AUTOMATYKA I STEROWANIE LABORATORIUM (Opracował: T. Żabiński, PRz 2009)

Transkrypt

1 AUTOMATYKA I STEROWANIE LABORATORIUM (Oracował: T. Żabińi, PRz 009) Ćw. Serwomechanizm z modułem rzemiezczenia liniowego 1. Na odtawie ztałtu odowiedzi oowych uładu, oreśl ty terowania (rądowy, naięciowy) erwomechanizmu oraz wyznacz arametry tranmitancji obietu.. Wyonaj eeryment oraz dobierz natawy regulatora PID metodą Zieglera- Nichola. Srawdź odowiedź oową uładu. 3. Stoując metodę linii ierwiatowych dobierz natawy regulatorów dla erwomechanizmu (zadany cza regulacji odaje rowadzący, wyorzytaj arametry tranmitancji uzyane w uncie ): a) regulator PID o odwójnym zerze rzężenie ozycyjne, b) regulator PID o odwójnym zerze z filtrem wtęnym rzężenie ozycyjne, c) regulator aadowy P(ołożenia) PI (rędości) rzężenie ozycyjne i rędościowe, d) regulator PD - rzężenie ozycyjne. Srawdź odowiedzi uładu dla wymuzeń oowych oraz tyu ram orównaj otrzymane wynii dla ozczególnych trutur oraz dla uładu z regulatorem natrojonym metodą Zieglera-Nichola. 4. Dla wybranych rzez rowadzącego trutur regulacji z untu 3 (wymuzenia: oowe, ram oraz inuoidalne) wyonaj eerymenty w tórych tarcie itotnie wływa na ztałt odowiedzi dynamicznych. Przygotowanie do ćwiczenia: - teoretyczne odowiedzi oowe erwomechanizmu terowanego rądowo i naięciowo [4], - metody oreślania arametrów tranmitancji dla erwomechanizmów [4], - wyrowadzenie wzorów i rzygotowanie m-liów realizujących dobór nataw regulatorów z untu 3 [5], - wływ tarcia na ztałt rzebiegów dynamicznych erwomechanizmów (uchyby utalone, efet Stribec, tic-li, limit cycle) [5] - należy rzeanalizować i oreślić funcje rzełączniów onfiguracyjnych na chemach z ry. 6, 8 i 9 wrowadzenie do ćwiczenia Uwaga: wzory z wyładu 8 [4] należy rzeztałcić do otaci regulatora PID toowanego w i Simulin: PID d.

2 Oi tanowia laboratoryjnego Stanowio laboratoryjne łada ię z mechanicznego uładu, ameryańiej firmy SMI, realizującego ruch liniowy. Sytem ten znajduje zatoowanie głównie w urządzeniach medycznych związanych z zadaniami ozycjonowania n. głowic laerowych [1]. Uład wyorzytuje rowadnicę liniową oraz śrubę naędową z narętą (bez obiegu ule) o ontrucji eliminującej luzy związane z nawrotem (ang. baclah). Naęd tanowi ilni rądu tałego firmy Yaawa (Minertia Motor J Serie) wraz z wzmacniaczem mocy MSA firmy Galil (tryby racy: terowanie rądowego albo naięciowe) [] oraz zailaczem. Uład wyoażono w czujnii rańcowe firmy Hamlin wyłączające moduł mocy w rzyadu rzeroczenia rzez wóze dozwolonej rzetrzeni roboczej. Pomiar ołożenia wóza jet realizowany rzy omocy enodera obrotowego umiezczonego na oi ilnia. Sytem terowania uładu oarty jet na omuterze PC z ytemem Win3 oraz arcie wejścia/wyjścia RT-DAC4/PCI firmy INTECO [3]. Dzięi zatoowaniu ecjalizowanego orogramowania RT-CON [3] terowanie uładu jet realizowane z oziomu Matlab/Simulin. Interfej arty RT-DAC4/PCI dla środowia Simulin: Ry. 1. Blo SMI_ServoSytem Z oziomu Simulin uład widziany jet jao blo SMI_ServoSytem o jednym wejściu i czterech wyjściach: Wejścia: u terowanie z zareu <-10,10> Wyjścia: o ołożenie wóza [m] vel rędość wóza [m/] voltage oziom naięcia zailacza [V] current rąd łynący w obwodzie ilnia [A]

3 Nie należy włączać zailania modułu mocy (rzełączni Sieć na obudowie) rzed uruchomieniem omutera i zainicjalizowaniem tanów arty terującej. Inicjalizację wyonuje ię orzez uruchomienie dowolnego z chematów terujących z ry., 3, 4, 6, 8 lub 9. W momencie uruchomienia chematu terowania, atualne ołożenie wóza jet rzyjmowane za ołożenie odnieienia (wyjście o blou SMI_ServoSytem rzyjmuje wartość zero). Przerowadzenie eerymentu (Simulin/RT-CON): 1. Uruchomienie eerymentu: - odbywa ię orzez dwurotne linięcie na rzyciu START (zob. ry. ) Podcza trwania eerymentu nie należy liać na rzyciu START onieważ owoduje to zawiezenie ię aliacji!. Zaończenie eerymentu: - odbywa ię orzez dwurotne linięcie na rzyciu STOP a natęnie na rzyciu REMOVE (zob. ry. ) Ry.. Przyładowy chemat uładu regulacji 3. Zai danych uzyiwanych odcza eerymentu odbywa ię orzez blo Scoe. Aby dane były dotęne o zaończeniu eerymentu blo Scoe mui być otwarty odcza jego trwania (zob. ry.). Po wyonaniu eerymentu dane można wyreślić w aiecie Matlab oraz zaiać w liu rzy omocy intrucji (li SaveData.m ): Dane.time=ScoeData.time; Dane.w=ScoeData.ignal(1).value; Dane.u=ScoeData.ignal().value; Dane.o=ScoeData.ignal(3).value; Dane.vel=ScoeData.ignal(4).value; Dane.voltage=ScoeData.ignal(5).value;

4 Dane.current=ScoeData.ignal(6).value; figure lot(dane.time,dane.u,dane.time,dane.current,dane.time,dane.voltage);grid legend('u','current','voltage'); figure lot(dane.time,dane.w,dane.time,dane.o,dane.time,dane.vel);grid legend('w','o','vel'); figure lot(dane.time,dane.o,dane.time,dane.w);grid legend('o','w'); ave('nazwa_pliku.mat','dane'); gdzie: NAZWA_PLIKU.mat może być zatąiona dowolną nazwą liu! W rzyadu zmiany trutury chematu, może być onieczna onowna omilacja rojetu (ytem wyświetli odowiedni omuniat) rzy omocy rótu lawiaturowego: Ctrl-B. Realizacja ćwiczenia: 1. Na odtawie ztałtu odowiedzi oowych uładu, oreśl ty terowania (rądowy, naięciowy) erwomechanizmu oraz wyznacz arametry tranmitancji obietu. Wyorzytując chemat z ry. 3 (li Ident.mdl) zarejetruj odowiedź uładu na o terowania. Oreśl wartość ou [4] (arametry blou Ste, tyowa wartość wynoi 0.) oraz cza jego trwania w eundach (arametr Trehold blou Switch, tyowa wartość wynoi 0. ) ta aby uład racował w liniowym zareie. Na odtawie otrzymanych rzebiegów ołożenia i rędości oreśl ty terowania ilnia (rądowy albo naięciowy) oraz wyznacz wartości arametrów tranmitancji [4, Wyład 13]. Ry. 3. Schemat Simulin dla eerymentu rejetracji odowiedzi uładu na o terowania

5 Kolejne unty ćwiczenia należy realizować dla rądowego trybu terowania erwomechanizmu!. Wyonaj eeryment oraz dobierz natawy regulatora PID metodą Zieglera-Nichola. Srawdź odowiedź oową uładu.. Wyorzytując chemat z ry. 4 (li ZieglerNichol.mdl), rzerowadź eeryment Zieglera-Nichola, dobierz natawy regulatora PID [4] oraz zarejetruj odowiedź oową uładu z regulatorem PID. Ry. 4. Schemat Simulin dla eerymentu Zieglera-Nichola oraz badania odowiedzi oowej uładu z regulatorem PID 3. Stoując metodę linii ierwiatowych dobierz natawy regulatorów dla erwomechanizmu (zadany cza regulacji odaje rowadzący, tyowa wartość wynoi 0.5, wyorzytaj arametry tranmitancji uzyane w uncie 1): a. regulator PID o odwójnym zerze rzężenie ozycyjne, b. regulator PID o odwójnym zerze z filtrem wtęnym rzężenie ozycyjne, c. regulator aadowy P(ołożenia) PI (rędości) rzężenie ozycyjne i rędościowe, d. regulator PD - rzężenie ozycyjne. Srawdź odowiedzi uładu dla wymuzeń oowych, ram oraz inuoidalnych orównaj otrzymane wynii dla ozczególnych trutur oraz dla uładu trojonego metodą Zieglera- Nichola.

6 Strojenie regulatorów PID: Załadany cza regulacji nie owinien być rótzy niż 00Δ, gdzie Δ jet czaem cylu realizacji terowania oreślonym w Simulation -> Simulation Parameter... ->Fixed te ize. Ry. 5. Uład z regulatorem PID - rzężenie ozycyjne Ciągła tranmitancja regulatora PID dana jet wzorem (ja w aiecie Simulin): PID( ) i ( ) i d r, r d,, d, 4 i J. (1) PROBLEM. Należy dobrać taie natawy, i, d, aby uzyać rzebiegi aeriodyczne rytyczne z zadanym czaem regulacji t r. Tranmitancja uładu otwartego rozważanej ętli regulacji wyraża ię zależnością ( ) G otw( ) K, K 3 r () Przerowadzając metodę rojetowania regulatora analogicznie do rzedtawionej w wyładzie 8 [4] otrzymuje ię natęujące zależności oiujące wartość zera α oraz wzmocnienia K 1 (dla untu rozwidlenia linii ierwiatowych): 4 7, K 1 (3) t r 4 Otatecznie uzyuje ię wzory dla nataw regulatora: K1 K1 K1, i, d (4) Filtr wtęny rzyjmuje otać: 4 F( ),. (4a) t r Wyonaj eerymenty dla uładu z filtrem wtęnym i bez filtru wyorzytując chemat z ry. 6 (li PID.mdl).

7 Ry. 6. Schemat Simulin dla eerymentu z regulatorem PID: z filtrem wtęnym i bez filtru. Wartości ou dla blou Ste, docelowej ozycji dla blou Reeating Sequence oraz amlitudy dla rzebiegu inuoidalnego muzą być dobrane w tai oób aby wóze nie rzeroczył rzetrzeni roboczej. Wartości te należy wyrazić w metrach i dobrać z odowiednim margineem bezieczeńtwa! Strojenie trutury P-PI: Metoda doboru nataw jet realizowana identycznie ja owyżej. Regulatory oraz wzmocnienie obietu oreślono natęująco: i P, PI i,. (5) J Przeztałcając uład P-PI do trutury z ojedynczą ętlą ołożeniowego rzężenia zwrotnego otrzymano: + - ( + )( + ) i i Ry. 7. Uład z regulatorem P-PI o wtęnym rzeztałceniu Stoując założenie o odwójnym zerze, regulator PID rzeztałca ię do otaci: ( ) PID ( ) r, r i,, i i. (6) Na odtawie zależności, 3 oraz 6 natawy trutury P-PI dane ą wzorami:

8 K K1, 1 i, i (7) Wyonaj eerymenty wyorzytując chemat z ry. 8 (li PPI.mdl). Ry. 8. Schemat Simulin dla eerymentu z regulatorem P-PI Wartości ou dla blou Ste, docelowej ozycji dla blou Reeating Sequence oraz amlitudy dla rzebiegu inuoidalnego muzą być dobrane w tai oób aby wóze nie rzeroczył rzetrzeni roboczej. Wartości te należy wyrazić w metrach i dobrać z odowiednim margineem bezieczeńtwa! Strojenie trutury PD: Regulator PD oraz wzmocnienie obietu oreślono natęująco: PD d,. (8) J Stoując metodę linii ierwiatowych Evana otrzymano natęujące zależności dla nataw regulatora PD: 36 1, d (9) t t r Aby uzyać rzebiegi aeriodyczne rytyczne odtawową truturę uładu należy uzuełnić o filtr wtęny otaci: d F ( ), (10) bądź wyoażyć uład w rzężenie tachometryczne. Wyonaj eerymenty wyorzytując chemat z ry. 9 (li PD.mdl). r

9 Ry. 9. Schemat Simulin dla eerymentu z regulatorem PD Wartości ou dla blou Ste, docelowej ozycji dla blou Reeating Sequence oraz amlitudy dla rzebiegu inuoidalnego muzą być dobrane w tai oób aby wóze nie rzeroczył rzetrzeni roboczej. Wartości te należy wyrazić w metrach i dobrać z odowiednim margineem bezieczeńtwa! 4. Dla wybranych rzez rowadzącego trutur regulacji z untu 3 (wymuzenia: oowe, ram oraz inuoidalne) wyonaj eerymenty w tórych tarcie itotnie wływa na ztałt odowiedzi dynamicznych. Eerymenty należy wyonać rzy omocy chematów z ry. 6, 8, 9. Aby zaoberwować efety wywoływane rzez tarcie n. limit cycle należy natroić regulatory na dłużzy cza regulacji n. 1. Literatura: 1. htt:// L. Trybu 005: Teoria Sterowania wyłady. 5. T. Żabińi 005: Teoria Sterowania Laboratorium, Metody doboru regulatorów dla erwomechanizmów wrowadzenie do ćwiczenia.