Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электроприводы современных вибрационных машин и средства управления . 14
1.1 Определение рассматриваемого класса вибромашин и анализ их развития. 14
1.2 Формирование требований к электроприводам вибрационных машин.
19
1.3 Анализ обобщенных алгоритмов управления электроприводами вибрационных машин . 25
1.4 Применение электропривода постоянного тока в вибровозбудителях вибромашин. 28
1.5 Применение электропривода переменного тока в вибровозбудителях вибромашин. 30
1.6 Применение вентильно-индукторных приводов в вибровозбудителях вибромашин. 32
1.7 Анализ современных микроконтроллерных средств управления электроприводами вибрационных машин. 35
Результаты по главе 1 44
ГЛАВА 2. Разработка математического описания электромеханических систем вибромашин. 45
2.1 Комплексная технология построения математических моделей электромеханических систем вибромашин 45
2.2 Математическая модель динамики типовой вибрационной машины. 48
2.3 Учет динамики электронной и электромагнитной подсистем в модели вибрационной машины. Методика соединения электронной, электрической и механической подсистем . 51
2.4 Математическая модель электроприводов роторов вибровозбудителей.
62 2.5 Математическая модель функционирования вибрационной машины с учетом электронной и электрической подсистем. 67
2.6 Проверка адекватности математической модели динамики вибромашины. 66
2.7 Построение упрощенной модели динамики вибромашины 68
Результаты по главе 2 73
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов управления электроприводами вибрационных машин . 74
3.1 Проблемы и задачи управления электроприводами вибрационных машин. 74
3-2 Типовые режимы работы двух роторной не управляемой вибрационной машины. 75
3.3 Проблема возбуждения колебаний. Эффект Зоммерфельда. 79
3.4 Синтез обобщенного алгоритма управления приводами вибрационной машины. 83
3.5 Синтез алгоритма управления электроприводами вибромашин для микроконтроллерных систем управления 92
3.6 Синтез координатно-параметрического управления приводами вибромашин, для прохождения резонансной зоны 95
3.7 Синтез алгоритмов управления для рабочих режимов вибрационных машин. 99
3.8 Обеспечение грубости синхронизации вибровозбудителей. 104
Результаты по главе 3 ПО
ГЛАВА 4. Реализация системы управления электроприводами и экспериментальные исследования на вибрационном стенде . 112
4.1 Краткая техническая характеристика механической части вибрационного стенда СВ-2. 113
4.2 Реализация микропроцессорной системы управления вибрационным стендом СВ-2. 116
4.3 Исследование с применением математической модели динамики вибромашины. 120
4.4 Экспериментальные исследования на вибрационном стенде. 123
4.5 Исследование неуправляемых режимов пуска вибрационного стенда.124
4.6 Исследования неуправляемых технологических режимов вибрационного стенда. 132
4.7 Исследования синхронизации двух вибровозбудителей. 134
4.8 Исследования пуска двухроторного вибростенда с локальным управлением по скорости электродвигателей. 137
41;
4.9 Исследования пуска двухроторного вибростенда с вибростенда с
системой управления содержащей центральный регулятор. 144
4.10 Исследования рабочих режимов двухроторного вибростенда с системой управления содержащей центральный регулятор. 145
4.11 Исследование автоматического управления частотой колебаний рабочего органа. 149
Результаты по главе 4. 150
Заключение 152
Список использованных источников 154
Приложение 162
- Анализ обобщенных алгоритмов управления электроприводами вибрационных машин
- Учет динамики электронной и электромагнитной подсистем в модели вибрационной машины. Методика соединения электронной, электрической и механической подсистем
- Синтез алгоритма управления электроприводами вибромашин для микроконтроллерных систем управления
- Реализация микропроцессорной системы управления вибрационным стендом СВ-2.
Введение к работе
Реализация современных вибрационных технологий предъявляет качественно новые требования к электротехническому оборудованию, в первую очередь к электроприводам вибрационных машин. Вибромашины широко используются в различных отраслях промышленности: в горнорудной, горно-химической, угольной, при производстве строительных материалов и в ряде других отраслей.
Вибрационные машины, в которых колебания рабочего органа порождаются двумя центробежными возбудителями, детально изучены в работах И.И. Блехмана, Б.П. Лаврова, Р.Ф. Нагаева, задачи управления вибромашинами освещены в работах А.Л. Фрадкова, В.М. Шестакова, О.П. Томчиной. На сегодняшний день подавляющее большинство вибромашин не имеет автоматического (или автоматизированного) управления параметрами вибрации. Некоторое регулирование параметров колебаний осуществляется либо изменением величины дебалансов вращающихся роторов, либо изменением жесткости упругих элементов. Таким образом, большие потенциальные возможности регулирования параметров вибрации за счет управления электроприводами остаются нереализованными.
Узкие диапазоны существующих способов регулирования препятствуют требующемуся на сегодняшний день расширению технологических режимов и ограничивают область эффективного применения вибромашин. Существенное расширение указанных диапазонов и повышение технологичности работы вибромашин можно достичь за счет автоматического регулирования параметров движения со стороны электроприводов. Таким образом, актуальной задачей является разработка замкнутых систем управления электроприводами вибромашин, основанная на современных достижениях в теории управления и на появлении высокоэффективных средств силовой электроники, контрольно-измерительной и вычислительной техники.
7 Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности работы вибрационных машин за счет расширения технологических режимов. Расширение технологических режимов включает в себя: возможность вибромашины перейти с одного технологического режима на другой, используя средства управления электроприводами и повышение грубости рабочих режимов. Одним из путей достижения поставленной цели является разработка системы управления электроприводами вибромашин.
Основная задача данной диссертационной работы - это разработка системы управления электроприводами вибромашин для повышения эффективности работы вибромашин. Система управления должна обеспечивать выполнение следующих условий: достижение заданных режимов, умение преодолевать резонансные зоны, обеспечивая при этом должную безопасность работы вибрационной установки; расширение технологических режимов вибромашин, обеспечивая колебания рабочего органа в переделах 10-25 Гц; стабилизацию параметров колебаний рабочего органа при вариации массы перерабатываемого материала; повышение эффективности рабочих режимов вибромашин за счет использования особенностей динамики вибромашин.
Для синтеза законов управления выделим в рабочем цикле вибромашины три режима: пуск, разгон электроприводов до околорабочих скоростей и технологический режим с заданной частотой колебания рабочего органа. Требования к системе управления в этих режимах во многом противоречивы, а именно: при пуске и начальном разгоне необходимо навязывать роторам динамику движения со стороны приводов, дальнейший разгон производить с учетом собственной динамики вибромашины, а в технологическом режиме целесообразно максимально использовать собственную динамику системы.
8 Основная сложность в разработке такой системы управления заключается в: нелинейности динамических характеристик механической части; колебательных режимах работы с проявлением сильных резонансов; динамической взаимосвязи по входам.
Последние исследования в этой области показали, что для осуществления эффективного управления необходимо также учитывать взаимосвязь динамики механических и электромагнитных процессов, то есть рассматривать вибрационную установку как мехатронный объект.
Проектирование системы автоматического регулирования базируется на подходе к исследованию многодвигательных электромеханических систем со сложной кинематикой. Этот подход целесообразно называть мехатронным, поскольку он включает в себя методы построения высокоадекватных моделей динамики систем с учетом неразрывной связи механических и электромагнитных процессов в системе, результаты теории управления и вибрационной механики, а также современные микроконтроллерные средства управления.
Достигнутый на сегодня уровень развития теории управления, теории колебаний, теории электроприводов, в совокупности с уровнем технических средств управления, электроники и электрических машин позволяет утверждать о реальности создания вибрационных машин с регулируемыми параметрами средствами автоматического управления.
Некоторые из перечисленных задач решались в работах проф. Н.Х.Базарова [10,11], ученых Санкт-Петербургского политехнического университета А. С. Кельзона, Л. М. Малинина, А. А. Первозванского [48,65], работах профессоров ИПМаш РАН И. И. Блехмана [17, 18, 19], Б Л. Лаврова [53], А. Л. Фрадкова [77,78,91], Санкт-Петербургского института машиностроения В. М. Шестакова, О. П. Томчиной, О. Л. Нагибиной [75,86,87,90,92], а также в работах ряда зарубежных авторов [29, 93]. Кроме того, необходимо отметить труды в областях, близких к исследуемой: это
9 системы приводов с упругими связями и следящие системы. Здесь большая роль принадлежит таким ученым, как проф. Ю. А. Борцов [23, 25, 26], В. Л. Вейц [30,31,32,33], С. А. Ковчин [50,52], А. Е. Козярук, Л. Н. Рассудов, В. А. Новиков, О. А. Соколов, Г. Г. Соколовский, В.В. Путов, Н. Д. Поляхов и др.
При решении вышеизложенных задач, а также для экспериментальной проверки полученных результатов, в качестве исследовательской установки был выбран стенд СВ-2, находящийся в государственном электротехническом университете и разработанный группой специалистов ИПМАШ РАН, СПбГЭТУ, СПбГБТУ, СпбИМаш в процессе выполнения Федеральной целевой программы «Интеграция» (проект А-0151 и № 226). Стенд предназначен для демонстрации механических эффектов и приемов управления вращательными и колебательными движениями, выполнения работ по исследованию вибрационных процессов и машин, а также может использоваться как электромеханическая модель при решении задач управления, в том числе автоматического и программируемого, в составе комплекса, включающего микропроцессор и компьютер. Данный стенд является двухроторным, что позволяет существенно расширить диапазон его работы, и, соответственно, возможности исследования колебательных режимов мехатронных систем.
В соответствии с изложенными задачами диссертационная работа включает следующие основные направления исследований:
1. Анализ проблем управления электроприводами современных вибрационных машин. Обзор типов электроприводов, применяющихся в вибромашинах и средств управления ими.
2. Создание математического описания и построение необходимой математической модели динамики двухроторной вибрационной машины для последующего исследования в процессе имитационного моделирования на ЭВМ.
Разработка концепции построения микропроцессорной системы управления приводами двухроторной вибромашины. Реализация микропроцессорной системы управления приводами вибромашины.
Разработка и исследование алгоритмов управления вибромашинами в режимах пуска, прохождения резонансной зоны и рабочих режимах.
Экспериментальные исследования алгоритмов управления приводами вибромашин на вибрационном стенде СВ-2.
Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
Выявлены нелинейные взаимосвязи динамики электромагнитных и механических процессов в электроприводах вибромашин для различных режимов работы, позволяющие анализировать различные эффекты и явления, происходящие в нелинейных колебательных системах.
Сформулированы требования к электроприводам вибромашин с учетом взаимосвязи динамических процессов и технологических режимов работы вибромашин.
Разработана двухуровневая структура системы управления электроприводами двухроторных вибромашин.
Предложены алгоритмы управления электроприводами, обеспечивающие разгон вибровозбудителей и плавный выход в технологический режим работы.
Предложены алгоритмы управления электроприводами вибромашин, обеспечивающие робастность технологического режима работы.
Практическая ценность работы заключается в последовательном решении ряда взаимосвязанных задач по разработке и технической реализации систем управления электроприводами вибрационных машин - от анализа режимов работы электроприводов вибромашин до синтеза и реализации централизованной системы управления двухроторной вибромашиной.
Основные теоретические и практические положения диссертации были изложены:
На VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» Санкт-Петербург, 18 марта 2004г.
На 15 научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» Санкт-Петербург 7 апреля 2004г.
На ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЭТУ-ЛЭТИ (№56, 57) Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.
На научных семинарах кафедры САУ ЭТУ-ЛЭТИ 2001-04г.
Часть результатов была использована в НИР Центр коллективного пользования «Мехатронные вибрационные и мобильные системы», выполненной в рамках Федеральной Целевой Программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки" (проекты А-0151 и № 226).
Основные результаты изложены в ходе выполнения НИР «Развитие мехатронного подхода к построению автоматических приводов сложных электромеханических систем» в рамках гранта 2003 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования Министерства образования Российской Федерации.
Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих печатных работах:
1. Гаврилов СВ., Косолапов Д.С. Разработка системы управления двухроторного вибростенда: Тезисы докладов// Международная научно-техническая конференция "XI Бенардосовские чтения", 4-6 июня 2003 г. - Иваново: 2003. - II том с. 19.
Джаббаров А.Д., Косолапов Д.С, Кьен Ч.С. Использование высокоадекватных математических моделей динамики, при анализе многодвигательных мехатронных систем. Труды// Международная школа-семинар "Адаптивные Роботы-2004", 9-11 июня 2004.- Москва-Санкт-Петербург: 2004.- С. 100-103.
Косолапов Д.С. Построение микропроцессорной системы управления вибрационным стендом. Труды// Первая всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление», 28-30 июня 2004, Владимир — Москва: 2004.- С. 395-397.
Косолапов Д. С Информационная система перспективного виброгрохота. Тезисы докладов// Всероссийская научно-техническая конференция «Современные информационные технологии в управлении» 7-10 октября 2003.- Махачкала: 2003,- С. 117. Chan Xuan Kien, Dmitry S. Kosolapov, Aivar D, Djabbarov. Effects and phenomenons in a two-motor vibration machine with microprocessor control (Эффекты и явления в друхроторной вибромашине с микроконтроллерным управлением).// 10th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad).- St. Petersburg: 2004. -С 84.
Гаврилов СВ., Косолапов Д.С. Энергосберегающее управление приводами вибромашин. Сборник докладов// Вторая Всеросийская научная конференция «Управление и информационные технологии УИТ-2004», 21-24 сентября 2004. - Пятигорск: 2004.- Том 2, - С.127-131.
Гаврилов СВ., Косолапов Д.С. Микроконтроллерное управление синхронизацией электроприводов. Сборник докладов// Седьмая Всероссийская научно-практическая конференция "Экстремальная
13робототехника", 6-7 апреля 2004.- Санкт-Петербург: 2004 - Том 4, С.449-455. 8. Гаврилов СВ., Косолапов Д.С. Микропроцессорная система управления электроприводами вибрационных машин.//
Информационно-измерительные и управляющие системы. - М.: Радиотехника, 2004 - № б, - Том 2, - С. 36. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждается результатами имитационного моделирования динамики двухроторной вибромашины с использованием программы MATLAB и SIMULINK, а также экспериментальными исследованиями на исследовательском вибрационном стенде СВ-2.
Анализ обобщенных алгоритмов управления электроприводами вибрационных машин
Рассмотрим с учетом отмеченных выше особенностей типовые сигналы управления, отрабатываемые электроприводами вибромашин :в различных режимах. Традиционная локальная система управления электроприводами формирует управляющий сигнал только по "своим" для каждого привода переменным. Возьмем процедуру пуска виброустановки, состоящую из двух стадий: преодоление резонанса и выход в режим вращения с заданной угловой частотой о . Соответственно алгоритм управления строится исходя из двух режимов работы - режима максимальной мощности, при котором электропривод должен развить момент больше вибрационного момента дебаланса, и режима непрерывного управления.
Если требуется поддержание частоты вращения, то непрерывное управление имеет вид убывающей со временем до некоторого значения функции 5"(t); если требуется передача дополнительной энергии (разгон), то непрерывное управление можно описать в виде соответствующей возра -(( стающей функции 6+(t).
Применение алгоритмов программного управления типа (1.1) , наталкивается на трудности их расчета. Для расчета требуется знание математической модели управляемого объекта - электродвигателя и механической части вибромашины. Даже при использовании грубых линеаризованных математических моделей такой расчет затруднен. Если же учитывать нелинейности (а даже простейшая маятниковая модель неуравновешенного ротора является нелинейной), то может оказаться, что имеющейся мощности двигателя недостаточно для преодоления силы тяжести дебаланса. Поскольку частота собственных (нормальных) колебаний нелинейной системы зависит от их амплитуды» вместо обычного резонанса возникает так называемый нелинейный резонанс, характеризующийся сложными, часто хаотическими движениями системы [54,56, 57].
Оказывается, если перейти от алгоритмов программного управления (1.1) к алгоритмам с обратной связью (1.2) по измерениям угла поворота ротора, то возможно существенное уменьшение мощности управления, требуемой для преодоления резонанса за счет специальных алгоритмов. Задача синтеза алгоритмов прохождения зоны резонанса и выхода в рабочий режим является существенно нелинейной. Решению возникающих нелинейных задач синтеза алгоритмов управления посвящена глава 3.
Проблема прохождения через резонансную зону, в процессе которой значительно увеличивается амплитуда колебаний рабочего органа, решалась при проектировании вибрационных установок с помощью конструктивных мер, а также с помощью метода так называемого "двойного пуска" [34]. Метод "двойного пуска" основан на введении в цепь управления двигателя реле времени для отключения и повторного включения двигателя в определённые моменты времени. Однако данные моменты времени рассчитывают заранее, и по существу данный подход представляет собой способ программного управления, характеризующийся значительной сложностью расчетов и чувствительностью к погрешностям модели и помехам.
Разомкнутый по скорости двигателя привод наиболее характерен для традиционных вибромашин. В большинстве вибромашин оба привода не имеют обратной связи по положению и скорости вращения двигателей; имеется только обратная связь по току двигателей.
При выборе приводных электродвигателей для обычных вибрационных машин, как правило, ориентируются на пусковой режим, и это приводит к тому, что на машине устанавливают электродвигатели, мощность которых в 1,5- 2 раза выше необходимой в установившемся режиме. Также для обеспечения нормального пуска применяют двигатели с повышенным пусковым моментом. Управление в таком случае можно записать в виде где tnycK время прохождения резонансной зоны.
Прямой с максимальным моментом со стороны электропривода обеспечивает быстрый проход за резонансную зону, но такой пуск протекает с перегрузкой. Для машин большой мощности подобные режимы недопустимы.
Не менее важной, чем задача расчета управляющего сигнала, является задача его реализации, т. е. конструирования системы, приводящей в движение установку. Рассмотрим наиболее широко применяемые в промышленности системы электропривода.
Учет динамики электронной и электромагнитной подсистем в модели вибрационной машины. Методика соединения электронной, электрической и механической подсистем
. В уравнения (2.16) входит столбец управляющих усилий U = т (U7,U8) , вырабатываемых электроприводами вибромашины. Описание динамики традиционно базируется на использовании структурных схем или операторных многочленов. В целях достижения единообразия математического описания механической и электромагнитной частей системы, вторая часть модели представлена в виде дифференциальных уравнений второго порядка, связывающих основные переменные и постоянные характеристики приводов. Это привело к возможности создания единой электромеханической модели динамики стенда в виде уравнений (2.16) путем добавления к "механическим" обобщенным координатам обобщенных координат "электрического" происхождения. Программа интегрирования и исследования уравнений движения (4.15) (4.17) предоставляет возможность получить следующую информацию:
1. Печать "окна диагностики" в виде временных графиков кинетической энергии (для основания, роторов и их суммы), потенциальной и общей энергии системы, кинетических винтов основания, роторов и их суммы, координат радиус-вектора центра масс системы и нормальных усилий в подшипниках роторов;
2. Печать временных графиков каждой из восьми обобщенных координат системы, их скоростей и ускорений, а также фазового портрета по каждой координате (проекции 16-мерного фазового портрета системы на двумерную фазовую плоскость каждой обобщенной координаты);
3. Печать всех вышеуказанных фазовых портретов в режиме comet;
4. Печать трехмерного конфигурационного портрета параллельного переноса носителя в инерциальной системе координат в фиксированном режиме и режиме comet;
5. Печать трехмерного конфигурационного портрета углов вращения носителя в инерциальной системе координат в фиксированном режиме и режиме comet;
6. Вычисление и печать временной зависимости разности абсолютных величин углов вращения роторов;
7. Вычисление и печать временной зависимости разности абсолютных величин скоростей углов вращения роторов;
8. Печать в фиксированном режиме и режиме comet зависимости результатов п.7 от результатов п.6 (фазовая диаграмма "разность модулей скоростей углов вращения роторов - разность модулей самих углов вращения роторов");
9. Печать временных графиков тока и напряжения в якорях электродвигателей, а также моментов на осях роторов;
10. Интегрирование и исследование уравнений движения системы тел при отсутствии разных групп инерционных обобщенных сил, т. е. в виде A(q)q = T,+Tpf+Tfm+Tfp+U, B(q,q) = Tq+Tpr+Tfm+Tp+U;
П. Решение любых задач управления движением системы, ориентированных на численные методы моделирования.
В механике систем твердых тел основную роль играют инерционные слагаемые уравнений движения A(q)q+B(q,q). Подавляющее большинство эффектов движения системы определяются квадратичными слагаемыми B(q,q). Поэтому основное внимание при тестировании механической части модели уделялось проверке правильности конструирования и вычисления матриц A(q)q и B(q,q).
Рассматриваемый способ конструирования математической модели дает возможность использовать следующие алгоритмы тестирования [46,67]: 1. Для каждой из указанных матриц использовалось несколько различных алгоритмов конструирования и вычисления (два - для матрицы A(q) и три матрицы B{q,q)). Для матрицы A(q) имеем:
Синтез алгоритма управления электроприводами вибромашин для микроконтроллерных систем управления
Из анализа литературы [4,6,19] выявлено, что использование управления с глубокой обратной связью по скорости вращения вибровозбудителей является приемлемым решением проблем управления электроприводами вибромашин. Применение стандартного метода ПИД-регулировния с последующим изменением по времени настроек регуляторов согласно (3.13) позволяет создать эффективный алгоритм управления, который можно легко реализовать в виде программного обеспечения для микроконтроллера.
Показано, что в режиме пуска и прохождения через резонансную зону эффективным решением является использование локальных регуляторов для электроприводов с глубокой обратной связью. Локальные регуляторы реализуют ПИД- или ПИ- закон управления с постоянными коэффициентами. При этом необходимо учитывать ограничения электроприводов, в первую очередь по току.
В непрерывном времени уравнение ПИД-регулятора имеет вид где введены следующие обозначения: К - коэффициент передачи, Т\ -постоянная интегрирования; То - постоянная дифференцирования. Для наглядности запишем уравнение 3.14 в терминах передаточной функции:
W(p) = K + -+ Такт квантования в системе управления вибровозбудителями по сравнению с динамикой привода достаточно мал, т. к. микроконтроллер CI67CR-LM обладает достаточной производительностью. Для малых тактов квантования Т0) уравнение (3.19) можно преобразовать в разностное с помощью дискретизации, состоящей в замене производной разностью первого порядка, а интеграла — суммой. Непрерывное интегрирование может быть заменено интегрированием по методу прямоугольников или трапеций. При использовании метода прямоугольников получаем
Таким образом, мы получили нерекуррентньтй алгоритм управления. В нем для формирования суммы необходимо помнить все предыдущие значения сигнала ошибки e(t). Поскольку каждый раз значение управляющего сигнала u(k) вычисляется заново, этот алгоритм называют «позиционным».
Однако для программирования на микроконтроллере более удобны рекуррентные алгоритмы. Эти алгоритмы отличаются тем, что для вычисления текущего значения управляющей переменной u(k) используются ее предыдущее значение u(k—1) и поправочный член. Для получения рекуррентного алгоритма достаточно вычесть из уравнения (3.20) следующее уравнение: Теперь вычисляется только текущее приращение управляющей переменной:
Ди( ) = и( )-и(А-1), (3.23) поэтому этот алгоритм называют «скоростным». Для уменьшения больших изменений управляющей переменной при резких изменениях задающего сигнала, задающее воздействие исключают из дифференцирующего члена. В результате этого вместо обычного алгоритма ПИД-регулятора используем алгоритм: Используем модифицированный алгоритм: и{к)-и{к-\) = К где e(k)=w(k)-y(k). Дополнительного уменьшения амплитуды управляющей переменной добиваются, оставляя значение задающего сигнала только в интегрирующем члене алгоритма
В последнем алгоритме, кроме того, предпочтительнее использовать сигнал е(к) вместо е(к-1). Рассмотренные модифицированные алгоритмы менее чувствительны к высокочастотным составляющим сигнала w(k) по сравнению с сигналом у(к). Поэтому параметры регуляторов, полученные в результате оптимизации для определенных типов возмущений, например, для возмущений на входе объекта и на входе системы, будут отличаться незначительно. Существенные изменения управляющей переменной могут быть также уменьшены путем ограничения скорости изменения задающей и (или) управляющей переменной. Поскольку такие ограничения оказываются эффективными для всех типов возмущений, их применение предпочтительнее, чем использование модифицированных алгоритмов управления, описываемых уравнениями (3.25) и (3.26).
Другие модификации алгоритмов управления состоят в различных способах реализации дифференцирующей части. Часто регулируемая переменная содержит относительно высокочастотный шум, который не измеряется, что приводит к нежелательным существенным колебаниям управляющей координаты, если дифференцирующая часть алгоритма сформирована с использованием первой разности в нерекуррентной форме (3.20)
Реализация микропроцессорной системы управления вибрационным стендом СВ-2.
Структура системы управления вибрационного стенда показана на рис.4.2. Ее можно разделить на два уровня. Первый уровень управления реализуется на микроконтроллере, а второй на персональном компьютере в среде MATLAB. Основной задачей первого уровня управления является обеспечение приема сигналов с датчиков, вычисление по алгоритмам, представленным в главе 3, управляющих воздействий и выдача управляющих сигналов на электроприводы дебалансвов. Второй уровень служит для отображения и записи процессов, происходящих при работе вибрационного стенда для исследовательских целей.
Вибрационный стенд состоит из платформы, подвешенной на виброизоляторах, двух двигателей постоянного тока с дебалансами Дб( и Д62 и блока управления, включающего в себя микроконтроллер С167 CR-LM фирмы Infineon, как управляющее устройство. Блок управления представляет собой систему с многоуровневыми связями, внешним контуром которой является контур скорости вращения двигателей.
Основным элементом микропроцессорного блока управления является микроконтроллер С167 CR-LM. Он отвечает за выработку управляющих воздействий, прием и обработку сигналов с датчиков и прием команд от контура второго уровня. Его программное обеспечение разработано в пакете Keil jiVision 2. С167 CR-LM является улучшенным представителем 16-разрядного семейства однокристальных микроконтроллеров фирмы Infineon. В нем сочетается высокая производительность центрального процессора с высокой функциональностью периферийных модулей.
Плата KitCON-167 фирмы PHYTECH (рис.4.3) содержит микроконтроллер С167 CR-LM, оперативную память (RAM) - 64Кб и постоянную (FLASH) - 256Кб, два разъема DB9, 16 светодиодов, которые подключены к порту Р2, и два светодиода для индикатора питания и состояния.
Подключение платы к компьютеру осуществляется стандартным кабелем RS-232, соединяющим один из СОМ портов компьютера с разъемом Р1. Питание платы осуществляется от источника питания напряжением 8-12В постоянного тока, при этом плата потребляет ток до 500 мА. После подключения питания загорается соответствующий индикатор.
Конфигурирование платы осуществляется путем установки переключателей, на схеме их местоположение обозначено JPx. По умолчанию переключатели установлены таким образом, чтобы после сброса контроллер ожидал приема управляющей программы по интерфейсу RS-232 (разъем Р1). Данный режим называется bootstrap, или режим начальной загрузки.
Программное обеспечение контроллера состоит из трех модулей. Первый модуль представляет собой блок логических правил, переключающий динамические законы управления в зависимости от режима работы вибрационной установки. Второй модуль реализует функцию регулятора скорости вращения двигателей. Последний модуль отвечает за прием сигналов и обработку сигналов от датчиков. Работа блока построена таким образом, что три модуля действуют одновременно. Это позволяет вырабатывать управляющее воздействие с частотой 1,5 кГц и оставить запас вычислительной мощности.
Двунаправленный интерфейс передачи данных между микроконтроллером и компьютером имеет возможность передавать команды и данные в реальном времени. Интерфейс выполнен на основе последовательного порта со скоростью передачи данных 57600 бод. Он позволяет получать сигналы от двух датчиков скорости и двух датчиков ускорения платформы и обрабатывать эти сигналы в пакете MATLAB. В системе реализован оригинальный протокол обмена между микроконтроллером и компьютером. Он представляет собой набор команд для управления микропроцессорной системой. Эти команды могут передаваться в общем потоке данных. Они незамедлительно обрабатываются микроконтроллером и остаются в его памяти, как текущая настройка блока управления.
При создании системы управления была принята концепция выбора датчиков без аналоговых выходов. Это позволило увеличить быстродействие блока, исключить медленное аналого-цифровое преобразование и упростить электрическую схему блока. Для получения информации о положении и скорости вращения электроприводов были использованы двухразрядные энкодеры с разрешением 128 импульсов на оборот. Каждый датчик вырабатывает последовательности импульсов с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора. Эта последовательность поступает в блок захвата микроконтроллера, где измеряется скважность импульсов. Далее эта величина считывается программой обработки сигналов, и по ней вычисляется скорость вращения дебалансов. Точность датчика зависит от количества импульсов на оборот для угловой величины и от разрешения таймеров микроконтроллера для измерения скорости вращения. В вибрационном стенде были использованы импульсные датчики фирмы Bourns, с их помощью была достигнута точность измерения скорости вращения ±4 об/мин.
Во время разработки системы управления и, в частности, измерительной подсистемы возникла задача выявления сигналов в присутствии случайных помех. Для ее решения используют методы фильтрации, позволяющие отделить сигналы от сопровождающих их шумов. Обычно полагают, что на полезный сигнал s(k) накладывается аддитивная помеха n(k), в то время как. измеряется только искаженный сигнал y(k)=s(k)+n(k). В разрабатываемой системе, требуется только текущее усреднение значений сигналов. Для этой цели можно использовать алгоритм усреднения с конечной памятью. Обработке подвергаются только N последних измерений сигнала 1 к s(k) = — ]Г;КО- Для стабильной работы системы управления данные с датчиков проходят дополнительную обработку, т. к. не всегда происходит своевременный захват импульсной последовательности. Это связано с конструктивными особенностями системы управления и с работой формирователя импульсов. Иногда в процессе измерений появляются отдельные ошибочные данные, весьма сильно отличающиеся от нормальных результатов. Ложные результаты не имеют отношения к обычным отклонениям регулируемой переменной и, следовательно, не должны сказываться на работе системы управления. От этих неблагоприятных воздействий удалось избавиться введением в систему управления фильтра аномальных выбросов.
