Разработка лабораторно-исследовательской установки "упругая двухмассовая система"

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 651.8

разработка лабораторно-исследовательской установки «упругая двухмассовая система»

М.М. КОПЫЧЕВ, К. В. ИГНАТЬЕВ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Двухмассовая система, как объект для изучения, может рассматриваться одновременно с нескольких аспектов, как то: с точки зрения теории управления - как возможность программного включения регуляторов для исследования возможностей влияния на характер переходных процессов; с точки зрения механики - как объект с упругими связями; и, наконец, как математическая модель системы, обладающей определённой сферой применимости.

Введение

Важнейшей частью процесса обучения является практическая его составляющая. В целях подготовки цикла лабораторных работ по дисциплине «Теория автоматического управления», было разработано стендовое оборудование, представляющее модель упругой двухмассовой системы, работа с которой позволяла бы расширить и углубить понимание вышеназванной дисциплины студенческим составом. Работа была проведена не только по части электромеханической составляющей модели, но также было разработано программное обеспечение, которое позволяло бы осуществлять управление и регулирование с точки зрения переходных процессов в двухмассовой системе. Проблема управления решалась с помощью программно-реализованных регуляторов, как то: П- и ПИД-регулятора, модального регулятора, адаптивного регулятора и модели трёхконтурного регулятора. Математическое описание объекта управления было приближено к реальности с помощью введения искусственной нелинейности - звена с насыщением. Разработка посвящена направлению исследования в области электронных и электромеханических систем навигации и управления. Предлагаемый доклад посвящён проблемам разработки системы автоматического управления для целей демпфирования колебаний в объекте управления с упругими связями.

Решение вопросов проектирования упругой двухмассовой системы

Разработка проекта велась поэтапно. Первым пунктом была поставлена задача создания материальной составляющей системы управления, а именно: разработка принципиальной электрической схемы, создание опытного образца платы управления и анализ полученных результатов. Задачей было конструирование такой системы управления, которая позволяла бы осуществлять как автоматическое (программное), так и ручное регулирование скорости обращения двигателя постоянного тока малой мощности. Скорость обращения вала двигателя формируется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Двигатель постоянного тока, через посредство упругого звена (пружины с неизвестным заранее коэффициентом жёсткости k), передаёт энергию вращения на вал цифрового энкодера, который, в свою очередь, передаёт динамические показатели на выход системы. Было принято решение о применении микроконтроллера фирмы Atmel типа Atmega_8.

На рисунке 1 приведён чертёж макета упругой двухмассовой системы.

двухмассовый система регулятор программный

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Чертёж макета упругой двухмассововой системы

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: 1 - двигатель шаговый, 2 - энкодер цифровой, 3 - упругий элемент типа пружина, 4 - инерционный диск с грузами, 6 - основа стальная, 7 - отверстия под опорные стойки, 8 - плата управления, 9 - плата ШИМ, 10 - опорные перегородки из органического стекла.

Разводка платы управления и платы ШИМ производилась с использованием программного обеспечения фирмы Altium Design - P-CAD Builder. На рисунке 2 приведено изображение печатных плат с наименованием основных SMD и не-SMD компонентов. На рисунке 2 отмечены следующие элементы: 1 - принимающий разъём 12-канальный для подключения энкодера, 2 - аналоговые коммутаторы, 3 - разъём программатора 10-выводной, 4 - кварцевый резонатор, настроенный на частоту 11,059 МГц, 5 - микроконтроллер Atmega_8, 6 - набор SMD индикаторных светодиодов, 7 - логический элемент NAND, 8 - ШИМ, 9 - сокеты двухвыводные, 10 - тумблер включения/выключения, 11 - драйвер двигателя постоянного тока, 12 - энкодер, предназначенный для изменения скорости ротора двигателя в ручном режиме управления, 13 - тумблер переключения режима (ручное задание/автоматическое задание), 14 - плата MAX232ACWE драйвера COM-порта, 15 - COM-порт с частотой приёмо-передачи 200 Гц.

Рисунок 2 Печатная плата управления и плата ШИМ

Идея управления заключается в регулировании скорости вращения вала двигателя таким образом, чтобы с выхода энкодера получать переходную характеристику по положению любого типа. Задание скорости вращения вала двигателя и считывание данных, поступающих с выхода энкодера, в автоматическом режиме управления, осуществляется с применением интерфейса COM-порта. Известно, что упругая связь подразумевает, что при изменении угла поворота вала двигателя на произвольный угол, на выходе пассивного звена (энкодера) будут наблюдаться затухающие колебания, что означает наличие комплексных, с отрицательной вещественной частью, корней характеристического полинома передаточной функции системы. Используя концепцию регулятора скорости, можно добиться требуемого характера переходного процесса на выходе системы управления. Поэтому следующим пунктом работы было написание программного обеспечения для возможности отработки динамики системы.

На рисунке 3 приведён скриншот консоли программы. На рисунке 3 выделены следующие элементы: 1 - переключение между окнами осциллографа и редактора регулятора, 2 - модуль выбора регулятора, 3 - выбор задающего воздействия, 4 - блоки с изменяемыми характеристическими значениями, 5 - рабочая область программы, 6 - аналоговый индикатор тока якоря , [А] 7 - аналоговый индикатор скорости обращения вала двигателя постоянного тока, [об/мин], 8 - аналоговый индикатор скорости вращения вала энкодера, [об/мин], 9 - кнопка принятия изменений в структурной схеме регулятора, 10 - аналоговый индикатор положения вала энкодера, 11 - кнопки управления установкой в автоматическом режиме, 12 - индикация режима работы установки.

Рисунок 3 Интерфейс пользователя программы управления

Таким образом, используя вышеупомянутый пользовательский программный интерфейс, можно, изменяя, типы регуляторов и их параметры, а также задающее воздействие, влиять на характер переходного процесса в системе. Программа позволяет выбирать между простейшим, однако - не лишённом недостатка увеличения времени регулирования при чрезмерном увеличении коэффициента усиления, П-регулятором, или - сочетающим достоинства П- и И-регуляторов, ПИД-регулятором. Более того, возможности программы не ограничиваются лишь простейшими регуляторами. Пользователь имеет возможность выбора между модальным регулятором, адаптивным регулятором или трёхконтурным подчинённым регулированием. Вывод графиков на экран встроенного осциллографа происходит в режиме реального времени. Пользователь имеет возможность выбора интересующих его графиков из предложенного спектра характеристик системы управления. Программное обеспечение проектировалось таким образом, чтобы оставить возможность для дальнейшего расширения функциональных возможностей с целью добавления новых типов регуляторов и новых возможностей по части квалиметрических аспектов.

Таким образом, следует констатировать факт проектирования лабораторного стенда управления двухмассовой системой с целью проведения практических занятий по дисциплине «Теория автоматического управления». На рисунке 4 приведена фотография стенда в сборке.

Рисунок 4 Фотография двухмассового стенда в сборке

Количество собранных и готовых к работе стендов - 12 единиц.

Заключение

После выполнения поставленной задачи можно утверждать выполнение целей данного направления работы. Лабораторное оборудование приведено в рабочее состояние, программное обеспечение подготовлено и готово к эксплуатации. В дальнейшем планируется, на основе вышеописанной работы, спроектировать модель перевёрнутого маятника с неподвижной точкой опоры. Данный тип обратных маятников не является таким отработанным объектом, как обратный маятник на тележке или маятник с колеблющимся основанием.

Размещено на Allbest.ru