor.

Neurónová sieť pozostáva z viacerých vrstiev vzájomne prepojených neurónov. Vstupná vrstva prijíma vstupné dáta, skryté vrstvy vykonávajú výpočty a výstupná vrstva vytvára riadiaci výstup. Počas tréningového procesu neurónová sieť upravuje svoje váhy na základe súboru tréningových dát, aby sa minimalizovala chyba medzi skutočným výstupom a požadovaným výstupom.

Výhodou riadenia neurónovou sieťou je schopnosť zvládnuť vysoko nelineárne a zložité systémy. Dokáže sa časom prispôsobiť zmenám v systéme a poučiť sa zo skúseností. Trénovanie neurónovej siete však môže byť časovo náročné a vyžaduje veľké množstvo dát.

Prediktívne riadenie modelu (MPC)

Model Predictive Control je stratégia riadenia, ktorá využíva model systému na predpovedanie jeho budúceho správania. V každom časovom kroku regulátor vypočítava optimálnu riadiacu sekvenciu v rámci konečného predikčného horizontu, aby sa minimalizovala nákladová funkcia. Nákladová funkcia zvyčajne berie do úvahy faktory, ako je chyba medzi požadovaným a skutočným výstupom, úsilie na riadenie a akékoľvek obmedzenia systému.

MPC si veľmi dobre poradí s obmedzeniami a multivariabilnými systémami. Dokáže tiež predvídať budúce zmeny v systéme a podľa toho upravovať riadiace akcie. Vyžaduje si to však presný model systému a môže byť výpočtovo nákladný, najmä pri rozsiahlych systémoch.

Ktorý algoritmus je pre vás ten pravý?

Aký riadiaci algoritmus by ste si teda mali zvoliť pre váš vysokorýchlostný ovládač servomotora? No, to závisí od vašej konkrétnej aplikácie. Ak hľadáte jednoduché a spoľahlivé riešenie, PID regulátor môže byť dobrou voľbou. Je široko používaný a ľahko pochopiteľný a laditeľný.

Ak má vaša aplikácia veľa neistoty alebo vyžaduje vysoký stupeň prispôsobivosti, lepšou možnosťou môže byť riadenie fuzzy logikou alebo riadenie neurónovou sieťou. Dokážu efektívnejšie zvládať zložité a meniace sa podmienky.

Pre aplikácie, kde potrebujete zvládnuť obmedzenia a multivariabilné systémy, môže byť prediktívne riadenie modelu tou správnou cestou. Dokáže optimalizovať riadiace akcie na základe budúceho správania sa systému.

Naše vysokorýchlostné servomotory

Ako dodávateľ vysokorýchlostných servomotorov ponúkame širokú škálu produktov, ktoré vyhovujú vašim potrebám. Pozrite si našeServomotor sústruhu s ovládaním pohonu, ktorý je určený pre aplikácie presného obrábania. Ak potrebujete motor s vysokou rýchlosťou otáčania, nášServo motor 4000 ot./minje skvelá možnosť. A pre tých, ktorí hľadajú motor, ktorý beží na 220 V 3-fázovom napájaní, máme tento3-fázový servomotor 220V.

Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich vysokorýchlostných servomotoroch alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa riadiacich algoritmov, neváhajte nás kontaktovať. Sme tu, aby sme vám pomohli nájsť dokonalé riešenie pre vašu aplikáciu. Či už ste malý výrobca alebo veľká priemyselná spoločnosť, môžeme vám poskytnúť produkty vysokej kvality a podporu, ktorú potrebujete. Začnime rozhovor a uvidíme, ako môžeme spolupracovať na zlepšení vašich systémov riadenia pohybu.

Referencie

• Ogata, K. (2010). Moderné riadiace inžinierstvo. Prentice Hall.
• Dorf, RC, & Bishop, RH (2017). Moderné riadiace systémy. Pearson.
• Li, Z. a Wang, X. (2018). Dizajn pokročilých riadiacich systémov. Springer.