12.1. Schemat blokowy stanowiska doświadczalnego dla badania możliwości sterowania silnikami elektrycznymi różnych typów przez sieć TCP/IP Ethernet

Transkrypt

1 Sterowanie silnikiem prądu stałego via Internet stanowisko badawcze oraz wyniki eksperymentów laboratoryjnych Schemat blokowy stanowiska doświadczalnego dla badania możliwości sterowania silnikami elektrycznymi różnych typów przez sieć TCP/IP Ethernet Ciągły rozwój sieci Internet, nowe rodzaje mediów i doskonalenie sposobów komunikowania się czyni coraz bardziej realną możliwość efektywnego sterowania w układzie regulacji z pętlą sprzężenia zwrotnego zamkniętą przez sieć Internet [12.1]. W rozdziale tym zostanie zaprezentowane stanowisko badawcze oraz wyniki badań laboratoryjnych. Schemat blokowy stanowiska badawcze umożliwiającego badanie możliwości sterowania silnikami (różnych typów) przez sieć TCP/IP/Ethernet (Internet, lokalna) przedstawiono na Rys Rys Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego, pozwalającego na badanie możliwości sterowania silnikami (różnych typów) przez sieć TCP/IP/Ethernet

2 205 W wyniku wcześniejszych prac realizowanych w Katedrze Mechatroniki Politechniki Śląskiej [12.2] [ ], związanych z badaniem opóźnień w sieci TCP/IP/Ethernet [12.8] [12. 9], jak też - z zastosowaniem sieci Internet do odczytu parametrów aktuatorów [12.6] oraz do sterowania pracą odległych aktuatorów [12.7], powstała koncepcja badania możliwości sterowania silnikami w zamkniętej przez sieć Internet pętli sprzężenia zwrotnego (z siecią Internet w torze pomiarowym i z siecią Internet w torze sterowania) z wykorzystaniem zarówno środowiska MATLAB/Simulink, jak też kart procesorów sygnałowych DSP Opis stanowiska badawczego do badania silników prądu stałego z wykorzystaniem Emulatora sieci Internet Jako przykładowy obiekt sterowania, który będzie sterowany poprzez Emulator sieci Internet i dla którego wyniki i wnioski zostaną przedstawione w niniejszym rozdziale wybrano silnik prądu stałego, którego widok przedstawiono na Rys W Katedrze Mechatroniki Politechniki Śląskiej prowadzono wcześniej eksperymenty z silnikiem wrzecionowym (ang. spindle motor), który jest wykorzystywany w dyskach twardych komputerów [12.2]. Rys Widok zespołu: silnik prądu stałego (1d) prądnica (2d) Badania były realizowane na stanowisku badawczym, którego schemat blokowy jest przedstawiony na Rys Na stanowisku tym wykorzystuje się własny program SKCDSP1104 oraz karty procesorów sygnałowych DSP1104 [12.1]. Karty te wyposażone są w układy wejściowe (analogowo/cyfrowe) oraz

3 206 wyjściowe (cyfrowo/analogowe), dzięki czemu jest możliwa komunikacja pomiędzy symulowanym (w czasie rzeczywistym) modelem (np. algorytmu sterowania) na karcie, a rzeczywistymi układami (np. końcówka mocy, układ pomiarowy). Wymiana danych pomiędzy modelem matematycznym na karcie DSP1104, a Emulowaną siecią Internet jest realizowana przez program SK- CDSP1104. Podczas badań sterowano prędkością obrotową silnika prądu stałego w układzie regulacji zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet. W układzie wykorzystano regulator proporcjonalno-całkujący PI (model matematyczny na karcie procesora sygnałowego DSP1104 nr 2). Rys Schemat blokowy układu sterowania prędkością obrotową silnika DC poprzez Emulator sieci Internet nastawiony na tryb { }, min max Założenia dla układu sterowania: 1. silnik sterowany jest napięciem twornika u, 2. napięcie wzbudzenia silnika U wz = const wzbudzenie od magnesów trwałych, 3. napięcie U p na wyjściu prądnicy jest proporcjonalne do prędkości obrotowej silnika, 4. regulacja prędkości obrotowej silnika jest realizowana pośrednio poprzez regulator proporcjonalno-całkujący PI (model matematyczny układu regulatora na karcie procesora sygnałowego DSP1104 nr 2).

4 207 obc Należy zwrócić uwagę, że nie badano wpływu zmiany momentu obciążenia silnika T na pracę układu sterowania. Badania takie są planowane na dalszym etapie prac. Widok stanowiska badawczego wykorzystywanego do sterowania pośredniego prędkością obrotową silnika prądu stałego po stronie Serwera, przedstawiono na Rys , natomiast widok stanowiska badawczego wykorzystywanego do sterowania bezpośredniego prędkością obrotową silnika prądu stałego po stronie Klienta przedstawiono na Rys Rys Widok stanowiska badawczego, wykorzystywanego do sterowania prędkością obrotową silnika prądu stałego po stronie Serwera Stanowisko badawcze po stronie Serwera zawiera (opis stanowiska wg rys ): (1e) komputer PC z systemem operacyjnym Windows Vista Professional, (2e) autorski program SKC DSP1104, działający w trybie Serwer, (3e) oscyloskop wykorzystywany do obserwacji przebiegu uchybu, (4e) komputer PC wykorzystywany do realizacji nastaw parametrów Emulatora sieci Internet firmy SIMENA. Komputer ten umożliwia zalogowanie się na zintegrowanym z urządzeniem Web serwerze, przy użyciu którego można wprowadzić do pamięci urządzenia pliki konfiguracyjne w standardzie HTML, (5e) moduł we/wy analogowych oraz cyfrowych karty procesorów sygnałowych DSP1104 (nr 2),

5 208 (6e) przewód Ethernet (biały), łączący Emulator sieci Internet z komputerem PC wykorzystywanym do realizacji nastaw parametrów emulowanej sieci Internet, (7e) przewód Ethernet (żółty), łączący pośrednio Emulator sieci Internet z programem SKC DSP1104, działającym w trybie Serwer, (8e) przewód Ethernet (niebieski), łączący pośrednio Emulator sieci Internet z programem SKC DSP1104, działającym w trybie Klient. (9e) Emulator sieci Internet firmy SIMENA [12.3]. Rys Widok stanowiska doświadczalnego, wykorzystywanego do sterowania prędkością obrotową silnika prądu stałego po stronie Klienta Stanowisko badawcze po stronie Klienta zawiera (opis stanowiska wg rys ): (1c) komputer PC z systemem operacyjnym Windows Vista Professional, (2c) autorski program SKC DSP1104, działający w trybie Klient, (3c) zasilacz stabilizowany, wykorzystywany do zasilania silnika prądu stałego poprzez mostek tranzystorowy, (4c) układ końcówki mocy zrealizowany na tranzystorach w układzie mostka, (5c) moduł we/wy analogowych oraz cyfrowych karty procesorów sygnałowych DSP1104 (nr 1), (6c) zespół silnik prądu stałego - prądnica, (7c) oscyloskop wykorzystywany do rejestracji przebiegu napięcia prądnicy, proporcjonalnego do prędkości silnika prądu stałego.

6 209 Sterowanie obrotami silnika realizowano przy użyciu opracowanego algorytmu sterowania PWM (modulacja szerokości impulsów) zaimplementowanego na karcie DSP1104 (nr1). Schemat blokowy reprezentujący implementację algorytmu kształtowania przebiegu prostokątnego PWM na karcie procesorów DSP1104 (nr 1) został przedstawiony na Rys Rys Schemat blokowy prezentujący implementację algorytmu kształtowania przebiegu prostokątnego PWM na karcie procesorów sygnałowych DSP1104 (nr 1) Subsystem_PWM Regulacja prędkości silnika prądu stałego odbywa się poprzez kluczowanie mostka tranzystorowego przebiegiem prostokątnym PWM (ang. pulse width modulation) o zmiennym wypełnieniu. W zależności od zasilanej pary mostka silnik obraca się w lewo lub prawo. Przebieg prostokątny PWM jest realizowany na karcie DSP1104 i wyprowadzony na zewnątrz karty przy wykorzystaniu wyjść cyfrowo-analogowych karty DSP1104. W celu ułatwienia zmian wypełnienia przebiegu PWM zaimplementowano Subsystem_PWM, który kształtuje przebieg PWM (Rys ). Ukształtowany przebieg sterujący za pośrednictwem wyjść cyfrowoanalogowych jest podany na mostek tranzystorowy, oddziałując już bezpośrednio na prędkość obrotową silnika poprzez zmianę wartości średniej napięcia podawanego na twornik. Proces kształtowania przebiegu prostokątnego PWM (ang. pulse width modulation) dla przykładowych wypełnień (D=20% oraz D=80%) został przedstawiony na Rys

7 210 a) b) Rys Proces kształtowania przebiegu prostokątnego PWM (ang. pulse width modulation) o zmiennym wypełnieniu, przy wykorzystaniu przebiegu piłokształtnego - realizowany w zaimplementowanym na karcie DSP1104 (nr 1) algorytmie sterowania: a) przebieg prostokątny o wypełnieniu D = 80% ; b) przebieg prostokątny o wypełnieniu D = 20%

8 Wyznaczenie wartości granicznej gr( ap) dla układu regulacji z modelem matematycznym silnika prądu stałego - pętla sprzężenia zwrotnego zamknięta przez Emulator nastawiony na tryb Fixed gr a p Badania zostały ukierunkowane na wyznaczenie wartości granicznej przejścia odpowiedzi (prędkości obrotowej) z przebiegu aperiodycznego do periodycznego tłumionego dla układu regulacji z modelem matematycznym silnika prądu stałego o wartościach parametrów zgodnych z rzeczywistym silnikiem. Badania symulacyjne z wykorzystaniem modeli matematycznych (silnika prądu stałego oraz regulatora) przeprowadzono na stanowisku badawczym z Emulatorem sieci Internet, nastawionym na tryb (fixed z ang. stały, niezmienny) stała wartość opóźnienia transportowego podana w milisekundach. Istotne znaczenie ma określenie kroku całkowania. Zgodnie z twierdzeniem (o próbkowaniu) Kotielnikowa -Shannona (znanym również jako twierdzenie Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon), aby móc uznać modele obiektu i regulatora (opisane równaniami różniczkującymi) za układy ciągłe, należy w parametrach symulacji ustawić krok całkowania h wielokrotnie mniejszy, niż okres próbkowania p p Fixed T : h T, albowiem spełnienie tej nierówności umożliwia odtworzenie sygnałów ciągłych z sygnałów dyskretnych. Ze względu na to, że w prowadzonych badaniach okres próbkowania wynosi T p 1ms, przyjęto krok całkowania h 0,0001[ s] (ang. Fixed-step size), co zapewnia spełnienie pożądanej nierówności: h Tp. W parametrach symulacji jako procedurę całkowania numerycznego wybrano stało-krokową metodę Bogackiego-Shampine (ode3). Wartość graniczną odpowiedzi układu wyznaczano, zmieniając wartość opóźnienia w sposób monotoniczny, co 1 ms. Przed przystąpieniem do badań opracowano model matematyczny silnika prądu stałego z wartościami parametrów, odpowiadającymi rzeczywistemu silnikowi.

9 212 Rys Schemat zastępczy silnika prądu stałego Silnik prądu stałego, którego schemat zastępczy został przedstawiony na Rys. 12.8, można opisać następującym układem równań [12.4]: Równanie napięć dla obwodu twornika: d i( t ) u ( t) R i( t) L e( t ), (12.1) dt Równanie momentów: d ( t) Te ( t) To ( t) J, (12.2) dt Równanie dla siły elektromotorycznej i momentu elektromagnetycznego: e ( t) k ( t), (12.3) F Te ( t) kf i ( t). (12.4) gdzie: u napięcie zasilania twornika, e siła elektromotoryczna indukowania w tworniku, i prąd twornika, T e moment napędowy, T o moment oporowy (zakłócenie), k - współczynnik proporcjonalności, F J moment bezwładności, prędkość kątowa, R rezystancja uzwojeń twornika, L indukcyjność twornika. Równania (12.1) i (12.2) przekształcono do postaci operatorowej (przekształcenie Laplace a) i wyznaczono transmitancje operatorowe poszczególnych członów, które następnie zaimplementowano na karcie procesorów sygnałowych DSP1104.

10 213 Wprowadzając zapis operatorowy można te zależności przedstawić następująco [12.5]: U ( s) I ( s) R E( s) 1 1 st A (12.5) 1 R n( s) [ T ( s) T ( s)] 2 e o (12.6) st ( k ) o F gdzie: Stała elektromagnetyczna obwodu twornika: Stała elektromechaniczna silnika (układu): L T A (12.7) R R Tm J 2 (12.8) k ) ( F Rys Schemat strukturalny maszyny prądu stałego o stałym wzbudzeniu Parametry silnika to: znamionowe napięcie zasilania: znamionowa prędkość obrotowa: znamionowa prędkość kątowa U N = 12 V n N = 5000 obr/min N = 523,3 rad/s rezystancja uzwojeń twornika: R = 2.5 Ω

11 214 indukcyjność twornika: L = 0,002 H moment bezwładności twornika: J = 0, moment elektromagnetyczny: T e = 0,048 Nm przy prądzie: I = 2,5 A. Wyprowadzone zależności ( ), zostały wykorzystane do budowy modelu matematycznego, który następnie został zaimplementowany w programie MATLAB/Simulink [12.1]. Wartość graniczna wyznaczona w badaniach symulacyjnych (z wykorzystaniem opracowanego modelu matematycznego silnika prądu stałego oraz modelu matematycznego regulatora pobranego z biblioteki Toolbox programu MATLAB/Simulink) na stanowisku badawczym z Emulatorem sieci Internet pracującym w trybie, wynosi: przy nastawie Fixed Fixed gr a p = 11 [ms] (12.9) Oznacza to, że przedział poprawnej współpracy zadanego układu regulacji z zadaną siecią Internet powinien mieścić się w przedziale: 0, 11, (12.10) min, max co zostało również przedstawione graficznie na Rys Rys Graficzna reprezentacja wyznaczonego przedziału, w którym charakter odpowiedzi (prędkości obrotowej) układu regulacji z modelem matematycznym silnika prądu stałego ma charakter aperiodyczny

12 Badania układu regulacji z pętlą sprzężenia zwrotnego zamkniętą przez Emulator nastawiony na tryb } { min,max Badania z wykorzystaniem silnika prądu stałego oraz modeli matematycznych (algorytmu sterowania silnikiem oraz regulatora) przeprowadzono na stanowisku badawczym z Emulatorem sieci Internet, nastawionym na tryb {, min max }. Wprowadzone wartości graniczne opóźnień transportowych {, } powodują, że opóźnienia transportowe wymuszone przez Emulator będą przybierały charakter przypadkowy i będą zawarte w przedziale {, }, co można uznać za satysfakcjonujące odwzorowanie działania rzeczywistej sieci Internet. Widok stanowiska doświadczalnego z silnikiem prądu stałego przedstawiono na Rys oraz Rys Warunki wstępne przyjęto takie same, jak w badaniach symulacyjnych. Opracowane modele matematyczne algorytmu sterowania oraz regulatora zaimplementowano na kartach procesorów sygnałowych DSP1104. W badaniach użyto modelu regulatora proporcjonalno-całkującego PI o takich samych wartościach parametrów, jak w badaniami symulacyjnych. Zarejestrowany przebieg prędkości obrotowej n silnika prądu stałego uzyskany w zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet układzie regulacji przy nastawie min = 6 [ms] i max = 9 [ms] ma charakter aperiodyczny (Rys ). Dla nastaw min = 14 [ms] i max = 16 [ms] (Rys ), zarejestrowano przebieg odpowiedzi aperiodycznej przechodzącej w odpowiedź periodycznie tłumioną z niewielkim przeregulowaniem, natomiast dla nastaw min = 23 [ms] i max = 26 [ms] (Rys ), zarejestrowano przebieg odpowiedzi aperiodycznej przechodzącej w odpowiedź periodycznie tłumioną ze znacznym przeregulowaniem. Przy nastawie min = 38 [ms] i max = 43 [ms] (Rys ), zarejestrowano przebieg odpowiedzi periodycznej tłumionej przechodzącej w min min max max

13 216 stan niestabilności. W badaniach z rzeczywistym obiektem wartość graniczna wyniosła: gr a p = 14 [ms] (12.11) Wartość ta różni się nieznacznie od wartości wyznaczonej na drodze badań symulacyjnych (rozdział 12.3). Różnicę tę można wytłumaczyć nieuwzględnieniem w modelu matematycznym silnika opóźnienia, które wprowadza układ bezpośredniego sterowania (końcówka mocy) oraz nieuwzględnieniem sposobu regulacji prędkości silnika (zmiana wartości średniej napięcia przez zmianę wypełnienia przebiegu PWM). Wyniki badań laboratoryjnych uzyskane na rzeczywistym obiekcie potwierdziły poprawność przyjętej metodologii badań oraz poprawność opracowanego algorytmu postępowania umożliwiającego sprawdzenie poprawności współpracy zadanego układu regulacji z zadaną siecią Internet. Warunkiem koniecznym jest to, aby opóźnienie w sieci mieściło się, który to przedział został wyznaczony min, max gr a p w przedziale na drodze badań symulacyjnych nobr/min Rys Przebieg prędkości obrotowej n silnika prądu stałego uzyskany w zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet: nastawy Emulatora = 6 [ms] i max t s = 9 [ms] -odpowiedz ma charakter aperiodyczny min

14 nobr/min Rys Przebieg prędkości obrotowej n silnika prądu stałego uzyskany w zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet: nastawy Emulatora = 14 [ms] i max = 16 [ms] niewielkie przeregulowanie min t s nobr/min Rys Przebieg prędkości obrotowej n silnika prądu stałego uzyskany w zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet: nastawy Emulatora = 23 [ms] i max = 26 [ms] znaczne przeregulowanie min ts

15 nobr/min Rys Przebieg prędkości obrotowej n silnika prądu stałego uzyskany w zamkniętym poprzez Emulator sieci Internet: nastawy Emulatora = 38 [ms] i max = 43 [ms] stan niestabilności min ts Podsumowanie Opracowana w Katedrze Mechatroniki Politechniki Śląskiej metodologia badań procesów zdalnego sterowania via Internet wykazała poprawność przyjętego kryterium, poprawnej współpracy zadanego układu regulacji z zadanymi węzłami sieci Internet [ 12.11], jak też przydatność stanowisk doświadczalnych zbudowanych z Emulatora i wykorzystujących autorskie programy. Weryfikację przeprowadzono na obiekcie rzeczywistym: silniku prądu stałego małej mocy, jak też na jego modelu matematycznym, wykorzystując do tego celu kartę procesorów sygnałowych DSP1104 oraz autorski program SKCDSP1104. W badaniach wykorzystano klasyczny regulator PI. Celowe wydaje się zastosowanie w przyszłości regulatora predykcyjnego, co w przypadku przesyłania danych przez sieć Internet (wtenczas, gdy występują stochastyczne opóźnienia oraz straty pakietów) powinno przynieść poprawę jakości regulacji.

16 219 Literatura [12.1] Kielan P.: Aspekty sterowania urządzeniami mechatronicznymi przez Internet analiza protokołu TCP/IP. Praca doktorska, Politechnika Śląska, promotor prof. dr hab. inż. Krzysztof Kluszczyński, Gliwice [12.2] Kielan P., Trawiński T.: Wykorzystanie pakietu Matlab/Simulink do badań możliwości sterowania silnikami w zamkniętej przez sieć Internet pętli sprzężenia zwrotnego, Przegląd Elektrotechniczny nr 12, [12.3] Ihara A., Murase S., Goto K.: IPv4/v6 Network Emulator using Divert Socket, Proc. of the 18 th International Conference on Systems Engineering ICSE, [12.4] Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych, NT Warszawa, [12.5] Klamka J., Ogonowski Z.: Teoria systemów liniowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, skrypt uczelniany nr 2159, Gliwice [12.6] Kielan P., Kluszczyński K.: Rejestracja danych o pracy odległych aktuatorów za pośrednictwem sieci Internet, Wiadomości Elektrotechniczne nr 8, [12.7] Kielan P., Kluszczyński K.: Sterowanie pracą odległych aktuatorów za pośrednictwem sieci Internet, VIII Seminarium Naukowe Wybrane Zagadnienia Elektrotechniki i Elektroniki WZEE, Białystok- Białowieża, [12.8] Kielan P., Kluszczyński K.: Use of virtual robot model for investigations on delays In TCP/IP/Ethernet network from viewpoint of control module. Proc. of the 5 th International Symposium on Automatic Control, Wismar, Germany, [12.9] Kielan P.: Badanie wpływu opóźnień w sieci TCP/IP/Ethernet na układ regulacji. XVIII Sympozjum Środowiskowe PTZE, Zamość, [12.10] Kielan P.: Analysis of TCP/IP protocol aspects of mechatronic equipment control through internet. XII Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki PPE- Em, Wisła, [12.11] Kielan P., Kluszczyński K.: Kryterium do oceny współpracy zadanego układu regulacji z zadanymi węzłami sieci Internet, Przegląd Elektrotechniczny nr 12, 2013.