Raport z projektu badawczego

Transkrypt

1 Raport z projektu badawczego Opracowanie konstrukcji i badania doświadczalne mechatronicznego obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędem sterowanym inteligentnym modułowym układem wykonawczym Szczecin, dnia 29 marca, 2014r. Tytuł projektu Opracowanie konstrukcji i badania doświadczalne mechatronicznego obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędem sterowanym inteligentnym modułowym układem wykonawczym Dyscyplina naukowa (zgodnie z wykazem dziedzin i dyscyplin) Planowany okres realizacji projektu (w miesiącach) N502 Konstrukcja maszyn 36 Liczba wykonawców projektu 6 (6 głównych) Słowa kluczowe: obrabiarka, zespół prowadnicowy, silniki liniowe, serwonapędy, szybkie prototypowanie, algorytmy sterowania ruchem, serwonapęd, oś ruchu Planowane nakłady w zł Ogółem Pierwszy rok realizacji projektu

2

3 Dla Staszka Niniejszą pracę dedykuję ś.p. prof. dr hab. inż. Stanisławowi Staszkowi Skoczowskiemu. Czynię to w podziękowaniu za zaszczepienie we mnie pragnienia zdobywania wiedzy naukowej i poszerzania swoich umiejętności. To dzięki niemu automatyka stała się dla mnie pasją, a nie jedynie zawodem, dzięki któremu mogę zarabiać na życie. To Jego nauki, z Nim rozmowy i dyskusje, częste spotkania i ciężka wspólna praca sprawiły, że to, czym się obecnie zajmuję, przynosi mi radość i satysfakcję... Hudiksvall, Szwecja, r.

4

5 Spis treści 1. WPROWADZENIE. ZAŁOŻENIA PROJEKTU. CEL NAUKOWY PROJEKTU Cel naukowy projektu Wymierny, udokumentowany efekt realizacji projektu Publikacje w czasopismach z listy A oraz B MNiSW oraz w materiałach konferencyjnych Prezentacje konferencyjne Inne publikacje Prezentacje dla firm, seminaria Targi, wystawy Inne materiały, artykuły Aktualny stan wiedzy na temat zagadnień projektu Sterowanie a mechatronika Układy sterowania obrabiarek CNC Przesłanki do podjęcia problematyki badawczej projektu Nomenklatura, przyjęta w niniejszej pracy Podziękowania REALIZACJA ZADAŃ PROJEKTU ZADANIE 1. OPRACOWANIE MODELU MATEMATYCZNEGO UKŁADU ZESPÓŁ POSUWOWY OBRABIARKI UKŁAD NAPĘDOWY SILNIK Model dynamicznego układu OUPN Modele dynamiczne zespołu posuwowego Model części konstrukcyjnej opracowany metodą MDS Model części konstrukcyjnej mechanizmu śrubowego kulowo-tocznego opracowany na podstawie modelu fizycznego Model części konstrukcyjnej wyprowadzony w drodze eksperymentu identyfikacyjnego Uproszczony model silnika PMSM Modelowanie silnika PMSM Podsumowanie ZADANIE 2. TEORETYCZNA ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA WYBRANYCH ALGORYTMÓW STEROWANIA RUCHEM ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM METOD OPARTYCH NA MODELU Zagadnienie modelowania dla potrzeb regulacji odpornej Hybrydowe układy dynamiczne Regulacja odporna o dwóch stopniach swobody typu model-following w układzie OUPN Podsumowanie ZADANIE 3. OPRACOWANIE SPRZĘTOWO PROGRAMOWEJ ARCHITEKTURY INTELIGENTNEGO MODUŁU WYKONAWCZEGO STERUJĄCEGO NAPĘDAMI ZESPOŁÓW POSUWOWYCH Implementacja algorytmów regulacji w przemysłowych systemach czasu rzeczywistego Programowalne sterowniki automatyki PAC Mechatroniczne podejście do projektowania układów sterowania Badania symulacyjne układów mechatronicznych Dobór narzędzi programowych do realizacji zadania implementacji nowych algorytmów Dobór narzędzi sprzętowo-programowych do programowania i konfiguracji sprzętu, wybranego do realizacji projektu w ramach Zadania Automatyczne generowanie kodu w przemysłowych systemach sterowania Warianty przepływu pracy nad nowymi algorytmami regulacji Podsumowanie ZADANIE 4. ANALIZA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SYGNAŁÓW POMIAROWYCH ORAZ SYNTEZA WIELOKRYTERIALNYCH UKŁADÓW STEROWANIA Struktura funkcjonalna systemu CNC ze zintegrowanymi funkcjami diagnostyki Funkcje interfejsu systemu CNC Funkcje podsystemu sterowania napędami Funkcje diagnostyczne w sterowaniach CNC

6 6.2. Analiza przydatności sygnałów temperatury, drgań, dźwięku (ciśnienia akustycznego) dla celów modyfikacji algorytmów składowych prototypowego serwonapędu Analiza możliwości zastosowania podejścia fuzji sygnałów pomiarowych w algorytmach składowych prototypowego serwonapędu Analiza właściwości struktury układu regulacji z przełączaniem zależnym od dodatkowego sygnału pomiarowego pod kątem wprowadzenia do systemu sterowania prototypowego serwonapędu Projekt badawczy N N o nazwie kodowej TERMINATOR. Badanie i korygowanie wpływu cieplnych właściwości obrabiarek na dokładność kształtowania przedmiotów obrabianych (kierownik: dr inż. Henryk Maćkowiak, ) Projekt badawczy N N o nazwie kodowej WIBROAKUSTYKA. Opracowanie modułu diagnostyki wibroakustycznej dla obrabiarki inteligentnej (kierownik: dr hab. inż. Andrzej Bodnar, prof. ZUT, ) Podsumowanie ZADANIE 5. BADANIA SYMULACYJNE TYPU SIL ORAZ HIL SYSTEMU ZESPÓŁ POSUWOWY OBRABIARKI NAPĘDOWY MODUŁ WYKONAWCZY SILNIK DLA WYBRANYCH TYPÓW SILNIKÓW Regulacja PID Człon proporcjonalny Człon różniczkujący idealny Człon całkujący Regulator PID z filtrem akcji różniczkującej Regulator PID z różniczkowaniem wyjścia obiektu Regulator PID z ważoną wartością zadaną Wybrane rozwiązania regulatorów PID Zagadnienie implementacji członów dynamicznych w dziedzinie operatora z Opracowanie stanowiska do badań symulacyjnych algorytmów sterowania napędami elektrycznymi w obrabiarkach CNC Model części mechanicznej zespołu posuwowego obrabiarki Model części elektrycznej zespołu posuwowego obrabiarki Modele eksperymentalne osi posuwu Środowisko programowe do badań Hardware-in-the-Loop Zastosowanie technologii VRML do wizualizacji trójwymiarowej Zawartość załączonej do raportu biblioteki oprogramowania Matlab/Simulink Podsumowanie ZADANIE 6. BUDOWA STANOWISKA DO BADAŃ INTELIGENTNEGO MODUŁU WYKONAWCZEGO PLCopen Motion Control standard programowania aplikacji napędowych Bloki funkcyjne PLCopen Motion Control Automat hybrydowy normy PLCopen Struktury sprzętowe cyfrowych serwonapędów Prototypowanie algorytmów regulacji położenia i prędkości cyfrowego serwonapędu Prototypowanie algorytmów regulacji w napędach zgodnie z podejściem naukowym Prototypowanie algorytmów regulacji w napędach zgodnie z podejściem on-target Podsumowanie ZADANIE 7. DOSTOSOWANIE OPRACOWANEGO MODUŁU WYKONAWCZEGO DO SYSTEMU STEROWANIA OBRABIARKĄ ORAZ WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA PRZYJĘTYCH ZAŁOŻEŃ Integracja opracowanego serwonapędu z systemem CNC o otwartej architekturze Weryfikacja doświadczalna działania opracowanego systemu Podsumowanie PODSUMOWANIE. KIERUNKI ROZWOJU PROJEKTU Osiągnięcia naukowe raportowanego projektu Zakończenie Projekty badawcze, w których zawarto metody opracowane w ramach grantu MARINE

7 1. Wprowadzenie. Założenia projektu. Cel naukowy projektu Niniejsze opracowanie stanowi raport z projektu badawczego Opracowanie konstrukcji i badania doświadczalne mechatronicznego obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędem sterowanym inteligentnym modułowym układem wykonawczym za okres Projektowi badawczemu nr N N z uwagi na jego identyfikowalność oraz cele promocyjne nadano akronim M.A.R.I.N.E. (multivariable hybrid ModulAR motion controller) Wielozadaniowy Hybrydowy Modułowy Sterownik Ruchu. W raporcie pojawiają się również następujące akronimy: a) O.C.E.A.N. (Open modular Control system for linear motion driver), oznacza nazwę kodową projektu badawczego rozwojowego nr R zatytułowanego Opracowanie i badania prototypu obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędami liniowymi sterowanego w dwóch osiach z układu CNC o otwartej architekturze, b) SAGITTARIUS ICM (universal integrated open architecture diagnostic system for research on machine Tool dynamics and micro-electromechanical systems in USage for development of Integrated Condition Monitoring modules for CNCs), oznacza nazwę kodową finansowanej w roku 2010 ze środków Funduszu Nauki i Technologii Polskiej inwestycji aparaturowej nr 529/FNiTP/3908/2010, w ramach projektu zatytułowanego Uniwersalny zintegrowany system do dynamicznych badań i diagnostyki maszyn oraz układów mikroelektromechanicznych, c) iload oznacza nazwę kodową projektu europejskiego zatytułowanego Partnership for developing energy efficient intelligent load handling system, finansowanego ze środków Marie-Curie w ramach działu PEOPLE (IAPP Industry Academia Partnership Pathways). W ramach raportowanego tutaj projektu M.A.R.I.N.E. przeprowadzono szereg prac badawczych nad rozszerzeniem stopnia otwartości systemu sterowania obrabiarką. O ile w systemie O.C.E.A.N. [30] zapewniono otwartość na poziomie interpolatora CNC (oraz wieloosiowego generatora trajektorii), gdzie korekty dynamiczne trajektorii ruchu zespołów obrabiarki mogą być zadawane z częstotliwością generowania trajektorii, to w projekcie M.A.R.I.N.E. [33] zapewniono otwartość systemu CNC na poziomie algorytmów sterowania silnikami napędowymi. Na rysunku poniżej pokazano schemat ideowy systemu M.A.R.I.N.E. Rys Schemat ideowy systemu M.A.R.I.N.E. adaptacyjnego sterownika napędu wieloosiowego 7 S t r o n a

8 Najistotniejszym z punktu widzenia przyszłych potencjalnych aplikacji jest omówiony w opisie Zadania 6 projektu sposób integracji funkcji diagnostycznych w ramach struktury funkcjonalnej cyfrowego serwonapędu zespołu posuwowego obrabiarki. Rys Integracja funkcji diagnostycznych w sterowaniu modułem wykonawczym jeden z ważniejszych wyników projektu W dalszej części przedstawiono cel naukowy raportowanego projektu. Najważniejsze dokonania raportowanego projektu mają swoją kontynuację w ramach realizowanego pod kierownictwem dr inż. Bogdana Broel-Platera z Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersystetu Technologicznego w Szczecinie projektu badawczego pt. Badania porównawcze obrabiarkowych osi serwonapędowych z napędem konwencjonalnym oraz nowoczesnym napędem w postaci silników liniowych (nr N N ) Cel naukowy projektu Problematyka projektu badawczego dotyczy opracowania specjalistycznego stanowiska badawczego układu wykonawczego sterującego napędami posuwowego zespołu obrabiarkowego, który zastosowano do prowadzenia badań nad poprawą jakości sterowania ruchem ze szczególnym naciskiem na obróbkę HSC (High Speed Cutting), gdzie poprawa dokładności geometryczno-ruchowej możliwa jest właśnie dzięki optymalizacji działania układów serwonapędowych. Bardzo istotne jest przy tym, że osiągnięta poprawa dokładności została zapewniona w obecności ograniczeń technologicznych przedziałowych i równościowych nałożonych na sygnały sterujące i sterowane (jak siła skrawania, prędkość, przyspieszenie). Planowany program zadań zakładał zaprojektowanie i wykonanie unikatowego stanowiska badawczego do pomiaru oraz prototypowania układów sterowania napędami obrabiarkowego zespołu posuwowego podczas procesu skrawania. Badania obejmowały bardzo dużą różnorodność algorytmów sterowania, od prostych algorytmów liniowych, poprzez algorytmy z użyciem metod sztucznej inteligencji (logika rozmyta, sztuczne sieci neuronowe) po najbardziej rozbudowane hybrydowe algorytmy regulacji dyskretno-ciągłej (w tym bazujące na układach regulacji predykcyjnej) oraz nowe algorytmy 8 S t r o n a

9 PID ułamkowego rzędu. Wyniki badań eksperymentalnych zostały porównane z wynikami badań symulacyjnych jak również badań symulacyjnych hardware-in-the-loop w celu przeprowadzenia analizy porównawczej modeli napędów, wykorzystanych podczas badań. Wynikiem projektu jest znaczący wzrost zakładanej dokładności procesu skrawania poprzez poprawę efektywności algorytmów sterowania ruchem w oparciu o inteligentny, otwarty, modułowy układ wykonawczy, którego interfejs programistyczny umożliwia implementację rozmaitych algorytmów sterowania silnikami liniowymi, silnikami DC oraz silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi. W projekcie przetestowano szeroką grupę algorytmów sterowania, celem połączenia ich wybranych elementów w ramach jednego, wielokryterialnego hybrydowego algorytmu regulacji odpornej (wielokryterialny układ hybrydowy predykcyjny w strukturze bazującej na podejściu typu model-following control). Kluczowym fragmentem pracy jest opracowanie modelu części mechanicznej konstrukcji obrabiarki, służącego do przeprowadzenia badań symulacyjnych. Model ten opracowano z zastosowaniem najnowszych dostępnych na rynku narzędzi programistycznych, zaś parametry modelu zostały dostrojone w drodze badań eksperymentalnych, przeprowadzonych za pomocą systemu sterowania CNC o otwartej architekturze funkcjonalnej OCEAN, opracowanego w ramach prac nad projektem badawczym rozwojowym nr R zatytułowanym Opracowanie i badania prototypu obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędami liniowymi sterowanego w dwóch osiach z układu CNC o otwartej architekturze, realizowanym w latach pod kierownictwem dr hab. inż. Stefana Domka, prof. ndzw. ZUT w Szczecinie. Współcześnie brak jest uniwersalnych, elastycznych, w pełni programowalnych (z punktu widzenia algorytmów sterowania w ciągu logicznym pomiędzy stopniem regulacji położenia, prędkości oraz momentu/siły) rozwiązań napędowych dla celów budowy układów posuwowych obrabiarek. Dostępność tego typu urządzeń sprawiłaby, że możliwa stałaby się implementacja mechanizmów, dzięki którym eliminowane byłyby np. niepożądane drgania podczas zmiany obciążenia układu mechanicznego. Podobnie, poziom otwartości na poziomie struktury układów regulacji elementu wykonawczego pozwoliłby bardziej zaawansowanym użytkownikom na implementację swojej wiedzy i doświadczenia, bez konieczności zdradzania tajemnicy autorskich rozwiązań w wybranych gałęziach przemysłu. Do wiodących trendów rozwojowych obróbki skrawaniem w ramach kształtowania ubytkowego można zaliczyć: skrawanie z dużymi prędkościami HSC oraz skrawanie wysokowydajne HPC (High Performance Cutting). Oczekuje się, że zarówno w przypadku obróbki HSC jak i HPC poprawa parametrów ruchu dzięki nowym algorytmom sterowania układami napędowymi prowadzić będzie do znaczącego wzrostu dokładności. Dodatkowo, dzięki podejściu modułowemu do architektury sprzętowoprogramowej proponowanego w projekcie układu wykonawczego, może zostać podjęty kluczowy dla obróbki skrawaniem problem wibrostabilności. Stworzone w ramach projektu unikalne stanowisko badawcze pozwoli w przyszłości zająć się również tym aspektem działania obrabiarki, umożliwiając np. implementację dynamicznej korekty siły skrawania w osi posuwu. Współczesne przemysłowe rozwiązania napędowe są bardzo zaawansowane, lecz dostęp użytkownika do struktury układu regulacji jest dość ograniczony. Zwykle układy takie pozwalają na konfigurację parametrów działania bez możliwości ich modyfikacji po uruchomieniu układu, nie mówiąc już o moż- 9 S t r o n a

10 liwości wprowadzenia zmian najbardziej popularnej struktury kaskadowej pozycja-prędkość-prąd, bazującej na prostych regulatorach proporcjonalno-całkujących i proporcjonalnych. Inną możliwość stanowią algorytmy grupy FOC (Field Oriented Control) lecz również w tym przypadku struktura układu regulacji nie podlega znaczącym zmianom z poziomu użytkownika. Choć coraz częściej spotykane są dodatkowe funkcje, jak sprzężenie wprzód od pozycji czy algorytmy tłumienia drgań wału, to są one niedostępne dla użytkownika mogą być jedynie parametryzowane podczas prac uruchomieniowych obrabiarki. Prowadzone są również badania nad algorytmami bezpomiarowymi (Sensorless Control) sterowania silnikami wydaje się jednak, że z uwagi na aspekt zastosowania (w obrabiarkach CNC) oraz ograniczenia użytkowe nie są one w tym przypadku rozwiązaniem obiecującym. W przypadku sterowania układami napędowymi należy wyróżnić algorytmy przystosowane do pracy z różnymi rozwiązaniami maszynowymi. Specjalne grupy algorytmów niestandardowych stosuje się do napędów liniowych, strategie skalarne lub FOC (w tym DTC /Direct Torque Control/) do napędów indukcyjnych oraz wiele możliwych strategii (=/2, cos=1 itd.) opracowano dla rozwiązań opartych o maszyny synchroniczne wzbudzone magnesami trwałymi. Badania porównawcze przeprowadzone w ramach jednego, wybranego układu napędowego pozwoliły kompleksowo ocenić przydatność różnych metodologii sterowania układem napędowym w obrabiarkach skrawających umożliwiając dodatkowo optymalizację algorytmów w dziedzinie dynamiki układu przekształtnik energoelektroniczny napęd układ posuwowy obrabiarki. Ze względu na założoną budowę układu niezbędne było opracowanie, projekt oraz wykonanie prototypowego, energoelektronicznego modułu zasilającego w formie otwartej. Dzięki możliwości wpływania na struktury i parametry pętli regulacji w układzie cyfrowego serwonapędu, czy nawet na ich dynamiczne, adaptacyjne przełączanie podczas realizacji procedury ruchu obrabiarki, przed użytkownikami otwierają się nowe możliwości poprawy jakości i produktywności obróbki. W projekcie badawczym za cel podstawowy postawiono wykazanie, że ujęcie hybrydowe może zostać z powodzeniem zastosowane dla celów projektowania złożonych układów sterowania przetwornikami elektromechanicznymi, czy też całymi układami mechatronicznymi. Zaproponowane podejście upraszcza procedury obliczeniowe, pozwalając w rezultacie uzyskać algorytm regulacji, możliwy do późniejszej implementacji w cyfrowych, deterministycznych, wielozadaniowych układach sterowania czasu rzeczywistego. Wiele złożonych procesów łączy w swoim działaniu zarówno dynamikę ciągłą jak i dynamikę o charakterze dyskretnym, zależną od występujących w układzie zdarzeń. Połączenie zasad regulacji odpornej z teorią układów hybrydowych sterowania przetwornikami elektromechanicznymi stanowi istotny wkład w rozwój technologii budowy maszyn. Zarówno w literaturze światowej jak i w kraju brak jest prac ujmujących problematykę projektowania układów sterowania przetwornikami elektromechanicznymi i mechatronicznymi (a w szczególności inteligentnych modułów wykonawczych) w ujęciu hybrydowym. Podejście takie może być źródłem wielu dalszych dokonań zarówno teoretycznych jak i praktycznych w obszarach technologii i konstrukcji maszyn, elektrotechniki, mechatroniki i adaptroniki. W ramach raportowanego projektu opracowano szereg procedur, umożliwiających efektywne wdrożenie przedstawionych w nim metod i algorytmów, w przyszłych pracach badawczych. Należy podkreślić, iż założony w projekcie cel naukowy projektu został osiągnięty. 10 S t r o n a

11 1.2. Wymierny, udokumentowany efekt realizacji projektu Wymiernym efektem realizacji raportowanego projektu badawczego jest unikalne, nowatorskie stanowisko badawcze do badań modelowych i prototypowania algorytmów regulacji położenia i/lub prędkości cyfrowych serwonapędów z nowoczesnymi silnikami PMSM/PMLM stosowanych jako elementy wykonawcze w napędach zespołów posuwowych obrabiarek CNC, wraz z pełną dokumentacją konstrukcyjną. W ramach jednego z zadań projektu stanowisko badawcze zintegrowane zostało z otwartym układem sterowania obrabiarki CNC, opracowanym w ramach projektu O.C.E.A.N. Stanowisko badawcze zostało wyposażone w przybornik programowy dla środowiska Matlab/Simulink, dzięki któremu możliwe jest budowanie aplikacji sterowanie napędami zespołów posuwowych zarówno w warunkach symulacji komputerowej jak i szybkiego prototypowania w platformach docelowych z zastosowaniem nowych algorytmów regulacji. Przybornik ten zawiera podstawowe bloki, z których możliwe jest tworzenie złożonych testów weryfikacyjnych. W ramach całego projektu opracowano kilka narzędzi programowych, ułatwiających użytkownikowi pracę nad nowymi algorytmami regulacji w cyfrowych serwonapędach. Rys Struktura przybornika oprogramowania Matlab/Simulink opracowanego na potrzeby projektu Projekt M.A.R.I.N.E. (postępy w jego realizacji) prezentowany był rokrocznie podczas wystaw Centrum Mechatroniki na Targach Innowacje Technologie Maszyny w ramach Salonu Nauka dla Gospodarki (w części wystawienniczej MACH-TOOL, poświęconej obrabiarkom sterowanym numerycznie). Wybrane fragmenty badań związanych z raportowanym projektem badawczym zawarte zostały w niżej wymienionych pracach, prezentacjach, opracowaniach Publikacje w czasopismach z listy A oraz B MNiSW oraz w materiałach konferencyjnych 1. Pietrusewicz K., Waszczuk P., Open architecture digital PMSM controls, Control Engineering, Vol. 60, No. 2, 2013, s [132], F.27 raportu 2. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 11 S t r o n a

12 3. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 4. Pietrusewicz K., Zagadnienia prototypowania w cyfrowych serwonapędach napędów zespołów posuwowych obrabiarek CNC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 88, Nr 12a, 2012, s [116], F.23 raportu 5. Bonisławski M., Hołub M., Effects of space vector modulation strategy on hybrid (Si-SiC) inverter losses, Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [13], F.22 raportu 6. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu 7. Pietrusewicz K., Waszczuk P., Monitor machine conditions, Control Engineering, Vol. 59, 2012, No. 6, s [131], F.20 raportu 8. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 9. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Control system software programming, Control Engineering, Vol. 59, No. 1, 2012, s [130], F.18 raportu 10. Pietrusewicz K., Diagnostics for machine tool monitoring, Control Engineering, Vol. 58, No. 10, 2011, s. 28 [107], F.16 raportu 11. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Balancing PLCs, PACs and IPCs. What controller fits your application?, Control Engineering, Vol. 58, No. 1, 2011, s [129], F.15 raportu 12. Piotuch R., Pałka R., Porównanie wybranych regulatorów prądu w układzie sterowania silnikiem synchronicznym ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [133], F.14 raportu 13. Pietrusewicz K., Method for increasing the control robustness of the Permanent Magnet machine tool feed-drive, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [109], F.13 raportu 14. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbański Ł., Dynamic corrections of the tooling errors possibilities within the mechatronic actuator for motors with permanent magnets, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Vol. 31, nr 2, 2011, s [127], F.12 raportu 15. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 16. Urbański Ł., Majda P., Pietrusewicz K., Badania doświadczalne właściwości dynamicznych napędu posuwu obrabiarki CNC, Mechanik, Nr 3, 2010, s [164], F.9 raportu 17. Dworak P., Pietrusewicz K., Rozmyte dostrajanie regulatora prędkości serwonapędu DC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 85, Nr 2, 2009, s [123], F.4 raportu 18. Pietrusewicz K., Plewik D., Od symulacji do implementacji czy można krócej...? B&R Automation Studio Target dla Simulink automatyczne generowanie kodu PLC, Napędy i Sterowanie, Nr 3, 2009, s [134], F.3 raportu 19. Pietrusewicz K., Dworak P., A Fuzzy-logic based tuning for a velocity controller of the DC servo drive, Solid State Phenomena. Mechatronic Systems and Materials III, Vols , 2009, s [35], F.2 raportu 12 S t r o n a

13 20. Pietrusewicz K., Prototypowanie algorytmów sterowania cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, Innowacyjne materiały i technologie w elektrotechnice: VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna: i-mitel 2012: materiały konferencyjne Zielona Góra: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2012, s [114], F.24 raportu 21. Urbański Ł., Układ sterowania o otwartej architekturze cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, XII International PhD Workshop OWD 2010, Październik, 2010, s [163], F.10 raportu 22. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Adaptive parameter tuning within the DC motion control system for the CNCs, Proc. of 12th International Symposium of Students and Young Mechanical Engineers Advances in Mechanical Engineering, 2009, s [128], F.8 raportu 23. Dworak P., Pietrusewicz K., Implementation of modern control algorithms in PLCs, Proceedings of 7th Conference Computer Methods and Systems: CMS '09, 2009, s [121], F.7 raportu 24. Pietrusewicz K., Implementation of the hybrid MFC algorithm with the use of the IEC ST language, Proceedings of 10th International Carpathian Control Conference: ICCC'2009, 2009, s [108], F.6 raportu 25. Mikołajczyk G., Pietrusewicz K., Hybrid predictive control systems for servo drives used in CNC machines, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists : InterTech 2009: proceedings, 2009, s [91], F.5 raportu 26. Domek S., Dworak P., Pietrusewicz K., Hybrid Model-Following Control algorithm within the motion control system, Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2009, s [28], F.1 raportu Prezentacje konferencyjne 1. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, International Conference Mechatronics Ideas for Industrial Applications, Warszawa Pietrusewicz K., Prototypowanie algorytmów sterowania cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, Innowacyjne materiały i technologie w elektrotechnice: VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna: i-mitel 2012: materiały konferencyjne Zielona Góra: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2012, s (artykuł wyróżniony przez Komitet Naukowy Konferencji), Konferencja pod Patronatem Komitetu Elektrotechniki Polskiej Akademii Nauk oraz Komisji Nauk Elektrycznych PAN 3. Pietrusewicz K., prezentacja wyników projektu podczas uznanej w kraju konferencji tematycznej Sympozjum Maszyn Elektrycznych zarówno w roku 2011 jak i Domek S., Dworak P., Pietrusewicz K., Hybrydowa regulacja odporna prędkości osi napędowej obrabiarki sterowanej numerycznie, XLIX Sympozjon Modelowanie w Mechanice, Wisła lutego, 2010, Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska 5. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbański Ł., Hardware-software architecture of the intelligent digital servodrive within the machine tool feed-drive module, 3rd International Scientific Conference with Expert Participation MANUFACTURING Contemporary problems of manufacturing and production management, Poznan University of Technology, Institute of Mechanical Technology, Poland 13 S t r o n a

14 6. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbański Ł., Dynamic corrections of the tooling errors possibilities within the mechatronic actuator for motors with permanent magnets, 3rd International Scientific Conference with Expert Participation MANUFACTURING Contemporary problems of manufacturing and production management, Poznan University of Technology, Institute of Mechanical Technology, Poland 7. Domek S., Pietrusewicz K., Mechatronika w doskonaleniu konwencjonalnych urządzeń technicznych na przykładzie obrabiarki wielofunkcyjnej, I Kongres Elektryki Polskiej, Warszawa, 2-4 września 2009, Politechnika Warszawska Inne publikacje 1. Pietrusewicz K., Automatic code generation as a key for innovative algorithms, automotion, Nr 7, 2011, s [105], F.17 raportu Prezentacje dla firm, seminaria 1. Domek S., Pietrusewicz K., Pajor M., prezentacja rezultatów projektu w ramach spotkań roboczych działu Applied Research firmy Cargotec, partnera Wydziału Elektrycznego w zakresie realizacji projektu europejskiego iload Partnership for developing energy efficient intelligent load handling system, projekt Marie Curie 7PR, FP7-PEOPLE-2012-IAPP (Industry-Academia Partnerships and Pathways); spotkania robocze: Szczecin, Hudiksvall, Szwecja 2. Pietrusewicz K., prezentacja wyników projektu w jednym z międzynarodowych centrów badawczo rozwojowych firm, zajmujących się produkcją serwonapędów cyfrowych obrabiarek sterowanych numerycznie (m.in. konsultacje techniczne w Firmie Bernecker & Rainer, Austria, Eggelsberg, 6 10 marca 2012r.) 3. seminarium techniczne ( r.) organizowane przez Centrum Mechatroniki, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Wydział Elektryczny ZUT w Szczecinie prezentacja dokonań ośrodków: szczecińskiego, poznańskiego oraz koszalińskiego w wybranych obszarach mechatroniki w obrabiarkach sterowanych numerycznie CNC 4. Pietrusewicz K., seminarium techniczne firmy OMRON w dniach w siedzibie głównej firmy (Amsterdam, Holandia), poświęcone zagadnieniom cyfrowego sterowania maszyn konsultacje techniczne w ramach projektu oraz prezentacja dotychczasowych osiągnięć (eliminacja wpływu tarcia, eliminacja wpływu zmiennego obciążenia podczas obróbki skrawaniem), 5. Pietrusewicz K., spotkanie w ramach Klastra ICT Pomorze Zachodnie (Klaster firm branży informatyka, technologie informatyczne i teleinformatyczne), w dniu w hotelu Silver w Szczecinie prezentacja m.in. rezultatów raportowanego projektu 6. Pietrusewicz K., seminarium pt. Uniwersalny zintegrowany system do dynamicznych badań i diagnostyki maszyn oraz układów mikroelektromechanicznych, Katedra Automatyki Przemysłowej i Robotyki, Wydział Elektryczny ZUT w Szczecinie prezentacja wątku badawczego, rozpoczętego w ramach raportowanego projektu, poświęconego możliwościom integracji funkcji diagnostycznych w ramach systemu sterowania cyfrowym serwonapędem o otwartej architekturze, Pietrusewicz K., Seminarium na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, AGH w Krakowie. Tytuł: Hybrydowa regulacja odporna w sterowaniu obiektami mechatronicznymi. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, S t r o n a

15 Targi, wystawy 1. Targi Nauka dla gospodarki podczas imprezy Innowacje Technologie Maszyny, Poznań, czerwiec 2012, stoisko wystawiennicze na terenie części Mach-Tool (poświęconej obrabiarkom sterowanym numerycznie), prace Centrum Mechatroniki 2. Targi Nauka dla gospodarki podczas imprezy Innowacje Technologie Maszyny, Poznań, czerwiec 2011, stoisko wystawiennicze na terenie części Mach-Tool (poświęconej obrabiarkom sterowanym numerycznie), prace Centrum Mechatroniki nawiązanie współpracy badawczej z Firmą AVIA FOP Warszawa 3. Targi Nauka dla gospodarki podczas imprezy Innowacje Technologie Maszyny, Poznań, czerwiec 2010, stoisko wystawiennicze na terenie części Mach-Tool (poświęconej obrabiarkom sterowanym numerycznie) m.in. folder Centrum Mechatroniki 4. Pietrusewicz K., Seminarium podczas Targów Protech Tytuł: Szybkie prototypowanie układów regulacji i przetwarzania sygnałów w mechatronice. Wrocław, Targi Protech, Seminarium Robotech, Inne materiały, artykuły 1. Pajor M., Marchelek K., Aspekty tworzenia koncepcji obrabiarki inteligentnej, Inżynieria Maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s Pajor M., Pietrusewicz K., Folder informacyjny Centrum Mechatroniki, 2012 Ponadto, wybrane zagadnienia, poruszone w ramach prac prowadzonych w raportowanym grancie stanowiły elementy następujących prac doktorskich: mgr inż. Paweł Waszczuk, Zwiększenie dynamicznej sztywności zespołu posuwowego obrabiarki poprzez wykorzystanie struktury sterowania zawierającej jego dynamiczny model, promotor dr hab. inż. Krzysztof Pietrusewicz, promotor pomocniczy dr inż. Paweł Dworak, mgr inż. Michał Bonisławski, Zasilanie i sterowanie maszyny elektrycznej z magnesami trwałymi do napędu pojazdów samochodowych, promotor prof. dr hab. inż. Ryszard Pałka, mgr inż. Łukasz Urbański, Adaptacyjne sterowanie zespołem serwonapędów w obrabiarkach numerycznych, promotor dr hab. inż. Stefan Domek, prof. ZUT w Szczecinie, mgr inż. Rafał Piotuch, Wykorzystanie analizy polowo-obwodowej do syntezy predykcyjnego regulatora prądu silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, promotor prof. dr hab. inż. Ryszard Pałka. Ponadto w wyniku prac związanych z niniejszym projektem jego kierownik, dr inż. Krzysztof Pietrusewicz, będący współtwórcą systemu sterowania obrabiarki o otwartej architekturze funkcjonalnej w dniu 29 listopada 2012 roku uzyskał stopień doktora habilitowanego. Stanowi to dodatkowy, pośredni efekt realizacji raportowanego projektu. 15 S t r o n a

16 1.3. Aktualny stan wiedzy na temat zagadnień projektu Na samym wstępie należy zauważyć, iż w zakresie stanu wiedzy, w stosunku do stanu opisywanego we wniosku o dofinansowanie, współcześnie istotnie rozwinęły się narzędzia sprzętowo-programowe stosowane do modelowania złożonych układów mechatroniki, jak również konsekwentnie na rynku pojawiają się coraz to bardziej interesujące rozwiązania komercyjne sprzętu i oprogramowania stosowanego do szybkiego prototypowania, w tym automatycznego generowania kodu Sterowanie a mechatronika Od kiedy w 1942 roku Ziegler i Nichols [180] jako jedni z pierwszych w historii opracowali zwarty zestaw reguł doboru nastaw pneumatycznych regulatorów PID (o algorytmie proporcjonalno całkująco różniczkującym; z ang. Proportional Integral Derivative), zarówno w technice jak i w świadomości inżynierów na całym świecie dokonał się istotny przełom. Z całą pewnością nikogo nie zdziwi fakt, iż przełom taki dokonywał się na przestrzeni lat co najmniej kilkukrotnie. Ciekawe jednak jest, iż mimo dużej liczby nowych, opracowanych od lat pięćdziesiątych algorytmów regulacji, to właśnie regulacja PID stanowi najbardziej eksploatowany obszar badawczy. Od roku 1970 liczba prac naukowych, poświęconych różnym zagadnieniom, związanym z regulacją PID wzrosła kilkunastokrotnie, a dzięki współczesnym możliwościom implementacji w urządzeniach przemysłowych czasu rzeczywistego tematyka ta nadal dynamicznie się rozwija. Ponad 40 lat temu w przemyśle pojawiło się nowe urządzenie programowalny sterownik logiczny. W 1968 roku firma GM Hydramatic zaprezentowała urządzenie o nazwie 084. Traktuje się je za pierwszy programowalny sterownik logiczny. Zgodnie z definicją, podaną przez amerykańską organizację zrzeszającą elektryków i elektroników IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ale również i automatyków i robotyków, programowalny sterownik logiczny jest urządzeniem mikroprocesorowym, które wskutek szeregowej realizacji obliczeń (algorytmu sterowania, całkowicie opracowanego przez użytkownika) numerycznych odwzorowuje równoległe działanie elektrycznego schematu stykowego urządzeń przełączających. Również ta definicja dzięki dynamicznemu rozwojowi techniki mikroprocesorowej oraz rosnące wymagania użytkowników nieco się zdezaktualizowała. Mniej więcej w tym samym okresie (około roku 1969), z uwagi na coraz większą liczbę złożonych zagadnień w obszarach regulacji automatycznej w sterowaniu układami robotycznymi, w języku techniki pojawiło się określenie układu czy systemu mechatronicznego. Tetsuro Mori, inżynier z firmy Yaskawa (Wielka Brytania) przez mechatroniczny rozumiał powiązanie układów: mechanicznego, elektronicznego wraz ze sterowaniem komputerowym. Mechatronikę wiązano jedynie z robotyką. Ówcześnie to właśnie komputerowe sterowanie robotami było zagadnieniem najbardziej zaawansowanym technologicznie stąd takie zawężenie definicji. Współcześnie pojęcie mechatroniki uległo znaczącej modernizacji. Rozwój sprzętu i oprogramowania wspierającego pracę inżynierów, na co dzień związanych z różnymi obszarami badawczymi, podczas projektowania systemów mechatronicznych sprawił, że dziedziny wiedzy takie, jak technologie informacyjne, elektronika i technika cyfrowa poszerzają zakres mechatronicznego rozumienia złożonych urządzeń technicznych. Na rysunku 1.4 przedstawiono najbardziej aktualną charakterystykę mechatroniki, jaką znaleźć można w literaturze. W myśl schematu z rysunku 1.4 systemami bądź układami mechatronicznymi nazywa się 16 S t r o n a

17 urządzenia/produkty, powstające w wyniku zastosowania różnych dziedzin wiedzy informatyki, elektroniki, automatyki oraz mechaniki i budowy maszyn. Rys Współczesna definicja mechatroniki Historia sterowników programowalnych biegnie równolegle do rozwoju techniki mikroprocesorowej. Pierwsze modele sterowników służyły jedynie do programowej realizacji dyskretnych układów przełączających. Od roku 1968 pośród funkcji sterowników pojawiły się najpierw regulatory dwustanowe oraz proste regulatory PID. W pierwszych modelach regulatory PID realizowane były z użyciem obliczeń stałoprzecinkowych. Wynikało to wprost z rynkowej dostępności tego typu procesorów. Małe rozmiary pamięci operacyjnej, niewielkie pamięci stałe na program i przechowywanie danych, to tylko niektóre z czynników, hamujących rozwój prac nad implementacją algorytmów regulacji w rozwiązaniach przemysłowych. Bardzo ważny był również tzw. czynnik ludzki obawa inżynierów przed nowościami. Algorytm PID jest obecnie rozwiązaniem najczęściej spotykanym w zastosowaniach przemysłowych. Z jednej strony z uwagi na swoją prostotę i dużą ilość prac na temat zasad doboru nastaw regulatora, z drugiej zaś z uwagi na powszechność pośród funkcji sterujących współczesnych sterowników programowalnych. Rosnące wymagania, coraz większa świadomość i umiejętności użytkowników przemysłowych systemów sterowania sprawiły, że około roku 2002 na rynku pojawiła się zupełnie nowa klasa rozwiązań układów sterowania programowalne sterowniki automatyki PAC (z ang. Programmable Automation Controllers). Są to w uproszczeniu rozwiązania o architekturze komputerów osobistych i funkcjonalności najbardziej zaawansowanych technologicznie sterowników programowalnych. W większości rozwiązań przemysłowych zwykle nie ma potrzeby stosowania tak zaawansowanych urządzeń jak sterowniki PAC. Wtedy doskonałym sposobem budowy systemu sterowania jest zastosowanie sterowników programowalnych, jednakże tych modeli, które dzięki modułowej architekturze i dostępności języków tekstowych wysokiego poziomu pozwalają na dopasowanie sprzętu do wymagań aplikacji. Dynamiczny rozwój przemysłowych systemów sterowania sprawia, iż coraz częściej spotyka się prace, poświęcone zastosowaniom metod sztucznej inteligencji w sterowaniu złożonymi procesami 17 S t r o n a

18 przemysłowymi. Nie są to jedynie wyniki badań symulacyjnych, ale coraz częściej rezultaty badań, rozwiązujących w sposób praktyczny określone problemy aplikacji przemysłowych. Przez lata badacze wiele uwagi poświęcali implementacji metod regulacji PID z użyciem sztucznej inteligencji logiki rozmytej Układy sterowania obrabiarek CNC Do najbardziej zaawansowanych a jednocześnie najbardziej złożonych obiektów sterowania zaliczyć należy maszyny technologiczne obrabiarki sterowane numerycznie CNC (z ang. Computer Numerical Control). Większość współcześnie wykorzystywanych systemów sterowania obrabiarek CNC jest całkowicie zamkniętych dla użytkownika. Inżynierowie zwykle mogą jedynie oprogramować działanie maszyny na poziomie programu użytkownika programu obróbki skrawaniem. Nawet, jeżeli jest to bardzo proste z uwagi na zaawansowane rozwiązania informatyczne interfejsu operatora maszyny (w tym dzięki wizualizacji 3D, symulacji procesu przed obróbką, predefiniowane cykle obróbcze czy funkcje systemów CAD/CAM oraz kontrolę kolizji narzędzia), to funkcje te nie mogą zwykle być w prosty sposób modyfikowane przez użytkownika. Otwartość jest ostatnimi czasy modną cechą wszelkiego rodzaju układów sterowania. Otwarta architektura układu sterowania, jakkolwiek byłby rozumiana przez projektantów, jest zauważalnym trendem w technologii współczesnych systemów sterowania. W ostatnich latach wiele uwagi poświęca się badaniom nad systemami sterowania o otwartej architekturze. Stanowią one coraz bardziej zauważalny w technologii trend rozwojowy. Wiele krajów oraz organizacji naukowo-badawczych dokonało znaczących odkryć na tym polu. Zostały opracowane architektury sprzętowo-programowe, różniące się zarówno podejściem do konfiguracji użytego sprzętu, jak i rozwiązaniami w warstwie oprogramowania czy funkcji systemowych. Spotykane obecnie na rynku otwarte systemy sterowania posiadają różne architektury czy też metody realizacji, jednakże dopiero współcześnie zaczynają cieszyć się rosnącą popularnością i zainteresowaniem szeroko rozumianego przemysłu. Niewiele jest również opracowań literaturowych im poświęconych. Rozwój nowoczesnych technologii komputerowego sterowania złożonymi układami dynamicznymi wymaga zweryfikowania podejścia do zagadnienia projektowania algorytmów regulacji automatycznej. W przypadku maszyn technologicznych do obróbki skrawaniem metalu współcześnie już nie wystarczy, aby układ napędowy jedynie odtwarzał trajektorię zapisaną w programie technologicznym obróbki. W pracy [135] zamieszczono interesujące dane na temat trendów w rozwoju sprzętu i oprogramowania obrabiarek sterowanych numerycznie na przestrzeni lat Analiza tych danych pozwala stwierdzić, iż w początkach historii sterowania numerycznego w maszynach technologicznych nie tworzono systemów dla maszyn specjalistycznych zdobywano wiedzę na temat sterowań numerycznych maszyn, uzupełniając funkcjonalność maszyn konwencjonalnych. Koszt sprzętu pierwszych sterowań numerycznych sięgał 80% całego systemu. Wiele rozwiązań było błędnych, nie spełniając założonych wymagań. W okolicy roku 1990 doświadczenie producentów systemów CNC było już na tyle duże (przy spadających wskutek rozwoju techniki mikroprocesorowej cenach sprzętu sterującego), że zaczęto stosować sterowania numeryczne dla obrabiarek specjalistycznych, zaś koszt sprzętu dla CNC stał się relatywnie znacznie niższy w stosunku do wersji systemów CNC o standardowej funkcjonalności. W pracy [135] zawarto dane obrazujące aktualny stan wiedzy w zakresie trendów rozwojowych (rok 2000) zwracając uwagę na dalsze obniżanie kosztów sprzętu i rozwój funkcjonalności CNC dla maszyn specjalnych. Aktualnie tendencja z roku 2000 się utrzymuje sprzęt tanieje, staje się coraz bardziej zaawansowany technologicznie (większe 18 S t r o n a

19 moce procesorów, szybsze protokoły komunikacyjne czasu rzeczywistego, znacznie lepsze narzędzia do tworzenia interfejsów operatora, w tym matryce dotykowe, kolorowe); ponieważ wiele rozwiązań sprzętowych stanowi rozwiązania bardzo innowacyjne, zatem konieczne jest zdobycie doświadczenia w zakresie zastosowania ich do budowy konwencjonalnych obrabiarek wielofunkcyjnych (stąd wzrost w tym zakresie) a następnie wykorzystanie tych doświadczeń we wszelkiego rodzaju maszynach specjalistycznych. W przyszłości nie należy spodziewać się znaczącego wzrostu cen sprzętu, wykorzystywanego do budowy systemów sterowania obrabiarek, natomiast z całą pewnością (i można taki wniosek wyciągnąć na podstawie prowadzonych przez firmy producentów obrabiarek działań rozwojowych) wzrośnie znaczenie specjalistycznych funkcjonalności systemów sterowania CNC. Dane z poniższego rysunku łatwo powiązać w rozwojem systemów sterowania o otwartej architekturze sprzętowo programowej. Rys Trendy w rozwoju systemów sterowania obrabiarek CNC Użytkownicy jeszcze kilkanaście lat temu oczekiwali jedynie, by nowe konstrukcje obrabiarek sterowanych numerycznie dokonywały: realizacji podstawowych zadań odczytywania i dekodowania informacji geometrycznych i technologicznych, przetwarzania informacji i wysyłania sygnałów sterujących do obrabiarki. Aktualnie rozwój maszyn technologicznych do ubytkowej obróbki metalu ukierunkowany jest na kilka najważniejszych zagadnień: zwiększenie parametrów obróbki, w tym grubości warstwy skrawanej, prędkości posuwu podczas skrawania, integracja funkcji monitorowania i diagnostyki stanu pracy maszyny podczas pracy, w tym poszukiwania powiązań sygnałów diagnostycznych, zapewniających wyższą efektywność diagnostyki, rozszerzanie listy urządzeń tzw. okołoobróbkowych, jak ustawiaki narzędzia, magazyny narzędzi, czy mechatroniczne uchwyty narzędziowe lub same narzędzia. 19 S t r o n a

20 Użytkownicy oczekują od maszyn technologicznych do obróbki metalu nie tylko odtwarzania programu obróbki zapisanego w G-kodzie, ale wielu różnych funkcji dodatkowych. Do najważniejszych zaliczyć należy: łatwość obsługi i programowania, otwartość i elastyczność struktury sprzętowo-programowej, budowa modułowa, zapewnienie dynamiki i precyzji sterowania, zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności, trwałość i dbałość o środowisko naturalne wszystkich elementów systemu sterowania. We współczesnych obrabiarkach sterowanych numerycznie wymagana jest bardzo duża precyzja ruchu w osiach posuwu jest to jeden z tych czynników, które zapewnione na odpowiednio wysokim poziomie ułatwiają integrację kolejnych podsystemów poprawiających pracę obrabiarki. Zapewnienie wysokiej dokładności i powtarzalności osiągania zadanego położenia i prędkości ruchu, zaś w przypadku synchronizacji ruchu wielu osi również precyzyjnego odtwarzania zadanego kształtu, odbywać się musi pomimo występowania w układzie błędów wykonania samej maszyny lecz również zmienności w czasie i zależnie od czynników zewnętrznych kluczowych parametrów obróbki. Prace nad poprawą jakości regulacji pozycji i prędkości w obrabiarkach sterowanych numerycznie prowadzone są od wielu lat. Zastosowanie technologii procesorów sygnałowych pozwoliło na podjęcie zagadnienia uwzględniania warunków pracy maszyny oraz występujących w układzie nieliniowości do modyfikacji prędkości serwonapędu. Nie zmieniło jednakże podejścia do projektowania samego układu regulacji. Interesujące jest, że większość prac nad poprawą jakości obróbki skrawaniem, pomimo zastosowania wyrafinowanych algorytmów i metod obliczeniowych, nie zakończyła się opracowaniem algorytmu, czy choćby zaleceń dla doboru nastaw istniejących na rynku rozwiązań. Jednym z powodów takiego stanu rzeczy z całą pewnością był (do roku 2007) brak rozwiązań technologicznych, umożliwiających efektywną i wystarczająco wydajną implementację złożonych algorytmów sterowania silnikami elektrycznymi. Wcześniejsze opracowania (od roku 1997) bazujące głównie na technologii procesorów sygnałowych, zostają współcześnie wypierane przez technologię reprogramowalnych układów logicznych FPGA w połączeniu z procesorami programowymi SOPC (ang. Software On a Programmable Chip). Algorytm regulacji PID, pomimo swej prostoty, jest obecnie najpopularniej stosowanym rozwiązaniem w aplikacjach przemysłowych, w tym sterowaniu napędami elektrycznymi. Prace nad algorytmami bardziej złożonymi wynikały z konieczności zapewnienia znacznie wyższej aniżeli typowa spotykana w rozwiązaniach przemysłowych precyzja sterowania ruchem maszyn technologicznych. Należy stwierdzić, iż regulatory a algorytmie PI/PID o stałych nastawach, dobranych na bazie informacji o strukturze i parametrach nominalnego modelu sterowanego procesu nie zapewniają odpowiednio wysokiej odporności układu, rozumianej jako utrzymanie stałej jakości przy zmianach parametrów i występujących w układzie zakłóceniach. Wynika to z prostych zależności, określających w dziedzinie częstotliwości funkcje wrażliwości, zarówno w torze sterowania, w torze zakłóceń, jak i relatywnej funkcji wrażliwości, odnoszącej jakość odtwarzania wartości zadanej w układzie regulacji z regulatorem PID i sterowanym procesem do odtwarzania wartości zadanej w nominalnym układzie regulacji (zawierającym regulator oraz model, na podstawie którego regulator nastrojono). 20 S t r o n a

21 Jako oczywisty wniosek wynikający z faktu ograniczeń klasycznego układu regulacji z regulatorem PID, zapewnienie stałej, wysokiej jakości regulacji prędkości w serwonapędzie obrabiarki sterowanej numerycznie w obecności perturbacji i zakłóceń, jak również nieliniowości, nie jest możliwe. W przypadku rozwiązania maszyn do obróbki skrawaniem z obrotowymi napędami posuwu układ regulacji serwonapędu wspomagany jest konstrukcją samych osi ruchu, albowiem przeniesienie napędu posuwu z użyciem mechanizmu śrubowo-tocznego wykazuje znaczne opory przenoszenia obciążenia masą osi oraz siłą skrawania w kierunku do wału silnika, a tym samym algorytmu sterowania cyfrowego serwonapędu. W przypadku napędu posuwu z silnikami liniowymi (o bezpośrednim przeniesieniu napędu posuwu) zapewnienie odpornej regulacji prędkości ruchu w obecności zmiennego w czasie obciążenia masą przedmiotu obrabianego oraz siłami skrawania (prowadzące do znaczących zmian sztywności dynamicznej) nabiera wyjątkowo dużego znaczenia, zaś stałe nastawy regulatorów PID serwonapędów poszczególnych osi ruchu tym bardziej nie są w stanie zapewnić stałej wysokiej jakości obróbki skrawaniem. Stąd konieczność zaproponowania metod podnoszenia szeroko rozumianej odporności układu regulacji osi posuwu obrabiarek sterowanych numerycznie. Aby możliwe było prowadzenie badań z tego obszaru, konieczne było opracowanie systemu sterowania CNC o otwartej architekturze funkcjonalnej, bazującej na dostępnej na rynku aparaturze przemysłowej, z drugiej zaś strony umożliwiającej dowolność konfiguracji jak i szeroko rozumianą otwartość interfejsu, współpracującego np. z uznanym naukowym środowiskiem obliczeniowym Matlab/Simulink Przesłanki do podjęcia problematyki badawczej projektu Z uwagi na opisane we wniosku o finansowanie raportowanego projektu kwestie oraz dotychczasowe doświadczenia zespołu badawczego w zakresie badań nad odpornymi strukturami układów regulacji o wielu stopniach swobody, przyjęto następujące przesłanki opracowania proponowanej w niniejszej pracy hybrydowej regulacji odpornej o wielu stopniach swobody, jako metody podnoszenia odporności działania złożonych obiektów mechatroniki na przykładzie osi posuwu układu napędowego obrabiarki. a) Brak zwartych metod projektowania odpornych układów regulacji nieliniowych układów dynamicznych (w tym układów hybrydowych) zapewniających odpowiednio wysoką, stałą jakość, przy określonym poziomie niepewności modelu, przyjętego do syntezy prawa sterowania, b) Brak uporządkowania w zakresie kompleksowego mechatronicznego projektowania przemysłowych systemów sterowania, szczególnie napędów osi posuwu obrabiarek, c) Regulacja odporna typu Model-Following Control co do zasady pozwalają na rozdzielenie zadań projektowania ze względu na jakość jak i na odporność, d) Spośród wielu rozwiązań nieliniowej regulacji predykcyjnej hybrydowa regulacja predykcyjna pozwala w czytelny dla użytkownika sposób projektować systemy sterowania nawet silnie nieliniowymi obiektami, e) Do modelowania systemów nieliniowych często używa się modeli zorientowanych blokowo. Bardzo wygodnym sposobem modelowania są modele przedziałami liniowe bądź przedziałami afiniczne, f) W praktyce przemysłowej spotyka się przypadki, w których brakuje przesłanek (lub są one zbyt złożone), co do wyboru struktury modelu. Wtedy modelowanie przedziałami liniowe/afiniczne jest efektywnym narzędziem aproksymacji właściwości złożonego procesu, 21 S t r o n a

22 g) Znane są ogólne zasady zwiększania odporności struktury/układu/algorytmu regulacji. Typowym podejściem jest zastosowanie modelu (model-based control), np. w celu opracowania funkcji nadążania obiektu za modelem (model-following control) w ramach układu regulacji. Dzięki rozwojowi technologii urządzeń sterujących rozwijane są prace nad algorytmami regulacji z wieloma lokalnymi submodelami (multi-model approach), h) Poprawa jakości pozycjonowania (regulacji położenia) w osiach posuwu obrabiarek CNC celem poprawy jakości obróbki skrawaniem jest jednym z głównych celów badawczych w tym obszarze. Większość prac skupia się na algorytmach modyfikacji funkcjonalności generatora trajektorii (wartości zadanych położenia interpolowanych osi) bądź optymalizacji parametrów pracy obrabiarki (prędkości posuwu, prędkości obrotowej napędu głównego wrzeciona, głębokości warstwy skrawanej). Spotykane są również rozwiązania, w których przed rozpoczęciem obróbki modyfikowane są nastawy regulatorów serwonapędów bądź standardowe poprawki wartości zadanych położenia. Brak jest prac, poświęconych zagadnieniom zmian nastaw on-line czy dynamicznych korekt sygnałów takich jak: wartość zadana położenia, prędkości silników czy wartości momentu/siły elementów w poszczególnych osiach ruchu, i) Brakuje metodycznych zaleceń dla realizacji implementacji algorytmów sterowania i przetwarzania sygnałów w przemysłowych urządzeniach sterujących zgodnie z podejściem szybkiego prototypownia. Coraz większe szybkości realizacji obliczeń przez urządzenia sterujące z systemami operacyjnymi czasu rzeczywistego wystarczają w większości przypadków do osiągnięcia postawionych aplikacji celów. Rosnące wymagania poprawy jakości, integracja funkcji monitorowania warunków pracy maszyn technologicznych sprawiają, iż konieczne jest sięganie po takie osiągnięcia techniki jak powiązanie przetwarzania sygnałów z użyciem reprogramowalnych układów logicznych FPGA z systemami operacyjnymi czasu rzeczywistego, j) Sterowanie nadrzędne (interpolacja wieloosiowa) napędami poszczególnych osi obrabiarek sterowanych numerycznie odbywa się zgodnie z normą PLCopen Motion Control i zawartą w niej maszyną stanów. Zapewnienie jakości i odporności sterowania cyfrowymi serwonapędami z użyciem regulatorów PID o stałych nastawach, w różnych trybach (stanach) automatu PLC opon (ruch na zadane położenie, ruch z zadaną prędkością), przy zmiennej sile obciążającej osie ruchu podczas skrawania, przy zmiennym tarciu poszczególnych osi ruchu, nie jest możliwe. Konieczne jest poszukiwanie rozwiązań odpornych, uwzględniających złożone właściwości sterowanego obiektu w ramach wewnętrznego modelu, odzwierciedlającego własności procesu dla jak najszerszego rozrzutu parametrów (punktów) pracy, k) Podczas odtwarzania złożonych kształtów toru obróbki (w interpolacji wieloosiowej, tj. przy liczbie osi ruchu większej lub równej 2) największy wpływ na wartości odchyłki położenia ma wartość modułu regulatora prędkości w kaskadowej strukturze położenie-prędkość-moment serwonapędu silników w poszczególnych osiach. Choć w literaturze znaleźć można wiele prac na temat regulacji prędkości silników PMSM oraz PMLM, również odpornej, to brak jest prac poruszających zagadnienie uodpornienia regulatora prędkości z uwzględnieniem właściwości obiektu, jakim jest obrabiarka, l) W literaturze pojawia się coraz więcej prac poświęconych zagadnieniom diagnostyki obrabiarek, również integracji systemów monitorowania warunków pracy w systemach CNC. Brakuje jednak zaleceń dla projektantów układów sterowania serwonapędów, jak informacje diagnostyczne uwzględniać, np. w algorytmie regulacji prędkości. Teoria układów liniowych wręcz nie pozwala 22 S t r o n a

23 uwzględnić tego typu informacji podczas syntezy prawa sterowania. Inaczej jest z teorią układów hybrydowych, która umożliwia implementację algorytmu przełączania pomiędzy przedziałami afinicznymi regulatorami lokalnymi m.in. z użyciem dodatkowego wejścia sterującego (przełączającego), lub tak jak w niniejszej pracy zależnie od stanu obiektu. m) W literaturze polskojęzycznej brak jest uporządkowanych informacji na temat hybrydowych układów dynamicznych. Wychodząc z przedstawionych przesłanek oraz biorąc pod uwagę zdobyte dotąd doświadczenia, zaproponowano oryginalną, uniwersalną i efektywną metodykę projektowania (syntezy), testowania (analizy) i implementacji w przemysłowych urządzeniach sterujących czasu rzeczywistego (w systemach sterowania o otwartej architekturze) odpornych układów regulacji o wielu stopniach swobody dla celów sterowania złożonymi dyskretno-ciągłymi obiektami mechatroniki. Opisane w pracach powstałych podczas raportowanego projektu metody implementacji zgodne są z regułami podejścia szybkiego prototypowania w docelowych systemach sterowania. Prezentowane tutaj rozwiązania, metody, algorytmy potwierdziły swoją użyteczność i efektywność, a przede wszystkim poprawność w szeroko publikowanych rezultatach Nomenklatura, przyjęta w niniejszej pracy W pracy przyjęto następującą nomenklaturę w zakresie oznaczania przepływu sygnałów na schematach blokowych: sygnały jednowymiarowe oznacza się pojedynczą strzałką, zaś sygnały o charakterze wektorowym (wielowymiarowym) oznacza się pogrubioną strzałką pustą w środku, jak na następującym przykładzie. węzły sumacyjne oznacza się symbolem, przy czym pola jasne oznaczają, że sygnał podawany jest do węzła ze znakiem +, zaś w przypadku pola zaczernionego sygnał podawany jest ze znakiem. W całej pracy pojawia się szereg akronimów i oznaczeń: OUPN Obrabiarka Uchwyt Przedmiot obrabiany Narzędzie, MDS układ Masowo Dyssypacyjno Sprężysty, BOOL typ binarny, SINT typ Single precision Integer, INT typ Integer, DINT typ Double precision Integer, USINT typu Unsigned Single precision Integer, UINT typ Unsigned Integer, UDINT typ Unsigned Double precision Integer, REAL typ rzeczywisty, DOUBLE typ REAL podwójnej precyzji, STRUCT typ strukturalny, OPC OLE for Process Control, XML extended Markup Language, SIL Safety Integrity Level, CNC Computer Numerical Control, FPGA Field Programmable Logic Array, PWA PieceWise Affine, PWL PieceWise Linear, MFC Model Following Control, MFC/IMC Model Following Control/Internal Model Control, OSACA Open System Architecture for Controls within Automation Systems, NGC Next Generation Controller, 23 S t r o n a

24 OMAC Open Modular Architecture Controllers, HOAM-CNC jedna z architektur systemów sterowania CNC, OSEC Open System Environment for Controller, PLC Programmable Logic Controller sterownik programowalny, PAC Programmable Automation Controller programowalny sterownik automatyki, PC Personal Computer komputer osobisty, PC-RT Personal Computer with Real-Time operating system komputer przemysłowy z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego, RTOS Real-Time Operating System system operacyjny czasu rzeczywistego, SSOA System Sterowania o Otwartej Architekturze Podziękowania Niniejszym chciałbym gorąco podziękować wszystkim, którzy bezpośrednio i pośrednio przyczynili się do podjęcia trudu realizacji raportowanego projektu, a w szczególności: 1) prof. dr hab. inż. zw. dr h.c. multi Krzysztofowi Marchelkowi za wskazanie niezmiernie ciekawego kierunku badawczego, jakim jest sterowanie zespołami posuwowymi obrabiarek sterowanych numerycznie, jak i zastosowanie podejścia mechatronicznego do realizacji prac badawczych w tym obszarze, 2) prof. dr hab. inż. Janowi Kosmolowi za inspirację problematyką serwonapędów mechatronicznych stosowanych w napędach zespołów posuwowych obrabiarek, dzięki lekturze jego pracy [70]; tym, którzy go wraz ze mną realizowali, niejednokrotnie spierając się w różnych kwestiach: 1) mgr inż. Łukaszowi Urbańskiemu za niezliczone godziny, nad co rusz to nowymi wariantami eksperymentu identyfikacyjnego opisanego w Zadaniu 1 raportu, oraz profesjonalne zdjęcia obiektów badawczych, które zawarto w raporcie, 2) mgr inż. Pawłowi Waszczukowi, za pomoc w zgłębianiu tajników implementacji algorytmów przetwarzania sygnałów w obliczeniach wspieranych sprzętowo przez układy FPGA, 3) mgr inż. Michałowi Bonisławskiemu oraz dr inż. Marcinowi Hołubowi, za wytrwałość w pracach nad prototypowym modułem wykonawczym, 4) mgr inż. Rafałowi Piotuchowi za prace nad symulacjami komputerowymi układów energoelektronicznych, 5) mgr inż. Rafałowi Pajdzikowi za zaangażowanie w powstanie prototypowego stanowiska badawczego algorytmów sterowania napędami w oparciu o platformę dspace, 6) dr hab. inż. Mirosławowi Pajorowi oraz dr inż. Tomaszowi Okulikowi za pomoc w zakresie tematyki modelowania układów wielomasowych, również wspomaganych narzędziami komputerowymi z grupy CAD Chciałbym podziękować również tym, których cenne krytyczne niekiedy uwagi sprawiały, iż pierwotnie górnolotne koncepcje spotykały się z twardymi realiami ograniczeń technologicznych potencjalnych możliwości implementacyjnych. Ponieważ lista ta jest zbyt długa by ją tutaj publikować Pozwolę sobie tego nie robić Dodatkowo, chciałbym podziękować mojej żonie Katarzynie za trud, którego nie można porównać z żadnym innym cierpliwość znoszenia wzlotów i upadków podczas realizacji raportowanego tutaj projektu. 24 S t r o n a

25 2. Realizacja zadań projektu W ramach projektu zaplanowano realizację następujących zadań: Zadanie 1: Opracowanie modelu matematycznego układu zespół posuwowy obrabiarki układ napędowy silnik ; czas trwania w miesiącach między 1 a 2; Zadanie 2: Teoretyczna analiza możliwości zastosowania wybranych algorytmów sterowania ruchem ze szczególnym uwzględnieniem metod opartych na modelu oraz algorytmów hybrydowych; czas trwania w miesiącach między 3 a 6; Zadanie 3: Opracowanie sprzętowo-programowej architektury inteligentnego modułu wykonawczego sterującego napędami zespołu posuwowego; czas trwania w miesiącach między 7 a 10; Zadanie 4: Analiza możliwości wykorzystania sygnałów pomiarowych oraz synteza wielokryterialnych układów sterowania; czas trwania w miesiącach między 11 a 13; Zadanie 5: Badania symulacyjne SIL (Simulation-in-the-Loop) i HIL (Hardware-in-the-Loop) systemu zespół posuwowy obrabiarki inteligentny napędowy moduł wykonawczy silnik dla wybranych typów silników obrotowych i liniowych; czas trwania w miesiącach między 7 a 20; Zadanie 6: Budowa stanowiska do badań inteligentnego modułu wykonawczego sterującego napędami obrabiarkowego zespołu posuwowego; czas trwania w miesiącach między 21 a 26; Zadanie 7: Dostosowanie opracowanego modułu wykonawczego do systemu sterowania obrabiarką oraz weryfikacja doświadczalna skuteczności pracy; czas trwania w miesiącach między 25 a 36. Realizacja raportowanego projektu badawczego M.A.R.I.N.E. rozpoczęła się od ustalenia szeregu podzadań badawczych. Założono również wstępnie czasy konieczne do realizacji tych podzadań. Zgodnie z założonym celem badawczym projektu ustalono, iż konieczna będzie realizacja wymienionych poniżej zadań szczegółowych. W zakresie Zadania 1 Opracowanie modelu matematycznego układu zespół posuwowy obrabiarki układ napędowy silnik wyróżniono następujące podzadania: opracowanie modelu matematycznego silnika PMSM, uwzględniającego niekorzystne z punktu widzenia układu sterowania zjawiska nieliniowe, opracowanie modelu matematycznego (z zastosowaniem metody sztywnych elementów skończonych) osi napędowej zespołu posuwowego z napędem śrubowym kulowo tocznym, opracowanie modelu funkcjonalnego modułu wykonawczego. W zakresie Zadania 2 Analiza możliwości zastosowania wybranych algorytmów sterowania ruchem ze szczególnym uwzględnieniem metod opartych na modelu określono podzadania: analiza struktur układów regulacji dostępnych w serwonapędach czołowych Firm branży automatyka i robotyka: B&R, Bosch Rexroth, Beckhoff, Mitsubishi Electric, analiza klasycznej kaskadowej struktury regulacji położenie/prędkość/prąd z regulatorami PI z dynamicznym odcałkowywaniem, analiza możliwości zastosowania równoległej regulacji położenie prędkość, analiza możliwości zastosowania metod sztucznej inteligencji w regulacji położenia/prędkości, analiza możliwości zastosowania podejścia przedziałami liniowego do modelowania zespołów posuwowych obrabiarek, analiza możliwości zastosowania regulacji predykcyjnej do sterowania położeniem/prędkością. 25 S t r o n a

26 Na potrzeby realizacji Zadania 2 przyjęto założenie, że regulator prądu (momentu) jako stopień regulacji zwykle niedostępny dla użytkownika z poziomu aplikacji sterującej napędami zespołów posuwowych w trybie on-line stanowi element obiektu sterowanego zespołu posuwowego obrabiarki. W zakresie Zadania 3 Opracowanie sprzętowo-programowej architektury inteligentnego napędowego modułu wykonawczego wyróżniono podzadania: dobór narzędzi programowych do realizacji zadania implementacji nowych algorytmów, dobór narzędzi programowych do programowania i konfiguracji sprzętu, wybranego do realizacji projektu w ramach Zadania 3, dobór narzędzi sprzętowych dla celów realizacji procedur szybkiego prototypowania, dobór narzędzi sprzętowych, planowanych do zastosowania w finalnej realizacji systemu sterowania. W zakresie Zadania 4 Analiza możliwości wykorzystania sygnałów pomiarowych oraz synteza wielokryterialnych układów sterowania określono podzadania: analiza przydatności sygnałów temperatury, drgań, dźwięku (ciśnienia akustycznego) dla celów modyfikacji algorytmów składowych prototypowego serwonapędu, analiza możliwości zastosowania podejścia fuzji sygnałów pomiarowych w algorytmach składowych prototypowego serwonapędu, analiza właściwości struktury układu regulacji z przełączaniem zależnym od dodatkowego sygnału pomiarowego pod kątem wprowadzenia do systemu sterowania prototypowego serwonapędu. W zakresie Zadania 5 Badania symulacyjne systemu zespół posuwowy obrabiarki-silnik-inteligentny napędowy moduł wykonawczy (miesiące 7 20) wyróżniono: implementacja części mechanicznej modelu zespołu posuwowego w środowisku Matlab/Simulink, implementacja części energoelektronicznej modułu wykonawczego zespołu posuwowego w środowisku Matlab/Simulink, implementacja w środowisku Matlab/Simulink wybranych typów regulatorów, implementacja w środowisku Matlab/Simulink prostego generatora trajektorii p2p (ang. point-topoint), opracowanego zgodnie z normą PLCopen Motion Control na podstawie bloku funkcyjnego MCMoveAbsolute, implementacja w środowisku Matlab/Simulink prostego generatora siły skrawania, badania hardware-in-the-loop wybranych struktur układów regulacji. W zakresie Zadania 6 Budowa stanowiska do badań inteligentnego napędowego modułu wykonawczego sterującego silnikami określono podzadania: projekt i testy symulacyjne modułów energoelektroniki, projekt modułu komunikacji z systemem prototypowania, projekt modułu pomiarowego interfejsu enkoderowego, projekt energoelektronicznego modułu wykonawczego, integracja podsystemów modułu wykonawczego i testowanie poprawnej funkcjonalności, opracowanie dokumentacji modułu wykonawczego, 26 S t r o n a

27 budowa stanowiska do szybkiego prototypowania algorytmów diagnostycznych w cyfrowym serwonapędzie w oparciu o komunikację w Ethernecie przemysłowym. W zakresie Zadania 7 Adaptacja opracowanego modułu wykonawczego w systemie sterowania obrabiarką oraz weryfikacja doświadczalna skuteczności pracy : testy modułu wykonawczego energoelektronicznego, testy modułu komunikacyjnego, testy kompletnej platformy szybkiego prototypowania podejście naukowe z zastosowaniem karty dspace DS1104, testy cyklicznej komunikacji z serwonapędem ACOPOS prototypowanie algorytmów regulacji w systemie docelowym. Realizacja zadań badawczych projektu wspierana była w zakresie zarządzania oprogramowaniem Microsoft Project. W związku z tym powstała praca magisterska zatytułowana Zastosowanie e-technologii w zarządzaniu projektami oraz parkiem maszynowym innowacyjnego przedsiębiorstwa autorstwa Pani Katarzyny Jakubek z Wydziału Informatyki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. 27 S t r o n a

28 28 S t r o n a

29 3. Zadanie 1. Opracowanie modelu matematycznego układu zespół posuwowy obrabiarki układ napędowy silnik Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 2. Pietrusewicz K., Method for increasing the control robustness of the Permanent Magnet machine tool feed-drive, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [109], F.13 raportu 3. Piotuch R., Pałka R., Porównanie wybranych regulatorów prądu w układzie sterowania silnikiem synchronicznym ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [133], F.14 raportu 4. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 5. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu 29 S t r o n a

30 3.1. Model dynamicznego układu OUPN W pracy [85] wprowadzono pojęcie układu dynamicznego OUPN (Obrabiarka Uchwyt Przedmiot Narzędzie). W pracach przedstawiono szczegółowo zagadnienie wibrostabilności tegoż układu. Głównym celem niniejszego zadania było opracowanie modelu matematycznego części układu OUPN związanego z osiami posuwu, zarówno w zakresie części konstrukcyjnej zespołów posuwowych obrabiarki jak i komponentów elektrycznych oraz cyfrowego sterowania nimi. Opracowany w ramach Zadania nr 1 kompleksowy model zespołu posuwowego można podzielić na następujące komponenty: a) model matematyczny modułu generowania trajektorii ruchu (w raportowanym projekcie prosty moduł o trapezoidalnym profilu prędkości, z zerową początkową i końcową prędkością ruchu), b) model bryłowy części konstrukcyjnej, c) model części elektrycznej, d) model układu sterowania napędem elektrycznym, e) przyjęty do dalszych analiz model obciążenia siłami skrawania. W ramach wprowadzenia do tematyki Zadania 1 omówiono główne komponenty układu OUPN z uwzględnieniem struktury zastosowanego podsystemu sterowania układami napędowymi zespołów posuwowych. W dynamicznym układzie OUPN zarówno sygnały wejściowe jak i wyjściowe mają charakter wektorowy, zaś sam układ jest układem wielowymiarowym, chociażby z uwagi na większą niż 1 liczbę osi ruchu (w typowej konfiguracji są to 3 osie napędów posuwu i jedna oś napędu głównego wrzeciona). Sprzężenia obwodów (podsystemów) na dynamicznym układzie OUPN wynikają z logicznych oddziaływań pomiędzy procesami roboczymi a samą konstrukcją obrabiarki. Celem uzupełniającym Zadania nr 1 było pokazanie wpływu modułu sterującego napędami zespołów posuwowych na pracę całego układu dynamicznego OUPN. Na rysunku 3.1 przedstawiono ogólną postać schematu blokowego, uwzględniającego większość sprzężeń między układem MDS OUPN a procesami roboczymi, do których zaliczamy: proces skrawania W CP (będący w bezpośredniej relacji z układem W MDS ), procesy tarcia W F, procesy zachodzące w elementach wykonawczych silnikach układów napędowych posuwu i/lub napędu głównego W, M procesy zachodzące w systemie sterowania W CS. Dla jasności analizy globalnego układu OUPN założono, iż elementy składowe można (bez utraty ogólności) uznać za liniowe (z uwagi na lokalny charakter prowadzenia procesu obróbki skrawaniem). Takiego założenia nie można przyjąć w sytuacji ruchów dużych posuwu w osiach ruchu, analizowanych w dalszej części pracy. 30 S t r o n a

31 Rys Struktura dynamicznego układu OUPN (Obrabiarka Uchwyt Przedmiot Narzędzie) Wektor Y symbolizuje zewnętrzne oddziaływania (zakłócenia) w układzie OUPN, dla uproszczenia przyszłych analiz, sprowadzone do wyjścia obiektu sterowania: gdzie u () s u( s) W ( s) C( s) F( s) M( s) CS( s) Y ( s) (3.1) MDS C( s) W ( s) y ( s) u( s) CP CP F( s) W ( s) y ( s) u( s) F M( s) W ( s) y ( s) u( s) M CS( s) W ( s) y ( s) u( s) CS Składowe sygnału sterującego obiektem W MDS () s pochodzą od procesów związanych z: siłami skrawania (sygnał C () s ), tarciem (sygnał F () s ), sterowaniem napędami zespołów posuwowych (sygnał M () s ) oraz tych zachodzących w samym nadrzędnym systemie sterowania (sygnał CS () s ). F M CS (3.2) Podstawiając równania (3.2) do równania (3.1) uzyskujemy wyrażenie (dla uproszczenia pominięto w kolejnych równaniach operator s ) 1 u I W W W W W W W y W y W y W y Y MDS CP F M CS MDS CP CP F F M M CS CS (3.3) 31 S t r o n a

32 w którym Y to wektor zakłóceń zewnętrznych, sprowadzony do wyjścia układu OUPN. Sprowadzenie wpływu zakłóceń i wpływów zewnętrznych do wyjścia układu pozwala w jasny sposób dokonać analizy tegoż wpływu na układ przy różnych strategiach sterowania. Przedstawiając równanie (3.3) w zapisie macierzowym WCP ycp F F MDS CP F M CS W y u I W W W W W WMDS 0 0 WM 0 y M WCS ycs 1 I WMDS WCP WF WM WCS Y (3.4) można prowadzić niezależne analizy wpływu procesów związanych ze skrawaniem, siłami tarcia, z napędami zespołów posuwowych oraz właściwościami głównego systemu sterowania czy wpływem czynników zewnętrznych (w tym warunków środowiskowych prowadzenia obróbki). Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, iż o stabilności całego układu (3.4) decyduje wyrażenie: S Y I W W MDS CP W F W M W CS (3.5) znane jako wrażliwość zakłóceniowa [146, 148]. Funkcję (3.5) wyznacza się dla danego układu zamkniętego w dziedzinie częstotliwości, dla określonego zakresu jej wartości [115]. Dla układu (3.4) można wyprowadzić funkcje wrażliwości: na sygnał zadany siły skrawania, S CP I W W MDS CP W F W M W CS W W (3.6) MDS CP na zachodzące w układzie procesy tarcia, S F I W W MDS CP W F W M W CS W W (3.7) MDS F na zachodzące w układzie procesy w silniku napędowym, S M I W W MDS CP W F W M W CS W W (3.8) MDS M na właściwości głównego systemu sterującego, S CS I W W MDS CP W F W M W CS W W (3.9) MDS CS Na podstawie wyrażeń (3.6) do (3.9) widać, że własności każdego ze sprzężeń układu OUPN mają wpływ na postać funkcji wrażliwości w danym torze sterowania. Przedstawione w niniejszej monografii rezultaty dobitnie wykazują, iż konieczne jest podjęcie prac badawczych nad ujednoliceniem opisu dynamiki układu OUPN a opisami charakterystycznymi dla systemów sterowania, szczególnie bazujących na rozwiązaniach komputerowych, z uwzględnieniem specyfiki działania systemów operacyjnych czasu rzeczywistego, oraz deterministycznej bądź asynchronicznej komunikacji pomiędzy wybranymi elementami systemów sterowania w układzie OUPN, stanowiących o dyskretno-ciągłym charakterze jego działania S t r o n a

33 Tematyka ta wykracza jednak znacznie poza zakres niniejszej pracy. W niniejszej pracy wskazano bowiem możliwości istotnego z punktu widzenia całego układu OUPN podnoszenia odporności sterowania napędami zespołów posuwowych. Rozpatrując jedynie procesy zachodzące w napędach zespołów posuwowych (sensowne bowiem jest uwzględnienie własności napędu głównego wrzeciona obrabiarki w funkcji przejścia W ) obrabiarki równanie (3.4) upraszcza się do postaci: 1 1 u I W W W W y I W W Y (3.10) M MDS M MDS M M MDS M Wtedy funkcja wrażliwości zakłóceniowej oraz na procesy zachodzące w silniku. 1 S I W W (3.11) YM MDS M 1 S I W W W W (3.12) MM MDS M MDS M CP Jednym z podstawowych zjawisk zachodzących podczas ubytkowej obróbki metalu jest regeneracji śladu, której model przedstawiono na rysunku 3.2. Rys Zasada działania zjawiska obróbki po śladzie Równanie opisujące działanie układu z rysunku u I WMDS WCP I W WMDS WCP 1 I WMDS WCP I W Y (3.13) Rysunek kolejny przedstawia układ blokowy z uwzględnieniem zjawiska regeneracji śladu podczas skrawania (rysunek 3.2). 33 S t r o n a

34 Rys Schemat układu OUPN z uwzględnieniem regeneracji śladu Postępując analogicznie jak podczas wyprowadzania równania (3.4), uwzględnienie zjawiska przedstawionego w formie schematu na rysunku powyżej doprowadzi do równania, opisującego działanie systemu z rysunku 3.3. WCP ycp F F MDS CP F M CS W y u I W W I W W W W WMDS 0 0 WM 0 y M WCS ycs I WMDS W CP I W WF WM WCS Y (3.14) Odpowiednio do równania (3.14) zmianie uległy postacie funkcji wrażliwości na poszczególne procesy zachodzące w obrabiarce: oraz wrażliwość zakłóceniowa: na sygnał zadany siły skrawania, 1 1 S I W Y MDS W I W W W W CP F M CS (3.15) na zachodzące w układzie procesy tarcia, S S W W (3.16) CP Y MDS CP S S W W (3.17) F Y MDS F 34 S t r o n a

35 na zachodzące w układzie procesy w silniku napędowym, S S W W (3.18) M Y MDS M na właściwości głównego systemu sterującego, S S W W (3.19) CS Y MDS CS Współczesne technologie komputerowego sterowania sprawiają, że każdy z głównych komponentów obrabiarki (układu OUPN) może podlegać osobnemu sterowaniu [31, 32, 100, 102]. W związku z tym w niniejszej pracy zaproponowano dekompozycję funkcji przejścia układu sterowania na podsystemy i uwzględnienie ich modeli w ramach opisu zamkniętego układu OUPN. Na rysunku 3.4 przedstawiono hipotetyczne (choć realne do implementacji, m.in. dzięki posiadaniu przez zespół badawczy odpowiednich narzędzi sprzętowo programowych, opisanych w kolejnych rozdziałach niniejszej pracy) sprzężenia poprzez dodatkowe podsystemy sterowania: system nadzorowania, kontroli i eliminacji drgań W CPc, system kontroli tarcia W Fc (niekorzystnego podczas realizacji zadań M obróbki), i wreszcie najważniejszego z punktu widzenia tematyki niniejszej pracy podsystemu sterowania napędami osi posuwu W. Zakłada się, że właściwości napędu głównego obrabiarki (napędu wrzeciona) zawarte są w funkcji przejścia związanej z procesem skrawania W CP. Wektor wartości wielkości zadanych do układu opisuje wektor kolumnowy CP, F, M wektor,, CPc Fc Mc col y y y, zaś col y y y to sygnały sterujące poszczególnymi komponentami zamkniętego układu OUPN (patrz rysunek 3.4; sygnały wyjściowe z modeli procesów zachodzących w podukładach sterowania: eliminatora drgań, kontroli tarcia, sterowania napędem zespołów posuwowych). Poszczególne sygnały wejściowe do układu W z rysunku 3.4 opisują zależności, analogiczne do (3.2): MDS C W W y W u W u u CP CPc CP CPc F W W y u F Fc F M Mc M M W W y u (3.20) Analogicznie do równania (3.1): MDS u W C F M Y (3.21) Równanie opisujące działanie zamkniętego układu OUPN z rysunku 2.4, uwzględniające zjawisko regeneracji śladu podczas obróbki: u I WMDS W CP I W WCPc WFWFc WM WMc WMDS WCPWCPc 0 0 ycp 0 F Fc 0 W W y F 0 0 W M WMc y M I WMDS W CP I W WCPc WFWFc WM WMc Y Wrażliwość układu (3.22) opisują zależności analogiczne do (3.15) do (3.19): 1 1 (3.22) 35 S t r o n a

36 1 S Y mech I W MDS W I CP W W CPc W W F Fc W W M Mc (3.23) Rys Struktura mechatronicznej wersji układu OUPN z uwzględnieniem lokalnych podsystemów sterowania Z zależności (3.23) wyraźnie wynika, iż zdolność do tłumienia zakłóceń wpływających na cały proces zależy od wszystkich podukładów sterowania ( WCPc, WFc, W Mc ), natomiast zdolność odtwarzania wartości zadanych w poszczególnych torach zamkniętego układu OUPN S S W W W CPmech Y mech MDS CP CPc S S W W W F mech Y mech MDS F Fc S S W W W M mech Y mech MDS M Mc (3.24) od każdego z podukładów sterujących z osobna. Równanie (3.22) można zapisać w prostszej postaci: SCPmech 0 0 ycp u 0 F mech 0 S y F SY mechy 0 0 S M mech ym (3.25) 36 S t r o n a

37 Złożoność szczegółowych równań (3.22) do (3.24) w przestrzennym układzie współrzędnych obrabiarki sterowanej numerycznie jest bardzo duża, ilość powiązań (sprzężeń lokalnych) w ramach samego układu W MDS, poziom złożoności modelu procesu skrawania W CP również. Wszystko to sprawia, że uogólniona analiza równania (3.22) jest bardzo trudna. Wiele z prac badawczych, realizowanych przez zespół Centrum Mechatroniki poświęconych było zjawiskom modelowani układu OUPN w uwzględnieniem procesów roboczych [86-89, 101, 102]. Na rysunku 3.5 przedstawiono wersję układu OUPN, w której wpływ systemu sterowania na układ MDS jest realizowany jedynie poprzez procesy zachodzące w silniku napędowym W (silnikach napędowych osi posuwu). W niniejszej pracy zakłada się (na potrzeby uwydatnienia rezultatów działania opracowanych algorytmów, oraz z uwagi na zamieszczone powyżej wnioski wynikające z równania (3.22)), że w układzie nie ma kontroli siły skrawania W CPc, ani aktywnego kształtowania W Fc procesów roboczych związanych z tarciem W F. Sygnałem wejściowym dla systemu sterowania napędem jest wartość zadana położenia, wypracowana przez nadrzędny system sterowania, a w szczególności przez tzw. generator trajektorii ruchu. Generator trajektorii, na podstawie ograniczeń technologicznych zastosowanego silnika (maksymalna prędkość, maksymalne przyspieszenie) oraz programu obróbki skrawaniem (założony kształt obrabianego przedmiotu) wyznacza kolejne wartości położenia, na które mają się przemieszczać elementy konstrukcyjne obrabiarki, aby wykonać założony programem element (produkt). Sygnał zadany położenia porównywany jest z aktualnym położeniem elementów konstrukcyjnych obrabiarki (np. stolika, na którym umieszczony jest obrabiany przedmiot). Na tej podstawie system sterowania napędem wypracowuje sygnał sterujący silnikami, które z kolei wypracowują siły (lub momenty sił) M, podawane następnie jako jeden z sygnałów wejściowych do układu W. M MDS Rys Struktura układu OUPN uwzględniająca procesy sterowania w układzie napędowym 37 S t r o n a

38 Jedynym komponentem układu OUPN podlegającym sterowaniu są procesy zachodzące w silniku napędowym lub wprost silniki. Działanie zamkniętego układu OUPN z rysunku 3.5 opisuje równanie: WCP 0 0 ycp 1 u I WMDS CP F M Mc MDS 0 F 0 W I W W W W W W y F 0 0 W M WMc ym I WMDS W CP I W WF WM WMc Y (3.26) Analogicznie do (3.23) funkcja wrażliwości zakłóceniowej układu z rysunku S Y Mc I W MDS W I CP W W F W W M Mc (3.27) oraz funkcje wrażliwości na poszczególne procesy zachodzące w obrabiarce: S S W W CPMc Y Mc MDS CP S S W W F Mc Y Mc MDS F S S W W W M Mc Y Mc MDS M Mc (3.28) Na rysunku 3.6 przedstawiono jednowymiarowy przypadek zamkniętego układu dynamicznego OUPN z rysunku 3.5. Rys Jednowymiarowy przypadek układu OUPN z rysunku 3.5 Równanie opisujące działanie układu z rysunku S t r o n a

39 WCP 0 0 ycp 1 u 1 WMDS WCP 1 W WF WMWMc W MDS 0 WF 0 y F 0 0 WMW Mc y M 1 1WMDS W CP 1W WF WMWMc Y (3.29) Prawa sterowania w syntezie układów adaptacyjnych wyznaczane są na podstawie obserwacji zmian właściwości sterowanego obiektu. Zastosowanie mechanizmów adaptacji jest jednym ze sposobów utrzymania wysokiej jakości pracy obrabiarki CNC. Uwzględnienie tych zmian na etapie tworzenia algorytmu sterowania i poszerzenie ich o założony margines bezpieczeństwa pozwala stworzyć odporny algorytm sterowania. Odporność układu sterowania napędami osi posuwu obrabiarek jest bezsprzecznie wymagana nie tylko ze względu na wymagania dotyczące jakości obróbki, ale także ze względów bezpieczeństwa. Stała wysoka jakość obróbki skrawaniem wymaga od układów regulacji napędów posuwu, aby były niewrażliwe na wymienione niżej czynniki: zmiany warunków środowiskowych (drgania, zmiany temperatury), zmiany parametrów obróbki skrawaniem (wartość prędkości posuwu, która jest złożeniem prędkości poszczególnych osi, przyspieszenia osi, profile ruchu, itp.), nieliniowości wybranych modułów maszyny (tarcia, luzy), błędy geometryczne maszyny. Układ regulacji napędów posuwu, który jest niewrażliwy na powyższe czynniki jest układem odpornym. Jeżeli układ sterowania obrabiarki CNC wylicza korekty na podstawie modeli wpływu tych czynników, nazywa się go układem adaptacyjnym. Zastosowanie adaptacyjnego układu sterowania jest sposobem na podniesienie ogólnej odporności układu sterowania, jednak nie jest to z definicji układ odporny. Odporność sterowania układem napędowym obrabiarki musi zostać zapewniona również z uwagi na niedokładności przyjętego na etapie syntezy prawa sterowania modelu. Jak podkreśla się w wielu pracach związanych z regulacją odporną, model powinien być z jednej strony na tyle szczegółowy, aby odzwierciedlać najistotniejsze cechy obiektu, z drugiej zaś na tyle prosty, aby umożliwiał efektywną syntezę prawa sterowania. Bardzo ważne przy tym jest, aby podczas projektowania odpornego układu sterowania zdawać sobie sprawę, co w przyjętym modelu pominięto, a co uproszczono. Projektowanie odpornych układów sterowania można podzielić na dwie grupy: projekt układu sterowania, który przy założonym poziomie niepewności modelu maksymalizuje przyjęte kryterium jakości, projekt układu sterowania, który przy określonym poziomie jakości maksymalizuje dopuszczalną niepewność przyjętego modelu. Rozbieżność pomiędzy rzeczywistym obiektem (jego parametrami) a przyjętym modelem nazywa się perturbacją. Do najczęściej stosowanych uproszczeń modeli fizycznych zaliczamy [85]: 39 S t r o n a

40 pominięcie nieistotnych bądź mało istotnych oddziaływań zewnętrznych i wewnętrznych, linearyzacja charakterystyk opisujących właściwości fizyczne, założenie o stacji marności parametrów fizycznych modelu, w przypadku elementów konstrukcyjnych maszyn zastępowanie złożonych kształtów obiektu kształtami geometrycznie prostszymi. Na rysunku 3.7 przedstawiono strukturę dynamicznego układu OUPN z uwzględnieniem błędów modelowania (perturbacja modelu MDS Δ () s ): MDS W ( s) IΔ ( s) W ( s) (3.30) MDS MDS MDS Choć funkcja Δ () s jest nieznana, jednakże zakłada się, że jej amplituda w dziedzinie częstotli- MDS wości jest ograniczona. Rys Struktura układu OUPN uwzględniająca błędy modelowania obiektu sterowania Działanie układu z rysunku 3.7 opisuje następujące równanie: 1 u I I Δ W W I W W W W I Δ W WCP 0 0 ycp 0 F 0 W yf 0 0 W M WMc y M MDS MDS CP F M Mc MDS MDS I I Δ W W I W W W W Y MDS MDS CP F M Mc 1 (3.31) 40 S t r o n a

41 Aby stwierdzić, czy układ (system) sterowania napędem jest odporny, oraz na ile możliwe jest poprawienie odporności układu poprzez zastosowanie odpowiednich regulatorów komponentów składowych, należy sprawdzić, jak pozostałe procesy robocze oraz oddziaływania zewnętrzne Y wpływają na jakość działania układu sterowania napędem, jako elementu układu dynamicznego OUPN. W tym celu na podstawie równania (3.31) wyprowadza się funkcje wrażliwości, jak następuje: SYMc I I ΔMDS WMDS WCP I W WF WM WMc S S I Δ W W CPMc YMc MDS MDS CP S S I Δ W W FMc YMc MDS MDS F S S I Δ W W W M Mc YMc MDS MDS M Mc 1 (3.32) Zakładając pełną znajomość modelu sterowanego obiektu oraz brak zakłóceń zewnętrznych ( Δ ( s ) MDS 0, Y ( s ) 0 ) równanie (3.31) można zapisać w postaci: W CP ycp u I WMDS CP F M Mc MDS 0 F 0 W I W W W W W W y F 0 0 W M WMc ym (3.33) oraz wprowadzić pojęcie wrażliwości modelowej zamkniętego układu OUPN w torach procesu skrawania, procesów tarcia oraz sterowania napędami: S I W W I W W W W W W CPu MDS CP F M Mc MDS CP S I W W I W W W W W W F u MDS CP F M Mc MDS F S I W W I W W W W W W W Mcu MDS CP F M Mc MDS M Mc (3.34) Analiza funkcji (3.34) w dziedzinie częstotliwości pozwala określić zakładany (przy pełnej znajomości modelu oraz braku zakłóceń zewnętrznych) wpływ regulatorów napędu zespołu posuwowego obrabiarki W na działanie całego układu OUPN. Mc W wielu pracach zwraca się uwagę na możliwość utraty stabilności przez dynamiczny układ OUPN z uwagi na procesy tarcia zachodzące w połączeniach prowadnicowych zespołów posuwowych. Przedstawiono również metody polepszenia równomierności, a co za tym idzie, jakości ruchu w zespołach ruchu posuwowego: 1) zwiększenie własnej stabilności procesu tarcia (uniknięcie sczepiania trących powierzchni). realizuje się to m. in. przez zastosowanie tocznych połączeń prowadnicowych, 2) zmniejszenie pętli histerezy siły tarcia w funkcji przemieszczenia, 3) zwiększenie stabilności poprzez odpowiednie kształtowanie właściwości układu MDS. Można to osiągnąć m.in. poprzez zwiększenie sztywności napędu. Jak zostało wykazane, zwiększenie sztywności napędu posuwu może zostać osiągnięte m.in. przez odpowiedni dobór algorytmu, sterowania serwonapędem, szczególnie w pętli regulacji prędkości [69, 70], 41 S t r o n a

42 4) zwiększenie stabilności przez oddziaływanie na dynamiczną charakterystykę tarcia. Z uwagi na prezentowane w niniejszej pracy mechatroniczne podejście do projektowania układu sterowania napędu posuwu największe możliwości związane są z podejściem (3) w aspekcie doboru struktury układu regulacji, nie zaś modyfikacji konstrukcji samej obrabiarki (nie oznacza to, że nie jest możliwe tylko, że nie jest przedmiotem niniejszych rozważań). d R L 1 id t id t p r t iq t vd t dt L L L q d d d t d R L p d r 1 iq t iq t pr tid t vq t dt L L L L q q q q 3 Tel t p iq t Ld Lq id t iq t 2 Równanie (3.35) opisuje model części elektrycznej elementu wykonawczego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Część mechaniczną opisują równania: d dt d dt t T t F t T t t 1 J r el r load r t (3.35) (3.36) Na przykładzie typowego rozwiązania układów regulacji serwonapędów-kaskadowego połączenia regulatora położenia, prędkości i momentu (prądu) można określić, jak jego parametry (czy też struktura) kształtują sztywność dynamiczną całego układu OUPN. Typową strukturę układu regulacji przedstawiono na rysunku poniżej. Rys Typowa architektura sterowania napędem obrabiarki Na potrzeby przedstawionych w niniejszym opracowaniu analiz zakłada się, iż napęd zespołu posuwowego składa się z trzech modułów funkcjonalnych: regulatorów prądu w osiach związanych z wirującym polem, modelu części elektrycznej silnika oraz modelu opisującego procesy zachodzące w części mechanicznej silnika jako elementu wykonawczego. Zostaną one omówione szczegółowo w dalszej części raportu. Na rysunku 3.9 zaprezentowano strukturę silnika PMSM, aktualnie najpopularniejszego rozwiązania w zakresie napędów posuwu obrabiarek sterowanych numerycznie. 42 S t r o n a

43 Rys Model silnika synchronicznego z magnesami trwałymi (element wykonawczy napędu zespołu posuwowego obrabiarki) Sygnał wyjściowy z kaskadowego regulatora serwonapędu z rysunku 3.8 dany jest równaniem: 1 ym ymc I GMcT GMcTG McV GMcP G McP GuD u (3.37) Na rysunku kolejnym zaprezentowano schemat dynamicznego układu OUPN, uwzględniającego jedynie procesy zachodzące w silniku napędowym, z pominięciem wpływu procesu skrawania oraz procesów tarcia. Równanie szczegółowo opisujące działanie układu z rysunku 2.9: u I G I Δ W W G G G G McT MDS MDS M McT McV McP ud I Δ W W G G G y YI G MDS MDS M McT McV McP M McT 1 (3.38) Równanie (3.38) uwzględnia strukturę użytego układu regulacji cyfrowego serwonapędu obrabiarki (3.37), przedstawioną na rysunku S t r o n a

44 a) b) Rys Uproszczony model dynamiczny OUPN (dla celów analizy procesów w układzie sterowania napędem; założenie y 0, y 0, W 0, W 0, W 0 ) CP F CP F Sczegółowy schemat zamkniętego układu OUPN przedstawionego na rysunku 3.10a, uwzględniającego specyfikę struktury typowego przemysłowego serwonapędu (rysunek 3.8) zamieszczono na rysunku 3.10b. Z kolei na rysunku 2.11 zamieszczono propozycję nowej architektury regulatora położenia-prędkości cyfrowego serwonapędu, rozdzielającej funkcjonalność (a zarazem reguły doboru nastaw, czy w ogólności projektowania) regulatora położenia od regulatora prędkości (w przypadku struktury z rysunku 44 S t r o n a

45 3.8 oraz 3.10b regulator położenia wypracowuje wartość zadaną dla regulatora niższego stopnia regulatora prędkości. Równanie, opisujące sygnał sterowania napędami w układzie z rysunku 3.11, analogicznie do równania (3.37): ym 1 ymc I GMcT G McT GMcV GMcP G McP GuD y (3.39) M u Rys Model dynamiczny OUPN (dla celów analizy procesów w układzie sterowania napędem) nowa struktura regulatora położenie prędkość Równanie opisujące działanie układu z rysunku 3.11 u I G I Δ W W G G G G McT MDS MDS M McT McP McV ud I Δ W W G G y G y YI G MDS MDS M McT McP M McV M McT 1 (3.40) Na rysunkach 3.12 oraz 3.13 przedstawiono (dla pokazania złożoności problematyki) pełne schematy funkcjonalne zamkniętego układu OUPN, z uwzględnieniem specyfiki procesów składowych (w tym struktury układu regulacji cyfrowego serwonapędu). Na rysunkach tych przedstawiono przypadek wielowymiarowy, natomiast dla czytelności wzorów opisujących funkcjonalność podejścia opisano przypadki jednowymiarowe. Na rysunku 3.12 pokazano rozwiązanie z typowym kaskadowym układem sterowania serwonapędu w osiach posuwu. 45 S t r o n a

46 Rys Model dynamiczny OUPN pełny schemat z uwzględnieniem struktury układu sterowania serwonapędu Równanie opisujące wyjście układu OUPN w tym przypadku dane jest jako: W u 1 GMcT 1 WMDSWCP 1W WMDSWF WMDSWM GMcT GMcV GMcP GuD WMDSWCP 1 GMcT ycp WMDSWF 1 GMcT yf 1 GMcT Y 1 GMcT 1 WMDSWCP 1 W WMDSWF WMDSWM GMcTGMcV GMcP GuD W 1 MDS MDS MDS d co w uproszczeniu W W G G G MDS M McT McV McP W W G G G u W W S y W W S y S Y S MDS M McT McV McP 1 G 1 W W 1W W W W W G G G G McT MDS CP MDS F MDS M McT McV McP ud MDS CP d CP MDS F d F d 1 GMcT 1 G 1 W W 1W W W W W G G G G McT MDS CP MDS F MDS M McT McV McP ud (3.41) y y M M 46 S t r o n a

47 Na rysunku 3.13 zaprezentowano całkowicie nowe w przypadku serwonapędów obrabiarek sterowanych numerycznie rozwiązanie układu sterowania procesami napędowymi w ramach dynamicznego układu OUPN z zastosowaniem równoległego zadawania położenia i prędkości. Rys Model dynamiczny OUPN pełny schemat z uwzględnieniem struktury układu sterowania serwonapędu w konfiguracji z niezależnym zadawaniem profilu położenia i prędkości Równania (3.42) przedstawiają jak poszczególne procesy zachodzące w układzie OUPN wpływają na finalne uogólnione przemieszczenia. Dla uproszczenia dalszych analiz przyjęto przypadek jednowymiarowy. WMDSWM GMcT u 2 GMcP ym GMcV ym 1 GMcT 1 WMDSWCP 1W WMDSWF WMDSWM GMcT GMcP GMcV GuD W W S y W W S y S Y S d 2 gdzie MDS CP d 2 CP MDS F d 2 F d 2 1 GMcT 1 G 1 W W 1W W W W W G G G G McT MDS CP MDS F MDS M McT McP McV ud (3.42) 47 S t r o n a

48 W ramach Zadania 2 raportowanego projektu zaprezentowano efektywny sposób podnoszenia odporności układu OUPN (odporności sterowania napędami zespołów posuwowych) z wykorzystaniem metod regulacji bazujących na modelu. W pracach naukowych stanowiących jeden z produktów raportowanego projektu zaproponowano nową oryginalną metodę bazującą na podejściu z wieloma a lokalnymi submodelami liniowymi do sterowania obiektami nieliniowymi, w tym hybrydowymi. Metoda ta jest efektywnym rozwiązaniem zagadnienia zwiększania (podnoszenia) odporności sterowania serwonapędami posuwu obrabiarki. Analiza odporności nowych rozwiązań z obszaru algorytmów regulacji procesami napędowymi w ramach dynamicznego układu OUPN sprowadza się do analizy w dziedzinie częstotliwości tzw. funkcji wrażliwości na poszczególne sygnały wejściowe: S j sygnał oddziaływań zewnętrznych Y, sygnał zadanej siły skrawania SW j, CP sygnał wejściowy procesu tarcia SW j, F sygnał wejściowy układu sterowania napędem S j W. M Prezentowane w niniejszym raporcie struktury układu OUPN pozwalają również na prowadzenie analiz zastosowania generatorów trajektorii wyższych rzędów. Wykracza to jednak istotnie poza zakres raportowanego projektu. Tematyka projektu skupiała się na wskazaniu możliwości podnoszeniu odporności sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek. Jest to możliwe do osiągnięcia między innymi dzięki zastosowaniu odpowiednich struktur układów regulacji, wykorzystujących model sterowanego obiektu. Więcej informacji na ten temat przedstawiono w ramach raportowania Zadania 2 projektu. Innym sposobem podnoszenia odporności jest wypracowanie dodatkowych sprzężeń (lokalnych) w dynamicznym układzie MDS OUPN. Jednym z takich sposobów jest fuzja informacji z dodatkowych pomiarów realizowanych podczas obróbki, i aktywne wykorzystanie dodatkowych danych do modyfikacji parametrów obróbki lub sygnałów sterujących elementami wykonawczymi silnikami bądź eliminatorem drgań. Aby możliwe było wypracowanie i przetestowanie takich dodatkowych sprzężeń, konieczne było zbudowanie odpowiedniego stanowiska badawczego. Należy w tym miejscu podkreślić, iż dzięki doświadczeniom projektu badawczego O.C.E.A.N. możliwe jest opracowanie dowolnie elastycznej konfiguracji systemu OUPN w zakresie implementacji korekt dynamicznych wypracowywanych przez kolejne moduły funkcjonalne systemu CNC. Więcej na ten temat przedstawiono w opisie Zadania 4 raportowanego projektu. 48 S t r o n a

49 3.2. Modele dynamiczne zespołu posuwowego W ramach Zadania 1 opracowano w sposób teoretyczny model matematyczny układu zespół posuwowy obrabiarki układ napędowy silnik, stanowiące wybrany fragment wielowymiarowego, dynamicznego układu OUPN. Przykładowa (jedna z kilku użytych podczas badań) część mechaniczna modelu stolika X-Y frezarki została opracowana dla uproszczonego modelu analitycznego z napędem śrubowym kulowo-tocznym, bazując jedynie na prostych, teoretycznie wyprowadzonych założeniach. Model ten nie uwzględniał zjawisk tarcia pomiędzy wózkami a prowadnicami, czy np. oddziaływań pomiędzy prostopadłymi osiami stolika. Model tego typu przydatny jest jedynie do odwzorowania podstawowych właściwości sterowanego obiektu. Jego istotną wadą jest jednowymiarowość podejścia. Model tego typu rzadko jest na tyle precyzyjny, aby na jego podstawie można było wypracować efektywne prawo sterowania, czy też dobrać parametry narzuconego przez producenta systemu sterowania w osiach posuwu. Z drugiej strony próba opracowania analitycznego modelu uwzględniającego wszystkie, z reguły nieliniowe właściwości obiektu (zespołu posuwowego obrabiarki) prowadzi do uzyskania silnie nieliniowego modelu, na tyle złożonego, że na jego podstawie nie da się zaprojektować prawa sterowania, lub uzyskane jest bardzo wrażliwe np. na zmiany parametrów rzeczywistego obiektu w stosunku do nominalnego modelu. Z pomocą przychodzi tutaj aparat matematyczny, jakim jest metoda sztywnych elementów skończonych. Współcześnie na rynku pojawiły się narzędzia informatyczne, wspierające proces projektowania układów dynamicznych (wielomasowych) z zastosowaniem tego podejścia. W ramach Zadania 1 opracowano cztery rodzaje modeli dynamicznych części mechanicznej układu X-Y stolika frezarki: model analityczny układu z napędem śrubowym kulowo-tocznym opracowany za pomocą metody MDS, model zbudowany na bazie opisu analitycznego komponentów fizycznych, model wielomasowy zbudowany na podstawie projektu konstrukcyjnego w oprogramowaniu SolidWorks, model w przestrzeni stanu, opracowany na podstawie eksperymentu identyfikacyjnego, przeprowadzonego na rzeczywistych obiektach. W ramach Zadania 1 opracowano również model części elektrycznej zespołu posuwu w zakresie zastosowania dwóch technologii napędowych - silnika synchronicznego prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych (PMSM), jak również opracowany przez zespół uproszczony model procesu skrawania. Podczas opracowywania modeli dla celów badań symulacyjnych wzorowano się na dwóch wersjach stolika X-Y frezarki model VC600 firmy AVIA F.O.P. z Warszawy. Wynikało to z faktu posiadania tychże obiektów w laboratoriach Centrum Mechatroniki. 49 S t r o n a

50 a) b) Rys Obiekty badawcze testowane w ramach projektu: (a) stolik X-Y z napędem śrubowym kulowo-tocznym, (b) stolik X-Y z napędami liniowymi Model analityczny (choć stosunkowo prosty z punktu widzenia złożoności obiektu sterowanego) części elektrycznej i mechanicznej łącznie jest stosunkowo skomplikowany (przede wszystkim nieliniowy oraz zawierający wewnętrzne sprzężenia). Tym samym jego niska przydatność do syntezy prawa sterowania stanowiła przyczynek do opracowania i przeprowadzenia eksperymentu identyfikacyjnego, opisanego w dalszej części raportu. Dostępność rzeczywistych obiektów oraz możliwość rejestracji w czasie rzeczywistym sygnałów wewnętrznych serwonapędów cyfrowych zespołów posuwowych pozwoliła na opracowanie najbardziej wartościowego z punktu widzenia celu projektu przedziałami liniowego modelu dynamicznego nieliniowego obiektu, jakim jest stolik X-Y frezarki z napędami: śrubowym kulowo-tocznym oraz bezpośrednim z silnikami liniowymi. 50 S t r o n a

51 a) b) c) d) Rys Typy układów sterowania napędem w osiach posuwu frezarek: (a) otwarty, (b) półzamknięty, (c) zamknięty ze sterowaniem silnikiem z użyciem enkodera, (d) zamknięty W raportowanym projekcie dostępne były rozwiązania pomiarowe (a) w przypadku rozwiązania z silnikiem obrotowym oraz (d) w przypadku zespołu posuwowego obrabiarki z napędem bezpośrednim z silnikiem liniowym. W ramach Zadania 5 raportowanego grantu przeanalizowano również architekturę systemu sterowania dostępną w ramach produktu itnc530 firmy Heidenhain Model części konstrukcyjnej opracowany metodą MDS Model napędu obrabiarki obejmuje zarówno model układu sterowania wraz z modelem części mechanicznej silnika elektrycznego oraz model obiektu poruszanego, czyli model układu MDS (masowo dyssypacyjno sprężystego) odpowiedniej części układu korpusowego obrabiarki. Zachodzi potrzeba syntezy obu modeli. Na rysunku 3.16 przedstawiono schemat ideowy połączenia modelu silnika elektrycznego z modelem systemu MDS obrabiarki. 51 S t r o n a

52 Rys Schemat ideowy sposobu połączenia modelu silnika elektrycznego z modelem układu MDS obrabiarki Jak pokazano na rysunku 3.16 w modelu napędu można wyróżnić dwa podukłady jeden modelujący część mechaniczną silnika elektrycznego ze śrubą pociągową (podukład w ruchu obrotowym), na który działa wymuszenie siłowe momentem obciążającym M obc oraz momentem elektrycznym M e generowanym przez układ sterowania, drugi podukład modeluje układ MDS obrabiarki (podukład w ruchu translacyjnym), na który działa wymuszenie kinematyczne u(t) czyli przemieszczenia liniowe nakrętki. Oba podukłady sprzężone są poprzez nakrętkę, która przenosi reakcję dynamiczną F N w punkcie N, jaką oddziałuje układ MDS na silnik zmieniając siłę poosiową na moment obciążający śrubę pociągową M obc. Z drugiej strony, obroty śruby pociągowej sp w modelu silnika (podukład I), nakrętka przekształca w przemieszczenia translacyjne x N(t) w punkcie N stanowiące wymuszenie kinematyczne dla podukładu II. Równania ruchu obu podukładów przyjmują postać: Podukład I Podukład II J h h k M Jspsp hsprz sp w ksprz sp w M obc w w w w sprz w sp sprz w sp e (3.43) mx h( x xn) k( x xn) P( t) h( xn x) k( xn x) FN ( t) (3.44) gdzie : J w moment bezwładności wirnika silnika [kg/m 2 ], h w współczynnik tłumienia wirnika [Nms/rad], h sprz współczynnik tłumienia sprzęgła [Nms/rad], k sprz współczynnik sztywności sprzęgła [Nm/rad], J sp moment bezwładności śruby pociągowej [kg/m 2 ], w kąt obrotu wirnika silnika [rad], sp kąt obrotu śruby pociągowej [rad], 52 S t r o n a

53 M e moment elektryczny [Nm], M obc moment obciążenia [Nm], k sztywność zastępcza podukładu II zależna od czynnej długości śruby [N/m], h współczynnik tłumienia podukładu II [Ns/m], x N przemieszczenia nakrętki [m], x przemieszczenia stołu [m], P siła skrawania [N], F N reakcja dynamiczna w punkcie N [N]. Reakcja dynamiczna F N działa w punkcie N poprzez nakrętkę na śrubę pociągową. Uproszczony model przenoszenia obciążenia na śrubę pokazano na kolejnym rysunku. Rys Model przenoszenia obciążenia na śrubę pociągową Moment obciążający śrubę pociągową można wyznaczyć z zależności: M F r (3.45) obc obc sp Z rysunku 3.17 wynika, że: przy czym: F tg( ) F (3.46) obc N tg( ) (3.47) r 2 sp gdzie : kąt wzniosu linii śrubowej [rad], skok śruby pociągowej [m], r sp promień śruby pociągowej [m]. F obc siła obciążająca śrubę pociągową [N]. Uwzględniając (3.46) i (3.47) w zależności (3.45) otrzymuje się równanie opisujące moment obciążający śrubę pociągową w postaci: 53 S t r o n a

54 M obc FN (3.48) 2 Równania (3.43) opisujące podukład pierwszy można przedstawić w postaci: przy czym: M H K Q (3.49) Jw 0 ksprz ksprz hsprz hsprz w M,,,, e M 0 J H sp ksprz k K sprz hsprz h sprz Q sp M (3.50) obc Równanie (3.49) można zapisać w postaci uogólnionego równania stanu: y Ay Bu x Cy Du (3.51) przy czym: O I O I O O A,,,,, 1 1 B 1 C D y u Q M K M H M O I O (3.52) gdzie : y wektor stanu, u wektor wymuszeń, x wektor odpowiedzi, O macierz zerowa 3 x 3, I macierz jednostkowa 3 x 3. Równania (3.51) można użyć bezpośrednio w oprogramowaniu Matlab/Simulik do zdefiniowania elementu dynamicznego State-Space. Równania (3.44) opisujące podukład drugi można przedstawić w postaci: h k x ( x xn) ( x xn) P( t) m m Fobc h( xn x) k( xn x) Stosując podstawienie x y, xn yn równania (3.53) można zapisać w postaci całkowej: (3.53) 1 y h ( y yn) dt k ( y yn) dt dt P( t) m M obc h ( yn y) dt k ( yn y) dt dt 2 (3.54) Równanie (3.54) służy do budowy schematu blokowego w systemie Matlab/Simulink, modelującego podukład drugi. Na rysunku 3.18 przedstawiono schematycznie zasadę wyznaczania parametrów sztywnościowo dyssypacyjnych podukładu drugiego. 54 S t r o n a

55 Rys Schemat obliczeń zastępczej sztywności napędu Sztywność zastępcza podukładu II obliczana jest jako wypadkowa połączenia szeregowego trzech sztywności (3.55) k k p ks kn zatem k pkskn k k k k k k k p N s N p s (3.56) gdzie : k p sztywność podpory łożyskowej śruby [N/m], k s sztywność śruby pociągowej [N/m], k N sztywność nakrętki [N/m]. Sztywność podpory łożyskowej [N/m] wyznacza się ze wzoru statystyczno-doświadczalnego: k p z ppw d p sin ( p ) (3.57) gdzie : z p liczba współpracujących elementów tocznych, P w siła wzdłużna [N], d p średnica elementów tocznych [mm], p kąt działania łożyska [rad]. Sztywność śruby tocznej w [N/m] wyznacza się ze wzoru EA k p (3.58) L s 55 S t r o n a

56 gdzie : E moduł Younga [Pa], A pole przekroju poprzecznego śruby pociągowej [m 2 ], L s czynna długość śruby pociągowej [m]. Sztywność nakrętki [N/m] wyznacza się ze wzoru statystyczno-doświadczalnego: i k p zn Pw dn sin ( N ) (3.59) gdzie : z N liczba współpracujących elementów tocznych nakrętki, P w siła wzdłużna [N], d N średnica elementów tocznych nakrętki [mm], N kąt działania łożyska [rad], i liczba obiegów kulek, W opracowanym modelu z uwagi na wprowadzone napięcia wstępne w podporach i nakrętce wyznaczono ich sztywność dla stałej wartości siły napinającej P w. Natomiast sztywność śruby pozostawiono jako składnik zmienny zależny od czynnej długości L s zmieniającej się wraz z ruchem stołu. Współczynniki tłumienia oszacowano wykorzystując stałe czasowe tłumienia podane poniżej na podstawie zależności h k T p,, s N (3.60) gdzie : h odpowiedni współczynnik tłumienia wiskotycznego [Ns/m], k odpowiednia sztywność [N/m], T odpowiednia stała czasowa tłumienia [s]. Tabela 1 Stałe czasowe tłumienia, wyrażane w sekundach, dla wybranych materiałów wynoszą odpowiednio: stal hartowana , guma , łożysko kulkowe , przekładnia pasowa Zastępczy współczynnik tłumienia h podukładu II wyznacza się z analogicznej zależności jak dla sztywności, traktując składowe tłumienia jako połączone szeregowo hphshn h h h h h h h p N s N p s (3.61) gdzie : h p tłumienie podpory łożyskowej śruby [Ns/m], h s tłumienie śruby pociągowej [Ns/m], h N tłumienie nakrętki [Ns/m] Model części konstrukcyjnej mechanizmu śrubowego kulowo-tocznego opracowany na podstawie modelu fizycznego Współcześnie w obrabiarkach sterowanych numerycznie najpopularniejszym rozwiązaniem w zakresie przeniesienia napędu w zespołach posuwowych jest tzw. mechanizm śrubowy kulowo-toczny. 56 S t r o n a

57 Rys Schemat obliczeń zastępczej sztywności napędu Modelowaniu tego rozwiązania poświęcono wiele uwagi w książkach [69, 70, 165] oraz publikacjach naukowych [22, 39, 44, 52, 54, 57-61, 63, 79, 90, 94, 97, 136, 142, 144, 167, 172, 175]. Modele spotykane w literaturze opracowane są na różnych poziomach detali, istotnych z punktu widzenia późniejszych zastosowań. Istotne jest, iż szczególnie wiele uwagi poświęcono w tych pracach modelowaniu zjawisk związanych z tarciem [57, 60, 63, 79, 165, 172]. Zagadnienie to zostało szeroko opisane w pracy [8]. W niniejszym opracowaniu zawarto propozycję modelu, wiążącego główne cechy mechaniczne układu napędu zespołu posuwowego ze zjawiskami dynamicznymi, mającymi istotny wpływ na zapewnienie wysokiej jakości sterowania tym silnie nieliniowym obiektem. Część mechaniczną modelu napędu śrubowego kulowo tocznego opracowano z zastosowaniem wybranych podstawowych komponentów: inercji z modelem tarcia, elementu sprężystego z tłumieniem (wersja obrotowa), modelu układu śruba-nakrętka wraz z tarciem danym modelem Stribecka, masy z modelem tarcia, elementu sprężystego z tłumieniem (wersja translacyjna). Inercja z modelem tarcia Przyspieszenie, z jakim porusza się masa wałka (model inercji z tarciem) opisują równania: 57 S t r o n a

58 1 2 3 ( t) s ( t) Tc sgn ( t) Tv( t) Ts Tc e sgn ( t) ar () t J d() t ar () t dt d() t () t dt ( t) ( t) ( t) (3.62) gdzie () t 1 to moment w [Nm] na wejściu modelu zaś () t 2 to moment na wyjściu modelu (przyłożony np. jako reakcja od sprzęgła pomiędzy wałkiem silnika a wałkiem śruby mechanizmu śrubowego kulowo-tocznego. W równaniach (3.62) Tc [ Nm ] oznacza współczynnik (moment) tarcia kulombowskiego, Tv [ Nm ( rad s )] to współczynnik tarcia wiskotycznego, Ts [ Nm ] to współczynnik (moment) tarcia statycznego (spoczynkowego). Prędkość ( t)[ rad s]. Współczynnik [ rad s] to tzw. prędkość Stribecka [165]. Moment bezwładności mieszczenie kątowe ( t)[ rad]. Obrotowy element sprężysto-tłumiący J kg m 2 [ ], przyspieszenie kątowe s a t rad s, prze- 2 r ( )[ ] Moment ( t sd )[ Nm ], jaki generuje model sprzęgła wynika z różnicy przemieszczeń kątowych na wyjściu modelu i na jego wejściu jest wprost proporcjonalny do różnicy przemieszczenia oraz prędkości wejścia i wyjścia modelu: ( ) ( ) ( ) (3.63) rel t 2 t 1 t Z równania (3.63) wynika, iż relatywna prędkość: Moment ten dany jest równaniem: d rel ( t) 2( t) 1( t) (3.64) dt ( t) k ( t) c ( t) (3.65) sd rel damp rel gdzie k[ Nm rad ] to współczynnik sztywności skrętnej sprężyny zastosowanej w modelu sprzęgła, zaś cdamp [ Nm ( rad s )] to współczynnik tłumienia. Model połączenia śruby z nakrętką Model śruba-nakrętka opisują następujące równania. Obliczenia rozpoczyna wyznaczenie kąta natarcia [ rad] nakrętki na śrubę, zdefiniowanego jak pokazano na rysunku 1: 1 p tan D (3.66) gdzie pm [ ] oznacza skok śruby odległość pomiędzy dwoma kolejnymi zwojami gwintu o średnicy Dm. [ ] Z rysunku 1 wynika, że na siłę na nakrętce Fsn( t)[ N ] składają się dwie składowe: siła Fn ( t)[ N ] prostopadła do gwintu (wyliczana na podstawie względnej normalnej prędkości) oraz siła tarcia F ( t)[ N ] zorientowana wzdłuż gwintu, jednakże w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu. t Siła na nakrętce dana jest wzorem: 58 S t r o n a

59 F ( t) F ( t)cos F ( t)sin (3.67) sn n t natomiast moment na śrubie [ Nm ] z zależności: sn D sn ( t) Fn ( t)sin Ft ( t)cos (3.68) 2 Rys Schemat do obliczeń mechanizmu śrubowego Obliczenia modelu bazują na założeniu, iż wejściami do niego są: przemieszczenie translacyjne nakrętki wzdłuż osi śruby sm [ ] z określoną prędkością liniową (normalną) vn [ m s ] oraz położenie kątowe śruby [ rad] zmieniające się z prędkością obrotową [ rad s] : d() t () t dt ds() t v () n t dt Względną prędkość normalną v [ m s ] wyznaczyć można na podstawie: rel (3.69) D vrel ( t) ( t)sin vn ( t)cos (3.70) 2 zaś wartość siły Fn () t, koniecznej do wyliczenia siły na nakrętce (3.67) na podstawie następujących zależności: dn f () t kstiff vrel () t dt F ( t) N ( t) k v (t) n f damp rel (3.71) gdzie współczynnik opisujący sztywność dany jest przez k [ N m ] natomiast tłumienie kdamp [ N ( m s )]. Kolejne składowe siły, które należy wyznaczyć w ramach modelu dane są równaniami: stiff F ( t) F ( t) stick stick k F ( t) F ( t) slip slip k (3.72) 59 S t r o n a

60 gdzie stick to współczynnik tarcia statycznego, slip to współczynnik opisujący zjawisko sklejenia, natomiast Fk ( t)[ N ] stanowi wartość siły Fn () t po zastosowaniu operacji ograniczenia sygnału: k n nmin nmax F ( t) sat F ( t), F, F (3.73) W prezentowanym przykładzie przyjęto Fnmin 1e 10[ N], Fnmax 1e30[ N]. Analogicznie do (3.70) wyznacza się względną prędkość normalną dla zjawiska tarcia vrelf ( t)[ m s ] : D vrel ( t) ( t)cos vn ( t)sin (3.74) 2 Powstawanie siły F ( t)[ N ] w prezentowanym układzie jest zjawiskiem silnie nieliniowym. Można t wyróżnić trzy przypadki, w których jej wartość ma uzasadnienie fizyczne: F ( t) 1e 10 LUB F ( t) 1e 10 Przypadek 1 stick slip drdis () t 0 dt F( t) 0 t (3.75) gdzie rdis ( t)[ m ] to względne przemieszczenie nakrętki wzdłuż długości śruby. Dodatkowo, wprowadza się pojęcie dt [ m ] strefę nieczułości przemieszczenia nakrętki wynikającą ze zjawiska tarcia statycznego. rel Przypadek 2 rdis ( t) dtrel Ivrelf ( t) 1e 6 LUB rdis ( t) dtrel I vrelf ( t) 1e 6 drdis () t 0 dt rdis () t Ft ( t) Fslip ( t) Fstick ( t) Fslip( t) e dt rel gdzie kstribeck [ m s ] jest tzw. prędkością/stałą Stribecka [165]. 3 vrelf ( t) kstribeck (3.76) Przypadek 3 ma zastosowanie, gdy dwa powyższe nie obowiązują drdis () t vrelf () t dt F ( t) F ( t) F ( t) F ( t) e v ( t) 3 vrelf ( t) rdis ( t) k F ( ) stribeck stick t t slip stick slip v relf dt rel Fslip () t (3.77) gdzie v [ N ( m s)] to współczynnik opisujący wartość współczynnika tarcia lepkiego podczas występowania zjawiska sklejenia. Mając wyznaczone wartości sił Fn () t (3.71) oraz Ft () t (3.75), (3.76) lub (3.77) można wyliczyć aktualne wartości siły Fsn() t (3.67) oraz momentu sn () t (3.68). 60 S t r o n a

61 Masa z modelem tarcia 2 Masa m[ kg ] poruszana jest z przyspieszeniem at [ m s ] poprzez działanie sił F ( t)[ ] 1 N na wejściu modelu oraz F ( t)[ ] 2 N na jego wyjściu (np. siła skrawania, czy siła generowana przez element sprężysto-tłumiący, stanowiący łącznik z kolejnym blokiem modelu opisującego masę w ruchu translacyjnym). Prędkość ruchu masy vms [ ] oraz absolutne przemieszczenie liniowe sm. [ ] Na masę działają również siły tarcia: v( t) vs F( t) Fc sgn v( t) Fv v( t) Fw v( t) v( t) Fs Fc e sgn v( t) at () t m dv() t at () t dt ds() t vt () dt F( t) F ( t) F ( t) 9.81msin (3.78) W równaniu (3.78) Fc [ N ] to siła tarcia kulombowskiego, Fs [ N ] to siła tarcia statycznego, 2 2 Fv [ N ( m s )] to współczynnik tarcia wiskotycznego (lepkiego), F [ ( )] w N m s to współczynnik wynikający ze zjawiska oporu powietrza na poruszające się ciało w ruchu translacyjnym (w przypadku modelu stolika frezarki z napędem śrubowym ten parametr może z powodzeniem zostać pominięty), vs [ m s ] to wspomniana już prędkość Stribecka [165], natomiast kąt [ rad] to inklinacja poruszającej się pod wpływem sił F1( t), F2( t ) masy m. Translacyjny element sprężysto-tłumiący Siła Fsd ( t)[ N ], jaką generuje model elementu sprzężysto-tłumiącego (wzdłuż osi ruchu) jest proporcjonalna do względnych przemieszczeń srel ( t)[ m ] : s ( t) s ( t) s ( t) (3.79) rel 2 1 gdzie s ( )[ ] 1 t m to początkowa długość nierozciągniętej sprężyny i prędkości v ( t)[ m s ] wyznaczanych na wejściu i wyjściu modelu: Siła ta dana jest następującą zależnością: d vrel ( t) s2( t) s1( t) (3.80) dt F ( t) ks ( t) c v ( t) (3.81) sd rel damp rel gdzie k[ N m ] to współczynnik sztywności sprężyny zastosowanej w modelu, zaś c [ N ( m s )] to współczynnik tłumienia Model części konstrukcyjnej wyprowadzony w drodze eksperymentu identyfikacyjnego Obiektami badawczym, którego parametry identyfikowano podczas projektu dla celów prowadzenia efektywnych badań projektowych nad nowymi algorytmami sterowania w cyfrowych serwonapędach były stoły krzyżowe X-Y oryginalnej oraz zmodyfikowanej w ramach projektu badawczego O.C.E.A.N. frezarki VC600 Firmy AVIA FOP. Obiekty przedstawiono na zdjęciach rel damp 61 S t r o n a

62 Przykład rozmieszczenia siatki punktów, wokół których dokonano identyfikacji parametrów modelu dynamicznego przedstawiono na rysunku poniżej. Eksperyment identyfikacyjny realizowano przy stoliku nieobciążonym oraz obciążonym masą około 90kg. a) b) Rys Siatka pomiarowa eksperymentu identyfikacyjnego dla rozwiązania z napędem śrubowym kulowotocznym: (a) stolik nieobciążony, (b) stolik z masą Analogiczny eksperyment przeprowadzono dla stolika X-Y z silnikami liniowymi. 62 S t r o n a

63 a) b) Rys Siatka pomiarowa eksperymentu identyfikacyjnego dla rozwiązania z napędem bezpośrednim z silnikami liniowymi: (a) stolik nieobciążony, (b) stolik z masą Procedura testowa - algorytm Poniżej przedstawiono algorytm procedury testowej, dzięki któremu całe badanie mogło być realizowane bez udziału użytkowników. System sterowania CNC pełnił funkcję zautomatyzowanego systemu akwizycji danych pomiarowych. W poglądowy sposób procedurę daną poniższym algorytmem zaprezentowano na rysunku S t r o n a

64 Rys Siatka pomiarowa eksperymentu identyfikacyjnego Zadanie sterowania: badanie (cykliczna klasa zadań 1.2ms) Zadanie sterowania (procedura rejestracji danych do plików): trace (cykliczna klasa zadań 1.2ms) INIT deklaracja punktów, przez które zostanie przeprowadzona procedura (inicjalizacja wektorów punktów w osiach X, Y) deklaracja parametrów autotuningu (wartość prądu: 25%, 50%, 75% maksymalnego prądu dla danego modelu układu napęd-silnik) deklaracja parametrów zapisu (NCtrace) próbek pomiarowych z osi napędowych: czas próbkowania 1.2ms, czas rejestracji około 1 sekundy, liczba parametrów 10 (lista powyżej, według kolejności) -seria=0 CYCLIC Zmienna uruchom_osie = TRUE inicjalizacja i uruchomienie zasilania poszczególnych osi napędowych. Zmienna uruchom_test = TRUE rozpoczęcie procedury autotuningu osi napędowych (procedura opisana poniżej). Gdy uruchom_test = TRUE, wtedy wykonywane są następujące czynności: i = i + 1 a) dojazd na pozycję X i b) dojazd na pozycję Y i c) wyłączenie kontrolera napędu osi X d) autotuning regulatora prędkości kontrolera napędu osi X (powtórzenie 4-krotne, d1) wpisanie średniej kv (X) do napędu, nadpisanie całkowania d2) inicjalizacja i załączenie kontrolera X d3) dojazd na pozycję X i, na wypadek, gdyby procedura autotuningu spowodowała odjechanie osi od pozycji X i e) autotuning regulatora pozycji kontrolera napędu osi X (powtórzenie 4-krotne) e1) wpisanie średniej kp (X) do napędu, nadpisanie całkowania 64 S t r o n a

65 e2) inicjalizacja i załączenie kontrolera X e3) dojazd na pozycję X i, na wypadek, gdyby procedura autotuningu spowodowała odjechanie osi od pozycji X i i) wyłączenie kontrolera napędu osi Y j) autotuning regulatora prędkości kontrolera napędu osi Y (powtórzenie 4-krotne) j1) wpisanie średniej kv (Y) do napędu, nadpisanie całkowania j2) inicjalizacja i załączenie kontrolera Y j3) dojazd na pozycję Y i, na wypadek, gdyby procedura autotuningu spowodowała odjechanie osi od pozycji Y i k) autotuning regulatora pozycji kontrolera napędu osi Y (powtórzenie 4-krotne) k1) wpisanie średniej kp (Y) do napędu, nadpisanie całkowania k2) inicjalizacja i załączenie kontrolera Y k3) dojazd na pozycję Y i, na wypadek, gdyby procedura autotuningu spowodowała odjechanie osi od pozycji Y i po zakończeniu procedury autotuningu wywoływana jest procedura ruchów testowych dla danego punktu (X i, Y i)) o) dojazd na pozycję (X i offset) p) ruch (1 zielony kolor) od pozycji X i offset do pozycji X i + offset (tutaj ustalony na 12,5mm czyli jednostek) q) rejestracja NCtrace założonych sygnałów w osi X: X i+, X i g1) dojazd na pozycję X i r) dojazd na pozycję (Y i offset) s) ruch (2 czerwony kolor) od pozycji Y i offset do pozycji Y i + offset (tutaj ustalony na 12,5mm czyli jednostek) t) rejestracja NCtrace założonych sygnałów w osi Y: Y i+, Y i t1) dojazd na pozycję Y i u) wywołanie zadania sterowania związanego z konwersją plików binarnych *.bin do ustalonego formatu plików tekstowych, uzupełnienie na bieżąco plików tekstowych danych o wektor uzyskanych z autotuningu (a więc bieżących) parametrów regulatorów w) powtórzenie kroków a v dla kolejnego i-tego punktu na mapie punktów x) wyzerowanie aktualnego punktu y) uruchomienie procedury od początku z nowym prądem tuningu (25,50,75 %) z) gdy wszystkie prądy sprawdzone/ seria=seria+1, if seria<=2 THEN uruchom cala procedurę od nowa, ELSE koniec badania, Podczas realizacji eksperymentu dokonywano rejestracji następujących zmiennych: 1) Oś X aktualna pozycja (jednostki przy podziale na jednostek na obrót, czyli na 16mm) 2) Oś X aktualna prędkość w [mm/s], 3) Oś X prąd IqX, 4) Oś X napięcie uqx, 5) Oś X prąd IdX, 6) Oś X wzmocnienie regulatora KpX, 65 S t r o n a

66 7) Oś X wzmocnienie regulatora TipX, 8) Os X wzmocnienie regulatora KvX, 9) Oś X wzmocnienie regulatora TivX, 10) Oś Y aktualna pozycja (jednostki przy podziale na jednostek na obrót, czyli na 16mm), 11) Oś Y aktualna prędkość w [mm/s], 12) Oś Y prąd IqY, 13) Oś Y napięcie uqy, 14) Oś Y prąd IdX, 15) Oś Y wzmocnienie regulatora KpY, 16) Oś Y wzmocnienie regulatora TipY, 17) Os Y wzmocnienie regulatora KvY, 18) Oś Y wzmocnienie regulatora TivY. W każdym punkcie wykonano ruchu w kierunku X oraz Y, na kierunkach dodatnim i ujemnym. Siatki testowe Na rysunku poniżej zamieszczono siatki punktów, w których przeprowadzono opisaną powyżej procedurę. Wyniki eksperymentu, wraz z opracowanymi wynikami zamieszczono na załączonym do raportu nośniku USB. 66 S t r o n a

67 a) b) Rys Siatka pomiarowa eksperymentu identyfikacyjnego dla badanych obiektów Wyniki opisanego tutaj eksperymentu identyfikacyjnego posłużyły do opracowania modeli dynamicznych (w postaci modeli dyskretnych w przestrzeni stanów) dla wszystkich pokazanych na rysunku 3.24 punktach. Modele te, zamieszczone na załączonym do raportu nośniku danych USB pozwalają prowadzić w przyszłości różnego rodzaju badania z obszaru nowych algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych. Należy w tym miejscu podkreślić, iż implementacja algorytmu identyfikacyjnego trwała blisko 2 miesiące, zaś sam eksperyment ponad dwa tygodnie: 3 dni na każdy eksperyment, z napędami obrotowymi i liniowymi, bez obciążenia stolika jak również z obciążeniem. Wysokowydajny wielordzeniowy komputer klasy PC wraz z odpowiednim oprogramowaniem, po opracowaniu odpowiedniego skryptu dla Matlab Identification Toolbox przez blisko miesiąc wyznaczał modele dynamiczne w poszczególnych punktach siatek z rysunku S t r o n a

68 Uproszczony model silnika PMSM W literaturze problematyka modelowania silników synchronicznych ze wzbudzeniem od magnesów trwałych (ang. Permanent Magnet Synchronous Motors) [26, 69, 71, 152] omawiana jest bardzo szeroko. Przedstawiane modele kładą nacisk na wiele aspektów eksploatacyjnych, jednakże do jednych z najlepszych prac naukowych, które poruszają aspekty zastosowania i modelowania silników w aplikacjach do napędów zespołów posuwowych obrabiarek zaliczyć należy pace [66-70]. Model części elektrycznej silnika PMSM z powodzeniem wyrażają następujące zależności: d R Lq 1 id ( t) id ( t) pr ( t) iq ( t) ud ( t) dt L L L d d d d R Ld pr () t 1 iq ( t) iq ( t) pr ( t) id ( t) uq( t) dt L L L L q q q q 3 Tel ( t) p iq ( t) Ld Lq id ( t) iq ( t) 2 gdzie: i ( t), i ( t ) składowe prądu w osiach d, q w silniku [ A ], d q u ( t), u ( t ) składowe napięcia w osiach d, q w silniku [ V ], d q R rezystancja uzwojeń silnika [ ], L ( t), L ( t ) składowe indukcyjności w osiach d, q w silniku [ H ], d q p liczba par uzwojeń silnika, strumień od magnesów trwałych [ Wb ], r () t prędkość obrotowa silnika [ rad s ], T t moment elektryczny wytwarzany przez silnik [ Nm ]. () el (3.82) Równanie (3.82) opisuje model części elektrycznej elementu wykonawczego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Część mechaniczną modelu silnika PMSM opisują równania: ( ) ( ) sgn ( ) sgn ( ) T t T t T t T T t e r v r c r s c r d 1 r ( t) Tel ( t) Tload ( t) T r ( t) dt J d ( t) r ( t) dt 2 r () t v s (3.83) r gdzie: T () t funkcja tarcia silnika (opisująca wpływ tarcia na moment, wytwarzany przez silnik) zależna od prędkości obrotowej, T stała tarcia wiskotycznego, v T s tarcie statyczne, T tarcie Coulomba, c v prędkość Stribecka, s J bezwładność silnika, () t prędkość obrotowa silnika, r () t rad położenie kątowe wałka silnika 68 S t r o n a

69 Tload () t moment obciążenia silnika. Wektor stanu silnika zwykle przyjmuje się następująco col i t, i t, t, t d q r. Typowa strategia sterowania silnikami typu PMSM zakłada sytuację, dla której wartość zadana prądu id ( t) 0. Wtedy równania (3.82) zredukują się do postaci: d R Ld pr () t 1 iq ( t) iq ( t) pr ( t) id ( t) uq( t) dt L L L L q q q q 3 Tel ( t) p iq ( t) Ld Lq id ( t) iq ( t) 2 (3.84) Równania (3.85) przedstawiają sposób działania typowej kaskadowej struktury regulacji prędkości prądu w serwonapędzie silnika PMSM. W równaniach tych poszczególne składowe oznaczają: u () s napięcie zadane w osi q [V], u () s napięcie zadane w osi d [V], M () s transmitancja qref d ref regulatora prądu w osi q, McT d () s transmitancja regulatora prądu w osi d, Iqref () s prąd zadany w osi q [A] (sygnał wyjściowy z regulatora prędkości), McV () s transmitancja regulatora prędkości, iq () s aktualna wartość prądu w osi q [A], id () s aktualna wartość prądu w osi d [A], vref () s prędkość zadana [obr/s], vs () prędkość aktualna [obr/s]. uqref s M ct q s Iqref s iq s 0 ud ref s M ct d s id s Iq ref s M cv s vref s v s ct q (3.85) Na potrzeby realizacji zadań projektu dokonano implementacji modelu silnika PMSM w postaci kodu STRUCTURED TEXT (języka normy IEC ). Więcej na ten temat napisano w opisie prac realizowanych w ramach Zadania 5 projektu. Rys Symbol bloku funkcyjnego modelu silnika PMSM Kod źródłowy modelu silnika PMSM, przedstawionego na rysunku 3.25 zamieszczono poniżej: (* model silnika synchronicznego *) FUNCTION_BLOCK model_pmsm 69 S t r o n a

70 flux := SQRT(2)* kt / (3 * zp); d_isd := ((-Res)/(Lsd) * isd) + (((Lsq/Lsd) * zp * omega_rad) * isq) + (1/Lsd) * u_d; d_isq := ((-Res/Lsq) * isq) + ((-Lsd/Lsq)* zp * omega_rad) * isd + ((-flux * zp * omega_rad)/lsq) + (1/Lsq) * u_q; isq := pop_isq + sampling_time * d_isq; isd := pop_isd + sampling_time * d_isd; T_el := (3 * zp / 2) * (flux * isq + (Lsd - Lsq) * isd * isq); d_omega_rad := (1/Jr) * (T_el - Fr * omega_rad - T_load); omega_rad := omega_rad + sampling_time * d_omega_rad; omega_rev := (1/6.28) * omega_rad; theta_rad := theta_rad + sampling_time * omega_rad; theta_rev := (1/6.28) * theta_rad; pop_isd := isd; pop_isq := isq; END_FUNCTION_BLOCK Przyjęty tak model silnika z powodzeniem może być stosowany do prowadzenia badań symulacyjnych z obszaru sterowania wieloosiowego w obrabiarkach sterowanych numerycznie. W kolejnym podrozdziale przedstawiono model silnika PMSM, gdy konieczne jest prowadzenie głębszych analiz na poziomie sterowania napędem elektrycznym Modelowanie silnika PMSM Podczas modelowania silnika z magnesami trwałymi stosuje się następujące założenia upraszczające: a) rozpatrywana jest maszyna trójfazowa symetryczna, b) rezystancja i indukcyjność uzwojeń są stałe, c) pomija się nasycenie magnetyczne, zjawisko histerezy oraz prądy wirowe, d) pomija się wyższe harmoniczne przestrzennego rozkładu pola w szczelinie powietrznej, e) kształt prądów i napięć uważa się za sinusoidalny, f) pomija się straty w żelazie stojana i wirnika. Rys Układ uzwojeń PMSM w trójfazowym układzie odniesienia Przyjmując założenia upraszczające dla tak wyidealizowanego silnika równania strumieniowe i napięciowe można przedstawić (A, B, C oznaczenia fazy): 70 S t r o n a

71 U R I d Ψ dt Ψ L I Ψ s s s s s s s f (3.86) gdzie: T s ua ub uc T s ia ib ic T s A B C U wartości chwilowe napięć stojana, I wartości chwilowe prądów stojana, Ψ strumienie pola magnetycznego skojarzone z odpowiednią fazą stojana, R rezystancja uzwojeń stojana, s Ψ amplituda strumienia od magnesów trwałych. f Wyrazy macierzy indukcyjności mają postać: LA LAB LAC L s LBA LB L BC (3.87) L CA LCB L C gdzie: LA, LB, L C indukcyjność własna odpowiednich uzwojeń faz A, B, C LAB, LAC,, LBC, L CB indukcyjność wzajemna między odpowiednimi uzwojeniami stojana Dla silnika przy założeniu symetrii uzwojeń i symetrii obwodu magnetycznego macierz L s przyjmuje postać jak poniżej, zaś jej wyrazy są wartościami stałymi: Przy czym: L indukcyjność własna we wszystkich trzech fazach stojana, A MA LA LMA LMA L s LMA LA L MA (3.88) L MA LMA L A L indukcyjność wzajemna między poszczególnymi uzwojeniami faz stojana. Podstawą wektorowego zapisu równań silnika synchronicznego z magnesami trwałymi jest definicja wektorów przestrzennych. Symetryczny układ trójfazowy możemy zapisać za pomocą jednego przestrzennego wektora uogólnionego (napięcia, prądu i strumienia skojarzonego z odpowiednią fazą). Przez K A, K B, K C oznaczono składowe fazowe w układzie współrzędnych naturalnych. Wektor przestrzenny definiowany jest następująco: 2 K K ak a K 3 2 A B C (3.89) gdzie a j, a j. Współczynnik 2/3 w równaniu (3.89) wynika z ogólniejszej formuły dla m- fazowego układu (2/m) i jest współczynnikiem normującym. Dodatkowo elementy wektora przestrzennego spełniają równość: KA KB KC 0 (3.90) 71 S t r o n a

72 Korzystając z definicji wektora przestrzennego można zapisać równanie napięciowe i strumieniowe w postaci wektorowej: d Us Rs Is Ψ dt Ψ L I s s s f s (3.91) Współczynnik indukcyjności własnej w przypadku symetrii obwodu magnetycznego maszyny opisuje równanie: 3 LS LMA S 2 (3.92) gdzie L MA to główna indukcyjność uzwojeń stojana a S jest współczynnikiem rozproszenia uzwojeń stojana postaci: L L A MA S (3.93) LMA Równania stojana zapisane są w nieruchomych układach odniesienia, które stanowią układ współrzędnych trójfazowych ABC lub układ współrzędnych ortogonalnych najczęściej określany, jako α-β do którego wektory przestrzenne mogą być przekształcane z pomocą transformacji Clarka. Ze względu na fakt, że w przypadku maszyny niesymetrycznej pojawią się w równaniach współczynniki zmieniające się okresowo stosuję się układ ortogonalny d-q wirujący synchronicznie z wirnikiem z prędkością kątową. Transformacji współrzędnych z układu α-β związanego ze stojanem do wirującego układu d- m q związanego z wirnikiem dokonuje się za pomocą transformacji Parka. a) b) Rys Układ zastępczych uzwojeń PMSM we współrzędnych: a) nieruchomych związanych ze stojanem α-β, b) wirujących związanych z wirnikiem d-q Po wykonaniu przekształcenia do wirującego układu z prędkością m i uwzględnieniu równań dynamiki ruchu wirnika otrzymuje się: 72 S t r o n a

73 U R I d Ψ dt j Ψ Ψ L I s s s s m s s d 1 m dt J d m m dt s s m e op f m (3.94) gdzie: m moment elektromagnetyczny silnika, e m moment oporowy, op m mechaniczne położenie kątowe wirnika względem osi fazy A (kąt mechaniczny pomiędzy osią stojana a osią wirnika), r pm elektryczna pozycja wirnika, p liczba par biegunów, m mechaniczna prędkość obrotowa wirnika, J moment bezwładności wirnika, kąt pomiędzy stojanem a wirnikiem, amplituda strumienia związanego z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku. f W równaniu (3.95) symbol * oznacza wektor sprzężony, zaś ms * me p ImΨ sk I sk (3.95) 2 m s to liczba faz uzwojeń stojana. Wzór na moment elektromagnetyczny nie zależy od wyboru układu współrzędnych, a ponadto w równaniach (3.94) i (3.95) występują stałe współczynniki. W celu zapisania kompletu równań w osiach d-q należy rozpisać zespolone wektory przestrzenne reprezentujące wielkości stojana na składowe d, q: U u ju, I i ji, Ψ j (3.96) s d q s d q s d q Po wprowadzeniu wektorów do równań i rozpisaniu na część rzeczywistą i urojoną: d ud Rsid d pm q dt d uq Rsiq q pm d dt Li d d d f Li q q q d 1 3 p i dt J 2 i m d m m dt m d q q d op (3.97) Po wyeliminowaniu strumieni skojarzonych, zapisaniu równań gdzie zmiennymi stanu są prądy stojana oraz dodaniu siły tarcia w układzie równania (3.97) można zapisać w następującej postaci: 73 S t r o n a

74 d R L s q 1 i i p i u dt L L L d d m q d d d d d Rs Ld 1 p i m f q i p i u q m d q dt L L L L q q q q d 1 3 p i dt J 2 L L i i F m d m m dt m f q d q d q m op (3.98) Jak można się było spodziewać, równania (3.98) są analogiczne do (3.82), (3.83), przy czym w równaniu (3.98) zawarto jedynie składnik tarcia wiskotycznego. Na zakończenie zostaną przedstawione operacje transformacji układów współrzędnych podczas wyprowadzania modelu (3.98). Przeliczenie wielkości pomiędzy układem ABC a α-β wynika z definicji wektora przestrzennego i wykonywane jest za pomocą macierzy C jak poniżej: ua ia u i u, B i B u C i C u C i C (3.99) C 0, C Przeliczanie wielkości pomiędzy układem α-β a d-q odbywa się przy użyciu macierzy G oraz G -1 : u ud i id u u q, i i G G q u u i i cos sin 0 cos sin 0 1 G sin cos 0, sin cos 0 G (3.100) 3.3. Podsumowanie Zadanie identyfikacji dynamiki rzeczywistych obiektów sterowania (zespołów posuwowych obrabiarek VC600 z napędami konwencjonalnym oraz bezpośrednim z silnikami liniowymi) nie było pierwotnie planowane, jednakże dało rezultaty, dzięki którym została wytworzona istotna wartość dodana projektu: opracowano efektywną metodę identyfikacji przedziałami liniowych modeli dynamicznych zespołów posuwowych obrabiarek w torach sterowania (metoda ta pozwala, z zastosowaniem dostępnych narzędzi diagnostycznych komercyjnych systemów sterowania obrabiarek CNC, bez konieczności ingerencji w ich wnętrze, na określenie zmian dynamiki zespołów posuwowych 74 S t r o n a

75 w przestrzeni roboczej obrabiarki, ale również szerzej, w przestrzeni stanów, opisanych zmiennymi takimi jak położenie, prędkość, przyspieszenie; wymaga to jednak rozszerzenia eksperymentu, w tym również o specjalistyczne pomiary), wskazano nowy kierunek rozwoju modelowania dynamiki zespołów posuwowych obrabiarek z zastosowaniem przedziałami liniowych (afinicznych) modeli w przestrzeni stanów; na potrzeby niniejszego projektu modelowanie przedziałami liniowe oparte jest na zmienności modelu dynamicznego w zależności od położenia w poszczególnych osiach posuwu. Przedstawiony tutaj eksperyment identyfikacyjny został zmodyfikowany w zakresie charakteru realizowanej procedury ruchu podczas rejestracji sygnałów z systemu sterowania i został przeprowadzony na obiekcie 5-osiowym centrum frezarskim projektowanym w ramach projektu badawczego Rodzina wysokowydajnych, uniwersalnych 5-cio osiowych centrów obróbkowych typu X-5 finansowanego ze środków projektu Innotech. Procedura identyfikacyjna zakończyła się, podobnie jak w przypadku raportowanego projektu powodzeniem, odwzorowując wystarczająco dokładnie dynamiczne zachowanie zespołów posuwowych dla celów optymalizacji parametrów algorytmów regulacji położenia i/lub prędkości napędów w osiach posuwu. Podczas realizacji innych badań (poza projektem) zaobserwowano istotną (i analitycznie potwierdzoną) zależność modelu dynamicznego przyjętego (z uwagi na niedostępność pomiarową stopnia regulacji prądu) w torze sterowania pomiędzy prądem silnika PMSM/PMLM w osi q (czyli de facto momentem elektrycznym a w konsekwencji mechanicznym generowanym przez silnik) a prędkością ruchu w osiach posuwu. Jest to oczywista z punktu widzenia projektowania i doboru nastaw układów sterowania zależność opisująca zastępczą dynamikę zespołu posuwowego widzianą przez system sterowania, zależnie od przyjętej architektury pomiaru położenia/prędkości. Jednocześnie zależność ta jest identyfikowalna w drodze eksperymentów, których obszerne wyniki zamieszczono na załączonym do niniejszego raportu nośniku danych USB. Podsumowując cel Zadania 1, jakim było wyprowadzenie modułowego modelu matematycznego numerycznego, który posłużył do realizacji dalszej części projektu został osiągnięty. Istotne jest, iż model opracowany w ramach projektu bazuje na podejściu zwanym w literaturze światowej modelowaniem typu Component based lub Domain Specific Modeling. Głównymi zaletami takiego modułowego modelu jest prostota analiz wpływu wariantów poszczególnych komponentów złożonych systemów mechatronicznych na ogólne właściwości całego systemu. W przypadku raportowanego projektu podejście to umożliwia opracowanie nowych rozwiązań z obszaru podniesienia sztywności dynamicznej napędów zespołów posuwowych. Istotnymi nowościami w obszarze przedstawionym w ramach Zadania 1 są: zastosowanie podejścia modelowania przedziałami liniowego złożonych nieliniowych układów elektromechanicznych zastosowania podejścia typu component-based do opracowania kompleksowego modelu układu OUPN, umożliwiającego analizę nowych rozwiązań z obszaru sterowania napędami zespołów posuwowych, opracowanie procedury identyfikacyjnej, dzięki której możliwe jest wyprowadzenie modelu zastępczego zespołu posuwowego obrabiarki w torze sterowania. 75 S t r o n a

76 76 S t r o n a

77 4. Zadanie 2. Teoretyczna analiza możliwości zastosowania wybranych algorytmów sterowania ruchem ze szczególnym uwzględnieniem metod opartych na modelu Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Domek S., Dworak P., Pietrusewicz K., Hybrid Model-Following Control algorithm within the motion control system, Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2009, s [28], F.1 raportu 2. Pietrusewicz K., Dworak P., A Fuzzy-logic based tuning for a velocity controller of the DC servo drive, Solid State Phenomena. Mechatronic Systems and Materials III, Vols , 2009, s [35], F.2 raportu 3. Dworak P., Pietrusewicz K., Rozmyte dostrajanie regulatora prędkości serwonapędu DC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 85, Nr 2, 2009, s [123], F.4 raportu 4. Mikołajczyk G., Pietrusewicz K., Hybrid predictive control systems for servo drives used in CNC machines, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists : InterTech 2009: proceedings, 2009, s [91], F.5 raportu 5. Pietrusewicz K., Implementation of the hybrid MFC algorithm with the use of the IEC ST language, Proceedings of 10th International Carpathian Control Conference: ICCC'2009, 2009, s [108], F.6 raportu 6. Dworak P., Pietrusewicz K., Implementation of modern control algorithms in PLCs, Proceedings of 7th Conference Computer Methods and Systems: CMS '09, 2009, s [121], F.7 raportu 7. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Adaptive parameter tuning within the DC motion control system for the CNCs, Proc. of 12th International Symposium of Students and Young Mechanical Engineers Advances in Mechanical Engineering, 2009, s [128], F.8 raportu 8. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 9. Pietrusewicz K., Method for increasing the control robustness of the Permanent Magnet machine tool feed-drive, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [109], F.13 raportu 10. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 11. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu 12. Pietrusewicz K., Zagadnienia prototypowania w cyfrowych serwonapędach napędów zespołów posuwowych obrabiarek CNC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 88, Nr 12a, 2012, s [116], F.23 raportu 13. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 14. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 77 S t r o n a

78 Celem realizacji Zadania 2 było przeprowadzenie analiz teoretycznych w zakresie zastosowania znanych oraz nowych (bazujących na modelach) algorytmów regulacji w cyfrowym serwonapędzie zespołu posuwowego obrabiarki. W ramach prac badawczych dokonano porównania znanych i nowych struktur z punktu widzenia: niwelacji wpływu zewnętrznych zakłóceń, dopuszczalnej odporności na perturbacje, definiowane jako rozbieżność pomiędzy modelem M (s) użytym podczas syntezy prawa sterowania a rzeczywistym obiektem. Na potrzeby niniejszych analiz przyjęto bardzo popularny model perturbacji multiplikatywnej na wyjściu obiektu: P( s) 1 Δ(s) M (s) (4.1) zapewnienia sztywności dynamicznej minimalizacji wpływu zmian obciążenia, w tym zmiennej w czasie siły skrawania na parametry ruchu, efektywności energetycznej danych algorytmów. Sterowanie odporne oparte na modelu w ogólności polega na wyznaczeniu prawa sterowania, które minimalizuje różnicę między aktualnym (Model-Following Control) lub przewidywanym (Model Predictive Control) wyjściem (stanem) procesu a założoną trajektorią wzorcową (nominalną). W pierwszej kolejności założenia wymaga określenie zbioru niepewności, dla którego projektowane prawo sterowania zapewni zarówno stabilność jak i założoną jakość pracy. Synteza prawa sterowania może odbywać się na dwa sposoby tak, aby maksymalizować tolerowany przez system błąd modelowania dla danej wartości wskaźnika jakości, lub tak, aby maksymalizowany był wskaźnik jakości dla danego poziomu błędów modelowania. W pracach zespołu profesora Skoczowskiego wykazano, iż powiązanie tych dwóch kryteriów jest możliwe, co w przypadku klasycznego jednopętlowego układu regulacji z regulatorem PID jest kryterium niemożliwym do spełnienia. Użyty w układach typu model-following model dynamiczny powinien być z jednej strony jak najbardziej uproszczony, z drugiej zaś powinien uwzględniać najważniejsze właściwości sterowanego procesu. W przypadku modelu dynamicznego układu OUPN modele MDS, głównie w torze sterowania układu napędowego osi posuwu, są tak wysokiego rzędu, że problemem jest jakakolwiek próba syntezy prawa sterowania. Konieczne jest zatem poszukiwanie modeli uproszczonych, uzyskiwanych z reguły w drodze eksperymentu praktycznego. Przed układami sterowania (niezależnie od tego, czy wykorzystują nominalny model sterowanego procesu czy też nie) można postawić kilka podstawowych celów, jak: a) regulacja niwelacja pływu zakłóceń oraz błędów modelowania, b) nadążanie za wartością zadaną odtwarzanie wartości zadanej, c) generowanie sekwencji procedur np. dla rozruchu/zatrzymania maszyn, d) adaptacja zmiana pewnych nastawialnych parametrów, e) wykrywanie uszkodzeń/awarii funkcje, których celem jest unikanie uszkodzeń elementów procesu bądź przeprowadzenie rekonfiguracji systemu w przypadku jego wystąpienia, f) nadzorowanie zmiana warunków pracy, struktury bądź komponentów systemu, g) koordynacja dostarczanie ciągu wartości zadanych, h) nauczanie wydobywanie i gromadzenie wiedzy o procesie na podstawie dotychczasowych doświadczeń. 78 S t r o n a

79 Projektowanie odpornego układu sterowania polega na przeprowadzeniu szeregu czynności: w zakresie analizy: a) Określenie zbioru niepewności, czy tego, co wiemy na temat tego, czego nie wiemy o obiekcie, b) Sprawdzenie odpornej stabilności określenie, czy układ pozostaje stabilny dla wszystkich obiektów ze zbioru niepewności modelu, c) Sprawdzenie odpornej jakości jeżeli wymóg odpornej stabilności został spełniony, to należy określić, czy wymagania jakościowe co do przebiegu procesu regulacji są również spełnione dla wszystkich obiektów ze zbioru niepewności, w zakresie syntezy prawa sterowania: a) Wyznaczenie takiego prawa sterowania, dzięki któremu maksymalizowany jest tolerowany przez system błąd modelowania dla danej wartości wskaźnika jakości, lub, b) Wyznaczenie takiego prawa sterowania, dzięki któremu maksymalizowany jest wskaźnik jakości dla danego poziomu błędów modelowania. Niniejsza część raportu ma na celu przybliżenie problematyki odpornej regulacji typu model-following o dwóch stopniach swobody oraz powody, dla których sięgnięto po to właśnie podejście jako sposób podniesienia odporności regulacji napędami zespołów posuwowych obrabiarek. W ramach Zadania 2 raportowanego projektu skupiono się na odpornej regulacji napędami zespołów posuwowych, wykorzystującej w swojej strukturze nominalny model dynamiczny. Na bazie prowadzonych dotychczas prac badawczych przedstawiono możliwe kierunki rozwoju. Skupiono się na możliwościach zwiększenia odporności pracy obrabiarki z użyciem metod regulacji opartych na modelach, jak również poprzez wypracowanie dodatkowych sprzężeń przepływu informacji w ramach układu OUPN Zagadnienie modelowania dla potrzeb regulacji odpornej Do najistotniejszych źródeł niepewności w sterowaniu zaliczyć należy: niemierzalne perturbacje, powodujące zmiany wartości sygnału na wyjściu, błędy i uproszczenia modelowania obiektów sterowania; wtedy główne źródła niepewności wynikają z niepewności estymowanych parametrów, nieuwzględnienia w modelu dynamika (opóźnienia transportowe, czasami zmienne w czasie działania obiektu oraz krótkie, trudne na podstawie przebiegu czasowego stałe czasowe), czy nieliniowości obiektu aproksymowane modelem liniowym. Niepewność opisuje się w literaturze na różne sposoby [18, 19, 149], np. jako: a) niepewność addytywną dowolny system dynamiczny, którego działanie dodaje się do działania nominalnego modelu, b) niepewność multiplikatywną na wyjściu (4.1) typowy opis niepewności; opis zakłada modelowanie błędów podsystemów wyjściowych sterowanego procesu, c) niepewność parametryczną niepewność wartości współczynników macierzy w przypadku opisu w przestrzeni stanów lub współczynników macierzy transmitancji. 79 S t r o n a

80 Jeżeli zatem, stosując typową metodykę projektowania systemów sterowania, za punkt wyjścia potraktuje się nominalny model sterowanego obiektu, to należy na samym wstępie odpowiedzieć na pytanie: Jak dokładny powinien być model, na podstawie którego projektowany jest układ sterowania? W pracy [6] możemy przeczytać bardzo ważną sentencję:...im bardziej złożony jest model, na podstawie którego projektujemy układ sterowania, tym bardziej końcowy wynik zależy od dokładności wyznaczenia jego parametrów... W tym samym momencie pojawia się drugie, bardzo ważne z punktu widzenie projektu nowego algorytmu pytanie: Jakie podejście wybrać w przypadku sterowania obiektem nieliniowym? Podczas, gdy:...regulatory strojone na bazie informacji o lokalnym modelu liniowym pracują poprawnie jedynie w bliskim otoczeniu punktu pracy, w którym zlinearyzowano nieliniowy model... W kolejnym podpunkcie przybliżono problematykę hybrydowości złożonych układów dynamicznych Hybrydowe układy dynamiczne Hybrydowym układem dynamicznym nazywa się w ogólności układ, którego wektor stanu łączy w sobie zmienne o charakterze ciągłym oraz zmienne ze skończonego, policzalnego zbioru. Teoria związana z pojęciem hybrydowych układów dynamicznych, czy też hybrydowych układów sterowania jest stosunkowo młodą dziedziną wiedzy. Określenie układu hybrydowego w odniesieniu do klasy obiektów łączących dynamikę ciągłą z dyskretnym przełączaniem po raz pierwszy pojawia się w pracy [173]. Opis układów hybrydowych jest wygodny dla badania złożonych systemów technologicznych, w których sterowanie cyfrowe fizycznych układów ciągłych łączy się z dyskretnym (logicznym) przełączaniem lub podejmowaniem decyzji. Koniecznością w przypadku podjęcia próby modelowania tego typu obiektów jest powiązanie opisu dynamiki ciągłej (zwykle za pomocą układów równań różniczkowych) z dyskretnym przełączaniem pomiędzy opisami tejże dynamiki (ciągłej). Z układami hybrydowymi nierozerwalnie powiązane jest zatem pojęcie przełączania [75-77]. Na rysunku 4.1 przedstawiono ogólny model hybrydowego układu dynamicznego. W układzie tym wyróżnia się kilka typów sygnałów: v () t to wektor sygnałów wyjściowych części ciągłej, x v () t to wektor sygnałów wyjściowych części dyskretnej, q x () t to wektor zmiennych stanu części ciągłej, q () t to dyskretny stan hybrydowego układu dynamicznego, w () t to wektor sygnałów wejściowych części ciągłej, x w () t to wektor sygnałów wejściowych części dyskretnej. q 80 S t r o n a

81 a) b) c) d) Rys Układ dynamiczny (a) ciągły (b), dyskretny (c), hybrydowy (d) W układach hybrydowych dynamika ciągła modelowana jest zwykle jako liniowe układy dynamiczne (np. z czasem ciągłym): n m x( t) Αx( t) Bw ( t), x( t), u (4.2) x Przykładem dynamiki dyskretnej jest automat o skończonej liczbie stanów, w którym dyskretny stan q () t przyjmuje wartości ze skończonego policzalnego zbioru. W automacie tym tranzycje (przełączenia) pomiędzy stanami zachodzą przy określonych wartościach zmiennej wejściowej. Rys Ogólna struktura działania systemu hybrydowego 81 S t r o n a

82 W literaturze spotyka się wiele różnych opisów dynamiki układów hybrydowych [51]. Modele PWA, MLD, LC oraz ELC są równorzędną klasą modeli obiektów hybrydowych. Ścisła równość pomiędzy tymi opisami wymaga jednak określenia warunków, co do ograniczoności sygnałów wejściowych, stanu, zmiennych zewnętrznych jak również prawidłowego postawienia rozwiązywanego problemu. Jakość oraz efektywność późniejszego zastosowania modelu układu dynamicznego zależy od wielu czynników. Do jednego z ważniejszych należy zaliczyć przeznaczenie modelu, to znaczy stwierdzenie, czy: model posłuży za szczegółowe odwzorowanie wszystkich istotnych cech funkcjonalnych modelowanego obiektu, model stanowić będzie jedynie uproszczone zwrócenie uwagi na najważniejsze cechy użytkowe obiektu. Jest to szczególnie ważne w przypadku modelowania obiektów (systemów) złożonych, takich jak układy hybrydowe. Idąc dalej, modele matematyczne tego samego układu, będące równoważne pod względem poziomu szczegółowości, mogą z punktu widzenia użytkownika projektującego układ sterowania posiadać różne właściwości. Podobnie, sposób opisu (język opisu) modelu matematycznego może mieć istotny wpływ na późniejsze właściwości użytkowe opisu działania tego samego obiektu fizycznego. Identycznie sytuacja wygląda w przypadku układów hybrydowych, dla których równoważne opisy matematyczne posiadają różne własności, pozwalając tym samym stosować je do różnych celów (symulacja, projektowanie algorytmów sterowania, weryfikacja poprawności). Każdy ze spotykanych w literaturze opisów modeli układów hybrydowych posiada zarówno zalety jak i wady zadaniem projektanta jest decyzja, co w danej chwili jest dla niego najbardziej istotne. Większość obiektów rzeczywistych charakteryzuje hybrydowy charakter działania. W naukach technicznych z podejściem hybrydowym spotkać się można: a) w informatyce do rozwiązywania zagadnienia weryfikacji poprawności współpracy oprogramowania zawartego we wbudowanych systemach sterowania z obiektami rzeczywistymi, b) w teorii sterowania sterowanie hierarchiczne, interakcja pakietów danych z obiektami rzeczywistymi, stabilizacja obiektów nieliniowych z użyciem regulatorów przełączanych, c) w opisie systemów dynamicznych do opisu nieciągłego charakteru ich działania, d) w programowaniu matematycznym, e) w naukach o językach symulacji komputerowych podczas tworzenia oprogramowania do symulacji komputerowej układów o dynamice ciągłej i dyskretnej; główne problemy dotykają opracowywania języków modelowania układów hybrydowych. W kolejnym podrozdziale dokonano krótkiego wprowadzenia do problematyki regulacji odpornej o wielu stopniach swobody typu model-following. Przedstawiono proponowane rozwiązania implementacyjne, zarówno na poziomie globalnym dla całego układu OUPN, jak i dla komponentów składowych regulatorów położenia i/lub prędkości. Wskazano również na możliwość zastosowania podejścia z wieloma modelami lokalnymi dla celów podniesienia odporności regulacji prędkości wzdłuż osi ruchu w przypadku napędu posuwu śrubowego kulowo-tocznego [111]. 82 S t r o n a

83 4.3. Regulacja odporna o dwóch stopniach swobody typu model-following w układzie OUPN Na rysunku 4.3 zaprezentowano klasyczny jednopętlowy układ regulacji z regulatorem C 1, zaprojektowanym na podstawie informacji o strukturze i parametrach nominalnego modelu M. Ponieważ model M różni się od rzeczywistego procesu P, o nieznane lecz z definicji ograniczone perturbacje zatem regulacja zawsze obarczona będzie błędem wynikającym z tej różnicy. a) b) Rys Klasyczny jednopętlowy układ regulacji (a) oraz schemat uwzględniający zależność (4.1) (b) Jednym ze sposobów niwelacji wpływu zmian obiektu P na jakość regulacji jest zastosowanie mechanizmów adaptacji wzmocnień regulatorów składowych, jak pokazano na rysunku 4.4a. Do struktury możliwości adaptacji z rysunku 4.4b wrócimy w dalszej części rozdziału. a) b) Rys Możliwości adaptacji parametrów regulatora prędkości napędu w strukturze klasycznej (a) oraz MFC/IMC (b) Algorytmy regulacji adaptacyjnej są jednymi z bardziej eksplorowanych obszarów naukowych w zakresie aplikacji do sterowania układami napędowymi [5, 7, 20, 21, 27, 56, 62, 72, 74, 78, 93, , 169, 170, 174, 178]. Niestety istotną wadą tego typu rozwiązań jest konieczna bardzo wysoka moc obliczeniowa elementów, na bazie których taki system sterowania miałby zostać zrealizowany. Od wady tej wolne są algorytmy regulacji odpornej, których parametry regulatorów nie ulegają zmianie podczas pracy. Regulacja odporna w sterowaniu układami napędowymi jest również częstym tematem prac badawczych [15, 36, 50, 64, 82, 99, 109, 111, 112, 122, 124, 143]. Na rysunku 4.5 przedstawiono dwa sposoby regulacji odpornej typu model-following opisane szczegółowo m.in. w pracy [148]. 83 S t r o n a

84 a) b) Rys Układ regulacji typu MFC (a) oraz MFC/IMC (b) [148] Dzięki odpowiedniemu doborowi nastaw regulatorów modelu oraz korekcyjnego uzyskujemy rozdzielenie zadań sterowania na nadążanie za wartością zadaną, niwelację wpływu zakłóceń (w tym również zmian obciążenia sterowanego obiektu) oraz niwelację wpływu niedokładności modelowania. Rozwinięciem tego podejścia jest propozycja omówiona w pracach [91, 111], polegająca na powiązaniu metodyki charakterystycznej dla układów z przełączaniem [1, 9, 75, 153, 154, 177, 179] z podejściem regulacji odpornej typu model-following, w strukturach z obserwacją wyjścia nominalnego modelu sterowanego obiektu (rysunek 4.6a) oraz w całkowicie nowym wariancie, którego badaniem Kierownik raportowanego projektu zajmie się w najbliższej przyszłości. Struktura z rysunku 4.6b jest całkowicie nowa i nie była dotychczas nigdzie publikowana. a) b) Rys Podejście typu model-following w sterowaniu obiektami nieliniowymi: algorytm przełączania zależny od aktualnej różnicy między nominalnym modelem a wyjściem obiektu (a) oraz algorytm przełączania uwzględniający np. zjawiska dynamiczne zachodzące w obiekcie, zrealizowany z użyciem zewnętrznego układu pomiarowego (b) Zakładając, że dla układu sterowania napędami zespołów posuwowych układ MDS-OUPN widoczny jest w formie skupionej, albowiem z uwagi na dostępne sygnały pomiarowe systemy CNC widzą tylko wybrany fragment obiektu, jakim jest układ MDS obrabiarki. 84 S t r o n a

85 Na rysunku 4.7a przedstawiono schemat zastępczy dla pokazania, że procesy w układzie sterowania są projektowane (ich funkcjonalności i parametry) na podstawie uproszczonego modelu obiektu). Podejście z wieloma modelami w układzie OUPN zostało schematycznie zaprezentowane na rysunku 4.7b. a) b) Rys Klasyczny układ regulacji (strojony na bazie informacji o modelu obiektu) (a) oraz wielomodelowy układ regulacji (b) Struktura układu napędowego Na rysunku 4.8a zamieszczono typową spotykaną w serwonapędach obrabiarek sterowanych numerycznie strukturę sterowania (położenie prędkość prąd). Znacznie lepsze warunki pracy serwonapędu obrabiarki można zapewnić, dokonując zrówoleglenia podukładów regulacji położenia oraz prędkości (rysunek 4.8b). W takim rozwiązaniu regulator prędkości widzi czego od niego oczekuje generator trajektorii ruchu, uniezależniając swoje działanie od dynamiki (w tym parametrów) regulatora położenia. a) b) Rys Kaskadowy układ regulacji sterowania napędami (a) oraz nowa struktura równoległa, rozdzielająca tory sterowania położenia i prędkości (b) 85 S t r o n a

86 Współcześnie nie istnieją przeszkody technologiczne, które uniemożliwiałyby implementację powyższych rozwiązań. Wymaga to jednakże nowej implementacji generatora trajektorii ruchu, głównie w zakresie zależności czasowych pomiędzy czasem próbkowania układu regulacji położenia i prędkości. Odporny regulator prędkości o wielu stopniach swobody Na rysunku 4.9c przedstawiono całkowicie nową strukturę układu regulacji prędkości (w tym konkretnym rozwiązaniu stanowiącym zaawansowany mechanizm korekcyjny prądu sterującego silnikiem, który poprawia jakość pracy podczas ruchów osi obrabiarki z małymi prędkościami, co zostanie przedstawione w raporcie końcowym z projektu, gdzie istotne znaczenie mają złożone zjawiska związane z tarciem w elemencie wykonawczym silniku, ale również w samej konstrukcji osi posuwu obrabiarki). Należy tutaj zwrócić uwagę, iż wartość prędkości nominalnej v w układzie z rysunku 4.9 wyliczana jest na bazie informacji o nominalnym modelu obiektu sterowania (transmitancja WM MDS ( s) WM ( s) WMDS ( s) ), zaś regulator GMcV pomaga regulatorowi głównemu G McV (którego użytkownik nie musi w żaden sposób modyfikować) osiągnąć zadaną prędkość ruchu v ref, pomimo różnic, jakie występują pomiędzy modelem a sterowanym obiektem. a) b) c) Rys Klasyczny kaskadowy układ regulacji (a), z regulatorem prędkości typu MFC (b) oraz nowa, bazująca na modelu korekta dynamiczna typu MFC (c) 86 S t r o n a

87 Gdzie: y () M s wartość zadana układu regulacji (położenie), v () s wartość zadana układu regulacji (tutaj prędkość), ref WM MDS ( s) WM ( s) WMDS ( s) zastępcza transmitancja nominalnego modelu sterowanego obiektu w torze prąd zadany w osi q położenie nominalne u, G s znana, założona funkcja przekształcająca pomiar położenia u w aktualną prędkość ruchu ud () v( s) G ( s) u( s), ud G () McP s transmitancja regulatora położenia, GMcV () s transmitancja nominalnego regulatora prędkości (wewnętrznego), GMcV () s transmitancja regulatora prędkości / yv () s główna składowa sterowania/, GMcV () s transmitancja uzupełniającego regulatora prędkości / y () s korekcyjna składowa sterowania/, GMcT () s transmitancja regulatora prądu w osi q, WM MDS ( s) WM ( s) WMDS ( s) zastępcza transmitancja obiektu sterowania. W kolejnych podpunktach przedstawiono możliwe warianty aplikacji podejścia typu model-following do sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek do metali sterowanych numerycznie. To co jest bardzo istotne i godne podkreślenia, to że nie ma znaczenia, jaki będzie algorytm składowy struktury MFC czy MFC/IMC. Dowiedziono tego w licznych pracach poświęconych problematyce: a) Regulatory składowe typu PID: 1. Pietrusewicz K., Implementation of the hybrid MFC algorithm with the use of the IEC ST language, Proceedings of 10th International Carpathian Control Conference: ICCC'2009, 2009, s [108], F.6 raportu 2. Domek S., Dworak P., Pietrusewicz K., Hybrid Model-Following Control algorithm within the motion control system, Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2009, s [13], F.1 raportu 3. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Adaptive parameter tuning within the DC motion control system for the CNCs, Proc. of 12th International Symposium of Students and Young Mechanical Engineers Advances in Mechanical Engineering, 2009, s [128], F.8 raportu 4. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 5. Pietrusewicz K., Zagadnienia prototypowania w cyfrowych serwonapędach napędów zespołów posuwowych obrabiarek CNC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 88, Nr 12a, 2012, s [116], F.23 raportu b) Regulatory składowe typu fuzzy-logic: 6. Pietrusewicz K., Dworak P., A Fuzzy-logic based tuning for a velocity controller of the DC servo drive, Solid State Phenomena. Mechatronic Systems and Materials III, Vols , 2009, s [35], F.2 raportu 7. Dworak P., Pietrusewicz K., Rozmyte dostrajanie regulatora prędkości serwonapędu DC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 85, Nr 2, 2009, s [123], F.4 raportu c) Regulatory składowe typu predykcyjnego: 87 S t r o n a

88 8. Mikołajczyk G., Pietrusewicz K., Hybrid predictive control systems for servo drives used in CNC machines, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists : InterTech 2009: proceedings, 2009, s [91], F.5 raportu 9. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 10. Pietrusewicz K., Method for increasing the control robustness of the Permanent Magnet machine tool feed-drive, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [109], F.13 raportu 11. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu d) Regulatory składowe ułamkowego rzędu: 12. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu Badania nad każdą z prezentowanych w dalszej części niniejszego rozdziału struktur mogą stanowić podstawy przyszłych prac doktorskich. W ramach raportowanego projektu przebadano kompleksowo strukturę, zaprezentowaną na rysunku 4.9 w wariancie dla jednego 4.5 jak i wielu modeli 4.6. zaś wyniki zamieszczono w załączonych do raportu publikacjach. Podejście globalne Na rysunku 4.10a zaprezentowano sposób implementacji podejścia MFC w sterowaniu napędami w układzie OUPN. Regulator modelu W wypracowuje na podstawie informacji o różnicy pomiędzy wartością zadaną M Mc y położenia pochodzącą z generatora trajektorii układu CNC a wyjściem nominalnego modelu u, główną modelową składową y sterowania obiektem W RMDS, na który to obiekt działają zewnętrzne zakłócenia Y. Uproszczony nominalny model sterowanego obiektu dany jest macierzą transmitancji W. Wektor u przedstawia uogólnione przemieszczenia sterowanego obiektu. Wek- RMDS tor u przedstawia uogólnione przemieszczenia nominalnego modelu. Wektor u u u przedstawia różnicę pomiędzy oczekiwanymi przemieszczeniami w ruchu zespołów posuwowych a ich rzeczywistymi wartościami (niezależnie mierzonymi w sposób bezpośredni za pomocą liniałów czy też estymowanymi na podstawie pomiarów z enkoderów zamontowanych w silnikach). Regulator W na podstawie informacji o wartości uchybu u wyznacza wartość sygnału sterującego y, który dodany do sygnału y powoduje minimalizację uchybu u, zmuszając obiekt regulacji do podążania za swoim nominalnym modelem, użytym tutaj w ramach struktury układu regulacji. Jak wynika z rysunku 4.10b: RMDS M MDS Mc W W W (4.3) Gdzie W M oznacza nominalny model silnika zastosowanego w danym rozwiązaniu napędowym, zaś W jest przyjętym dla danej struktury układu regulacji opisem własności dynamicznych części MDS konstrukcyjnej obiektu. 88 S t r o n a

89 a) b) Rys Globalne podejście typu model-following w sterowaniu układem OUPN z obserwacją nominalnego wyjścia modelu: schemat ogólny (a) oraz szczegółowy dla procesów w układzie sterowania napędem posuwu (b) Mc Struktura zaprezentowana na rysunku 4.11 tym różni się od struktury z rysunku 4.10, że regulator modelu W obserwuje wyjście rzeczywistego obiektu u i na tej podstawie wypracowuje główną składową sterowania y. Na temat różnic pomiędzy działaniem układów MFC oraz MFC/IMC napisano wiele prac, m.in. [110, 115, , ]. Do istotnych różnic zaliczyć należy fakt, iż regulator modelu w układzie MFC/IMC wie, co dzieje się z rzeczywistym obiektem. W przypadku obiektów silnie nieliniowych może to być zaletą, gdyż pomimo niższej jakości całkowitej, układ regulacji jest bliższy punktowi pracy obiektu. 89 S t r o n a

90 a) b) Rys Globalne podejście typu model-following w sterowaniu układem OUPN z obserwacją rzeczywistego stanu sterowanego obiektu: schemat ogólny (a) oraz szczegółowy dla procesów w układzie sterowania napędem posuwu (b) Na rysunku 4.12 zaprezentowano w sposób szczegółowy jednowymiarowy przypadek kaskadowej regulacji położenia prędkość prąd układu typu MFC z rysunku 4.10b. G, G oznacza człon różniczkowania położenia, G, G to transmitancje regulatorów położenia, G, G to transmitan- McP McP cje regulatorów prędkości, G, G to transmitancje regulatorów momentu/prądu, odpowiednio McT McT w pętlach regulacji modelu i korekcyjnej. Analogicznie do (4.3) model dla układu MFC oraz MFC/IMC składa się z komponentu silnika W oraz modelu części konstrukcyjnej W. M ud MDS McV ud McV 90 S t r o n a

91 a) b) Rys Globalne podejście typu model-following z obserwacją nominalnego modelu wewnętrznego: regulatory składowe modelu i korekcyjny w strukturze kaskadowej z rys. 4.8a (a) oraz równoległej z rys. 4.8b (b) Na rysunku 4.13 w sposób szczegółowy układ z rysunku 4.11b. Analogicznie do rysunku 4.12, dla dwóch wariantów układu regulacji: z kaskadowym układem regulacji położenia prędkości prądu, oraz w strukturze równoległego zadawania położenia i prędkości. 91 S t r o n a

92 a) b) Rys Podejście globalne typu model-following z obserwacją rzeczywistego stanu sterowanego obiektu: regulatory składowe modelu i korekcyjny w strukturze kaskadowej z rys. 4.8a (a) oraz równoległej z rys. 4.8b (b) 92 S t r o n a

93 Podejście lokalne W przeciwieństwie do globalnego podejścia do implementacji filozofii model-following w napędach zespołu posuwowego podejście lokalne skupia się na implementacji na poziomie wybranych regulatorów składowych: położenia i/lub prędkości. a) b) Rys Podejście lokalne typu model-following z obserwacją wyjścia nominalnego modelu wewnętrznego w torze sterowania prąd prędkość w układzie kaskadowym (a) raz z rozdzielonymi regulatorami położenia i prędkości (b) regulator położenia klasyczny PID 93 S t r o n a

94 a) b) Rys Podejście lokalne typu model-following z obserwacją wyjścia sterowanego procesu w torze sterowania prąd prędkość w układzie kaskadowym (a) raz z rozdzielonymi regulatorami położenia i prędkości (b) regulator położenia klasyczny PID Na zakończenie przedstawiono warianty, w których rozdzielnie regulatory położenia i prędkości realizują podejście typu model-following, z obserwacją wyjścia nominalnego modelu (rysunek 4.16) oraz wyjścia rzeczywistego obiektu (rysunek 4.17). 94 S t r o n a

95 a) b) Rys Podejście lokalne typu model-following z obserwacją wyjścia nominalnego modelu wewnętrznego w torze sterowania prąd prędkość położenie w układzie kaskadowym (a) raz z rozdzielonymi regulatorami położenia i prędkości (b) regulator położenia typu MFC 95 S t r o n a

96 a) b) Rys Podejście lokalne typu model-following z obserwacją wyjścia sterowanego procesu w torze sterowania prąd prędkość położenie w układzie kaskadowym (a) raz z rozdzielonymi regulatorami położenia i prędkości (b) regulator położenia typu MFC/IMC 96 S t r o n a

97 4.4. Podsumowanie Podsumowując, cel Zadania, 2 jakim było dokonanie kompleksowej analizy teoretycznej w zakresie możliwości zastosowania wybranych algorytmów sterowania bazującego na modelach został osiągnięty. Współcześnie dostępnych jest wiele prac projektowych oraz artykułów naukowych związanych z zagadnieniami regulacji położenia, prędkości, czy też prądu w układach napędowych. Niewiele z nich jednakże porusza dotyka problematyki sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek. Do istotnych nowości w obszarze Zadania 2 zaliczyć należy: zaproponowanie bazujących na modelu algorytmów odpornej regulacji prędkości, zaproponowanie bazujących na modelu addytywnych korekt prądowych, przedstawienie wariantów dynamicznego układu OUPN uwzględniających wykorzystanie podejścia typu model-following dla poprawy jakości sterowania procesami zachodzącymi w napędach zespołów posuwowych. W niniejszym opracowaniu przedstawiono również, jak podejście z wykorzystaniem nominalnego modelu sterowanego obiektu może znaleźć zastosowanie do globalnej modyfikacji układu OUPN w zakresie sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek sterowanych numerycznie. 97 S t r o n a

98 98 S t r o n a

99 5. Zadanie 3. Opracowanie sprzętowo programowej architektury inteligentnego modułu wykonawczego sterującego napędami zespołów posuwowych Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Pietrusewicz K., Plewik D., Od symulacji do implementacji czy można krócej...? B&R Automation Studio Target dla Simulink automatyczne generowanie kodu PLC, Napędy i Sterowanie, Nr 3, 2009, s [134], F.3 raportu 2. Dworak P., Pietrusewicz K., Implementation of modern control algorithms in PLCs, Proceedings of 7th Conference Computer Methods and Systems: CMS '09, 2009, s [121], F.7 raportu 3. Urbański Ł., Majda P., Pietrusewicz K., Badania doświadczalne właściwości dynamicznych napędu posuwu obrabiarki CNC, Mechanik, Nr 3, 2010, s [164], F.9 raportu 4. Urbański Ł., Układ sterowania o otwartej architekturze cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, XII International PhD Workshop OWD 2010, Październik, 2010, s [163], F.10 raportu 5. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 6. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Balancing PLCs, PACs and IPCs. What controller fits your application?, Control Engineering, Vol. 58, No. 1, 2011, s [129], F.15 raportu 7. Pietrusewicz K., Automatic code generation as a key for innovative algorithms, automotion, Nr 7, 2011, s [105], F.17 raportu 8. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Control system software programming, Control Engineering, Vol. 59, No. 1, 2012, s [130], F.18 raportu 9. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 10. Pietrusewicz K., Waszczuk P., Monitor machine conditions, Control Engineering, Vol. 59, 2012, No. 6, s [131], F.20 raportu 11. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu 12. Pietrusewicz K., Zagadnienia prototypowania w cyfrowych serwonapędach napędów zespołów posuwowych obrabiarek CNC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 88, Nr 12a, 2012, s [116], F.23 raportu 13. Pietrusewicz K., Prototypowanie algorytmów sterowania cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, Innowacyjne materiały i technologie w elektrotechnice: VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna: i-mitel 2012: materiały konferencyjne Zielona Góra: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2012, s [114], F.24 raportu 14. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 15. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 99 S t r o n a

100 5.1. Implementacja algorytmów regulacji w przemysłowych systemach czasu rzeczywistego Norma IEC : Programming Languages porządkuje wszystkie informacje, zalecenia, zasady programowania sterowników PLC. Wymienione w niej i opisane szczegółowo języki programowania służą od wielu już lat inżynierom automatykom na całym świecie do budowy układów sterowania maszyn i rozmaitych urządzeń, z jakimi na co dzień spotykamy się w aplikacjach przemysłowych. Od prostego sterowania procesami dyskretnymi po złożone wielowymiarowe instalacje sterujące procesami produkcyjnymi. O umiejętnościach inżyniera-programisty PLC świadczyć może w pewien sposób (choć nie jest to warunek) liczba języków programowania PLC, jakimi posługuje się na co dzień. Każdy z języków obecnych w normie IEC ma swoje korzenie i może być stosowany do realizacji różnego rodzaju zadań sterowania. Złożone obliczenia znacznie łatwiej jest oprogramować z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu (jak ST, czy znany doskonale z komputerów osobistych ANSI C) aniżeli za pomocą bloków funkcyjnych czy języka schematów drabinkowych (FBD, LAD). Coraz większe znaczenie na rynku PLC zyskują języki dedykowane wybranych producentów. Stanowią one z reguły tekstowe odpowiedniki języka ST, jednakże zwykle dużo prostsze w składni, przez co wygodniejsze i wydajniejsze w użytkowaniu. Z wielu opracowań wynika, że wśród inżynierów-automatyków najpopularniejszym językiem jest właśnie LAD. Jest to dość oczywiste, gdyż wszystkie aktualnie dostępne na rynku modele PLC umożliwiają tworzenie aplikacji sterowania z jego pomocą. W niniejszym rozdziale zaprezentowano m.in. możliwości, jakie rysują się przed użytkownikami, jeżeli tylko zechcą sięgnąć po modele sterowników, pozwalające tworzyć aplikacje, funkcje, bloki funkcyjne z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu. O ile dla inżyniera automatyka programisty możliwość tworzenia aplikacji w języku ST czy ANSI C (coraz częściej obecnego w modelach PLC, nie zdefiniowanego jednakże w normie IEC ) może wydawać się mało interesująca, o tyle na etapie tworzenia nowych bloków funkcyjnych, realizujących implementacje rozmaitych (nawet bardzo złożonych) regulatorów, wydaje się być bezkonkurencyjna. Droga od pomysłu na algorytm sterowania do jego implementacji w urządzeniu sterującym czasu rzeczywistego nie jest krótka. Badania nad nowymi sposobami sterowania znacznie przyspieszają narzędzia (programy komputerowe) przeznaczone do prowadzenia badań symulacyjnych (w formie schematów blokowych). Dzięki nim możliwe jest: modelowanie obiektów regulacji w formie schematów blokowych, modelowanie regulatorów, testowanie nowych koncepcji poprzez symulację komputerową działania układu, rejestrację i późniejszą analizę uzyskanych podczas symulacji wyników. Z zagadnieniem badań nad nowymi algorytmami sterowania nierozerwalnie związane jest pojęcie ich szybkiego prototypowania sprawdzania w warunkach rzeczywistych. Wraz z rozwojem przemysłowych systemów sterowania na rynku zaczęły pojawiać się narzędzia, dzięki którym czas wdrożenia nowego algorytmu od momentu jego testowania w warunkach symulacyjnych znacznie uległ skróceniu, w porównaniu do stanu z lat poprzednich. Kryterium wyboru docelowej platformy sterowania bardzo często stanowi kompromis pomiędzy: elastycznością rozwiązania (poziomem funkcjonalności), 100 S t r o n a

101 nakładem docelowej produkcji, i wynikającym z tego, kosztem jednostkowym nowego urządzenia. Celem niniejszego rozdziału jest omówienie problematyki szybkiego prototypowania algorytmów regulacji automatycznej oraz przetwarzania sygnałów w systemach specjalizowanych oraz przemysłowych systemach sterowania czasu rzeczywistego Programowalne sterowniki automatyki PAC Craig Resnick, ARC Advisory Group: Industrial Controls Evolve to Programmable Automation Controllers ARC Insight, 20 listopada, 2002 Dostawcy systemów automatyki ciągle udoskonalają oferowane przez siebie sterowniki PLC, chcąc udostępnić użytkownikom funkcje, których ci ostatni oczekują. Dodatkowa funkcjonalność pozwala wyodrębnić nową klasę urządzeń. Programowalne Sterowniki Automatyki (PAC) oferują użytkownikom otwartość standardów przemysłowych, jednolitą platformę projektową i programistyczną oraz zaawansowane możliwości. ARC Advisory Group wprowadza nowe określenie (PAC) po to, aby ułatwić użytkownikom wyznaczenie granicy potrzeb budowanych przez nich aplikacji, a producentom-wytwórcom systemów automatyki umożliwić jasne określenie możliwości proponowanych przez nich produktów. Craig Resnick, ARC Advisory Group Obecnie na rynku dostępne są następujące rozwiązania przemysłowych systemów sterowania, których architektury sprzętowo programowe przedstawiono na rysunku 5.1: a) proste sterowniki programowalne (PLC), b) programowalne sterowniki automatyki (PAC), c) dwusystemowe komputery przemysłowe, d) rozwiązania, łączące technologię reprogramowalnych układów logicznych FPGA z procesorami implementowanymi programowo lub w realizacji sprzętowej. a) b) c) Rys Architektury przemysłowych systemów sterowania: PLC (a), PC (b), PC-RT (c) 101 S t r o n a

102 Programowalny sterownik automatyki PAC charakteryzuje się następującymi cechami, które odróżniają go od sterownika PLC: mnogość zastosowań: systemy logiczne, sterowanie napędami i procesami ciągłymi w ramach jednej platformy sprzętowej, wspólna globalna baza zmiennych o łatwym dostępie z poziomu każdego zadania w ramach platformy, jedno środowisko programistyczne do wszystkich zadań sterowania, otwarta modułowa architektura, dzięki której inżynier korzysta tylko z tych modułów, które potrzebuje, dostępność wielu standardów komunikacji (od asynchronicznych do deterministycznych) i wielu języków programowania (zgodnych z normą IEC a także tekstowych wysokiego poziomu ogólnego zastosowania, jak np. C/C++), Sterowniki PLC ewoluują i nawet ich producenci nie potrafią wybrać między akronimami PLC i PAC. Wybierają ten ostatni nawet, gdy ich produkty nie posiadają cech wymienionych powyżej głównie z powodów marketingowych. Około 2002 roku wiele modeli sterowników PLC przeszło zmiany, w efekcie czego: wprowadzono otwarte standardy sterowania, więcej środowisk programistycznych dla PLC jest zgodnych z normą IEC61131, producenci umożliwiają także programowanie w wysokopoziomowych językach spoza normy takich jak ANSI C, C++ a nawet C#, małe sterowniki wyposażone są w duże ilości pamięci (8GB i więcej), interfejsem do programowania PLC jest w głównej mierze Ethernet TCP/IP, architektura programowa PLC bazuje na deterministycznych wielozadaniowych systemach czasu rzeczywistego. Mnogość i podobieństwo wymienionych cech powoduje, że ciężko jest jednoznacznie stwierdzić, który sterownik jest urządzeniem PAC a który jedynie PLC. Najprostsza definicja mówi, że PAC jest urządzeniem łączącym elastyczność PC i funkcjonalność z odpornością PLC. Sterownik PAC to połączenie architektur sprzętowych i programowych jednostek PC i PLC w jednej odpornej na warunki przemysłowe obudowie Mechatroniczne podejście do projektowania układów sterowania Z pojęciem mechatronicznego projektowania systemów sterowania nierozerwalnie związane jest pojęcie modelu obiektu sterowania, dla którego projektowany jest sterownik. Modele układów dynamicznych od wielu lat służą projektantom systemów regulacji automatycznej zarówno do wyboru struktury jak i późniejszej syntezy prawa sterowania. Problematyka modelowania to zagadnienie niebanalne, wymagające doskonałej znajomości praw rządzących działaniem modelowanego procesu. Model jest zawsze pewnym uproszczeniem rzeczywistości konieczne jest zatem sprecyzowanie założeń, przyjętych podczas poszukiwania i wyznaczania modeli. Od wielu lat prowadzone są prace badawcze, w których modele służą poza określeniem zestawu parametrów koniecznych do nastrojenia regulatora jako element struktury układu regulacji. Regulatory tego typu nazywane są układami sterowania bazującymi na modelu (ang. model-based control). Szczególnym przypadkiem są tutaj układy regulacji typu model-following control. W przypadku układów mechanicznych, w tym układów korpusowych obrabiarek, jedną z metod modelowania jest metoda sztywnych elementów skończonych. 102 S t r o n a

103 Zespół badawczy Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Szczecińskiej rozwinął metodykę stosowania metody SES właśnie do modelowania układów korpusowych obrabiarek. Metoda SES /ang. rigid finite elements (RFE)/ w literaturze angielskojęzycznej znana jest jako multibody modeling. Metoda SES (sztywnych elementów skończonych) choć daje znacznie bardziej uproszczone modele układów wielomasowych aniżeli metoda elementów skończonych (MES), to jest o wiele prostsza w zastosowaniu. Jak każdy model uproszczony, tak i model SES stanowi efektywne narzędzie obliczeniowe. Wymaga jednak zastosowania wielu założeń upraszczających, które mają wpływ na dokładność odwzorowania zachowania rzeczywistego modelowanego obiektu. W raportowanym projekcie jednym z podejść było zastosowanie do analiz modeli uzyskanych na drodze eksperymentu praktycznego. Choć są one dużym uproszczeniem, uzyskane wyniki potwierdzają konieczność poszukiwania modeli adekwatnych do przepływu informacji pomiędzy obiektem sterowanym a zastosowanym systemem sterowania, nie zaś modeli wiernie odwzorowujących zachodzące w procesie zjawiska. Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania Zagadnienie szybkiego prototypowania algorytmów sterowania nierozerwalnie powiązane jest z podejściem mechatronicznym do projektowania maszyn i urządzeń. Prototypowanie algorytmów sterowania i przetwarzania sygnałów odbywać się może na dwa sposoby: a) klasycznie z użyciem specjalizowanego oprzyrządowania, jak np. kart szybkiego prototypowania (m.in. rodzina dspace DS1104), b) na sprzęcie docelowym z użyciem np. komputerów przemysłowych z systemami sterowania czasu rzeczywistego. Porównanie tych dwóch podejść przedstawiono na rysunku 5.2. a) b) Rys Podejścia do prototypowania algorytmów przetwarzania sygnałów. Podejście naukowe (a) oraz on-target prototyping (b) Rozwiązanie klasyczne, z użyciem specjalizowanych kart komputerowych z procesorami sygnałowymi oraz coraz częściej reprogramowalnymi układami logicznymi FPGA posiada istotną wadę 103 S t r o n a

104 z punktu widzenia docelowej implementacji pod względem architektury sprzętowej różni się od finalnego sterownika. Kompilacja finalnego kodu sterowania nie jest zatem ostatnim etapem opracowania docelowego rozwiązania sterownika. Rozwiązanie polegające na prototypowaniu w sprzęcie docelowym pozwala testować i modyfikować na bieżąco opracowywane algorytmy w finalnej wersji sterownika. Współcześnie zauważalne są dwa główne trendy w tym obszarze wiedzy: c) prototypowanie sterowników w układach FPGA [104], d) automatyczne generowanie kodu programu przemysłowych systemów sterowania zgodnych, co do funkcjonalności sprzętu i oprogramowania z normą IEC [105, 121, 129, 130, 134]. Rys Procedury szybkiego prototypowania w docelowych systemach przemysłowych Na rysunku 5.3 podsumowano główne kroki procedury szybkiego prototypowania w docelowych systemach przemysłowych: a) Software-in-the-loop-simulation (symulacja komputerowa). Pierwszym etapem projektowania mechatronicznego (w tym szybkiego prototypowania) jest prowadzenie weryfikacyjnych badań symulacyjnych z użyciem opracowanych modeli. Modele można opracowywać na bazie wyprowadzeń analitycznych bądź na podstawie wyników prowadzonych eksperymentów identyfikacyjnych. Oprogramowanie do badań symulacyjnych zainstalowane jest zwykle na komputerze projektanta, zależy to jednak od stopnia skomplikowania modelu. Może się bowiem zdarzyć, iż model będzie na tyle złożony, iż jego identyfikacja/symulacja w warunkach zbliżonych do czasu rzeczywistego (konieczne z uwagi na kolejny krok) będzie wymagać znacznych mocy oblicze- 104 S t r o n a

105 niowych (wydajności procesora, ilością pamięci RAM komputera). Obecnie na rynku dostępnych jest wiele narzędzi (programów komputerowych), służących do prowadzenia badań symulacyjnych, jednakże aby takie oprogramowanie mogło stanowić efektywny element procedur szybkiego prototypowania, musi umożliwiać generowanie kodu programu/modelu symulacyjnego do postaci zrozumiałej dla kompilatorów systemów docelowych (sterowników, układów FPGA, systemów wbudowanych); b) Virtual Prototyping (wirtualne prototypowanie). Jest to etap projektowania (prototypowania) nowego algorytmu sterowania lub przetwarzania sygnałów, w którym na komputerze projektanta symulowany jest model procesu (obiektu sterowania), zaś w docelowym systemie (sterowniku) uruchomiony jest zaprojektowany algorytm. Zadania sterowania, na nim uruchomione (w trybie czasu rzeczywistego) komunikują się z określonym czasem próbkowania z symulowanym procesem. Dogodną dla tego celu technologią informatyczną jest komunikacja z użyciem OPC DA (OLE for Process Control w specyfikacji Data Access). Możliwe scenariusze komunikacji przedstawiono na rysunku 5.4. W przypadku konfiguracji z rysunku 5.4a model obiektu symulowany w oprogramowaniu komunikuje się (za pomocą funkcji klienta OPC DA) z serwerem OPC DA, uruchomionym na tym samym komputerze. Z kolei konfiguracja serwera zawiera wszystkie informacje (adres IP sterownika, nazwę procesora, nazwę zadania sterowania, nazwę i typ zmiennych, jak również czas cyklu dostępu oraz sposób tylko odczyt czy odczyt/zapis), konieczne do cyklicznej wymiany danych z algorytmem sterowania, uruchomionym w docelowym systemie sterowania. Ważne jest, iż konfiguracja ta umożliwia komunikację również z dowolnymi zadaniami sterowania oprogramowanymi również z użyciem jednego z języków normy IEC Konfiguracja z rysunku 5.4b jest możliwa do realizacji współcześnie w wąskiej (najbardziej zaawansowanej technologicznie) grupie produktów sterowań przemysłowych. Główną zaletą tego rozwiązania jest brak konieczności instalowania oprogramowania serwera OPC DA na komputerze projektanta systemu sterowania, albowiem stanowi on funkcjonalność systemu operacyjnego danego sterownika. Konfiguracja zmiennych, sposobu i czasu dostępu do zmiennych odbywa się w narzędziu opracowania aplikacji systemu sterowania tej samej, w której oprogramowuje się typowe zadania, tzn. niewymagające korzystania z narzędzi szybkiego prototypowania; c) Hardware-in-the-loop-simulation (symulacja modelu obiektu wraz z zaprojektowanym sterownikiem w docelowym sterowniku). Jest to niezmiernie ważny etap procedury opracowania nowych rozwiązań algorytmów sterowania i przetwarzania sygnałów. Polega na tym, że uprzednio symulowane rozwiązanie (model wraz z algorytmem sterowania) umieszczane jest w jądrze systemu operacyjnego docelowego systemu sterowania, jako dwa osobne zadania sterowania: emulacji zachowania zamodelowanego obiektu oraz zadania sterowania. Etap ten jest o tyle istotny, że pozwala bez niebezpieczeństwa uszkodzenia elementów wykonawczych i(lub) czujników w obiekcie przetestować zachowanie całego systemu w sprzęcie docelowym. Dzięki temu w prosty sposób można testować wszystkie, nawet te najbardziej nieprawdopodobne scenariusze uszkodzeń, awarii, strategii sterowania. Testowanie w trybie HIL jest obecnie bardzo popularnym podejściem w procedurach mechatronicznego projektowania; d) Rapid Prototyping (szybkie prototypowanie). Stanowi ostatni etap wdrożenia nowo opracowanego algorytmu w przypadku rozwiązania z docelowym systemem sterowania. Kod algorytmu sterowania jest kompilowany, następnie umieszczany w ramach funkcji systemu operacyjnego sterownika 105 S t r o n a

106 (jako moduł programy zadanie sterowania), zaś sam sterownik podłączony do obiektu sterowania po jednokrotnym restarcie rozpoczyna sterowanie nim. Komputer projektanta w tym trybie pracy może służyć np. jako system monitorowania/akwizycji danych w początkowym etapie działania systemu. Później jest już odłączany i sterownik funkcjonuje samodzielnie. a) b) Rys Wirtualne prototypowanie z użyciem docelowego systemu sterowania: (a) serwer OPC DA zainstalowany na komputerze projektanta; (b) serwer OPC DA jako jedna z funkcji systemu operacyjnego sterownika W ostatnim czasie pojawiło się wiele nowych narzędzi do komputerowej symulacji układów dynamicznych, w tym mechatronicznych. Część z nich oferuje funkcjonalność automatycznego generowania kodu. W kolejnym podpunkcie krótko scharakteryzowano najciekawsze z nich, oferujące użytkownikowi największe możliwości w zakresie rozwoju nowych rozwiązań systemów sterowania z obszaru niniejszej pracy. Część z tych narzędzi została użyta m.in. podczas prac nad opisanym tutaj otwartym systemem sterowania obrabiarką, w tym głównie dla celów implementacji interfejsów funkcji diagnostycznych Badania symulacyjne układów mechatronicznych Współcześnie coraz więcej uwagi przywiązuje się do prowadzenia badań symulacyjnych projektowanych układów dynamicznych. Modelowanie układów dynamicznych z użyciem schematów blokowych oprogramowania Matlab/Simulink charakteryzuje się następującymi własnościami: układy dynamiczne opis z użyciem równań różniczkowych, schemat blokowy jako intuicyjny sposób modelowania rzeczywistości, duża liczba funkcji bibliotecznych, ułatwiających pracę, w tym również z urządzeniami automatyki, jak np. OPC Toolbox for Matlab, 106 S t r o n a

107 olbrzymie wsparcie dla opracowywania nowych koncepcji sterowania automatycznego: Fuzzylogic, Neural networks, Model Predictive Control, Stateflow, Control Design, własny, wewnętrzny język programowania (Embedded Matlab), prezentacja wyników działania w formie grafiki 2D/3D, modelowanie obiektów 3D z użyciem języka VRML, możliwość pobierania/wysyłania z/do rozmaitych urządzeń akwizycji danych, możliwość generowania kodu programu dla urządzeń wbudowanych. Od wielu już lat oprogramowanie Matlab firmy Mathworks dostarcza potężnych narzędzi służących do rozwiązywania złożonych problemów technicznych, matematycznych, czy ekonomicznych. Przez lata swojej obecności na rynku zastosowane zostało w wielu gałęziach przemysłu. Matlab jest zarówno środowiskiem obliczeniowym jak i swego rodzaju językiem programowania. Największą zaletą Matlaba jest jego właściwość, jaką jest praca z dużymi macierzami. Funkcjonalność Matlaba może być rozszerzona z pomocą różnego rodzaju dodatkowych bibliotek i przyborników (z ang. toolboxes), czy pakietów, jak np. Simulink. Pakiet programowy Simulink służy do tworzenia w sposób graficzny (z użyciem schematów blokowych) modeli symulacyjnych opisujących złożone procesy technologiczne, spotykane w warunkach przemysłowych. Coraz większy udział w rynku mają jednakże programy wspierające prace zespołów interdyscyplinarnych mechatronicznych. Z pomocą przychodzi podejście modelowania tzw. wielodomenowego gdzie w ramach jednego modelu symulacyjnego można połączyć elementy konstrukcji z komponentami elektrycznymi, hydraulicznymi, pneumatycznymi oraz komponentami systemów sterowania. Do najbardziej znanych programów z tej grupy należy zaliczyć oprogramowanie LMC.AmeSim. Rys Przykład modelu opracowanego w oprogramowaniu LMS.Amesim Specjalistyczne zagadnienia związane z działaniem układów napędowych są domeną oprogramowani takich jak PLECS czy VisSim Motion. Do tego zacnego grona od kilku dobrych lat włącza się przybornik SimScape dla Matlab/Simulink wraz z dodatkiem specjalistycznym dla projektowania układów energoelektronicznych SimPowerSystems. Oprogramowanie Dymola jest nakładką popularnego języka Modelica. 107 S t r o n a

108 Rys Model układu napędowego VisSim Motion Rys Przykład modelu w oprogramowaniu Simulink SimPowerSystems Rys Przykładowy model Dymola Modelowanie układów wielomasowych może być z powodzeniem realizowane w bardzo dobrym pod względem funkcjonalnym przyborniku Matlab/Simulink SimMechanics. Dzięki temu narzędziu 108 S t r o n a

109 możliwa jest m.in. 3-wymiarowa wizualizacja obiektu na podstawie rysunków złożeń tworzonych w narzędziach grupy CAD/CAM. Rys Przykładowy model SimMechanics Ciekawostką na rynku są zdecydowanie programy, za które użytkownicy nie muszą nic płacić Do najbardziej zaawansowanych zaliczyć należy oprogramowanie HOPSAN, autorstwa zespołu programistów z Linkoping, Szwecja. Oprogramowanie to umożliwia m.in. generowanie bloków dynamicznych w formie S-funkcji, których następnie można używać w środowisku Matlab/Simulink. Więcej informacji na temat oprogramowania HOPSAN znaleźć można na stronach internetowych Rys Przykładowy model elektrohydrauliczny w oprogramowaniu HOPSAN W ramach raportowanego projektu przetestowano kilka różnych możliwości prowadzenia badań symulacyjnych, jednakże z uwagi na popularność oraz elastyczność opracowywanych algorytmów do realizacji zadań projektu wytypowano i zakupiono odpowiednią licencję oprogramowania Matlab/Simulink firmy MathWorks. 109 S t r o n a

110 Dobór narzędzi programowych do realizacji zadania implementacji nowych algorytmów Pakiet Matlab/Simulink wraz z zestawem niezbędnych przyborników (dodatków) stosowanych dla celów szybkiego prototypowania, zakupiony następnie w ramach Zadania 5 projektu przedstawiono poniżej. Wybrano narzędzia: o podstawowej funkcjonalności: Simulink, Simulink Control Design, Simulink 3D Animation, o funkcjonalności, umożliwiającej komunikację ze sprzętem kontrolno-pomiarowym: Data Acquisition Toolbox, Instrument Control Toolbox, OPC Toolbox, o funkcjonalności, związanej z przetwarzaniem sygnałów: Filter Design Toolbox, Signal Processing Blockset, Signal Processing Toolbox, o funkcjonalności, związanej z identyfikacją, optymalizacją oraz projektowaniem układów regulacji, w tym również z użyciem metod sztucznej inteligencji: System Identification Toolbox, Optimization Toolbox, Control System Design Toolbox, Stateflow, Fuzzy Logic Toolbox, Model Predictive Control Toolbox, Neural Network Toolbox, Robust Control Toolbox, dla celów fizycznego modelowania układów: Simscape, SimDriveline, SimElectronics, SimPowerSystems, SimMechanics, SimMechanics Link for SolidWorks, dla celów szybkiego prototypowania z poziomu oprogramowania Matlab/Simulink do różnych platform docelowych, na których można wykonywać kod algorytmu sterującego: Real-Time Workshop, Real-Time Workshop Embedded Coder, Stateflow Coder. Uzupełnieniem są dodatkowe przyborniki, jak np. Multi-Parametric Toolbox for Matlab, Piecewise Affine Auto-approximation, dzięki któremu możliwe jest projektowanie optymalnych regulatorów predykcyjnych dla przedziałami afinicznych modeli nieliniowych obiektów z ograniczeniami (m.in. osi posuwu obrabiarki). Podczas projektu wykorzystywany jest również przybornik Automation Studio Target for Simulink firmy Bernecker&Rainer dla celów automatycznego generowania kodu urządzeń przemysłowych czasu rzeczywistego. Jest to narzędzie, szczególnie przydatne do realizacji badań, głównie na etapie opracowania algorytmów (m.in. do prowadzenia badań typu Hardware-in-the-Loop Simulation). Dodatkowo, podczas wybranych badań i obliczeń stosowano posiadane przez zespół narzędzia programowe: VisSim Motion, PLECSim, LMS.AmeSim (badania symulacyjne) oraz Maple 13, MathCAD Prime 2.0 (narzędzia de realizacji złożonych obliczeń symbolicznych i numerycznych). MATLAB Jest to oprogramowanie służące inżynierom na całym świecie (również coraz częściej w ośrodkach badawczo-rozwojowych największych Firm świata). Środowisko MATLAB jest bazą, służącą do uruchamiania rozmaitych dodatków tematycznych. Simulink Jest to oprogramowanie bazowe, służące do graficznego modelowania, projektowania i testowania zaprogramowanych zadań MATLAB. Modele Simulink budowane mogą być zarówno z zastosowaniem komponentów prostych (podstawowych), jak i specjalistycznych, zebranych tematycznie w grupy w ramach odpowiednio opracowanych dodatków (przyborników). 110 S t r o n a

111 Data Acquisition Toolbox, Instrument Control Toolbox, OPC Toolbox Narzędzia z tej grupy służą do obsługi rozmaitych urządzeń kotrolno-pomiarowych, w tym dedykowanych kart wejść/wyjść procesowych, oscyloskopów, multimetrów cyfrowych. OPC Toolbox z kolei może służyć do opracowania pełnej wizualizacji procesów przemysłowych za pomocą oprogramowania Matlab/Simulink. W raportowanym projekcie OPC Toolbox for Matlab posłużył jako interfejs komunikacyjny pomiędzy nadrzędnym systemem sterowania CNC a wizualizacją sterowanego procesu przygotowaną z zastosowaniem środowiska 3D Animation Toolbox for Matlab (zostały tutaj przygotowane, z zastosowaniem języka VRML modele 3D korpusów obrabiarek). DSP System Toolbox, Signal Processing Toolbox Dzięki wykorzystaniu tej grupy narzędzi możliwe jest projektowanie filtrów, przetwarzanie czasowe i częstotliwościowe sygnałów pomiarowych. Narzędzia te dostarczają zgodnych z przemysłowymi standardami rozwiązań w zakresie algorytmów analogowego i cyfrowego przetwarzania sygnałów. Mogą mieć również zastosowanie dla celów wizualizacji sygnałów pomiarowych przed i po przetwarzaniu, zarówno w dziedzinie czasu jak i częstotliwości. SysId Tlbx, Opt Tlbx, Contr.Sys Tlbx, Stateflow, FL Tlbx, MPC Tlbx, NN Tlbx, RC Tlbx Dzięki System Identification Toolbox możliwa jest identyfikacja wybranych rodzajów modeli dynamicznych (ARX, ARMAX, Box-Jenkins, AR, state-space) na podstawie zarejestrowanych w obiektach rzeczywistych sygnałów. Przybornik ten umożliwia również poszukiwanie modeli dynamicznych o ustalonej znanej strukturze. Optimization Toolbox służy do poszukiwania optymalnych rozwiązań problemów ciągłych i dyskretnych, z ograniczeniami i bez ograniczeń. Narzędzie to obejmuje funkcje programowania liniowego oraz kwadratowego. Control System Toolbox to przybornik służący do obliczeń, związanych z teorią sterowania, takich jak np. projektowanie regulatorów PID, LQG, wykreślanie typowych charakterystyk częstotliwościowych układów i systemów dynamicznych. Stateflow jest to narzędzie, które z zastosowaniem interaktywnego graficznego interfejsu użytkownika pozwala na modelowanie i symulowanie układów sterowania bazujących na zdarzeniach (w tym układów z przełączaniem). Narzędzie Stateflow dostarcza elementów języka dla modelowania złożonych zależności logicznych. Funkcje tworzy się w formie diagramu stanów (nawet wielowarstwowego). W połączeniu z narzędziem Stateflow Coder pozwala na generowanie w formie funkcji języka C bloków algorytmów przemysłowych układów sterowania. Simulink Control Design Toolbox Przybornik ten wspiera prace nad nowymi algorytmami regulacji z poziomu modeli Matlab/Simulink. Umożliwia między innymi automatyczny dobór nastaw regulatorów PID dla modelowanych układów dynamicznych. MATLAB Coder, Embedded Coder, Simulink Coder Są to narzędzia dla celów generowania samodzielnie wykonywanego kodu, w językach C i C++, między innymi na podstawie modeli Matlab/Simulink. Narzędzia te są wyjątkowo przydatne podczas 111 S t r o n a

112 tworzenia wielowątkowych aplikacji działających w systemach czasu rzeczywistego. Innym zastosowaniem tych narzędzi może być kompilacja kodu modeli Simulink (tryb Accelerator), dzięki czemu czas obliczeń może być istotnie skrócony. Simscape, SimElectronics, SimDriveline, SimPowerSystems, SimMechanics/SimMechanicsLink Jest to grupa narzędzi wspierająca tzw. modelowanie fizyczne, bądź wielodomenowe. Język Simscape jest odpowiednikiem języka Modelica opisu układów fizycznych: elektrycznych, mechanicznych, hydraulicznych, pneumatycznych. Automation Studio Target for Simulink dla sterowników B&R Specjalistyczny przybornik Firmy Bernecker&Rainer, wspierający funkcjonalność generowania bloków Matlab/Simulink do postaci kodu C i C++, wykonywanego następnie w docelowej platformie czasu rzeczywistego dowolnym modelu sterownika programowalnego tejże Firmy. Na dzień dzisiejszy jest to narzędzie najbardziej zaawansowane pod względem oferowanych funkcjonalności. Kierownik raportowanego projektu we współpracy z Firmą jest testerem tego rozwiązania od roku Simulink PLC Coder Stosunkowo nowe na rynku narzędzie, autorstwa Firmy Mathworks. Dzięki swojej funkcjonalności umożliwia generowanie kodu systemów dynamicznych do postaci bloków funkcyjnych zgodnych z normą IEC (implementacja z zastosowaniem języka Structured Text opisanego w tejże normie) Dobór narzędzi sprzętowo-programowych do programowania i konfiguracji sprzętu, wybranego do realizacji projektu w ramach Zadania 3 Podczas prac nad tym zadaniem dokonano gruntownej analizy aktualnego stanu rozwoju technologicznego w zakresie implementacji systemów cyfrowego sterowania ruchem, w zakresie: elastyczności implementacji algorytmów sterowania, szybkości działania i komunikacji pomiędzy elementami systemów, pojemności rozwiązania z punktu widzenia ilości możliwych do realizacji obliczeń, czy wreszcie takich elementów jak precyzja pomiaru położenia, czy częstotliwość impulsowania modułów energoelektronicznych, sterujących bezpośrednio silnikami napędów posuwu. Analiza ta skłoniła wykonawców do podjęcia zadania praktycznego porównania wybranych aspektów dostępnych na rynku rozwiązań. W ramach realizacji Zadania 3 wyselekcjonowano i częściowo zakupiono elementy platformy sprzętowej, na której realizowane będą kolejne etapy projektu badawczego. Najbardziej popularne współcześnie naukowe narzędzie szybkiego prototypowania, jakim jest platforma dspace DS1104 to jedno z testowanych w ramach projektu rozwiązań. W ramach Zadania 3 dokonano m.in. zakupu płyty uruchomieniowej DE2-70 firmy Terasic z układami FPGA firmy Altera, oraz dodatkowymi modułami wejść/wyjść sygnałowych dla celów sprzętowej obróbki sygnałów. Jednakże w drodze analiz okazało się, że nakład pracy jakiego wymaga wykorzystanie tego narzędzia do realizacji zadań projektu jest zbyt duży. Programowanie jej jest zbyt niskopoziomowe, aby zapewnić czytelność proponowanych w projekcie rozwiązań. Obiecującym rozwiązaniem była zakupiona platforma prototypowania Falcon Eye FPGA. Producent i dystrybutor sprzętu w Polsce zapomniał jednakże dodać, iż oferowane rozwiązanie na tym etapie rozwoju umożliwia jedynie sterowanie z poziomu programu wgranego bezpośrednio do procesora głównego, a pierwotnie deklarowana otwartość na poziomie komuni- 112 S t r o n a

113 kacji z zastosowaniem Ethernetu przemysłowego czasu rzeczywistego planowana jest do udostępnienia użytkownikom jedynie po zakupieniu specjalistycznych dodatków programowych. Pokazuje to jednocześnie niski poziom wsparcia technicznego polskich firm dystrybutorów rozwiązań z zakresu prototypowania rozwiązań z obszaru algorytmów sterowania napędami elektrycznymi. Ostatecznie w ramach Zadania 3 zdecydowano, iż prace badawcze raportowanego projektu zostaną przeprowadzone dwutorowo: we własnym zaprojektowanym i zbudowanym prototypowym układzie energoelektronicznym o otwartym interfejsie programistycznym (opracowanym w środowisku Matlab/Simulink) oraz w drugiej opcji z zastosowaniem dostępnego na rynku rozwiązania przemysłowego czasu rzeczywistego, zapewniającego otwartość na poziomie implementacji algorytmów regulacji położenia i prędkości, determinizm komunikacji z jednostką serwonapędową umożliwiając użytkownikowi za pośrednictwem cyklicznej komunikacji w sieci deterministycznego Ethernetu (w tym przypadku siecią tą był Ethernet Powerlink). Platforma szybkiego prototypowania dspace DS1104 Jest to współcześnie najpopularniejsze rozwiązanie w zakresie prototypowania algorytmów regulacji we współpracy z oprogramowaniem Matlab/Simulink [81, 98, 139, 140, 156, 159]. W ramach Zadania 6 zbudowano prototypowe stanowisko badawcze, które w jednej z opcji oparte zostało właśnie o tą kartę. Choć rozwiązanie technologiczne procesora głównego sięga roku 1997, jednakże swoboda, z jaką użytkownik może przenosić swoje pomysły do prostych aplikacji sterowania jest dość duża. Doświadczenie raportowanego projektu doprowadziło jednakże do wniosku, iż platforma ta jest zbyt mało wydajna dla aplikacji napędowych o czasach cyklu regulacji poniżej 100 mikrosekund. Platforma czasu rzeczywistego wraz z oprogramowaniem Automation Studio Współczesne rozwiązania przemysłowych systemów sterowania, programowanych zgodnie z normami przemysłowymi zmierzają w kierunku zapewnienia użytkownikom coraz większej swobody w zakresie wykorzystania ich sprzętu i oprogramowania. Jeszcze 10 lat temu, jak wynika z rysunku 5.11 sterowniki programowalne PLC nie stanowiły zbytnio wyszukanych rozwiązań dla wymagających aplikacji, a do takich z pewnością należy synchroniczne sterowanie wieloosiowymi układami napędowymi, jak w przypadku zespołów posuwowych obrabiarek CNC. Rys Porównanie aspektów wykorzystania sprzętu dla celów sterowania w przemyśle w roku 2001 Dynamiczny rozwój przemysłowych systemów sterowania sprawił, że w roku 2011 równowaga pomiędzy sterownikami programowalnymi a komputerami osobistymi, czy sterownikami PAC zaciera się 113 S t r o n a

114 w sposób znaczący, jak pokazano na rysunku Wiele ze współczesnych sterowników programowalnych posiada zdecydowanie większą funkcjonalność niż komputery przemysłowe mogły udostępnić użytkownikom 10 lat temu. Implementacja cyfrowego sterowania napędami elektrycznymi, również w aplikacjach o wielu osiach ruchu nie jest współcześnie niczym nadzwyczajnym, zaś to, co wyróżnia producentów między sobą to przyjazność użytkownikowi oprogramowania inżynierskiego do przygotowywania, dokumentowania a następnie kompilacji i weryfikacji działania w docelowym systemie sterowania. Więcej na ten temat napisano w kolejnym podrozdziale niniejszego raportu. Rys Porównanie aspektów wykorzystania sprzętu dla celów sterowania w przemyśle w roku 2011 Z całą pewnością zupełnie nową grupę rozwiązań stanowią rozwiązania, które w swojej architekturze funkcjonalnej łączą wysokowydajne procesory dla celów implementacji funkcji sterujących z obliczeniami realizowanymi sprzętowo za pomocą modułów programowalnych bramek logicznych FPGA. Liderem na rynku tego typu rozwiązań jest firma National Instruments. W ramach realizacji raportowanego projektu przetestowano konfigurację, w której sterownik klasy crio z wbudowanymi układami logicznymi dokonywał zewnętrznie w stosunku do głównego sterownika napędu (bazującego na platformie dspace) przetwarzania informacji ze specjalistycznych modułów pomiarowych. a) b) Rys Sprzętowe wsparcie układów kontrolno-pomiarowych. Rozwiązanie klasyczne (a) oraz hybrydowe, z zastosowaniem technologii FPGA (b) dla dodatkowego przetwarzania sygnałów kontrolno-pomiarowych W kolejnym podrozdziale przedstawiono dwa podejścia do implementacji algorytmów sterowania w przemysłowych systemach sterowania czasu rzeczywistego. 114 S t r o n a

115 Automatyczne generowanie kodu w przemysłowych systemach sterowania Współcześnie, ilość narzędzi programistycznych, kompatybilnych z językami programowania określonymi w normie IEC nieustannie rośnie. Do najpopularniejszych zalicza się oprogramowanie CodeSys Firmy 3S Solutions, jednakże producenci jak Beckhoff (oprogramowanie TwinCAT), Bernecker&Rainer (oprogramowanie Automation Studio), czy Siemens (oprogramowanie TIA Portal). Norma IEC definiuje następujące języki programowania sterowników PLC: język listy instrukcji IL (ang. Instruction List), język schematów drabinkowych LAD (ang. LAdder Diagram), język schematów funkcjonalnych SFC (ang. Sequential Function Chart), język bloków funkcyjnych FBD (ang. Function Block Diagram), język tekstu ustrukturyzowanego ST (ang. Structured Text). Użytkownicy mogą tworzyć aplikacje nie tylko w języku drabinkowym, ale zwykle, w co najmniej trzech innych językach, w tym w języku tekstu ustrukturyzowanego (ang. Structured Text), dzięki któremu możliwa jest stosunkowo prosta implementacja nawet bardzo złożonych numerycznie obliczeń. Nowe narzędzia programistyczne przemysłowych systemów sterowania posiadają (w wybranych przypadkach) nową funkcjonalność, jaką jest automatyczne generowanie kodu dla sterowników. Dzięki niej użytkownicy zaznajomieni z oprogramowaniem Matlab/Simulink firmy MathWorks mogą łatwo realizować ideę szybkiego prototypowania. Badanie i rozwój nowych strategii sterowania jest przyczynkiem powstawania nowych produktów. Skrócenie czasu wdrożenia nowego produktu jest powodem stosowania mechatronicznego podejścia do projektowania, znanego również, jako projektowania w oparciu o modele (z ang. model-based control). Wady i zalety implementacji algorytmów regulacji z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu w porównaniu do zastosowania narzędzi służących do automatycznego generowania kodu programu sterującego opisywano szeroko w pracach [14, 41, 106, 125, 126, 134], zaś w sposób graficzny przedstawiono na rysunku Rys Porównanie funkcji automatycznego generowania kodu oraz tekstowej implementacji algorytmów regulacji i przetwarzania sygnałów 115 S t r o n a

116 W przypadku tekstowej implementacji funkcji sterujących z użyciem języka ST najistotniejszą zaletą jest pełna przenaszalność kodu programu pomiędzy modelami sterowników, których narzędzia opracowania aplikacji sterowania zgodne są z zaleceniami normy IEC Niestety bardzo złożone kody algorytmów mogą nastręczać coraz większych trudności implementacyjnych wraz ze wzrostem skomplikowania algorytmu. Taki długi kod trudno będzie śledzić podczas działania systemu sterowania. Stąd bardzo dobrym podejściem programistycznym jest zamykanie większych partii kodu w formie bibliotek i bloków funkcyjnych. Z kolei najważniejszą z zalet funkcjonalności automatycznego generowania kodu programu PLC jest blokowa, naturalna dla większości inżynierów, reprezentacja opisywanych modelami algorytmów. Pozwala to na kontrolę nawet bardzo złożonych układów sterowania i przetwarzania sygnałów. Blokowa reprezentacja algorytmu oznacza również graficzny sposób programowania systemu sterowania, co znacząco wpływa na eliminację błędów opracowywanego kodu. Najistotniejszą wadą funkcjonalności automatycznego generowania kodu jest, z punktu widzenia popularności w zastosowaniach przemysłowych horrendalna wręcz cena oprogramowania, jakie należy zgromadzić na pojedynczym komputerze, aby efektywnie z tych narzędzi korzystać. Z tego między innymi powodu funkcjonalność tej grupy narzędzi jak na razie rozwijają najistotniejsze na rynku automatyki firmy. W przypadku projektów innowacyjnych o wysokim poziomie zaawansowania technologicznego rozwiązania z tej grupy narzędzi do szybkiego prototypowania stanowią rozwiązanie niezastąpione. Funkcjonalność szybkiego prototypowania docelowych systemów sterowania została potwierdzona w ramach raportowanego tutaj projektu. Dostępne obecnie na rynku narzędzia do automatycznego generowania kodu wraz z listą modeli wspieranych sterowników zostały przedstawione na kolejnym rysunku. Rys Narzędzia do automatycznego generowania kodu programu w przemysłowych systemach sterowania 116 S t r o n a

117 5.2. Warianty przepływu pracy nad nowymi algorytmami regulacji Zagadnienie szybkiego prototypowania oraz automatycznego generowania kodu sterującego jest współcześnie jedną z najprężniej rozwijających się dziedzin, tak nauki jak i techniki. Nikogo nie dziwi już stwierdzenie algorithm/solution must have a short time to market Czy to slogan? Czy współczesność świata nauki oraz innowacyjnego przemysłu? Czy może obu tych światów? W podsumowaniu raportowanego zadania przedstawiono współcześnie możliwe do implementacji warianty przepływu pracy nad innowacyjnymi algorytmami, zarówno z obszaru podnoszenia odporności sterowania napędami zespołów posuwowych jak i dowolnych produktów mechatronicznych, w których sterowania cyfrowe z użyciem platform sterujących czasu rzeczywistego rzadko kiedy opiera się na rozwiązaniach typu dspace. Rozwój współczesnych technologii komputerowych w sterowaniu złożonymi układami mechatroniki może doprowadzić inżynierów do bólu głowy. Poniżej przedstawiono kilka możliwych ścieżek prototypowania cyfrowych układów sterowania oraz ich późniejszej implementacji w docelowych urządzeniach sterujących czasu rzeczywistego: Do każdego z inżynierów należy wybór odpowiedniego dla jego aplikacji rozwiązania. Niepodważalny jednak pozostaje fakt, iż producenci systemów automatyki dążą do interoperacyjności swoich rozwiązań, ułatwiając tym samym testowanie w warunkach eksperymentu praktycznego innowacyjnych rozwiązań w zakresie algorytmów przetwarzania sygnałów, sterowania i nadzoru. Na rysunku 5.16 zaprezentowano współcześnie możliwy do implementacji, najbardziej rozbudowany schemat przepływów pracy w innowacyjnym zespole, wdrażającym wyniki prac badawczych do praktyki przemysłowej, z zastosowaniem odpowiednich do tego celu narzędzi. Rys Pełny diagram możliwości przepływu pracy nad innowacyjnymi algorytmami sterowania 117 S t r o n a

118 Narzędzie 1 MetaEdit+ Workbench jest narzędziem do tworzenia metamodeli funkcjonalnych złożonych systemów, w tym systemów sterowania. Na etapie realizacji raportowanego projektu zespół badawczy nie miał wiedzy ani dostępu do tego oprogramowania jego użycie w przyszłości jest jednym z wniosków z raportowanego projektu. Narzędzie 2 oprogramowanie Matlab/Simulink było bardzo intensywnie wykorzystywane w ramach projektu, zarówno do badań symulacyjnych obiektów dynamicznych, jak i modelowania komponentów systemu sterowania. Do narzędzi automatycznego generowania kodu, z jakich można korzystać należały: biblioteka RTlib dla karty szybkiego prototypowania, przybornik Automation Studio Target for Simulink, zaś już po zakończeniu prac badawczych jednym z wniosków było, iż testowane w ramach projektu oprogramowanie Simulink PLC Coder może stanowić znakomity sposób na przyspieszenie prac nad wdrożeniem innowacyjnych projektów do praktyki przemysłowej. Narzędziem 3 w ramach raportowanego projektu było oprogramowanie Automation Studio 3.0 oraz 4.0 firmy Bernecker & Rainer. Zapewnia ono pełną zgodność opracowanej aplikacji z normą IEC oraz w zakresie sterowania napędami elektrycznymi z normą PLCopen Motion Control. W ramach realizacji prac badawczych Zadań 6 oraz 7 było to o tyle istotne, że pozwoliło na implementację planowanych w ramach projektu rozwiązań na rzeczywistych obiektach. Schemat przepływu pracy przedstawiony na rysunku 5.17 jest rozwiązaniem charakterystycznym dla kart szybkiego prototypowania dspace DS1104. Jak widać jest to podejście bardzo ubogie z punktu widzenia wdrożenia nowych algorytmów do praktyki przemysłowej, albowiem po zakończeniu prac nad nowym rozwiązaniem pozostaje jeszcze do wykonania mnóstwo czynności przygotowawczych oraz dostosowawczych do aplikacji w rzeczywistych obiektach, na skalę przemysłową. Rys Wariant pracy, w którym całość implementacji odbywa się w środowisku Matlab/Simulink W przypadku, gdy planowany do wdrożenia produkt nie jest produkowany na wielką skalę, zaś jego właściwości z funkcjonalnego punktu widzenia wymagałyby wsparcia ze strony takich narzędzi do modelowania jak Matlab/Simulink, z powodzeniem można zaaplikować podejście, przedstawione na rysunku Właściwa aplikacja systemu sterowania, ewentualnie wymagane z punktu widzenia aplikacji certyfikowane komponenty bezpieczeństwa funkcjonalnego, są w tym przypadku implementowane w środowisku zgodnym z normą IEC , podczas gdy dodatkowe algorytmy, poprawiające np. jakość/parametry ruchu implementowane są z zastosowaniem podejścia określonego w niniejszym ra- 118 S t r o n a

119 porcie on-target-prototyping. Jest to o tyle wygodne podejście, że może zostać z powodzeniem zaimplementowane dla dowolnego produktu, którego funkcjonalność rozszerzana jest w sposób wymagający zaangażowania wiedzy naukowej, bez konieczności przebudowy procesów zachodzących w całym cyklu życia produktu. Rys Wariant pracy, uwzględniający wsparcie innowacyjnego produktu z zastosowaniem Matlab/Simulink Na rysunku 5.19 przedstawiono nieco bardziej zaawansowany wariant, w którym funkcje poprawiające jakość pracy uwzględnione są już na etapie koncepcyjnym finalnego produktu, w ramach tzw. metamodelu. Rys Wariant pracy, uwzględniający wielkoseryjność produkcji, z narzędziami do on-target-prototyping Wariant z rysunku 5.19 jest o tyle interesujący, iż uwzględnia możliwość opracowania modeli symulacyjnych z poziomu metamodelu. Współcześnie niewiele jest projektów badawczych zajmujących się tą problematyką. Jest to domeną uczelni skandynawskich. Na rysunku 5.20 przedstawiono prostszy wariant przepływu pracy z rysunku 5.19, w którym metamodel produktu służy do opracowania struktury funkcjonalnej projektowanego produktu, natomiast oprogramowanie Matlab/Simulink do implementacji nowych algorytmów, bez konieczności zmiany procesów, zachodzących w cyklu życia produktu. 119 S t r o n a

120 Rys Wariant pracy, podobny do rysunku 5.19, jednakże dodatkowe algorytmy implementowane są jedynie jako uzupełnienie cyklu życia produktu Na zakończenie, na rysunku 5.21 przedstawiono diagram przepływu pracy, w którym model funkcjonalny produktu służy wprost do stworzenia modeli oprogramowania Matlab/Simulink. Taki poziom zaawansowania możliwy jest pod warunkiem, że planowany do wdrożenia produkt jest całkowicie zaprojektowany przez producenta rozwiązania. Okazuje się, że nie jest to rzadki na rynku automatyki przypadek, kiedy to produkty od początku do końca tworzone są na bazie modeli funkcjonalnych następnie kompilowanych z zastosowaniem tego najbardziej współcześnie popularnego środowiska obliczeniowego. Rys Wariant uproszczony, dla produkcji wielkoseryjnej, nie wymagający implementacji certyfikowanych funkcji bezpieczeństwa Powyższe diagramy pracy podsumowujące i niejako rozszerzające doświadczenia zdobyte w ramach raportowanego tutaj projektu zostały opracowane dzięki współpracy naukowo-badawczej, kontynuowanej w ramach stażu naukowego finansowanego ze środków 7PR Unii Europejskiej, w ramach projektu iload. Stanowią istotną wartość dodaną raportowanego projektu. 120 S t r o n a

121 5.3. Podsumowanie Celem realizacji Zadania 3 było przeprowadzenie analizy dostępnych na rynku rozwiązań sprzętowoprogramowych, dzięki którym możliwe będą: implementacja w warunkach symulacji komputerowej nowych algorytmów regulacji napędów zespołów posuwowych, modelowanie fizyczne obiektu regulacji, przygotowanie nowych algorytmów do implementacji w urządzeniu sterującym czasu rzeczywistego, automatyczna generacja kodu systemu sterowania z poziomu oprogramowania Matlab/Simulink. Podsumowując, cel Zadania, 3 jakim było opracowanie sprzętowo-programowej architektury modułu wykonawczego sterującego napędami zespołu posuwowego został osiągnięty. Przeanalizowano i dobrano adekwatne do celów projektu: narzędzia programowe do realizacji zadania implementacji nowych algorytmów, narzędzia programowe do programowania i konfiguracji sprzętu wybranego dla realizacji zadań projektu, narzędzia sprzętowe dla celów realizacji procedur szybkiego prototypowania. Do istotnych nowości w obszarze Zadania 3 zaliczyć należy: opracowanie modeli diagramów przepływu pracy nad nowymi systemami sterowania, uwzględniającymi integrację funkcji bezpieczeństwa, podsumowanie możliwych schematów działania w wybranych procedurach szybkiego prototypowania, wskazanie efektywnych narzędzi prototypowania w tzw. trybie on-target prototyping w docelowych, przemysłowych systemach sterowania. 121 S t r o n a

122 122 S t r o n a

123 6. Zadanie 4. Analiza możliwości wykorzystania sygnałów pomiarowych oraz synteza wielokryterialnych układów sterowania Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Urbański Ł., Układ sterowania o otwartej architekturze cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, XII International PhD Workshop OWD 2010, Październik, 2010, s [163], F.10 raportu 2. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbański Ł., Dynamic corrections of the tooling errors possibilities within the mechatronic actuator for motors with permanent magnets, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Vol. 31, nr 2, 2011, s [127], F.12 raportu 3. Pietrusewicz K., Diagnostics for machine tool monitoring, Control Engineering, Vol. 58, No. 10, 2011, s. 28 [107], F.16 raportu 4. Pietrusewicz K., Waszczuk P., Monitor machine conditions, Control Engineering, Vol. 59, 2012, No. 6, s [131], F.20 raportu 5. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 6. Pietrusewicz K., Waszczuk P., Open architecture digital PMSM controls, Control Engineering, Vol. 60, No. 2, 2013, s [132], F.27 raportu 123 S t r o n a

124 Cel główny projektu, jakim jest umożliwienie implementacji algorytmów sterowania ruchem zapewniających poprawę dokładności geometryczno-ruchowej z zastosowaniem odpornych algorytmów regulacji, bazujących na modelu, został uzupełniony w ramach Zadania 4 o analizę możliwości wykorzystania dodatkowych pomiarów w ramach wielokryterialnych układów sterowania. Biorąc pod uwagę ciągłe prace nad poprawą parametrów obróbki skrawaniem, szybkością obróbki, skróceniem czasów przezbrajania magazynów narzędzi centrów obróbczych oraz inne mechanizmy prowadzące do ciągłego wzrostu wydajności produkcji można stwierdzić, co następuje: błędy/odchyłki geometryczne konstrukcyjne współczesnych maszyn są niezwykle małe, materiały, z których wykonywane są współczesne maszyny pozwalają na minimalizację wpływu starzenia się elementów konstrukcyjnych korpusów maszyn, czego z kolei nie można powiedzieć o takich elementach jak części systemów napędowych obrabiarek jak śruby w układach napędowych śrubowo-tocznych. Rozwiązania konstrukcyjne układów napędowych z silnikami liniowymi sprawiają, że możliwe jest uzyskanie wyjątkowo dużej sztywności statycznej i dynamicznej układu napędowego wiele jednak zależy wtedy od parametrów/algorytmów stosowanych do generowania sygnału sterującego silnika (cyfrowego serwonapędu). Jednocześnie spotyka się wiele prac, podejmujących problematykę poprawy jakości obróbki skrawaniem dzięki wprowadzaniu rozmaitych korekt, zależnych od: warunków termicznych obróbki skrawaniem, występujących podczas obróbki drgań, w tym również poprzez analizę sygnałów akustycznych, tarcia występującego w układach napędowych śrubowo-tocznych. Wydaje się jednak, iż wprowadzanie korekt sygnałów składowych w torach sterowania układów napędowych obrabiarek mogłoby być znacznie efektywniejsze, gdyby zacząć od poprawy jakości sterowania prędkością ruchu w drodze uodpornienia działania (zmian wskaźników jakości regulacji) pętli regulacji od warunków pracy całego systemu sterowania. Może się to odbywać np. dzięki wprowadzeniu dodatkowych informacji pomiarowych do toru sterowania w cyfrowym serwonapędzie obrabiarki. Wtedy po zwiększeniu odporności układu regulacji na zmienne warunki pracy układu napędowego obrabiarki pozostałe korekty mogłyby mieć znacznie mniejszy (procentowo) udział w sygnałach korekcyjnych. Wymagania im stawiane będą wtedy równie wysokie, jednakże dojdzie do sytuacji, w której układ napędowy sam w sobie będzie posiadał już odpowiedni poziom nieczułości (odporności) na takie zmiany warunków pracy jak: zmiany termiczne, błędy geometryczne, zmienne w czasie obciążenie, starzenie się elementów montażowych części ruchomych obrabiarek. Współcześnie wiele uwagi poświęca się integracji funkcji monitorowania warunków pracy obiektów dynamicznych (w tym bez wyjątku obrabiarek sterowanych numerycznie) [3, 4, 10, 11, 29, 43, 45, 48, 124 S t r o n a

125 53, 55, 64, 92, 107, 113, 131, 137, 141, 150, , 168]. Wydajność produkcji to zwykle cel stosowania systemów z grupy Condition Monitoring: wydajność produkcji może być zapewniona jedynie wtedy, gdy produkcja się toczy, cel zabezpieczenie i ciągłe zwiększanie wydajności. Osiągnięcie celu możliwe jest między innymi dzięki: eliminacji nieprzewidzianych przestojów, skróceniu czasu przestojów, obniżeniu kosztów dzięki optymalizacji wykorzystania zasobów. Dzięki wykorzystaniu w systemach sterowania maszyn modułów Condition Monitoring: możliwe jest efektywniejsze rozpoznawanie problemów, możliwe jest zapewnienie i ciągłe podnoszenie wydajności, następuje redukcja kosztów utrzymania ruchu. Z kolei dzięki integracji systemów Condition Monitoring z systemami sterowania: możliwe jest efektywniejsze wykorzystanie istniejących pomiarów, możliwe jest wykorzystanie informacji diagnostycznej na etapie sterowania procesem (również podczas rozbudowy), możliwe jest znaczące obniżenie kosztów zastosowania. Opracowane i wykonane w ramach raportowanego projektu prototypowe stanowisko badawcze umożliwia prowadzenie innowacyjnych badań nad integracją wybranych funkcji diagnostycznych na poziomie sterowania układem wykonawczym cyfrowym serwonapędem zespołu posuwowego, zgodnie z filozofią układów typu Condition Monitoring. Różnice w stosunku do typowych układów diagnostycznych obrabiarek zostaną zaprezentowane w dalszej części raportu Struktura funkcjonalna systemu CNC ze zintegrowanymi funkcjami diagnostyki Na rysunku 6.1 zaprezentowano moduły funkcjonalne systemu sterowania obrabiarki CNC. Znajdują się na nim zarówno moduły podstawowe konieczne do działania maszyny, jak również moduły, nad którymi obecnie prowadzone są badania, i nie są one jeszcze obecne w dostępnych na rynku rozwiązaniach. W ramach jądra systemu CNC (elementu systemu operacyjnego czasu rzeczywistego komputera sterującego) znaleźć można zwykle moduły: moduł szeregowania zadań (typowy składnik RTOS), odpowiedzialny za przydział czasu procesora do zadań sterowania, wizualizacji i komunikacji; moduł komunikacji z napędami. Jest to zestaw bibliotek programowych, opisujących protokół komunikacyjny, użyty w danej wersji systemu CNC; moduł obsługi lokalnej i zdalnej wizualizacji. Jest to podprogram głównego systemu CNC, w którym umieszczone są graficzne elementy, wyświetlane na ekranie komputera podczas pracy obrabiarki: Dzięki rozwojowi takich technologii informatycznych jak OPC w specyfikacjach Data Access oraz Alarms end Events możliwe jest tworzenie modułów wizualizacji również poza jądrem systemu CNC; moduł interpolatora wieloosiowego. Jest to moduł programowy żetony na podstawie programu obróbki (zapisanego tzw. G-kodzie) oraz ustalonych parametrów ruchu w poszczególnych osiach 125 S t r o n a

126 (prędkości posuwu, prędkości obrotów wrzeciona) generuje wartości zadane położenia, prędkości w kolejnych chwilach czasu dla poszczególnych osi ruchu; Rys Moduły funkcjonalne systemu sterowania obrabiarki CNC moduł generatora trajektorii. Jest to moduł programowy, odpowiedzialny za generowanie wartości zadanych położenia dla pojedynczej osi napędowej. Generowanie trajektorii jest zadaniem kluczowym z punktu widzenia sposobu działania osi ruchu. Na rysunku poniżej zaprezentowano przykładowe przebiegi czasowe generatora trajektorii. Generowanie położenia zadanego odbywa się na podstawie informacji o założonym profilu przyspieszenia, prędkości lub przy założonych profilach szarpnięcia (ang. jerk pierwsza pochodna przyspieszenia); moduł programowy opisujący maszynę stanów CNC, czyli stany obrabiarki (jej systemu sterowania), w których znajduje się zależnie od aktualnie realizowanych czynności. Na rysunku 6.1 przedstawiono (stanowiące elementy jądra systemu lub występujące jako oddzielne komponenty sprzętowe systemu) moduły, opisujące: funkcje interfejsu, funkcje sterowania napędami, funkcje diagnostyki i monitorowania stanu obrabiarki. 126 S t r o n a

127 Funkcje interfejsu systemu CNC Choć funkcje interfejsu systemu CNC nie stanowią przedmiotu niniejszej pracy, to zostaną krótko przybliżone dla kompletności opisu. Funkcjonalność interfejsu konieczna jest w obrabiarkach do komunikacji pomiędzy operatorem/programistą a systemem CNC. Do funkcji podstawowych zaliczamy: wyświetlanie aktualnego stanu maszyny, w tym aktualnie realizowanych instrukcji programu, możliwość programowania obrabiarki w sposób ręczny, w pędnym z języków (rodzajów G-kodu) lub półautomatyczny Z użyciem opracowanych przez producentów systemów sterowania kreatorów cykli obróbkowych, pozwalających użytkownikowi jedynie poranne fryzować typowe operacje. Funkcjonalność interfejsu może zostać uzupełniona o pewne nowe funkcje jak np. symulacja procesu obróbki przed jej rozpoczęciem, czy kontrola kolizji narzędzia z elementami dorabianego przedmiotu w przypadku bardziej złożonych detali. Dzięki opracowanemu i uruchomionemu otwartemu systemowi sterowania możliwe było podjęcie badań z obszaru inteligentnych funkcji interfejsu operatora. Funkcje te to między innymi: a) internetowe udostępnianie zasobów produkcyjnych maszyny moduł opracowywany w ramach projektu badawczego nr N N Projekt, modelowanie i badania eksperymentalne internetowego systemu udostępniania mocy produkcyjnych eprodukcja. Taka funkcjonalność interfejsu pozwoli przyjmować, szeregować i realizować zamówienia na elementy obrabiane (nieskomplikowane, ale realizowane w dużych seriach, jak np. detale wycinane z arkuszy blach) z użyciem interfejsu WWW, b) automatyzacja procedur programowania obrabiarek z użyciem wirtualnej rzeczywistości (projekt nr N N Opracowanie projektu oraz badania doświadczalne prototypu systemu do manualnego programowania obrabiarki CNC ). Dzięki temu modułowi możliwe będzie oprogramowanie obrabiarki (obrabiarek) w biurze projektowym, bez konieczności kontaktu programisty z rzeczywistym obiektem (będzie on odwzorowany właśnie w wirtualnej rzeczywistości), c) wykorzystanie systemów wizyjnych dla celów pozycjonowania przedmiotów obrabianych (projekt nr N N Wykorzystanie technik wizyjnych do pozycjonowania przedmiotów obrabianych na obrabiarkach CNC ) Funkcje podsystemu sterowania napędami Funkcjonalność podsystemu sterowania napędami (w tym napędami zespołów posuwowych) definiuje kilka podstawowych zagadnień: a) rodzaj użytego silnika obrotowego lub liniowego; b) interfejs komunikacyjny pomiędzy jednostką centralną komputera głównego a układami napędowymi. W przypadku typowych aplikacji sterowania napędami w przemyśle wystarczą interfejsy takie jak np. CAN. W sytuacji, gdy (w obrabiarce) konieczna jest interpolacja (synchronizacja) ruchu zespołów posuwowych w wielu osiach, i wymagana jest szybka, a dodatkowo deterministyczna, wymiana danych, zastosowanie mają przemysłowe odmiany Ethernetu. Do najpopularniejszych zalicza się protokoły: EtherCAT, Ethernet Powerlink, SERCOS III, ProfiNet, Ethernet/IP; c) zagadnienie integracji funkcji bezpieczeństwa w układach sterowania napędami (ang. Safety Integrity Level). Współczesne rozwiązania przemysłowe zawierają zgodne z normą IEC S t r o n a

128 funkcje zabezpieczeń. Podobnie jest z układami sterowania napędami elektrycznymi. Firmy bardzo dużo uwagi współcześnie poświęcają rozwojowi technologii bezpiecznych w funkcjonowaniu systemów automatyki; d) sposób realizacji pomiaru położenia w obrabiarkach. Współcześnie znane są dwa sposoby: z użyciem en koderów zamontowanych w silnikach obrotowych (rozwiązanie z napędem śrubowym kulowo tocznym), z użyciem liniałów pomiarowych zamontowanych w osiach napędu bezpośredniego silnika liniowego. Przyjęte rozwiązanie determinuje postać modelu dynamicznego zespołu posuwowego, przyjmowanego dla celów syntezy algorytmu sterowania napędem w osiach posuwu. Z punktu widzenia modelowania układu OUPN w torze sterowania napędami posuwu (a jednocześnie sposobu pomiaru sygnałów sterowanych położenia, prędkości oraz generowania sygnałów sterujących wartości zadanych momentu siły czy siły) rozróżniamy dwa podstawowe przypadki: układ otwarty, z silnikiem obrotowym i enkoderem, układ pomiarowy zamknięty z silnikiem liniowym i liniałem pomiarowym. W wybranych rozwiązaniach rynkowych systemów CNC spotyka się architekturę tzw. półzamkniętą, z silnikiem obrotowym z arkadami oraz liniałem pomiarowym wykorzystywanym do cyklicznej kontroli jakości pozycjonowania osi. Przedstawiony w niniejszym rozdziale otwarty system sterowania umożliwia implementację rozwiązania (najbardziej spełniającego warunek kompromisu pomiędzy kosztem aplikacji a możliwą do uzyskania, jakością) o zamkniętym układzie pomiarowym: silnika obrotowego sterowanego na bazie informacji z liniału pomiarowego. Współczesna technologia silników liniowych sprawia, że osiągana dokładność pozycjonowania (regulacji położenia) oraz sztywność znacznie rosną. Problemem, który jest znacznie ważniejszym do rozwiązania jest zredukowanie zmiennego obciążenia osi posuwu: w przypadku napędu śrubowego układ regulacji wspomagany jest konstrukcją maszyny, napęd bezpośredni z silnikiem liniowym z obciążeniami musi radzić sobie bez żadnego dodatkowego wsparcia. Dodatkowo w przypadku silników liniowych zmienia się (podczas ruchu wzdłuż osi posuwu) punkt przyłożenia siły napędowej. W przypadku napędu ze śrubą punkt przyłożenia momentu siły nie zmienia się (miejsce połączenia wałka silnika i śruby). Dla uproszczenia modelu często przyjmuje się, co wynika z opisu silnika (modelu) w części elektrycznej, parametry silnika liniowego przeliczone na parametry równoważnego silnika obrotowego; e) algorytmy regulacji w cyfrowym serwonapędzie. W literaturze spotykanych jest wiele metod sterowania napędami z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi. Z punktu widzenia metod podnoszenia odporności możliwe są do zastosowania następujące dwie strategie w zakresie ich doboru: modyfikacje w generatorze trajektorii, zwiększenie odporności algorytmów składowych (położenia, prędkości, momentu/siły) przez zastosowanie np. algorytmów, regulacji bazujących na modelu, korekty dynamiczne parametrów i lub sygnałów w torze sterowania przy ustalonych algorytmach składowych. Funkcjonalność taką zapewnia stanowiący oryginalny dorobek badawczy niniejszej pracy system sterowania CNC o otwartej architekturze), implementacja w algorytmie sterowania napędem informacji z opracowanych na te potrzeby dodatkowych modułów diagnostycznych (monitorowania warunków pracy obrabiarki). Uwzględnienie tych informacji może przebiegać, jak to zaproponowano w niniejszej pracy za pośrednictwem bloków funkcyjnych jądra otwartego systemu CNC (połączenie 1 na rysunku 6.1). 128 S t r o n a

129 Funkcje diagnostyczne w sterowaniach CNC W niniejszej pracy wskazano (połączenie 2 na rysunku 6.1) na konieczność (a dopiero dzięki rozwojowi technologii sterowań przemysłowych współcześnie możliwość) wypracowania bezpośrednich połączeń informacyjnych pomiędzy modułami diagnostycznymi a algorytmami regulacji w napędach: osi posuwu lub napędu głównego. Przykładem takiego rozwiązania może być aktywna kontrola prędkości obrotowej, bazująca na informacjach z systemu monitorowania drgań oraz analizy sygnałów wibroakustycznych. System taki opracowywany jest aktualnie w ramach projektu badawczego nr N N Opracowanie modułu diagnostyki wibroakustycznej dla obrabiarki inteligentnej, i stanowić będzie duży wkład w zagadnienie podnoszenia stabilności procesu obróbki skrawaniem. Takie bezpośrednie powiązanie tych dwóch modułów konieczne jest z uwagi na szybkozmienność niektórych monitorowanych zjawisk i procesów (drgań, dźwięku, identyfikacji punktu pracy) podczas obróbki skrawaniem. W takich przypadkach komunikacja za pośrednictwem jądra CNC (połączenie 1 z rysunku 6.1), liczona w pojedynczych milisekundach, stanowi połączenie zbyt wolne. W ramach projektu nr N N Opracowanie konstrukcji i badania doświadczalne mechatronicznego obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędem sterowanym inteligentnym modułowym układem wykonawczym opracowywane jest prototypowe stanowisko badawcze sterowania cyfrowym serwonapędem zgodnie z podejściem realizującym funkcjonalność opisaną połączeniem 2 z rysunku 6.1. Ostatnim z podukładów systemu sterowania jest moduł diagnostyki procesu obróbki. W niniejszej pracy przedstawiono koncepcję zaś w ramach prac badawczych opracowano sposób integracji nowoczesnych funkcji monitorowania i aktywnego nadzoru w ramach systemu CNC o otwartej architekturze. Pośród wybranych funkcji diagnostycznych do najważniejszych z punktu widzenia podnoszenia odporności dynamicznego układu OUPN zaliczyć można: a) moduł monitorowania drgań. Moduł pomiarowy, dla którego sygnałami wejściowymi są informacje z czujników przyspieszeń (akcelerometrów), również wieloosiowych (mierzących drgania na więcej niż jednym z reguły na trzech kierunku), b) moduł monitorowania lub estymacji siły skrawania. Może to być bezpośredni pomiar z użyciem siłomierza, lub algorytm wyznaczający siłę skrawania na bazie innych dostępnych pomiarowo informacji, c) moduł analizy termicznej obrabiarki. W przypadku tego elementu bezpośrednia komunikacja z funkcjami napędu nie jest potrzebna głównie z uwagi na wolnozmienny charakter zjawisk termicznych w obrabiarkach. Moduł taki jest aktualnie opracowywany i integrowany z przedstawionym otwartym systemem sterowania w ramach projektu badawczego nr N N Badanie i korygowanie wpływu cieplnych właściwości obrabiarek na dokładność kształtowania przedmiotów obrabianych, d) moduł analizy dźwięku lub sygnałów emisji akustycznej, podobnie jak w przypadku drgań, tak i wynik przetwarzania informacji diagnostycznych powinien być bezpośrednio przesyłany do podukładu sterowania napędami, np. w celu przełączenia zestawu parametrów opisujących algorytm regulacji, lub zmiany opisu modelu dynamicznego w przypadku zastosowania układów regulacji bazujących na modelu lub lokalnych submodelach. W równolegle do raportowanego prowadzonych projektach badawczych TERMINATOR i WIBRO- AKUSTYKA funkcje, które w raportowanym projekcie mogą zostać zaimplementowane na poziomie 129 S t r o n a

130 algorytmów składowych serwonapędu, w tamtych projektach zintegrowane zostały na poziomie nadrzędnego układu CNC. Unikalne stanowisko badawcze, zbudowane w ramach raportowanego projektu umożliwia rozwój i badania nad nowymi algorytmami diagnostycznymi, które będą mogły zostać zaimplementowane na poziomie sterowania elementu wykonawczego. Prezentowane podejście do zagadnienia jest innowacyjne w skali światowej, umożliwiając podjęcie problematyki badawczej związanej ze sterowaniem w układach rozproszonych z lokalnie implementowanymi funkcjami diagnostyki złożonych układów wielowymiarowych. W kolejnych podrozdziałach omówiono: przydatność sygnałów pomiarowych temperatury, drgań oraz ciśnienia akustycznego dla celów modyfikacji algorytmów składowych napędu, możliwości zastosowania podejścia bazującego na fuzji sygnałów pomiarowych, właściwości funkcjonalnych układu regulacji z przełączaniem (lokalnych modeli, a co za tym idzie i nastaw regulatorów) zależnym od dodatkowego sygnału pomiarowego, zintegrowanego w systemie sterowania napędu zespołu posuwowego Analiza przydatności sygnałów temperatury, drgań, dźwięku (ciśnienia akustycznego) dla celów modyfikacji algorytmów składowych prototypowego serwonapędu Z uwagi na ciągły rozwój przyrządów pomiarowych i czujników wykorzystywanych w obróbce materiałów systemy monitorujące stan maszyny jak i procesu są ciągle ulepszane i rozwijane. Sygnały mierzone podczas operacji obróbczych odgrywają niebagatelną rolę w tworzeniu systemów diagnostycznych zarówno w badaniach naukowych jak i zastosowaniach przemysłowych. Informacje z sensorów używane są do generowania sygnałów sterujących zwiększających dokładność regulacji oraz wydajność urządzeń wytwórczych. Przykładem może być czujnik emisji akustycznej wykorzystywany w wielu procesach związanych z precyzyjną obróbką metali do monitorowania stopnia zużycia narzędzia, formowania się wiórów czy jakości frezowanej powierzchni. Sensory i mierzone dzięki nim sygnały są niezbędne przy dokładnej obróbce materiałów, gdyż wymagania stawiane maszynom są coraz większe, a ludzkie zmysły nie są w stanie wyłapać precyzyjnie zmian zachodzących w procesie. Do monitorowania warunków środowiskowych maszyny CNC wykorzystuje się wiele typów czujników. Do najbardziej rozpowszechnionych należą sensory: temperatury, wibracji, dźwięku, emisji akustycznej, siły i momentu obrotowego. Poniższy rysunek obrazuje przykładowe rozmieszczenie wspomnianych czujników w układzie obrabiarki CNC. 130 S t r o n a

131 Rys Przykład rozmieszczenia wybranych czujników na obrabiarce sterowanej numerycznie Czujniki mają za zadanie dostarczyć informacje wspomagające obróbkę tak, aby spełniała ona wszelkie kryteria przed nią stawiane. Jest to szczególnie ważne w przypadku, gdy jakość i dokładność wytworzonych detali ma być na najwyższym poziomie. Sensory odgrywają różne role w procesie wytwarzania. Przede wszystkim pozwalają na zwiększenie kontroli nad krytycznymi warunkami z punktu widzenia procesu obróbki. Dzięki temu zwężają się ograniczenia procesowe, a poprawia się wydajność. Przykładem może być czujnik temperatury, którego pomiary wykorzystywane są w pętli regulacji maszyny CNC, przez co redukowane są błędy termiczne źródło wielu błędów pozycjonowania przy tradycyjnej i dokładnej obróbce. Ponad to sensory dostarczają użytecznych informacji o stanie procesu obróbki. Wykorzystując czujnik dźwięku (ciśnienia akustycznego) możliwe jest wykrycie np. złamania narzędzia podczas frezowania. Dodatkowym pozytywnym aspektem użycia sensorów ciśnienia akustycznego jest minimalizowanie czasów martwych w cyklu pracy maszyny poprzez wykrywanie stopnia zaangażowania narzędzia w stosunku do pracy, co pozwala na lepsze wykorzystanie obłożenia maszyny w każdym jej cyklu obróbki. Rys Porównanie wybranych czujników i ich zastosowań 131 S t r o n a

132 Oscylacje sił skrawania pojawiające się w trakcie obróbki prowadzą do powstawania wibracji poszczególnych elementów maszyny. Zmieniają się one w zależności od stanu narzędzia zamocowanego we wrzecionie. W ostatnich dekadach pojawiło się wiele prac, w których opisano wykorzystanie sygnałów pochodzących z akcelerometrów do diagnostyki stanu procesu podczas obróbki skrawaniem. Z uwagi na stosunkowe niskie koszty i łatwość dokonywania pomiarów w ciężkich warunkach środowiskowych, sygnały przyśpieszeń stały się głównym obiektem zainteresowań dla wielu badaczy. Pomiary wibracji wykorzystywane są do monitorowania stanu zużycia narzędzia jak i jego zniszczenia. W celu wyeliminowania niepożądanych stanów maszyny stosuje się różnorodne metody przetwarzania sygnałów zarówno w domenie czasu jak i częstotliwości, aby wyekstrahować czynniki odpowiedzialne za pojawianie się tych negatywnych zjawisk. Opracowane systemy diagnostyczne bazujące na pomiarach sygnałów przyśpieszeń są w stanie śledzić zmieniające się struktury wibracji i na podstawie wzorców dla pracy normalnej wychwytywać momenty pojawiania się szkodliwych stanów procesu obróbki. Rozwiązania te od pewnego czasu wykorzystywane są w aplikacjach przemysłowych i są jednym z podstawowych narzędzi diagnostycznych dla obrabiarek maszynowych. Energia mechaniczna drgań układu obrabiarki ulega transformacji na energię akustyczną na styku dwóch ośrodków maszyny i powietrza. W sygnałach akustycznych mierzonych w otoczeniu obrabiarki zwarte są informacje o stanie procesu. Do pomiaru stanu dynamicznego urządzeń wykorzystuje się przetworniki ciśnienia akustycznego. W przypadku obrabiarek są to zazwyczaj mikrofony kierunkowe skierowane w obszar skrawania. Mierzone sygnały diagnostyczne przekształcane są najczęściej na postać cyfrową. Ze względu na relatywnie niskie pasmo częstotliwości drgań, które mogą wpłynąć niekorzystnie na jakość powierzchni obrabianej (ok. 1 khz), nawet w przypadku monitorowania zjawisk nieliniowych (5 10 khz), stosowana obecnie aparatura pozwala na dokładny pomiar w większości przypadków. Sygnały akustyczne wykorzystywane są również do wykrywania zużycia się narzędzia podczas operacji obróbki. Z uwagi na zmianę częstotliwości dźwięku wydawanego przez stępiony frez amplituda jego spektrum zmienia się w dziedzinie częstotliwości, co pozwala wychwycić ten stan. Systemy diagnostyczne oparte o sygnały akustyczne opierają się na procesorach sygnałowych przetwarzających dane z wykorzystaniem funkcji DSP. Ze względu na nieinwazyjny sposób pomiaru, aplikacje bazujące na akwizycji dźwięku są coraz częstszym obiektem zainteresowań wielu naukowców. Implementacja sygnałów temperatury, wibracji oraz ciśnienia akustycznego w celu modyfikacji algorytmów składowych prototypowego serwonapędu ma na celu polepszenie jakości regulacji procesu obróbki. Dzięki wykorzystaniu dodatkowo mierzonych sygnałów i zintegrowaniu ich w systemie serwonapędu, możliwe jest wyznaczanie praw sterowania na podstawie informacji o estymowanym wektorze stanu, wyliczanego na podstawie informacji o sygnałach dźwięku, przyspieszenia czy temperatury, które są uprzednio przetwarzane przez odpowiednie funkcje. Podejście takie pozwoli na skrócenie pętli regulacji w stosunku do obecnie implementowanych rozwiązań w systemach CNC. Dzięki temu system będzie w stanie szybciej zareagować na sygnał sterujący, a co za tym idzie zwiększyć precyzję pracy układu Analiza możliwości zastosowania podejścia fuzji sygnałów pomiarowych w algorytmach składowych prototypowego serwonapędu Zastosowanie w diagnostyce obrabiarek wielu różnych czujników ma na celu zwiększenie możliwości pomiarów zjawisk zachodzących podczas procesu obróbki w porównaniu do zdolności pojedynczego sensora. Rozróżniamy dwa rodzaje systemów multi sensorycznych [25]. Pierwszy zakłada wykorzysta- 132 S t r o n a

133 nie czujników tego samego rodzaju do pomiaru różnych własności sygnałów, drugi natomiast wykorzystuje różne czujniki do pomiaru różnych wielkości fizycznych. Zdolność do monitorowania i rozpoznawania stanów diagnozowanej maszyny zależy od ilości i rodzajów zastosowanych czujników oraz od zaimplementowanych metod przetwarzania sygnału i estymowania otrzymanych wyników. W ostatnich dwudziestu latach zaproponowano wiele strategii monitorowania stanu urządzenia, jednak nie stworzono do tej pory uniwersalnego podejścia do tego zagadnienia. Wybór najbardziej odpowiedniego czujnika zarówno jak i jego umiejscowienie są wzajemnie zależne. Najlepszym miejscem do przytwierdzenia sensora jest to, które gwarantuje uzyskanie wyników o najwyższej czytelności i wiarygodności. Niemniej jednak należy zwrócić uwagę na ograniczenia, jakie nakłada konstrukcja maszyny. Z tego powodu pomiary z różnych czujników muszą zostać zebrane i sklasyfikowane pod względem użyteczności. Fuzja sygnałów diagnostycznych ma za zadanie zapewnić rozszerzenie obfitości informacji mierzonych wielkości, zwiększyć rzetelność pomiarów diagnozowanej maszyny oraz poprawić czułość mierzenia w polu fuzji [23]. Fuzja danych pomiarowych z różnych czujników jest zagadnieniem również matematycznym i ma za zadanie stworzyć z kilku sygnałów jeden o najlepszej wartości diagnostycznej. Integracja danych pomiarowych ma pomóc w przewidywaniu stanów urządzenia wykorzystując do tego celu takie zagadnienia jak sztuczne sieci neuronowe czy metody statystyczne. Sygnałami powszechnie wykorzystywanymi do diagnostyki obrabiarek sterowanych numerycznie są wibracje, temperatura, emisja akustyczna, siła i ciśnienie akustyczne. Ze względu na stosunkowo łatwy i tani sposób pomiaru oraz możliwość szybkiego przetworzenia tych sygnałów stanowią one bazę wielu systemów monitorujących. W pracy [83] opisano metodę wykrywania zniszczenia narzędzia zamocowanego we wrzecionie wykorzystując do tego celu sygnały pochodzące z czujników emisji akustycznej oraz siłomierza. Artykuł [141] przedstawia sposób zaimplementowania sygnałów ciśnienia akustycznego do monitorowania różnych stanów występujących podczas obróbki skrawaniem, w zależności od zmieniających się wartości: prędkości obrotowej wrzeciona, posuwu na ostrze oraz głębokości skrawania. W pozycji [23] zaprezentowano system diagnozujący stan zużycia narzędzia, bazujący na fuzji sygnałów przyśpieszeń oraz sił skrawania. Z punktu widzenia algorytmów składowych prototypowego serwonapędu zagadnienie fuzji sygnałów zostało zastosowane w celu zwiększenia pewności i wiarygodności pomiarów dokonywanych w trakcie pracy urządzenia wykorzystywanych następnie w pętli regulacji. Zaimplementowanie odpowiednich funkcji przetwarzania sygnału i uwzględnienie ich w algorytmie sterowania pozwoliło na szybszą reakcję układu na określone zmiany warunków pracy. Z przeprowadzonej analizy literatury wynika, że zagadnienie fuzji informacji diagnostycznych z różnych czujników jest obiektem badań wielu naukowców na całym świecie i niewątpliwie wpisuje się w nurt nowoczesnych rozwiązań technologicznych. Zaprezentowane tutaj podejście uwzględniające zmianę składowych części algorytmów w pętli sterowania serwonapędu pod wpływem wykrytych przez sensory zmian w warunkach pracy normalnej, przyczyniło się do poprawy jakości wytwarzania ze względu na szybszą reakcję w stosunku do stosowanych obecnie na rynku rozwiązań. Sygnały z czujników drgań i ciśnienia akustycznego pozwalają na monitorowanie stanu wielu aspektów obróbki, dlatego wykorzystanie ich fuzji w algorytmie prototypowego serwonapędu pozwoli w przyszłości rozwinąć gamę monitorowanych części składowych maszyny, a co za tym idzie zwiększyć precyzję procesu obróbczego urządzeń CNC. 133 S t r o n a

134 6.4. Analiza właściwości struktury układu regulacji z przełączaniem zależnym od dodatkowego sygnału pomiarowego pod kątem wprowadzenia do systemu sterowania prototypowego serwonapędu W tradycyjnej zamkniętej pętli sterowania ruchem posuwowym zespołu obrabiarki CNC pozycja zadana regulowana jest kolejno przez regulator położenia, prędkości i prądu. Zdecydowana większość współcześnie wykorzystywanych systemów sterowania obrabiarek ma charakter zamknięty dla użytkownika i nie pozwala na jakąkolwiek ingerencję w algorytmy składowe. Obecne tendencje dążą w kierunku stworzenia otwartego systemu, który umożliwiałby jego rozbudowę o nowe funkcje pozwalające na nadzór i sterowanie stanów dynamicznych maszyny w trakcie realizacji obróbki [100]. Ma to na celu zwiększenie produktywności oraz dokładności obrabiarki, jak również udoskonalenie procesu programowania. Rys Konwencjonalny kaskadowy układ regulacji położenia obrabiarki sterownej numerycznie CNC Zaprezentowane w poniższym opisie podejście zakłada wykorzystanie dodatkowo mierzonych podczas obróbki sygnałów bądź fuzji drgań, ciśnienia akustycznego oraz temperatury w strukturze układu regulacji [83]. Odpowiednio przetworzone pomiary będą stanowić sygnał przełączający prawo sterowania dla obiektu. Pętla sterowania zostanie wzbogacona o dodatkową wielkość decyzyjną, która ma za zadanie reagować na zmieniające się warunki pracy maszyny, wcześniej nie uwzględniane w układzie regulacji. Dodatkowo mierzone sygnały będą w stanie wykryć zmieniającą się masę przedmiotu obrabianego, która wpływa na właściwości dynamiczne całego obiektu. Uwzględnienie tego aspektu w torze sterowania pozwoli na lepsze dopasowanie nastaw regulatorów i co za tym idzie zwiększenie sztywności układu. Ważnym problemem występującym podczas obróbki są pojawiające się drgania samowzbudne, które wprowadzają w układ silnie nieliniowości. Znane są mechanizmy wykrywania tych drgań i uwzględnienie ich w systemie sterownia z pewnością przyniesie pozytywne skutki z punktu widzenia obróbki. Wykorzystując dodatkowo mierzone sygnały możliwy jest również wpływ na jakość odtwarzania wartości zadanej, a co za tym idzie poprawa dokładności wytwarzania i precyzji wykonywania ruchów przez zespoły posuwowe obrabiarki sterowanej numerycznie. Integracja układu regulacji z przełączaniem zależnym od dodatkowego sygnału pomiarowego polegać będzie na zaimplementowaniu specjalnego bloku DSP, w którym przetwarzane będą sygnały pochodzące z czujników rozmieszczonych na obiekcie. Blok ten będzie odpowiedzialny za rozpoznawanie wybranych zjawisk występujących podczas obróbki, które określane będą na podstawie analiz zarówno w domenie czasu jak i częstotliwości. Na ich podstawie wyliczany będzie sygnał pomocniczy wprowadzany jako wartość addytywna na poszczególne regulatory, bądź jako dodatkowy sygnał wartości zadanej. Korekta taka będzie miała za zadanie doregulować sygnał sterujący, który pierwotnie nie uwzględnia opisanych powyżej stanów obiektu. Powstały w ten sposób układ regulacji będzie mógł zostać zaimplementowany w systemie sterowania prototypowego serwonapędu i wykorzystany do dalszych prac nad rozwojem zagadnienia przełączania regulatorów w zależności od dodatkowo mierzonych zewnętrznych sygnałów pochodzących z operacji obróbki. Dzięki wprowadzeniu korekt już na poziomie 134 S t r o n a

135 serwonapędu, reakcja na zmiany sygnału sterującego będzie mogła odbyć się w szybszym tempie, co przyczyni się do polepszenia parametrów pracy całego urządzenia. Rys Kaskadowy układ regulacji położenia obrabiarki sterownej numerycznie CNC z dodatkowym blokiem przetwarzania sygnałów oraz addytywnymi sygnałami przełączającymi Reasumując, wprowadzenie do systemu sterowania prototypowego serwonapędu dodatkowego sygnału pomiarowego przełączającego strukturę układu regulacji pozwoli na szybsze dostosowanie się układu do zmieniających się warunków pracy maszyny. Podejście to wzbogaca dotychczasowe sposoby regulacji maszyn CNC i niewątpliwie jest rozwiązaniem ciekawym z tego punktu widzenia. Połączenie klasycznych układów regulacji z nowymi dodatkowymi blokami przyczyni się do zmiany postrzegania niektórych aspektów pracy urządzenia i zwróci uwagę na omijane dotychczas zagadnienia. Metody cyfrowego przetwarzania sygnałów wykorzystywane dotąd głównie w celach diagnostycznych znajdują nowe zastosowanie, otwierając drogę do przyszłych badań nad rozwojem tej dziedziny nauki. Na kolejnym rysunku zamieszczono proponowaną całkowicie nową strukturę hybrydowego układu regulacji z kontrolowanym przełączaniem [75] Rys Nowa koncepcja układu regulacji hybrydowej z przełączaniem zależnym od dodatkowych sygnałów pochodzących z podsystemów diagnostycznych Na rysunku 6.6 poszczególne symbole oznaczają jak poniżej: uk ( ) sygnał sterujący obiektem (przedziałami liniowym modelem osi napędu osi posuwu obrabiarki; ewentualnie osi napędu głównego wrzeciona) xk ( ) estymowany wektor stanu obiektu 135 S t r o n a

136 DSP u ( ) sw k sygnał (dodatkowy) przełączający regulatory lokalne, wyznaczone dla określonego kryterium optymalizacyjnego AP( k), ACC( k ) funkcja DSP (przetwarzania sygnałów) ciśnienia akustycznego AP oraz przyspieszenia ACC (w funkcji czasu dyskretnego k) Ai, Bi, C i lokalne macierze stanu, wejść i wyjść opisu modelu obiektu, dla których wyznacza się x( k), u ( k ), stanowiące funkcję estymowanego wektora stanu i regulatory lokalne sw oraz sygnału przełączającego złożony wielościan (convex polyhedra), dla którego obowiązują lokalne opisy dynamiki (przedziałami liniowe, których zmienność zależy od zmian ciągłego wektora stanu) Zaprezentowane na rysunku 6.6 podejście wymaga podjęcia nowych badań, których zakres wykracza istotnie poza tematykę raportowanego projektu. W kolejnych podrozdziałach przywołano projekty, realizowane przez zespół Centrum Mechatroniki, których wyniki w przyszłości będą mogły zostać zaimplementowane w opracowanym w ramach raportowanego projektu unikatowym stanowisku badawczym Projekt badawczy N N o nazwie kodowej TERMINATOR. Badanie i korygowanie wpływu cieplnych właściwości obrabiarek na dokładność kształtowania przedmiotów obrabianych (kierownik: dr inż. Henryk Maćkowiak, ) W projekcie tym zrealizowano prototypowy układ diagnostyczny do korekcji on-line odkształceń termicznych obrabiarki. Układ ten śledzi stan termiczny maszyny i na podstawie porównania z modelem odkształceń termicznych wyznacza stosowną korektę trajektorii ruchu zespołów posuwowych. Korekta ta jest następnie on-line przekazywana do otwartego systemu sterowania CNC O.C.E.A.N. Przyszłościowo planuje się rozwijać tę tematykę w celu uzyskania pełnej kompensacji błędu wolumetrycznego obrabiarki dla różnych źródeł cieplnych odkształceń i konstrukcji podzespołów korpusowych obrabiarki. Badania te będą wymagały zastosowania wielokanałowego toru pomiarowego sygnałów termicznych, m.in. w strukturze serwonapędu opracowanej w ramach raportowanego projektu Projekt badawczy N N o nazwie kodowej WIBROAKUSTYKA. Opracowanie modułu diagnostyki wibroakustycznej dla obrabiarki inteligentnej (kierownik: dr hab. inż. Andrzej Bodnar, prof. ZUT, ) Celem projektu jest wyposażenie obrabiarki w moduł diagnostyczny analizy sygnałów akustycznych. W ramach projektu prowadzone są badania nad opracowaniem koncepcji układu diagnostyki wibroakustycznej procesu skrawania. Analiza sygnałów akustycznych pozwala określić czy w układzie O-PS nie wystąpiły drgania samowzbudne typu chatter. Analiza taka jest szczególnie efektywna w odniesieniu do smukłych, podatnych narzędzi i przy dużych prędkościach skrawania (obróbka HSC), gdy sygnał drganiowy słabo przenosi się na układ korpusowy obrabiarki, co utrudnia zastosowanie układów diagnostycznych bazujących na sygnałach przyspieszeń rejestrowanych na korpusie maszyny. System ten będzie współpracował z otwartym systemem sterowania O.C.E.A.N. Diagnostyka akustyczna jest jednym z ważniejszych zmysłów obrabiarki inteligentnej. Planowane są dalsze rozszerzenia tego obszaru badań, z użyciem systemu kontrolno-pomiarowego do rejestracji drgań i sygnałów akustycznych. 136 S t r o n a

137 6.7. Podsumowanie Podsumowując, cel Zadania 4, jakim było wskazanie możliwości integracji dodatkowych sygnałów pomiarowych w ramach systemu sterowania napędami zespołów posuwowych, został osiągnięty. Istotnie nowym z punktu widzenia zwiększenia poziomu wiedzy z obszaru integracji funkcji diagnostycznych w systemach CNC jest wskazanie nowego kierunku badań związanego z rozproszeniem logiki sterującej i/lub diagnostyki w ramach całego układu CNC. Na funkcjonalność podsystemu sterowania napędami zespołów posuwowych składają się (rysunek 6.7): Interfejs komunikacyjny (A), Tryb działania napędu (B), Typ enkodera oraz sposób zapewnienia sprzężenia położeniowego (C), Rodzaj silnika (D), Algorytm sterowania ruchem (E). Rys Moduły funkjonalne obrabiarki sterowanej numerycznie CNC w zakresie integracji sterowania zespołami posuwowymi oraz diagnostyki Rezultatem raportowanego projektu jest zapewnienie szybszego dostępu do informacji (konkluzji) diagnostycznych dostępnych podczas procesu obróbki, aniżeli ma to miejsce w typowych, dostępnych obecnie na rynku rozwiązaniach firmowych. W raportowanym projekcie zapewniono (połączenie numer 2 na rysunku 6.7), dzięki czemu analiza i synteza decyzji na bazie informacji diagnostycznych dostarczana jest do podsystemu sterowania napędami znacznie szybciej aniżeli za pośrednictwem systemu sterowania CNC (połączenie numer 1 na rysunku 6.7). 137 S t r o n a

138 138 S t r o n a

139 7. Zadanie 5. Badania symulacyjne typu SIL oraz HIL systemu zespół posuwowy obrabiarki napędowy moduł wykonawczy silnik dla wybranych typów silników Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Domek S., Dworak P., Pietrusewicz K., Hybrid Model-Following Control algorithm within the motion control system, Proc. of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2009, s [28], F.1 raportu 2. Pietrusewicz K., Dworak P., A Fuzzy-logic based tuning for a velocity controller of the DC servo drive, Solid State Phenomena. Mechatronic Systems and Materials III, Vols , 2009, s [35], F.2 raportu 3. Dworak P., Pietrusewicz K., Rozmyte dostrajanie regulatora prędkości serwonapędu DC, Przegląd Elektrotechniczny, R. 85, Nr 2, 2009, s [123], F.4 raportu 4. Mikołajczyk G., Pietrusewicz K., Hybrid predictive control systems for servo drives used in CNC machines, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists : InterTech 2009: proceedings, 2009, s [91], F.5 raportu 5. Pietrusewicz K., Implementation of the hybrid MFC algorithm with the use of the IEC ST language, Proceedings of 10th International Carpathian Control Conference: ICCC'2009, 2009, s [108], F.6 raportu 6. Pietrusewicz K., Urbański Ł., Adaptive parameter tuning within the DC motion control system for the CNCs, Proc. of 12th International Symposium of Students and Young Mechanical Engineers Advances in Mechanical Engineering, 2009, s [128], F.8 raportu 7. Domek S., Pietrusewicz K., Urbański Ł., Hybrydowa regulacja odporna napędu posuwu obrabiarki sterowanej numerycznie, Inżynieria maszyn, R. 16, Z. 1-2, 2011, s [33], F.11 raportu 8. Pietrusewicz K., Method for increasing the control robustness of the Permanent Magnet machine tool feed-drive, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 93, 2011, s [109], F.13 raportu 9. Pietrusewicz K., Multi-degree of freedom robust control of the CNC X-Y table PMSM-based feeddrive module. Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [111], F.21 raportu 10. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 139 S t r o n a

140 Podjęcie prac badawczych w ramach Zadania 5 rozpoczyna drugi bardzo ważny z punktu widzenie celu raportowanego projektu etap. Celem głównym realizacji Zadania 5 było opracowanie kompleksowego pakietu oprogramowania dla prowadzenia badań symulacyjnych nowych algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych. W ramach początkowych prac badawczych Zadania 5 wyróżniamy: opracowanie i implementację części mechanicznej modelu sterowanego obiektu (zespołu posuwowego) w środowisku Matlab/Simulink, opracowanie i implementację elektrycznej części sterowania oraz moduły wykonawczego w środowisku Matlab/Simulink, opracowanie i implementację wizualizacji modeli sterowanych obiektów z zastosowaniem technologii VRML w środowisku Matlab/Simulink, przedstawienie zaawansowanych możliwości wykorzystania środowiska Matlab/Simulink do prowadzenia prac badawczych w trybie Hardware-in-the-Loop dzięki realizacji podejścia on-target-prototyping. W ramach projektu zakupiono oprogramowanie Matlab/Simulink firmy Mathworks w wersji 2009b (aktualizacja do wersji 2010b), które to oprogramowanie dzięki zawartym w nim przybornikom, pozwalało zrealizować zaplanowane w projekcie zadania. Badania symulacyjne prowadzone były również z użyciem oprogramowania VisSim 7.0 Motion, firmy VisualSolutions, jednakże z uwagi na bardzo słabe wsparcie ze strony producenta oprogramowania, prace te pozostawiono. W drugim etapie realizacji Zadania 5 dokonano implementacji wybranych struktur regulatorów w części modelu związanej ze sterowaniem. Do rąk użytkowników oddano nieodpłatnie opracowany w ramach projektu przybornik oprogramowania Matlab/Simulink, załączony na pamięci masowej USB. W kolejnych podrozdziałach przedstawiono: zagadnienia implementacji wybranych typów regulatorów w środowisku Matlab/Simulink, wraz z omówieniem ich właściwości, zagadnienia modelowania części mechanicznej zespołów posuwowych z napędami konwencjonalnymi oraz napędem bezpośrednim z silnikami liniowymi, opracowane w ramach prac nad Zadaniem 5 raportowanego projektu licznych modeli symulacyjnych, dzięki którym możliwe jest kompleksowe podejście do analizy i syntezy nowych algorytmów regulacji. Wyniki licznych prac symulacyjnych realizowanych w ramach Zadania 5 zostały opublikowane w pracach o zasięgu krajowym, jak i międzynarodowym, załączonych do niniejszego raportu i wskazanych na samym jego początku. W związku z tym nie będą ponownie przytaczane w ramach samego opisu raportowanego Zadania. Zanim przejdziemy do przedstawienia narzędzi programowych służących do symulacji wieloosiowych systemów sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek, zostaną przedstawione informacje wprowadzające, związane z implementacją regulatorów PID w cyfrowych urządzeniach sterujących czasu rzeczywistego. 140 S t r o n a

141 7.1. Regulacja PID Rozdział poświęcony badaniom symulacyjnym w środowisku Matlab/Simulink rozpoczyna przybliżenie problematyki najpopularniejszej obecnie regulacji proporcjonalno różniczkująco całkującej [2, 12, 24, 37, 40, 42, 46, 49, 95, 96, 145, 151, 155, 171, 176], naturalnego podejścia do realizacji strategii sterowania z uwagi na uwzględnianie w sygnale sterującym podawanym na wejście sterujące obiektu sterowania trzech składowych: składowej zależnej od aktualnej różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością mierzoną (regulowaną) składowej proporcjonalnej, składowej zależnej od aktualnej tendencji zmian wartości uchybu regulacji składowej różniczkowej, składowej zależnej od historii zmian wartości uchybu regulacji składowej całkowej. Takie naturalne podejście do sterowania realizuje znany od dawna regulator o algorytmie proporcjonalno-całkująco-różniczkującym PID. Współcześnie rozwój techniki mikroprocesorowej sprawił, że zainteresowanie tym obecnie najpopularniejszym w aplikacjach przemysłowych algorytmem znacząco wzrosło, zarówno pośród inżynierów-praktyków jak i pracowników naukowych, udoskonalających algorytm PID o nowe funkcje lub o wykorzystanie algorytmu PID w nowych strukturach/konfiguracjach. Transmitancja idealnego regulatora PID dana może być równaniem: bądź 1 R s K T s (7.1) 1() c d Ts i 1 R2 ( s) Kc1 Tds Ts i (7.2) Można również zapisać ją w postaci 1 R3 ( s) Kc1 1 Tds Ts i (7.3) Cechą charakterystyczną transmitancji (7.2) w porównaniu do (7.1) jest fakt, iż zmiana wzmocnienia proporcjonalnego K c wpływa jednocześnie zarówno na sygnał w torze całkowania jak i różniczkowania. Z kolei transmitancja (7.3) regulatora PID, nazywanego szeregowym, analogowym, bądź regulatora z interakcją nastaw, z uwagi na wzajemny wpływ zmian wszystkich nastaw zmiana stałej czasowej całkowania lub różniczkowania wpływa na wzmocnienie proporcjonalne regulatora i odwrotnie Transmitancje (7.1) do (7.3) można zapisać w ogólnej postaci: 1 R() s K p Ki Kd s (7.4) s W kolejnych podrozdziałach przedstawiono funkcjonalność poszczególnych akcji w regulatorze PID. 141 S t r o n a

142 (7.1) (7.2) (7.3) Rys Schematy blokowe regulatorów PID o transmitancjach (7.1) (7.3) Człon proporcjonalny Część (akcja) proporcjonalna regulatora PID (7.4) wypracowuje sygnał sterujący u p(t), proporcjonalny do aktualnej wartości uchybu regulacji: u ( t) K e( t) co po przekształceniu z użyciem transformaty Laplace a p (7.5) u ( s) K e( s) p c (7.6) Odpowiedź członu proporcjonalnego dla K c=1.2 przedstawiono na rysunku poniżej. c Rys Odpowiedź skokowa członu proporcjonalnego Duże wzmocnienie proporcjonalne w regulatorze PID znacznie skraca czas ustalania, jednakże przekroczenie pewnej wartości krytycznej może doprowadzić do przeregulowania wartości wielkości regulowanej Człon różniczkujący idealny Część różniczkująca sygnału sterującego w regulatorze PID u d(t) jest proporcjonalna do aktualnej wartości pochodnej sygnału błędu: co po przekształceniu Laplace a zapisać można również jako de() t ud() t Kd (7.7) dt 142 S t r o n a

143 u ( s) K se( s) (7.8) d Na rysunku poniżej zaprezentowano odpowiedź skokową idealnego elementu różniczkującego dla K d=1.2 oraz czasu próbkowania obliczeń równego 0.1[s]. d Rys Odpowiedź skokowa idealnego członu różniczkującego (czas próbkowania 0.1s) Zastosowanie akcji różniczkującej, choć przyspiesza reakcję układu regulacji na pojawiający się uchyb regulacji, to w większości przypadków sterowania procesami przemysłowymi wzmocnienie akcji różniczkującej przyjmowane jest z niedomiarem, bądź też akcja różniczkująca w regulatorze całkowicie jest wyłączana. Użytkownicy uzasadniają takie podejście obawami przed zbyt gwałtownymi reakcjami regulatora na nieoczekiwane zmiany (z uwagi na zakłócenia) wartości wielkości regulowanej. Dodatkowo, praktyczna realizacja akcji różniczkującej w postaci (7.8), czy (7.7) nie jest możliwa, ponieważ w przypadku skokowej zmiany uchybu regulacji dla każdej większej od zera wartości wzmocnienia K d wartość sygnału u d(t) dążyłaby do nieskończoności (przy czasie próbkowania dążącym do zera). Równie niebezpieczne z uwagi na stabilność układu regulacji jest różniczkowanie idealne sygnału szumu o wysokiej częstotliwości. Z wymienionych powyżej powodów w układach praktycznych zastosowanie ma rzeczywisty człon różniczkujący, stanowiący szeregowe połączenie idealnego członu różniczkującego i członu inercyjnego pierwszego rzędu (filtru dolnoprzepustowego), o czym będzie mowa w dalszej części rozdziału Człon całkujący Element całkujący w regulatorze PID wypracowuje składową sterowania u i(t), proporcjonalną do aktualnej wartości całki z sygnału błędu: t u ( t) K e( ) d (7.9) i i 0 Stosując transformatę Laplace a do wyrażenia (7.9) uzyskujemy równanie: 1 ui( s) Ki e( s) (7.10) s Na kolejnym rysunku przedstawiono odpowiedź skokową członu całkującego. 143 S t r o n a

144 a) b) c) Rys Odpowiedź idealnego członu różniczkującego na wymuszenie: sinusoidalne (a), trójkątne (b) oraz sygnału (c) o zmiennej częstotliwości (od 0.01 do 10Hz) /czas próbkowania 0.1s (b) oraz 0.01s (a, c)/ Rys Odpowiedź skokowa członu całkującego (K i=1.2; czas próbkowania 0.1s) Jeżeli obiekt sterowania nie posiada właściwości całkujących, wtedy jedynym sposobem na uzyskanie zerowego uchybu regulacji w stanie ustalonym jest istnienie akcji całkującej w regulatorze. Na rysunku kolejnym zaprezentowano odpowiedzi skokowe regulatorów PID z przedstawionymi sposobami filtracji. W pracy [3] zamieszczono kilka spotykanych transmitancji idealnych i rzeczywistych regulatorów PID. Z punktu widzenia użytkownika istotną różnicę stanowi w nich dołączenie filtru dolnoprzepustowego pierwszego rzędu celem złagodzenia gwałtownego działania akcji różniczkującej. Zanim jednak zostaną one zaprezentowane, należy pokazać, jaka jest różnica pomiędzy działaniem członu różniczkującego idealnego a rzeczywistego. 144 S t r o n a

145 Rys Odpowiedzi skokowe regulatorów PID o transmitancjach (7.1) (7.3) Regulator PID z filtrem akcji różniczkującej Człon inercyjny pierwszego rzędu Element inercyjny pierwszego rzędu dany jest transmitancją k f Gf () s (7.11) 1 Ts gdzie T f to stała czasowa natomiast k f to wzmocnienie. Na rysunku poniżej przedstawiono odpowiedź skokową elementu inercyjnego pierwszego rzędu. f Rys Odpowiedź skokowa członu inercyjnego pierwszego rzędu (k f=1.2, T f=1.3; czas próbkowania 0.1s) 145 S t r o n a

146 Człon różniczkujący rzeczywisty Człon różniczkujący rzeczywisty stanowi szeregowe połączenie idealnego układu różniczkującego oraz elementu inercyjnego pierwszego rzędu. Składowa sygnału sterowania w regulatorze PID dana jest równaniem: Ts d udf ( s) e( s) (7.12) Td 1 s N któremu odpowiada schemat blokowy, jak na rysunku poniżej. Rys Schemat blokowy szeregowego połączenia idealnego układu różniczkującego i elementu inercyjnego pierwszego rzędu Na kolejnym rysunku przedstawiono odpowiedź skokową rzeczywistego elementu różniczkującego. Rys Odpowiedź skokowa elementu różniczkującego rzeczywistego (T d=1.0, N=4, czas próbkowania 0.1[s]) Wybrane transmitancje regulatorów z filtrami Jak już wspomniano, aby możliwa była realizacja fizyczna regulatorów, należy dodać element łagodzący działanie akcji różniczkującej. Na podstawie poniższych transmitancji widać, że można tego dokonać na kilka różnych sposobów. 1 1 R4 () s Kc Tds Tis 1 Tfs (7.13) W przypadku transmitancji (7.13) filtracja realizowana jest dla sumy składowych sygnałów sterowania, podczas gdy w przypadku równania (7.14) dotyczy to jedynie składowej różniczkowej. 1 Ts d R5 ( s) Kc 1 Ts T i d 1 s N 1 1Ts 1 d 1 R6 ( s) Kc 1 Kc 1 1 Td s T T is d T Td 1 is s 1 s N N (7.14) (7.15) 146 S t r o n a

147 Na rysunku kolejnym przedstawiono schematy blokowe regulatorów, opisanych transmitancjami (7.13) do (7.15). (7.13) (7.14) (7.15) Rys Schematy blokowe regulatorów PID o transmitancjach (7.13) (7.15) Na rysunku kolejnym zaprezentowano odpowiedzi skokowe regulatorów PID z przedstawionymi sposobami filtracji. Rys Odpowiedzi skokowe regulatorów PID o transmitancjach (7.13) (7.15) Regulator PID z różniczkowaniem wyjścia obiektu W praktycznych rozwiązaniach układów regulacji z regulatorem PID dość często spotykane jest rozwiązanie, w którym stosuje się różniczkowanie sygnału wyjściowego z obiektu zamiast różniczkowania 147 S t r o n a

148 wprost sygnału uchybu regulacji. Wynikiem tego przebiegi przejściowe podczas zmian wartości zadanej mają łagodniejszy charakter. Idea takiego rozwiązania przedstawiona jest na kolejnym rysunku. (7.16) (7.17) Rys Schemat blokowy regulatora PID z różniczkowaniem sygnału wyjściowego Równanie, opisujące prawo sterowania regulatora z różniczkowaniem sygnału wyjściowego z obiektu regulacji dane jest zależnością: 1 u( s) Kce( s) e( s) xakt ( s) Td s Ts bądź też w wersji z rzeczywistym członem różniczkującym: (7.16) i 1 Ts d u( s) Kce( s) e( s) xakt ( s) Ts T i d 1 s N (7.17) Regulator PID z ważoną wartością zadaną W pracy [3] przytoczono m.in. transmitancję regulatora z ważoną wartością zadaną. Oznacza to ni mniej ni więcej, jak tylko przemnożenie wartości zadanej przez dodatkowe wzmocnienie proporcjonalne b: 1 u( s) Kc bxzad ( s) xakt ( s) e( s) Td se( s) T bądź też w wersji z rzeczywistym różniczkowaniem: (7.18) i 1 Ts d u( s) Kc bxzad ( s) xakt ( s) e( s) e( s) T T i d 1 s N (7.19) Takie rozdzielenie sygnału wartości zadanej i regulowanej otwiera możliwość manipulowania funkcją celu, realizowaną przez regulator tutaj w torze proporcjonalnym Wybrane rozwiązania regulatorów PID W pracy [73] przedstawiono różne sposoby poprawy jakości działania regulatorów PID poprzez zastosowanie kilku wersji ograniczenia wyjściowego sygnału sterującego. Ograniczenia tego typu stosowane są 148 S t r o n a

149 w przemysłowych układach regulacji, głównie z uwagi na działanie członu całkującego w obecności ograniczeń sygnałów w sterowanym procesie. Ograniczenia te wynikają również, a może przede wszystkim z uwagi na istnienie nieliniowości (czasami nawet dużych) w elementach wykonawczych. Przy dużych odchyłkach regulacji (błędach regulacji) względnie przy szybkich zmianach odchyłki regulacji sygnał wyjściowy regulatora może przekroczyć te ograniczenia. Jeżeli regulator posiada część całkową, to może wystąpić dodatkowe zjawisko nasycenia polegające na tym, że po osiągnięciu przez sygnał wyjściowy urządzenia wykonawczego jednego ze skrajnych położeń, sygnał ten nawet po zmianie znaku odchyłki regulacji przez pewien czas nie zmienia się. Powoduje to pogorszenie jakości regulacji, a w niektórych przypadkach może doprowadzić do niestabilności układu regulacji. By temu zapobiec koryguje się działanie regulatora po przekroczeniu przez jego sygnał wyjściowy ograniczeń narzuconych przez urządzenie wykonawcze. Korekcję taką realizuje się przez zastosowanie różnych sposobów ograniczenia sygnału wyjściowego regulatora. Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego a) b) c) d) e) f) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego: schematy blokowe Układ ten ma tę wadę, że nie wpływa na udział sygnału z całki (u i) nie ogranicza go, co może oznaczać, że w chwili, gdy sygnał błędu trwa długo, wtedy składowa całkowa może być bardzo duża. Wtedy regulator może nie zauważyć, kiedy tak naprawdę sygnał błędu zacznie maleć. Ten mały błąd musiałby trwać dostatecznie długo, żeby składowa całkowa obniżyła swoją wartość do odpowiedniego poziomu. 149 S t r o n a

150 a) b) c) f) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego: odpowiedzi skokowe regulatorów PI (regulatory z rysunku 1.25) Błąd, który pojawia się w czasie rozruchu układu sterowania trwa dłużej, a dodatkowo w układzie całkowane są przeregulowania. Regulator PID z ograniczeniem akcji całkującej Dobrym na początek rozwiązaniem może być układ, w którym poza ograniczeniem całości sygnału sterującego stosowane jest drugie, nałożone jedynie na wynik obliczeń w torze akcji całkującej. Na poniższym rysunku zaprezentowano schemat blokowy takiego rozwiązania wraz z przykładową odpowiedzią skokową regulatora PI. Dodatkowo, dla uproszczenia na kolejnych schematach blokowych element nasycenia oznaczono symbolem Sat natomiast blok inercyjny pierwszego rzędu symbolem Filter. (Ustawienie stałej czasowej bloku Filter na wartość równą 0 równoznaczne jest brakowi tego bloku). 150 S t r o n a

151 a) b) c) d) e) f) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego oraz sygnału składowej całkowej: schematy blokowe Regulator PID z dynamicznym ograniczeniem akcji całkującej Ograniczenie akcji całkującej w identycznych granicach, jak ma to miejsce dla całości sygnału sterującego wydaje się rzeczywiście rozwiązaniem najprostszym a zarazem najbardziej oczywistym. W sytuacji, gdy zależy nam na poprawie jakości działania regulatora PID interesującym rozwiązaniem może być układ regulatora PID, w którym zakres ograniczenia akcji różniczkującej wyznaczany jest dynamicznie w każdym kroku sterowania. Dynamiczna wartość ograniczenia sygnału składowej całkowej (wynik obliczeń realizowanych przez blok SatDyn) wyznaczana jest z poniższych zależności: ui min ( t) umin ( t) u p ( t) ud ( t) ui max ( t) umax ( t) u p ( t) ud ( t) (7.20) 151 S t r o n a

152 Wyznaczenie schematu blokowego dla regulatora PID z dynamicznym ograniczeniem akcji całkującej o transmitancjach (7.3) oraz (7.15) wymaga przekształcenia do postaci: 1 1Tds T d 1 1 R6 ( s) Kc 1 Kc 1 Td s T T (7.21) is d T Td 1 i Ti s s 1 s N N a) b) c) f) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego oraz składowej całkowej: odpowiedzi skokowe regulatorów PI (regulatory z rysunku 1.15) a) b) c) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego oraz dynamicznym ograniczeniem sygnału składowej całkowej: schematy blokowe Na rysunku kolejnym przedstawiono odpowiedzi regulatorów PI (z rysunku powyżej) na zmianę wartości błędu regulacji. 152 S t r o n a

153 a) b) c) Rys Regulator PID z ograniczeniem sygnału wyjściowego oraz dynamicznym ograniczeniem składowej całkowej: odpowiedzi regulatorów PI Regulator PID z zatrzymaniem całkowania Funkcja SwOn wprowadzona do opisywanego w niniejszym rozdziale regulatora ma za zadanie zatrzymać obliczenia akcji całkującej, gdy sygnał sterujący znajduje się w określonym przedziale wartości min,max. Funkcja SwOn działa zgodnie z algorytmem, danym niniejszymi równaniami: 0,min we2 ( t) max wy() t (7.22) we1 ( t), we2 ( t) min lub we2 ( t) max 153 S t r o n a

154 a) b) c) Rys Regulator PID z zatrzymaniem całkowania: schematy blokowe a) b) c) Rys Regulator PID z zatrzymaniem całkowania: odpowiedzi regulatorów PI na zmiany e(t) 154 S t r o n a

155 Regulator PID z ograniczeniem całkowania dla dużych wartości uchybu regulacji Jednym ze sposobów ograniczenia całkowania, a przez to zniwelowanie niebezpiecznego wpływu niestabilnej pracy akcji całkującej może być zatrzymanie (wyłączenie) całkowania dla ekstremalnie dużych (niskich/wysokich) wartości sygnału uchybu regulacji. a) b) c) Rys Regulator PID z wyłączeniem całkowania dla ekstremalnych wartości uchybu regulacji: schematy blokowe a) b) c) Rys Regulator PID z wyłączeniem całkowania dla ekstremalnych wartości uchybu regulacji: odpowiedzi regulatorów PI na zmiany e(t); e max = S t r o n a

156 Za wyznaczenie warunku, dla którego sygnał będzie/nie będzie całkowany odpowiada blok funkcyjny SwOff, którego działanie opisują równania: we( t),min we( t) max wy() t 0, we( t) min lub we( t) max Zagadnienie implementacji członów dynamicznych w dziedzinie operatora z -1 (7.23) Przekształcanie transmitancji operatorowej w dziedzinie operatora s do postaci dyskretnej układu ciągłego, w dziedzinie czasu dyskretnego k, lub też inaczej kt, gdzie p T oznacza przyjęty do obliczeń p czas próbkowania zostanie przybliżone w niniejszym podrozdziale, z zastosowaniem do wybranego prostego przykładu. Przekształcenie do postaci dyskretnej układu ciągłego zostanie zaprezentowane na przykładzie dwóch najpopularniejszych podstawień: oraz s s 1 z T p 1 (7.24) 21 z T 1 z p 1 (7.25) Podstawienie (7.24) nazywa się podstawieniem Eulera [literatura], natomiast podstawienie (7.25) opisuje tak zwaną transformację bilinearną. Podstawiając: Można zapisać: oraz 1 1 q z (7.26) 1 q s (7.27) T p 21 q s (7.28) T 1 q p Operator q, nazywany operatorem przesunięcia w tył działa tak, że biorąc k-tą próbkę sygnału i mnożąc przez operator uzyskujemy w rezultacie wartość k 1 próbki, sygnału, przykładowo: qx[ k] x[ k 1] (7.29) Procedura przekształcania układu ciągłego do postaci dyskretnej zostanie omówiona na przykładzie prostych elementów dynamicznych. Po przekształceniu zostanie zaprezentowana implementacja przekształconych transmitancji do postaci kodu bloków funkcyjnych napisanych z użyciem języka ST języka tekstowego wysokiego poziomu znanego ze sterowników programowalnych. Element inercyjny pierwszego rzędu k m G s (7.30) 1 Ts Podstawiając (7.24) do (7.30) można zapisać: 156 S t r o n a

157 G 1 1 km 1 1 z z we1 z 1T T p wy z (7.31) Co po podstawieniu (7.26) oraz przekształceniu zapisać można jako: wy 1 q T k we q qwy q m 1 1 Tp T 1 T p (7.32) Przechodząc do dziedziny czasu dyskretnego: 1 wy k k we k m T wy k Tp T 1 T p (7.33) Wzór (7.33) może stanowić wprost podstawę implementacji algorytmu bloku funkcyjnego, którego dynamiczne działanie opisuje transmitancja (7.30). Kod implementacji bloku funkcyjnego w języku ST zamieszczono poniżej. (* obliczenie nowej wartości wyjścia *) wy1 := (km * we1 + (T/Tp) * temp_wy1)/(1 + (T/Tp)); (* zapamiętanie poprzedniej wartości wyjścia bloku funkcyjnego do obliczeń *) temp_wy1 := wy1; Z kolei podstawiając do (7.30) wyrażenie (7.25) można zapisać Co po podstawieniu (7.26) zapisać można jako: G wy 1 1 km 2 2 z z we 1 2 z T T 1 p 1 z G 2 q z q k wy m 2 21 q 1T we2 q T 1 q p (7.34) (7.35) Po przekształceniach (7.35) można przedstawić w formie równania: 2T wy2 q q q kmwe2 q q T p wy 2 q 2T km we q qwe q qwy q T p 2T 1 T p (7.36) Przechodząc do dziedziny czasu dyskretnego: 157 S t r o n a

158 2T km we2[ k] we2[ k 1] 1 wy2[ k 1] T p wy2[ k] 2T 1 T p (7.37) Wzór (7.37) może również, analogicznie do (7.33) stanowić podstawę implementacji algorytmu bloku funkcyjnego, którego dynamiczne działanie opisuje transmitancja (7.30). Kod implementacji bloku funkcyjnego w języku ST zamieszczono poniżej. (* obliczenie nowej wartości wyjścia *) Wy2 := (km * (we2 + temp_we2) (1 2 * (T/Tp)) * temp_wy2)/(1 + 2 * (T/Tp)); (* zapamiętanie poprzednich wartości wejścia/wyjścia bloku funkcyjnego do obliczeń *) temp_we2 := we2; temp_wy2 := wy2; Interfejs bloku funkcyjnego inercji pierwszego rzędu (7.30) przy podstawieniu (7.24), FUNCTION_BLOCK lag1ord_01 (* Inercja pierwszego rzędu - podstawienie (6.1) *) VAR_INPUT we1 : REAL; (*wejście bloku funkcyjnego*) km : REAL; (*wzmocnienie*) Tp : REAL; (*czas próbkowania [s]*) T : REAL; (*stała czasowa [s]*) END_VAR VAR_OUTPUT wy1 : REAL; (*wyjście bloku funkcyjnego*) END_VAR VAR temp_wy1 : REAL := 0.0; (*tymczasowa wartość wyjścia z poprzedniego cyklu obliczeń*) END_VAR END_FUNCTION_BLOCK oraz implementacja tego bloku zgodnie ze wzorem (7.33): FUNCTION_BLOCK lag1ord_01 (*obliczenie nowej wartości wyjścia*) wy1 := (km * we1 + (T / Tp) * temp_wy1) / (1 + (T / Tp)); (*zapamiętanie poprzedniej wartości wyjścia bloku funkcyjnego do obliczeń*) temp_wy1 := wy1; END_FUNCTION_BLOCK Z kolei interfejs bloku funkcyjnego inercji pierwszego rzędu (7.30) przy podstawieniu (7.25) wygląda następująco: FUNCTION_BLOCK lag1ord_02 (*Inercja pierwszego rzędu - podstawienie (6.2)*) VAR_INPUT we2 : REAL; km : REAL; Tp : REAL; T : REAL; END_VAR VAR_OUTPUT wy2 : REAL; END_VAR VAR (*wejście bloku funkcyjnego*) (*wzmocnienie*) (*czas próbkowania [s]*) (*stała czasowa [s]*) (*wyjście bloku funkcyjnego*) temp_wy2 : REAL := 0.0; (*tymczasowa wartość wyjścia z poprzedniego cyklu obliczeń*) temp_we2 : REAL := 0.0; (*tymczasowa wartość wejścia z poprzedniego cyklu obliczeń*) END_VAR END_FUNCTION_BLOCK 158 S t r o n a

159 zaś implementacja FUNCTION_BLOCK lag1ord_02 (* obliczenie nowej wartości wyjścia *) wy2 := (km * (we2 + temp_we2) - (1-2 * (T/Tp)) * temp_wy2)/(1 + 2 * (T/Tp)); (* zapamiętanie poprzednich wartości wejścia/wyjścia bloku funkcyjnego do obliczeń *) temp_we2 := we2; temp_wy2 := wy2; END_FUNCTION_BLOCK Przykład. Prosty regulator PID Na rysunku poniżej zaprezentowano strukturę prostego regulator PID, który posłuży za przykład implementacji ciągłego układu dynamicznego w postaci dyskretnej, realizowalnej następnie w cyfrowym urządzeniu sterującym czasu rzeczywistego. Rys Przykład regulatora PID Na rysunku przedstawiono regulator o transmitancji 1 R1 s Kc Tds Ts (7.38) i Pierwsza z dwóch implementacji bazować będzie na podstawieniu Eulera Sygnał błędu regulacji dany jest równaniem Przechodząc do dziedziny operatora q s 1 z T p 1 (7.39) e s x s x s (7.40) zad e q x q x q (7.41) zad A następnie do czasu dyskretnego Składowa proporcjonalna e k x k x k (7.42) P11 zad c u s K e s (7.43) P11 c u q K e q (7.44) u k K e k (7.45) P 11 c 159 S t r o n a

160 Składowa całkowa 1 ui11 s e s Ts (7.46) Przechodząc do dziedziny operatora q a następnie upraszczając wyrażenia i 1 Tp Tp ui11 q eq eq e q 1 q T Ti 1q Ti Ti q i T Tp ui11 q e q T T q ui11 qti Ti q Tpeq i Ti ui11 q Ti qui11 q Tpe q T u q e q 11 p qu q I11 I Ti p i (7.47) Można doprowadzić do postaci opisu składowej całkowej w dziedzinie czasu dyskretnego T u k e k u k p (7.48) I11 I11 1 Ti Składowa różniczkowa D11 d u s T se s (7.49) 1 q ud 11 q Td e q T (7.50) T ud 11 q e q qe q T p d (7.51) T u k e k e k p d (7.52) D11 1 Tp Sygnał wyjściowy z regulatora stanowi sumę składowych sygnałów sterowania Zaś w dziedzinie czasu dyskretnego u s u s u s u s (7.53) 11 P11 I11 D11 u k u k u k u k 11 P11 I11 D11 Tp Td Kcek ek ui11 k 1 ek ek 1 T T (7.54) i p akcja proporcjonalna akcja akcja calkujaca rozniczkujaca Drugi rodzaj implementacji bazować będzie na transformacji bilinearnej s 21 z T 1 z p 1 (7.55) Przeprowadzając przekształcenia i podstawienia analogiczne do (7.40) (7.52) można zapisać następujące zależności opisujące poszczególne składowe oraz całkowity sygnał sterowania jako S t r o n a

161 P12 c u k K e k T u k e k e k u k p 1 I 1 I Ti 2T u k e k e k u k d 1 D 1 D12 12 Tp (7.56) Co w dziedzinie czasu dyskretnego daje następujące równanie sygnału sterującego u k u k u k u k 12 P12 I12 D12 Tp 2Td Kcek ek ek 1 ui12 k 1 ek ek 1 ud 12 k 1 (7.57) 2T T i p akcja proporcjonalna akcja akcja calkujaca rozniczkujaca Powyższe równania mogą następnie w prosty sposób zostać zaimplementowane w bibliotece regulatorów sterowników programowalnych, np. z zastosowaniem języka Structured Text, opisanego w normie IEC Wybrane regulatory PID, zaprezentowane powyższym podrozdziale zostały zaimplementowane w dostarczonej w ramach raportowanego projektu bibliotece programowej oprogramowania Matlab/Simulink. Dzięki temu użytkownicy będą mogli skorzystać z przedstawionej w niniejszym raporcie wiedzy Opracowanie stanowiska do badań symulacyjnych algorytmów sterowania napędami elektrycznymi w obrabiarkach CNC Niniejszy fragment raportu w całości poświęcony jest omówieniu opracowanych w ramach raportowanego projektu narzędzi programowych, dzięki którym możliwe jest prowadzenie badań symulacyjnych nad nowymi rozwiązaniami algorytmów regulacji napędami zespołów posuwowych obrabiarek. W kolejnych podrozdziałach omówiono opracowane narzędzia do symulacji i kosymulacji komputerowej części konstrukcyjnej modeli dynamicznych zespołów posuwowych, następnie części sterującej oraz wykonawczej, by pod koniec rozdziału przedstawić wyniki i możliwość utylizacji do badań symulacyjnych modeli opracowanych w drodze eksperymentu identyfikacyjnego omówionego w opisie Zadania 1 raportu Model części mechanicznej zespołu posuwowego obrabiarki Implementacja części mechanicznej modelu zespołu posuwowego obrabiarki z napędem śrubowym kulowo-tocznym z silnikiem obrotowym PMSM została przeprowadzona w warunkach symulacyjnych dla modelowego obiektu, jakim jest w tym przypadku uproszczona konstrukcja osi posuwu z napędem śrubowym kulowo-tocznym. Pierwszy z zawartych na załączonym do raportu nośniku USB model opracowany został w środowisku Matlab/Simulink z zastosowaniem metody sztywnych elementów skończonych. Modelowanie MDS zespołu posuwowego Na rysunku poniżej przedstawiono widok modelu Matlab/Simulink modelu MDS zespołu posuwowego z napędem śrubowym kulowo-tocznym. 161 S t r o n a

162 20 Me x' = Ax+Bu y = Cx+Du P I fw omega w sila skrawania skok skok -skok xn P(t) xn vn P II Fn x v Fn x v delta x delta v Rys Ogólny widok modelu MDS zespołu posuwowego 162 S t r o n a

163 P(t) 1 vn 3 xn 2 1/m przyspieszenia h*v 1 s predkosci 1 s przemieszczenia k*x nieliniowe k i h k h xn 2 x 3 v 1 Fn Rys Widok podukładu II modelu MDS zespołu posuwowego 1 xn (kpn*u)/(kpn+u) 1 k 1/u ws Fcn1 Add2 Fcn Gain ls Constant Ts Gain3 (hpn*u)/(hpn+u) Fcn2 2 h Rys Podukład odpowiedzialny za wyliczanie nieliniowej funkcji sztywności i tłumienia 163 S t r o n a

164 Zaprezentowany tutaj model symulacyjny zamieszczono na załączonym do raportu nośniku USB. Model analityczny, zawarty w bibliotece załączonej do raportu Implementację modelu analitycznego osi posuwu, zaimplementowany w ramach biblioteki Matlab/Simulink załączonej do niniejszego raportu opisano w podrozdziale poświęconym zawartości załączonej biblioteki, pod koniec opisu raportowanego Zadania. Modelowanie fizyczne w środowisku LMS.Amesim Środowisko programowe LMS.AmeSim jest jednym z najnowocześniejszych współcześnie narzędzi służących do symulacji wielodomenowych (mechatronicznych). Dzięki bogatym bibliotekom komponentów mechanicznych, hydraulicznych, elektrycznych, umożliwia budowanie złożonych modeli w stosunkowo krótkim czasie. Na rysunku poniżej zamieszczono przykładowy prosty model konstrukcji zespołu posuwowego z napędem śrubowym kulowo-tocznym Rys Model części mechanicznej zespołu posuwowego z napędem śrubowym kulowo-tocznym Kosymulacja komputerowa ze środowiskiem Matlab/Simulink Dzięki nowym funkcjom oprogramowania LMS.AmeSim możliwa jest realizacja obliczeń numerycznych w tzw. trybie kosymulacji jednoczesnych obliczeń prowadzonych w dwóch programach komputerowych. Na rysunku 7.27 zaprezentowano model uzupełniony o bloki, dzięki którym możliwe będzie wykorzystanie go w symulacji komputerowej w oprogramowaniu Matlab/Simulink. Rys Model części mechanicznej LMS.Amesim uzupełniony o interfejs kosymulacyjny Po przeprowadzeniu poprawnej konfiguracji środowiska Windows, zgodnie z przedstawionymi w dokumentacji oprogramowania LMS.AmeSim informacjami, możliwa jest kompilacja s-funkcji, dzięki której wraz z interfejsem oprogramowania LMS.AmeSim dla Simulink (patrz rysunek 7.29) będzie możliwe stworzenie modelu symulacyjnego zawierającego algorytm sterowania modelem dynamicznym z rysunku Model taki zaprezentowano na rysunku S t r o n a

165 Rys Biblioteka AmeSim Interfaces dla Simulink Rys Model LMS.Amesim zaimplementowany w środowisku Matlab/Simulink Zaprezentowane w niniejszym podrozdziale modele zamieszczono na załączonym do raportu końcowego nośniku USB. W kolejnym podrozdziale przybliżono zagadnienie automatycznego generowania modeli wielomasowych do programu Matlab/Simulink, na podstawie złożeń CAD konstrukcji obrabiarki. 165 S t r o n a

166 Zastosowanie złożeń SolidWorks podczas prac nad algorytmami regulacji Od niedawna Firma Mathworks w ręce swoich użytkowników przekazała nowy przybornik (SimMechanics), dzięki któremu modelowanie i symulacja układów wielomasowych (wielobryłowych) jest stosunkowo prosta. Funkcjonalność przybornika rozszerza dodatek SimMechanics Link for SolidWorks, dzięki któremu możliwe jest wyeksportowanie złożenia opracowanego w środowisku SolidWorks do modelu Simulink, wraz z elementami wizualizacji w plikach STL. Rys Model obrabiarki VC600 z napędami konwencjonalnymi (napęd śrubowy kulowo-toczny) 166 S t r o n a

167 Rys Model obrabiarki VC600 z napędami bezpośrednimi z silnikami liniowymi Opracowanie projektu uproszczonych modeli konstrukcyjnych modułów posuwu obrabiarki w osiach X-Y w oprogramowaniu SolidWorks było pierwszym krokiem realizacji procedury, umożliwiającej prowadzenie bardzo zaawansowanych analiz nowych algorytmów regulacji napędów układów posuwowych, zarówno w rozwiązaniu z silnikami obrotowymi oraz napędem śrubowym kulowo-tocznym, ale również z zastosowaniem technologii napędu bezpośredniego z silnikami liniowymi. Oprogramowanie SimMechanics Link umożliwiło podjęcie wątku, jakim jest zastosowanie modeli CAD (w tym przypadku złożeń oprogramowania SolidWorks). Na rysunku 7.33 zamieszczono model obrabiarki VC600 z napędem śrubowym posuwu, wygenerowany z zastosowaniem SimMechanics Link for SolidWorks dla oprogramowania Matlab/Simulink w wersji 2010b. Dla czytelności modelu zaimplementowano na potrzeby rysunku sterowanie tylko w osi X. Na rysunku 7.34 przedstawiono model bryłowy SimMechanics korpusu obrabiarki VC600 firmy AVIA. Cały model znajduje się na załączonym nośniku danych USB. Uwaga. Ponieważ modele zawierają odwołania do plików STL, których nazwy zawierają polskie znaki, należy najpierw uruchomić następujące komendy z linii komend Matlab: >> bdclose all, a następnie >> slcharacterencoding('windows-1252'). Dodatkowo, należy dodać podkatalog STL do ścieżki Matlaba, aby można było wyświetlać pliki konstrukcyjne złożenia podczas symulacji modelu Simulink. 167 S t r o n a

168 Actual position [mm] Reference position [rev ] Trajectory generation 0 Additive speed 0 Additive torque Reference position [rev ] ictrl_isq_ref [A] Add speed Actual position [mm] Add trq Drive control system ictrl_isq_ref [A] Torque [Nm] Torque control and motor 0 M_ref_Y 0 M_ref_Z MnZ_0 [Nm] Add MnX to body M_ref_X [Nm] MnY to body M_ref_Y [Nm] MnZ to body M_ref_Z [Nm] Body Actuator X [Nm] Body Actuator Y [Nm] Body Actuator Z [Nm] Mn_X Mn_Y Mn_Z SNS25-08-CG (X) SNS25-11-CG (X) SNS25-10-CG (X) SNS25-12-CG (X) SNS25-07-CG (Y) SNS25-09-CG (Y) SNS25-04-CG (Y) SNS25-06-CG (Y) SNS25-03-CG (Z) SNS25-02-CG (Z) SNS25-05-CG (Z) SNS25-01-CG (Z) VC600 - ballscrew Rys Kompletny model obrabiarki VC600 z napędem śrubowym sterowanie osią X posuwu 168 S t r o n a

169 SNS25-3 SNS25-2 Conn1 Conn2 9 SNS25-03-CG (Z) Body Sensor8 THK Z-1 nut Z SNS25-5 SNS25-1 Conn4 Conn5 10 SNS25-02-CG (Z) Body Sensor9 Conn1 SNS25-3-CG SNS25-2-CG Wrzeciennik 11 SNS25-05-CG (Z) Body Sensor10 do podstawy Conn2 THK Z-2 SNS25-5-CG Kolumna Conn4 SNS25-1-CG Kolumna -> Wrzeciennik 12 SNS25-01-CG (Z) Body Sensor11 screw Z Podstawa (820 kg) Kolumna THK Y-1 do podloza THK Y-2 Oprawa 1-2 Oprawa 1-1 Mn_Z Sruba toczna os Z 3 Mn_Z SNS25-8 SNS25-11 THK X-1 SNS25-10 SNS25-12 CS2 CS4 CS3 CS5 nut X 1 SNS25-08-CG (X) Body Sensor4 2 SNS25-11-CG (X) Body Sensor5 Stand Oprawa 1-3 SNS25-8-CG SNS25-11-CG THK X-2 Stol (125 kg) 3 SNS25-10-CG (X) Body Sensor6 Podstawa THK Y-1 SNS25-7 SNS25-9 SNS25-4 SNS25-6 Conn2 Conn5 Conn6 Conn8 Conn1 Conn3 Conn7 Conn9 nut Y SNS25-10-CG SNS25-12-CG Loze -> Stol Oprawa 1-4 screw X Oprawa 1-6 Mn_X Sruba toczna os X 4 SNS25-12-CG (X) Body Sensor7 1 Mn_X SNS25-7-CG SNS25-9-CG THK Y-2 SNS25-4-CG SNS25-6-CG Podstawa - Loze Loze (180 kg) 5 SNS25-07-CG (Y) Body Sensor 6 SNS25-09-CG (Y) Body Sensor1 SNS25-04-CG (Y) Body Sensor2 7 Oprawa 1-2 screw Y Oprawa 1-3 Mn_Y Sruba toczna os Y 2 Mn_Y SNS25-06-CG (Y) Body Sensor3 8 Rys Model korpusu obrabiarki VC600 z napędem śrubowym Analogicznie do 7.34, opracowano model symulacyjny korpusu obrabiarki VC600 z napędem bezpośrednim w postaci synchronicznych silników liniowych. Na rysunkach 7.35oraz 7.36 zaprezentowano wizualizacje trójwymiarowe modeli bryłowych, które są prezentowane podczas obliczeń, jeżeli dla danego komponentu modelu dostępny jest (tutaj w podkatalogach o nazwie STL) model *.STL, wyeksportowany podczas generowania modelu z użyciem przybornika SimMechanics Link for Simulink. 169 S t r o n a

170 Dzięki tej funkcjonalności możliwe jest np. nagranie filmiku w formacie *.AVI podczas realizacji obliczeń symulacyjnych. Rys Wizualizacja trójwymiarowa modelu symulowanego z zastosowaniem środowiska Simulink i wygenerowanego do plików STL złożenia konstrukcji obrabiarki VC600 napęd śrubowy kulowo-toczny Rys Wizualizacja trójwymiarowa modelu symulowanego z zastosowaniem środowiska Simulink i wygenerowanego do plików STL złożenia konstrukcji obrabiarki VC600 napędy liniowe 170 S t r o n a

171 CS3 CS4 CS5 CS6 CS7 CS2 CS8 CS9 CS10 CS11 CS12 CS13 Podstawa_mod01-1 RootPart Weld44 RootGround Conn1 Conn2 Conn3 Conn4 Conn1 Conn2 Conn3 Conn4 Conn5 Conn6 Podstawa -> Loze Conn1 Conn2 Conn3 Conn4 Uzw.wtorne Y Conn1 Uzw.wtorne X Conn1 Conn2 Przekladki CS3 CS4 CS5 CS2 CS6 Stol VC 760_mod1-1 SX6 SX5 SY4 SY3 SY2 SY1 Silniki X Silniki Y FX6 FX5 FY4 FY3 FY2 FY1 2 Fx6 1 Fx5 6 Fy4 5 Fy3 4 Fy2 3 Fy1 B F CS3 CS2 B F Env Odbojniki CS7 CS2 CS3 CS8 CS4 CS9 CS5 CS10 CS11 CS6 CS12 Loze VC 760_mod01-1 Conn2 Conn1 Conn3 Conn5 Conn4 Conn6 Loze -> Stol SX6 Ply ta_gorna SX5 Mocowanie silnikow X Prawa SY4 SY3 SY2 Lewa SY1 Mocowanie silnikow Y Weld Rys Model korpusu obrabiarki VC600 z napędem bezpośrednim z silnikami liniowymi 171 S t r o n a

172 Model części elektrycznej zespołu posuwowego obrabiarki W niniejszym podrozdziale raportowanego projektu zawarto informacje nt. modeli symulacyjnych cyfrowego serwonapędu, zaimplementowanych w oprogramowaniu Matlab/Simulink. Na początku jednak zostanie przybliżona tematyka architektur cyfrowych serwonapędów od strony funkcjonalnej. W ramach Zadania 6 raportowanego projektu skupiono się na cechach i właściwościach architektury od strony sprzętowej. Architektura cyfrowego serwonapędu ACOPOS firmy Bernecker&Rainer Na rysunku 7.38 zaprezentowano ogólną kaskadową strukturę komponentów sterowania cyfrowego serwonapędu firmy B&R. Jest to dość typowa architektura. Dzięki bogatej dokumentacji technicznej użytkownicy mogą pozyskać szeroką wiedzę na temat tego, jak stroić nastawy regulatorów poszczególnych stopni (regulatora położenia/pozycji, prędkości i prądu), jak również jak dobrać odpowiednią jednostkę mocy do projektowanej aplikacji. Rys Ogólna struktura serwonapędu cyfrowego ACOPOS Dzięki materiałom i modelom symulacyjnym komponentów składowych serwonapędu, dostarczonym zespołowi realizującemu raportowany projekt w ramach współpracy przez Firmę, możliwe było opracowanie własnego środowiska symulacyjnego (rysunek 7.39), emulującego zachowanie serwonapędu ACOPOS w dość wierny sposób, głównie w zakresie czasów wykonywania obliczeń w poszczególnych stopniach kaskadowego układu regulacji. Ważne jest, że struktura układu regulacji przedstawiona na rysunku 7.39 została następnie użyta do opracowania środowiska szybkiego prototypowania falownika dwuosiowego, zaprojektowanego i wykonanego w oparciu o kartę dspace DS1104, w ramach prac nad Zadaniem 6. Na rysunkach od 7.40 do 7.44 przedstawiono szczegółowo strukturę cyfrowego serwonapędu ACOPOS firmy B&R opracowaną w oparciu o materiały informacyjne, zawarte w systemie pomocy oprogramowania Automation Studio, jak również w oparciu o materiały udostępnione nieodpłatnie przez Firmę. Implementacja struktury cyfrowego serwonapędu w oparciu o schematy od 7.40 do 7.44 może być w przyszłości interesującym wątkiem do podejmowania w ramach prac magisterskich na kierunku Automatyka i Robotyka, lub w ramach większych projektów studenckich. Dzięki dostępności tychże modeli serwonapędów w ramach zajęć dydaktycznych studenci mogliby w sposób bezpieczny trenować ustawienia parametrów serwonapędów, następnie potwierdzając swoje obliczenia w warunkach eksperymentu praktycznego. Schematy te z punktu widzenia raportowanego projektu są wartością dodaną, albowiem nie było celem projektu wierne odtwarzanie żadnej z wybranych architektur cyfrowego serwonapędu, a umożliwienie prowadzenia innowacyjnych badań z obszaru implementacji nowych algorytmów sterowania. 172 S t r o n a

173 [sgen_cycle] [ff_ctrl] [pctrl_pi] -T- [ref_gen] 3 pos_act[rad] Trigger() In1 Out1 SPF Trigger() sgen_s_set [units] pos[rad] pos ADC encoder AC120 SCTRL PCTRL FeedForward (Velocity) Trigger() pctrl_s_set [units] pctrl_s_act [units] Position Controller v_soll lag_error T7 T6 4 sctrl_speed_ref {Hz] [fctrl_ratio] feed_forward Trigger() sctrl_speed_ref [Hz] sctrl_speed_act [Hz] isq_lim fctrl_ratio_flux sctrl_isq_ref [A] 5 ictrl_add_trq [Nm] Trigger() ictrl_isq_ref isq_lim ictrl_isq_ref ictrl_add_trq [Nm] ICTRL_200 sctrl_add_set sctrl_speed_ref_sum [get_pos] Speed Controller Trigger() encodx_s_act_filter [units] [get_enc_speed] 2 udc [UDC] posadc encodx_s_act [units] Geber-Interface pos ADC [omegas] Trigger() speed act pos ADC omegas rho omegamr get_enc_speed1 [RHO] 4 rho [UDC] udc_act [fct_get_flux] Trigger() fctrl_isd_ref [get_stator_curr_space_phasor] udc_filter omegas [omegas] 1 Demux is i iadc [RHO] CS_01 i iadc CS_02 i1s i2s rho Trigger() ictrl_isd_act ictrl_isq_act get_stator_curr_space_phasor [IS_DQ] [US_DQ] Demux [RHO] [get_phases_stator_voltage] Trigger() ictrl_usd_ref us1_ref ictrl_usq_ref us2_ref rho us3_ref get_phases_stator_voltage 1 us [US_DQ] Demux [IS_DQ] Demux ictrl_usd_ref ictrl_usq_ref ictrl_isd_act ictrl_isq_act fctrl_ratio_im fctrl_im_act fctrl_im_ref Flux - weak/ctrl/obsv T5 T2 [fctrl_ratio] 5 ictrl_isq_ref [A] [IS_DQ] [UDC] Demux Out1 Out2 Out3 Out4 Out5 Out6 Out7 Out8 Out9 Out10 Out11 ABLS.C [fct_get_flux] [sgen_cycle] [pctrl_pi] [ff_ctrl] [ref_gen] [ctrl_speed] [get_enc_speed] [get_pos] [get_phases_stator_voltage] [i_controller] [get_stator_curr_space_phasor] Rys Implementacja modelu dynamicznego ACOPOS Firmy Bernecker&Rainer w Simulink Current Controller ictrl_isd_ref [A] sctrl_speed_act ictrl_usq_ref [Hz] [V] 2 ictrl_usq_ref [V] udc_filter [V] [US_DQ] ictrl_isq_ref [A] ictrl_isq_act [A] ictrl_usd_ref [V] 3 ictrl_usd_ref [v] Trigger() ictrl_isd_act [A] [i_controller] 173 S t r o n a

174 Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu ACOPOS część S t r o n a

175 Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu ACOPOS część S t r o n a

176 Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu ACOPOS część S t r o n a

177 Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu ACOPOS część S t r o n a

178 Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu ACOPOS część S t r o n a

179 Komentarz do możliwości implementacji algorytmów serwonapędowych innych producentów Dostępna w dokumentacji technicznej struktura funkcjonalna serwonapędu firmy Beckhoff jest tyleż prosta, co nieczytelna Znacznie więcej informacji można wyciągnąć na podstawie oprogramowania konfiguracyjnego TwinCAT System Manager (patrz rysunek 7.45). Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu firmy Beckhoff 179 S t r o n a

180 Na rysunku 7.46 przedstawiono strukturę cyfrowego serwonapędu firmy Heidenhain, opisanego w dokumentacji technicznej systemu CNC model itnc530. Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu firmy Heidenhain Na rysunku 7.47 przedstawiono interesujące z funkcjonalnego punktu widzenia rozwiązanie firmy Mitsubishi, w którym wirtualna (modelowa) oś ruchu stanowi w algorytmie sterowania swego rodzaju wspomagający człon referencyjny. Na temat samej implementacji nie są dostępne żadne materiały źródłowe. Przedstawiona struktura została opracowana w ramach raportowanego projektu na podstawie dostępnych w konfiguracji napędu grup parametrów. Rys Szczegółowa architektura funkcjonalna serwonapędu firmy Mitsubishi W kolejnym podrozdziale przedstawiono wyniki identyfikacji modeli dynamicznych z eksperymentu opisanego w Zadaniu 1, wraz z możliwością zastosowania do prowadzenia badań symulacyjnych zespołów posuwowych obrabiarek. Podsumowując przedstawione w niniejszym podrozdziale informacje należy podkreślić, iż symulacja komputerowa wybranych architektur cyfrowych serwonapędów producentów dostępnych na rynku rozwiązań jest marnowaniem czasu, przez duże M. Głównie z tego powodu, iż każdy z producentów 180 S t r o n a

181 posiada swoje unikatowe, z reguły nieopatentowane celem ukrycia informacji technicznych rozwiązania. Jedynie w przypadku, gdy ośrodek naukowy posiada ugruntowaną współpracę z producentem serwonapędów, dzięki której ma dostęp do wewnętrznych opracowań modeli Matlab/Simulink. Tak było w przypadku przedstawionego tutaj przypadku serwonapędu Firmy Bernecker&Rainer. Dzięki wieloletniej współpracy do prac nad projektem udostępniono model dynamiczny cyfrowego serwonapędu, którego strukturę (zmodyfikowaną dla celów raportowanego projektu) przedstawiono na rysunku Modele eksperymentalne osi posuwu W literaturze spotykanych jest wiele teoretycznych metod modelowania dynamiki układu napędowego osi posuwu obrabiarek, zarówno z napędem śrubowym kulowo-tocznym jak i z napędem bezpośrednim z silnikiem liniowym. Badania nad nowymi prezentowanymi w niniejszej pracy algorytmami regulacji położenia/prędkości prowadzone były przez autora na obiektach rzeczywistych tj. stolikach X- Y z napędami obrotowymi z przeniesieniem napędu kulowo-tocznym oraz z silnikami liniowymi. Stoliki te zostały zbudowane w ramach projektów badawczych rozwojowych nr R (Metodyka projektowych obliczeń i badań nowoczesnych układów prowadnicowych obrabiarek) oraz R (Opracowanie i badania prototypu obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędami liniowymi sterowanego w dwóch osiach z układu CNC o otwartej architekturze), realizowanych przez Centrum Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Pierwszym etapem prac nad nowymi algorytmami regulacji jest zwykle identyfikacja modeli dynamicznych opisujących działanie sterowanego obiektu w tym przypadku osi posuwu w torze sterowania. W przypadku niniejszej pracy podkreślono znaczenie oraz walory praktyczne rezultatów identyfikacji z użyciem metod eksperymentalnych, poszukiwania modeli sterowanego obiektu nie w wyniku szczegółowej analizy teoretycznej, ale poprzez eksperyment praktyczny. Na rysunku poniżej przedstawiono badane (identyfikowane) obiekty. Zakłada się, iż nominalne warunki pracy dla regulatorów położenia/prędkości w osiach posuwu to praca maszyny bez przedmiotu obrabianego na stoliku. W drodze eksperymentu identyfikacyjnego, przedstawionego w opisie Zadania 1 raportowanego projektu dokonano identyfikacji modeli dynamicznych we wszystkich punktach, wskazanych na siatkach Na rysunkach 7.49, 7.50, 7.51, 7.52 przedstawiono odpowiednio wyniki identyfikacji, wraz z porównaniem uzyskanego modelu dynamicznego z danymi wyjściowymi z pomiaru, dla danych punktów siatki: dla osi X napędu śrubowego bez masy i z masą na stoliku, dla osi Y napędu śrubowego, j.p., dla osi X napędu bezpośredniego z silnikami liniowymi bez masy i z masą na stoliku, dla osi Y napędu bezpośredniego, j.p. Przyjęte na rysunkach nazewnictwo oznacza, jak poniżej: bs-nm Mxx pkt 39 pr25 (3) fit = [%] model z napędem śrubowym (bs), dla modelu bez masy na stoliku (nm), pkt39 (w danym punkcie siatki z rysunku 7.48 danego typu napędu), pr25 (model wyznaczony dla 25% wartości prądu nominalnego podczas eksperymentu opisanego w ramach raportu z Zadania 1), (3) oznacza trzeci wynik wzięty z trzech serii pomiarowych dla danych warunków pracy, fit = [%] procentowe dopasowanie uzyskanego modelu dynamicznego do danych wyjściowych, 181 S t r o n a

182 a) lm-m Myy pkt 4 pr20 (2) fit = [%] model z napędem liniowym (lm), dla modelu z masą na stoliku, pkt 4 (w danym punkcie siatki dla danego typu napędu), pr20 (model wyznaczony był dla 20% wartości prądu nominalnego podczas eksperymentu opisanego w Zadaniu 1), (2) oznacza drugi z trzech serii pomiarów, fit = (j.p.). b) Rys Schemat przestrzeni roboczej prowadzonego eksperymentu identyfikacyjnego: dla obiektu za napędem śrubowym kulowo-tocznym (a) oraz z napędem bezpośrednim z silnikami liniowymi (b) Na kolejnych rysunkach przedstawiono wyniki identyfikacji dla wybranych punktów pomiarowych: dla napędu śrubowego w osi X, punkty 39, 45 i 51 (rysunek 7.48a), osi Y, punkty 6, 45 i 84; dla napędu bezpośredniego w osi X, punkty 30, 34, 38 (rysunek 7.48b), osi Y, punkty 4, 34, S t r o n a

183 a) b) c) d) e) f) Rys Wybrane modele dynamiczne osi posuwu w torze regulacji prąd prędkość, dla napędu śrubowego kulowo tocznego w osi X, modele bez masy (a, c, e) oraz z masą na stoliku (b, d, f). 183 S t r o n a

184 a) b) c) d) e) f) Rys Wybrane modele dynamiczne osi posuwu w torze regulacji prąd prędkość, dla napędu śrubowego kulowo tocznego w osi Y, modele bez masy (a, c, e) oraz z masą na stoliku (b, d, f) 184 S t r o n a

185 a) b) c) d) e) f) Rys Wybrane modele dynamiczne osi posuwu w torze regulacji prąd prędkość, dla napędu bezpośredniego z silnikami liniowymi w osi X, modele bez masy (a, c, e) oraz z masą na stoliku (b, d, f) 185 S t r o n a

186 a) b) c) d) e) f) Rys Wybrane modele dynamiczne osi posuwu w torze regulacji prąd prędkość, dla napędu bezpośredniego z silnikami liniowymi w osi Y, modele bez masy (a, c, e) oraz z masą na stoliku (b, d, f) Zidentyfikowane modele zostały zaimplementowane w formie bloków dynamicznych biblioteki Simulink, opracowanej w ramach raportowanego projektu. 186 S t r o n a

187 Rys Widok biblioteki modeli dynamicznych zidentyfikowanych podczas Zadania 1 Koniecznym uzupełnieniem modeli są pliki danych, które znajdują się wraz z opracowaną w projekcie biblioteką: bs_x_data.mat, bs_y_data.mat, lm_x_data.mat, lm_y_data.mat Środowisko programowe do badań Hardware-in-the-Loop Badania symulacyjne w trybie Hardware-in-the-Loop [34, 38, 49, 80, 105, 107, 114, 116, 120, 126, 129, 130, 138, 139] zostały przygotowane w oparciu o sterownik programowalny serii X20 CP firmy Bernecker&Rainer. Przybornik programowy Automation Studio Target for Simulink pozwolił w efektywny sposób dokonać weryfikacji w czasie rzeczywistym działania wybranych bloków dyna- 187 S t r o n a

188 micznych, których testowanie z użyciem platformy dspace DS1104 w warunkach eksperymentu praktycznego było tylko formalnym zabiegiem. Istotną różnicą pomiędzy zastosowaniem platformy dspace a przybornika Automation Studio Target for Simulink dla sterowników B&R jest zdecydowanie krótszy czas weryfikacji algorytmów i ich modyfikacji wynika to zarówno z krótszego czasu kompilacji, ale również z wysokiego poziomu wsparcia diagnostyki wykonywania aplikacji sterujących w czasie rzeczywistym w oprogramowaniu narzędziowym Automation Studio. W opisie Zadania 6 przedstawiono opracowane w projekcie stanowisko badawcze, zgodne z podejściem on-target prototyping. Dzięki zastosowaniu cyklicznej komunikacji z zastosowaniem Ethernet Powerlink algorytmu sprawdzone najpierw w czasie rzeczywistym, w sterowniku X20CP1483, lub w dowolnym innym sterowniku tej firmy mogą być testowane w aplikacji sterowania rzeczywistą osią napędową Zastosowanie technologii VRML do wizualizacji trójwymiarowej Podczas prac nad projektem dokonano implementacji wizualizacji trójwymiarowej konstrukcji dwóch typów stołów krzyżowych X-Y, badanych w ramach raportowanego projektu. W ramach Załącznika 6.3 do raportu szczegółowo omówiono funkcje przygotowanego oprogramowania. Kody źródłowe wraz z dokumentacją zamieszczono na załączonym nośniku USB Zawartość załączonej do raportu biblioteki oprogramowania Matlab/Simulink W ramach załączonej do niniejszego raportu potencjalni użytkownicy znajdą: zestaw wybranych typów regulatorów PID, dzięki którym możliwe będzie zbudowanie własnych układów regulacji; zaimplementowano wiele sposobów poprawy jakości regulacji, m.in. z zastosowaniem algorytmów opisanych w [17, 73], model generatora trajektorii zgodnie z normą PLCopen MC [16, 47, 116, 166], blok zadawania kolejnych punktów podczas procedury symulacyjnej generuje instrukcje dla bloku MCMoveAbsolute dla kolejnych punktów [położenie_zadane, czas], model części konstrukcyjnej zespołu posuwowego z napędem śrubowym kulowo-tocznym, model części elektrycznej w postaci modelu dynamicznego silnika PMSM, zestaw modeli dynamicznych osi posuwu opracowanych w ramach eksperymentu identyfikacyjnego opisanego w Zadaniu S t r o n a

189 Regulatory PID bs_x bs_y lm_x lm_y PID Controllers modele ballscrew X modele ballscrew Y modele linear X modele linear Y RefPos [rev ] Pos [m] ParVelocity [rev /s] Direction 1 - positive, 0 - negative Ref Pos Torque [Nm] Ballscrew model Vel [m/s] ParAcceleration [rev /s2] Ts [s] PositionRef [rev ] DistanceRef [revs] MCMov eabscommand RefPositionsTemplate CutForce [N] MotorLoad [Nm] MotorAngle [rad] BallscrewModel ActPosition [rev ] uq [V] iq [A] MCMov eabsolutecmd VelocityRef [rev ] id [A] MCMoveAbsolute ud [V] pos [rev ] omega [rev /s] Tload [Nm] Tel(t) [Nm] PMSM (model) Rys Widok ogólny biblioteki oprogramowania Matlab/Simulink error PID01 ctrl PID01 error PID04 ctrl PID04 ref PID07 ctrl act PID07 error umax PID10 ctrl umin PID10 error umax PID13 ctrl umin PID13 error umax umin p d PID14 ctrl PID14 error PID02 ctrl PID02 error PID05 ctrl PID05 ref PID08 ctrl act PID08 error umax PID11 ctrl umin PID11 error PID03 ctrl PID03 error PID06 ctrl PID06 error umax PID09 ctrl umin PID09 error umax PID12 ctrl umin PID12 Rys Widok zestawu regulatorów PID zaimplementowanych w środowisku Matlab/Simulink 189 S t r o n a

190 Regulatory PID PID Controllers RefPos [rev ] Pos [m] ParVelocity [rev /s] Direction 1 - positive, 0 - negative Ref Pos Torque [Nm] Ballscrew model Vel [m/s] ParAcceleration [rev /s2] Ts [s] PositionRef [rev ] DistanceRef [revs] MCMov eabscommand RefPositionsTemplate CutForce [N] MotorLoad [Nm] MotorAngle [rad] BallscrewModel ActPosition [rev ] uq [V] iq [A] MCMov eabsolutecmd VelocityRef [rev ] id [A] MCMoveAbsolute ud [V] Rys Model generatora trajektorii zgodnie z normą PLCopen MC. Implementacja bloku MCMoveAbsolute() ruch jednostajnie przyspieszony z punktu do punktu, z zerowymi prędkościami początkową i końcową pos [rev ] omega [rev /s] Tload [Nm] Tel(t) [Nm] iv e, 0 - negativ e ositionref [rev ] tanceref [revs] ( ) pozy cje PMSM (model) pos_ref erence ref_x Pos [m] [mm] Ref Pos Torque [Nm] ( ) Vel [m/s] Ballscrew model ref_time [s] MotorLoad [Nm] MCMov eabscommand CutForce [N] Clock MotorAngle [rad] RefPositionsTemplate BallscrewModel Rys Blok zadawania kolejnych punktów podczas procedury symulacyjnej iq [A] uq [V] czasy wylicz mc_mov eabsolute 1 RefPos 2 czas_akt MCMoveAbsCommand ZadanePolozeniaTemplate elocityref [rev ] id [A] ud [V] pos [rev ] omega [rev /s] Tload [Nm] Tel(t) [Nm] PMSM (model) 190 S t r o n a

191 1 MotorShaftTorque [Nm] torque input [Nm] Torque load [Nm] Rotary part of feed axis Angle [rad] du/dt Der1 du/dt Der2 vn [m/s] omega [rad/s] Screw-nut with friction Torque [Nm] CutForce [N] Pos [m] Vel [m/s] Ballscrew model MotorLoad [Nm] MotorAngle [rad] BallscrewModel Force [N] tau [Nm] Feedback 2-1 Cutting force [N] force input [N] force load [N] Linear part of feed axis position nut [m] position table [m] velocity table [m/s] 1 ToolTablePosition [m] 2 ToolTableVelocity [m/s] 3 MotorTorqueLoad [Nm] 4 MotorShaftAngle [rad] Rys Model mechanizmu napędowego śrubowego kulowo-tocznego opracowany w ramach projektu Ref Pos MCMov eabscommand RefPositionsTemplate iq [A] uq [V] id [A] pos [rev ] omega [rev /s] Tel(t) [Nm] PMSM (model) ud [V] Tload [Nm] 191 S t r o n a

192 trqin [Nm] tau [Nm] angle [rad] trqload [Nm] rot_velocity [rad/s] rot_acceleration [rad/s2] MotorShaft phi_a [rad] phi_b [rad] tau [Nm] rel_ang_disp [deg] rot_vel [rad/s] Coupler 1 f input reaction position [m] f load v elocity acceleration MAS004 position_in [m] force [N] position_out [m] SD0000 f input f load direction -1 2 Torque load [Nm] reaction position [m] v elocity acceleration MAS1 trqin [Nm] tau [Nm] angle [rad] trqload [Nm] rot_velocity [rad/s] rot_acceleration [rad/s2] BallscrewShaft Feedback torque input [Nm] -1 2 position table [m] 3 velocity table [m/s] Angle [rad] 1 a) b) Rys Część obrotowa (a) oraz część liniowa (b) modelu z rysunku 1 force input [N] position nut [m] 1 2 force load [N] 192 S t r o n a

193 coefv Gain2 Sign coul sgn(v ) Gain1 Add3 1.0/inertia Gain a [rad/s2] 1 s Integrator w [rad/s] 1 s Integrator1 2 angle [rad] 3 rot_velocity [rad/s] 4 rot_acceleration [rad/s2] 1 trqin [Nm] Add1 tau 1 tau [Nm] 2 trqload [Nm] Rys Modeli inercji z tarciem 3 rot_vel [rad/s] 1 phi_a [rad] rel rel_ang [rad] K (z-1) Ts z Discrete Derivative v rel cdamp Gain1 out_rot_displacement -1 2 phi_b [rad] stiff Gain4 Add -1 direction_of_acting 1 tau [Nm] Gain2 2 rel_ang_disp [deg] Rys Model połączenia w ruchu obrotowym (sprzęgło) 193 S t r o n a

194 1 K (z-1) position_in [m] xrel Ts z v rel rel Discrete Derivative damp Gain1 out_displacement -1 2 position_out [m] c_spring Gain4 Add -1 direction_of_acting 1 force [N] Rys Model wiązania dwóch elementów w ruchu liniowym (model wózków prowadnicowych) 1 finput 2 fload Add3 Add1 9.81*mass*sin(angle) Constant wind Gain3 Add2 coefv Gain2 multiply coul Gain1 1.0/mass Gain Abs abs(v ) u Sign sgn(v ) 1 a s v Integrator 1 reaction 1 s Integrator1 2 position [m] 3 velocity 4 acceleration Rys Model masy z tarciem w ruchu liniowym 194 S t r o n a

195 cos(alpha) sin(alpha) Geometry calc 2 omega [rad/s] 1 Gain1 1 vn [m/s] 1 Force [N] 2 tau [Nm] [rev /s] Forces calculations Force [N] Force Ft [N] Force Fn [N] tau [Nm] sin(alpha) cos(alpha) sin(alpha) vrel [m/s] v rel Fn cos(alpha) Fn calc omega [rev /s] vrelf [m/s] vn [m/s] Velocities calc Fn Fn fcn Fk Fk calc must Gain4 musl Gain5 f sticknl f slipnl dtrel Constant2 f sticknl f slipnl dtrel Ftpre v relf rdis Ft pre calc index v relf index select select out astrib Constant4 coefv Constant5 1 s Integrator rdis f sticknl f slipnl dtrel v relf astrib coef v rdis Ftcalc Ft calc1 Ft Rys Mechanizm śruba nakrętka. Widok ogólny 195 S t r o n a

196 2 ud [V] 1 uq [V] 1/lsd Product Product1 1/lsq 1/Ld (lsq/lsd)*zp (Lq/Ld)*zp -(lsd/lsq)*zp (Lq/Ld)*zp1 1/Lq -R/Ld -rs/lsd Add -flux*zp/lsq -flux*zp/lq 1 s did -> id -R/Lq -rs/lsq Add1 1 s diq -> iq Product2 flux lambda lsd-lsq Ld-Lq Add2 3 Tload [Nm] 3*zp/2 lambda1 Add3 5 Tel(t) [Nm] 1/jr 1/Jr -F/J Add4 -fc/jr 1 s dwr -> wr 1 s dphi -> phi 1/6.28 rad -> rev 1/6.28 rad/s -> rev/s 2 id [A] 3 pos [rev] 4 omega [rev/s] 1 iq [A] Pos [m] itive, 0 - negative Ref Pos Torque [Nm] Vel [m/s] Ballscrew model PositionRef [rev ] MCMov eabscommand CutForce [N] MotorLoad [Nm] RefPositionsTemplate MotorAngle [rad] BallscrewModel istanceref [revs] uq [V] iq [A] VelocityRef [rev ] id [A] ud [V] pos [rev ] omega [rev /s] Tload [Nm] Tel(t) [Nm] PMSM (model) Rys Model silnika PMSM w układzie współrzędnych d-q 196 S t r o n a

197 Na zakończenie tego rozdziału przedstawiono listę regulatorów, zaimplementowanych w załączonej do raportu bibliotece. Rys Regulator PID01 Rys Regulator PID02 Rys Regulator PID03 Rys Regulator PID04 Rys Regulator PID05 Rys Regulator PID06 Rys Regulator PID07 Rys Regulator PID08 Rys Regulator PID09 Rys Regulator PID S t r o n a

198 Rys Regulator PID11 Rys Regulator PID12 Rys Regulator PID13 Rys Regulator PID Podsumowanie Zadanie 5 raportowanego projektu było jednym z największych, biorą pod uwagę zakres prac oraz liczbę ważnych z punktu widzenia projektu wniosków. Badania symulacyjne, szeroko opisane w przytoczonych publikacjach prowadzono między innymi dla modeli, opracowanych w ramach Zadania 1 raportowanego projektu. Podsumowując, cel realizacji Zadania 5 został osiągnięty. Powstałe stanowisko do prowadzenia badań symulacyjnych wraz z pakietem niezbędnych modułów stanowi istotny dorobek projektu. Oddany w ręce użytkowników przybornik programowy dla oprogramowania Matlab/Simulink nie jest zablokowany dla celów edycji i rozbudowy umożliwiając tym samy wytwarzanie nowej wiedzy z tego obszaru, na bazie doświadczeń raportowanego projektu. Istotnie ważnym wątkiem podczas realizacji prac w ramach Zadania 5 była możliwość przetestowania działania narzędzi programowych (Mathworks SimMechanics Link for SolidWorks), służących do automatycznego generowania kodu modelu oprogramowania Matlab/Simulink na podstawie złożenia modelu bryłowego opracowanego w środowisku CAD SolidWorks. 198 S t r o n a

199 8. Zadanie 6. Budowa stanowiska do badań inteligentnego modułu wykonawczego Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Urbański Ł., Majda P., Pietrusewicz K., Badania doświadczalne właściwości dynamicznych napędu posuwu obrabiarki CNC, Mechanik, Nr 3, 2010, s [164], F.9 raportu 2. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 3. Bonisławski M., Hołub M., Effects of space vector modulation strategy on hybrid (Si-SiC) inverter losses, Archives of Electrical Engineering, Vol. 61(1), 2012, s [13], F.22 raportu 4. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 5. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 199 S t r o n a

200 Podstawowym elementem aplikacji sterowania ruchem w układzie napędowym jest, poza odpowiednią konfiguracją i parametryzacją poszczególnych osi napędowych, program sterowania, wykonywany przez jednostkę centralną nadrzędnego dla napędu sterownika programowalnego. W ramach takiego programu zawarte są wszystkie komendy, za pośrednictwem których użytkownik może definiować charakter realizowanych przez silniki funkcji ruchu. Program, w którym zawarte są komendy sterowania ruchem powinien zawierać wszystkie funkcje, konieczne tak do pracy automatycznej jak i ręcznej napędu. Jest to zalecenie, a nie wymóg, jednakże z praktycznego punktu widzenia dowolnej aplikacji napędowej okazuje się, że taki sposób działania jest niezbędny. Podstawą do zapoznania się z zagadnieniem pozycjonowania w niniejszym rozdziale będzie omówienie sposobu programowania cyfrowych serwonapędów zgodnie z zaleceniami normy PLCopen Motion Control. Obecnie norma ta stanowi podstawę projektowania aplikacji pozycjonowania w cyfrowych serwonapędach niemalże wszystkich liczących się na rynku producentów. Niniejszy rozdział opisuje podstawowe koncepcje i procedury związane ze sterowaniem ruchem w układach cyfrowych serwonapędów, w jasny, przystępny dla czytelnika sposób. Celem niniejszego wprowadzenia jest również wskazanie słabości aktualnie obowiązującego podejścia w sterowaniu cyfrowych serwonapędów, jakim jest stałość nastaw regulatorów serwonapędu pomimo zmieniających się warunków pracy układu napędowego. Następnie, w drugiej części niniejszego rozdziału zostanie zaprezentowane opracowane w ramach raportowanego projektu stanowisko badawcze PLCopen Motion Control standard programowania aplikacji napędowych Liczba narzędzi inżynierskich służących do opracowania aplikacji sterowania w systemach automatyki z każdym rokiem wzrasta. Są to albo nowe wersje znanych narzędzi, albo zupełnie nowe. Zauważalny jest również galopujący rozwój techniki mikroprocesorowej, którego rezultatem są coraz bardziej wydajne jednostki centralne sterowników programowalnych. Natłok nowych technologii oraz rozwiązań producentów może nastręczać problemów projektantom aplikacji cyfrowego sterowania napędami elektrycznymi. Unifikacja aplikacji sterowania napędami maszyn jest współcześnie jednym z kluczowych zagadnień, na które muszą zwracać uwagę producenci sprzętu i oprogramowania. W przypadku programowania sterowników PLC norma IEC ujednoliciła sposoby programowania. Kolejnym krokiem było ujednolicenie w ramach standardu sposobu programowania aplikacji napędowych. Stało się to za sprawą normy PLCopen Motion Control, opracowanej przez organizację PLCopen. W ramach struktury działalności tej organizacji znaleźć można kluczowe dla automatyzacji procesów przemysłowych obszary tematyczne, do których zaliczamy: IEC Standards, MC Function Blocks, Certification, Communication, Safety, XML. Szczegółowe informacje znaleźć można na stronach internetowych Każdy z dostawców systemów automatyki, będący aktywnym członkiem organizacji PLCopen ma za zadanie dostarczać na rynek rozwiązania zgodne z przyjętymi standardami. Korzystając z narzędzi, spełniających założenia opracowanych przez PLCopen norm, użytkownicy mogą być pewni, iż zarówno interfejsy, sposoby programowania oraz instrukcje w ramach języków programowania (instrukcje, funkcje, bloki funkcyjne) są jednolite. Skutkiem tego minimalizowane są nakłady finansowe na zdobywanie przez 200 S t r o n a

201 inżynierów nowej wiedzy z zakresu sprzętu i oprogramowania, wykorzystywanych podczas uruchamiania systemów automatyki. Oczywiste jest, że obniża to koszty pracy oraz skraca czas potrzebny na szkolenie kadr inżynierskich. Hasło marketingowe, które w wolnym tłumaczeniu oznacza, że zastosowanie sprzętu i oprogramowania zgodnego ze standardami PLCopen sprawia, iż użyte sterowniki są całkowicie otwarte dla użytkownika znajduje potwierdzenie w sposobie ich programowania (w tym przypadku aplikacji sterowania serwonapędami) sprzęt zgodny z normą PLCopen Motion Control programowany jest z użyciem takich samych funkcji/bloków funkcyjnych niezależnie od tego, od jakiego producenta pochodzi. W ramach bibliotek funkcji/bloków funkcyjnych, zgodnych ze standardem PLCopen Motion Control, pochodzących od różnych producentów, znaleźć można takie funkcje jak np.: pozycjonowanie na ustalone położenie absolutne, procedura bazowania, procedura awaryjnego zatrzymania napędu. Zwykle jest również tak, że niektórzy producenci, poza blokami, opisanymi już w standardzie, udostępniają użytkownikom funkcje oraz bloki funkcyjne specyficzne dla danego rozwiązania producenta. Działanie takie zmierza jednak w pozytywnym kierunku, jakim jest wspólny rozwój standardu PLCopen MC. Nawet jeżeli któryś z producentów opracuje unikalne dla swojego sprzętu i oprogramowania funkcje, to ich interfejs i tak pozostaje w pełnej zgodności z przyjętymi w ramach normy zasadami. Do grupy funkcji standardowych zaliczamy: funkcje przygotowania napędu, jak MC_Power, MC_Home, podstawowe ruchy: na położenie absolutne, ruch relatywny o zadaną wartość przemieszczenia liniowego/kątowego, określenie statusu napędu: odczyt położenia z ekodera czy liniału pomiarowego, odczyt wartości prędkości ruchu, oraz innych parametrów podstawowych, określanie i potwierdzanie występujących w układzie błędów, funkcje sterujące uwzględniające stany wejść/wyjść w serwonapędzie, zarządzanie wybranymi parametrami osi ruchu (napędu jako całości). Do grupy funkcji standardowych, związanych z obsługą więcej niż jednej osi ruchu zaliczamy: obsługę elektronicznej przekładni, podłączania kolejnych osi ruchu z użyciem elektronicznych krzywek (tzw. profili CAM), konfiguracja i kontrola automatu profili CAM Bloki funkcyjne PLCopen Motion Control Bloki funkcyjne standardu PLCopen Motion Control zbudowane są tak, by umożliwiać tworzenie aplikacji napędowych z użyciem uniwersalnego interfejsu. Dzięki zunifikowanemu sposobowi wykorzystania poszczególnych funkcji znacznie usprawniona została analiza nawet złożonych fragmentów kodu programu. Poniżej opisano kilka najważniejszych pojęć, związanych z interfejsem bloków funkcyjnych (opis wejść/wyjść bloków). Axis Oś to unikalny identyfikator obiektu programowego, związanego z daną osią ruchu (rzeczywistą Real Axis, bądź wirtualną Virtual Axis, lub inaczej nazywaną symulowaną). 201 S t r o n a

202 Execute/Enable Jest to wejście, dzięki któremu rozpoczyna się wykonywanie kodu implementacji bloku funkcyjnego. Różnica pomiędzy blokami z wejściem Execute a takimi, które posiadają wejście Enable polega na tym, że: bloki z wejściem Execute wykonywane są po wykryciu zbocza narastającego sygnału na tym wejściu, bloki z wejściem Enable wykonywane są tak długo, jak sygnał na tym wejściu znajduje się w stanie logicznym TRUE. Rys Typowy interfejs bloku funkcyjnego PLCopen Motion Cotrol Busy Sygnał na tym wyjściu wskazuje, że związana z danym blokiem funkcyjnym akcja jest aktualnie realizowana. Potwierdza to dodatkowo fakt poprawnego zainicjowania bloku funkcyjnego. Wysoki stan logiczny wyjścia Busy wskazuje na trwanie akcji bloku. Akcja ta nie jest jeszcze zakończona. Done Informacja statusowa bloku funkcyjnego, mówiąca o poprawnym zakończeniu wykonania związanej z nim akcji. Command Aborted Stan wysoki tego wyjścia sygnalizuje fakt anulowania realizacji akcji danego bloku funkcyjnego. Spowodować może to jedynie wywołanie innego bloku funkcyjnego. Error/ErrorID Informacje, jakie pojawiają się na tych wyjściach bloków funkcyjnych PLCopen, wskazują z jednej strony na wystąpienie błędu w działaniu aplikacji, z drugiej zaś podają kod błędu, dzięki któremu możliwa jest diagnostyka aplikacji sterowania. Na kolejnym rysunku przedstawiono trzy możliwe scenariusze, jakie mogą się wydarzyć podczas pracy, na które mogą napotkać użytkownicy, tworzący aplikację sterowania napędami zgodnie z normą PLCopen Motion Control. a) prawidłowe wykonanie zadania/akcji bloku funkcyjnego. Akcja rozpoczyna się od wystąpienia zbocza narastającego sygnału na wejściu Execute. Przez czas trwania akcji związanej z blokiem funkcji wyjście Busy jest w stanie logicznym TRUE. Prawidłowe wykonanie akcji związanej z danym blokiem funkcji sygnalizowane jest stanem TRUE sygnału na wyjściu Done. 202 S t r o n a

203 Rys Poprawne zakończenie wykonywania bloku funkcyjnego PLCopen MC b) błąd podczas realizacji bloku funkcyjnego. W tej sytuacji w trakcie żądania wykonania jakiejś akcji, po jej rozpoczęciu, występuje błąd. Jeżeli wyjście Error jest w stanie wysokim (TRUE), wtedy dodatkowo na wyjściu ErrorID podawany jest numer błędu. Potwierdzenie błędu przez użytkownika (tym samym ustawienie wartości wyjścia Error na FALSE) wymaga ustawienia wejście Execute na FALSE. Rys Błąd wykonywania bloku funkcyjnego PLCopen MC c) przerwanie wykonywania komendy danego bloku funkcyjnego przez inną komendę. Jest to przypadek, w którym działanie aktualnie wykonywanego bloku funkcyjnego (Busy = TRUE) jest przerywane wywołaniem innego bloku funkcyjnego. Przykładem może być wywołanie komendy ruchu relatywnego (MC_MoveAdditive) podczas wykonywania procedury ruchu absolutnego (MC_MoveAbsolute). Rys Przerwanie wykonywania bloku funkcyjnego PLCopen MC spowodowane wywołaniem innego bloku Pomiędzy komendami (blokami funkcyjnymi) związanymi z odczytem danych statusowych napędu w danej osi ruchu i komendami służącymi do realizacji funkcji ruchu nie zachodzi żadna interakcja. Wywołanie bloków funkcyjnych jednej z grup nie powoduje przerwania wykonywania bloków funkcyjnych z drugiej grupy. Pełny zestaw bloków funkcyjnych normy PLCopen Motion Control jest dość obszerny. Bloki funkcyjne można podzielić na kilka podstawowych obszarów zastosowań: 203 S t r o n a

204 a) przygotowania napędu do pracy: MC_Power, MC_Home, b) realizacji podstawowych komend ruchu: MC_MoveAbsolute, MC_MoveAdditive, MC_MoveVelocity, MC_Stop, MC_SetOverride, c) określanie statusu napędu: MC_ReadStatus, MC_ReadActualPosition, MC_ReadActualVelocity, MC_ReadActualTorque, d) wyznaczanie i potwierdzanie statusu błędów pracy napędu: MC_ReadAxisError, MC_Reset, e) funkcje związane z parametrami osi: MC_ReadParameter, MC_ReadBoolParameter, MC_WriteParameter, MC_WriteBoolParameter Automat hybrydowy normy PLCopen Aby rozpocząć wykonywanie przez cyfrowy serwonapęd jakichkolwiek ruchów, napęd powinien zostać załączony (z użyciem komendy MC_Power ) oraz zainicjowany (ustalenie bazy początkowej programu ruchu z użyciem komendy MC_Home ). Te dwa najważniejsze dla każdej osi napędowej bloki funkcji należą do grupy funkcji przygotowujących napęd do pracy. Dopiero poprawne wykonanie przez system sterowania funkcji MC_Power pozwala przejść do procedury bazowania MC_Home. Prawidłowe (potwierdzane odpowiednim kodem słowa statusowego osi serwonapędowej) zakończenie procedury bazowania napęd gotowy jest do wykonywania ruchów roboczych. Rys Przygotowanie napędu do pracy W ramach standardu PLCopen Motion Control zdefiniowano rozmaite stany, określające działanie napędu. Stany te w graficzny sposób odzwierciedlają aktualny stan układu napędowego ruch, zatrzymanie, oczekiwanie na komendę ruchu z nadrzędnego systemu sterowania, uruchomienie i zatrzymanie synchronizowanego ruchu wielu osi napędowych. Poszczególne stany odzwierciedlają sytuację, w jakiej znajduje się dana oś ruchu: Disabled regulator napędu jest wyłączony, Standstill napęd nie wykonuje ruchu oczekuje na akcję, oś silnika utrzymywana jest w aktualnej pozycji, Homing bazowanie w przypadku enkoderów absolutnych nie wywołuje procedury ruchu w kierunku najbliższego wyłącznika krańcowego, jednakże bazowanie konieczne jest z uwagi na inicjalizację osi numerycznych, ErrorStop stan wstrzymania po wystąpieniu błędu, konieczne jest potwierdzenie wszystkich błędów, Stopping wstrzymywanie aktualnie wykonywanego ruchu, Discrete Motion ruch na zadane położenie, ruch ze zdefiniowanym punktem końcowym, Continuous Motion ruch bez określonego położenia zadanego, ruch bez punktu końcowego. Przejście pomiędzy stanami odbywa się poprzez wywołanie odpowiednich funkcji, takich jak np. MC_MoveAbsolute (ruch absolutny), czy MC_MoveAdditive (ruch relatywny w określonym kierunku). 204 S t r o n a

205 Rys Maszyna stanów PLCopen Motion Control Na rysunku 8.6 pojawia się kilka uwag: 1. w stanach Stopping, Errorstop, Disabled oraz Homing nie można wywołać żadnej z procedur ruchu. W przypadku osi rzeczywistej nie możliwe jest wykonywanie jakichkolwiek ruchów (wywoływanych z poziomu stanu Standstill), dopóki oś nie zostanie zbazowana; 2. MC_Power.Enable = TRUE z wystąpieniem błędu osi; 3. MC_Power.Enable = TRUE oraz brak błędu osi; 4. MC_Stop.Done = TRUE i MC_Stop.Execute = FALSE; 5. przy wystąpieniu MC_Home.Done = TRUE (zakończenie bazowania osi) oś powraca do stanu, z którego było wywołane bazowanie: Standstill lub Disabled; 6. Power.Enable = FALSE; 7. MC_Reset.Done = TRUE i MC_Power.Enable = TRUE oraz brak błędu osi; 8. MC_Reset.Done = TRUE i MC_Powet.Enable = FALSE lub wystąpienie błędu osi. Aby zapewnić stałą jakość pozycjonowania w każdym z możliwych trybów ruchu konieczna jest optymalizacja pracy układu regulacji napędów. Zagadnienie to jest złożone, bowiem wymaga analizy wszystkich trybów pracy napędów, wymagań stawianych napędowi w czasie ich wykonywania i opracowania procedur optymalizacji parametrów układu regulacji napędu. Ponieważ głównym celem niniejszej pracy nie jest przedstawienie szczegółowe trybów pracy i funkcji napędu, to przedstawiono jedynie dwa tryby pracy, istotne z punktu widzenia warunków pracy układu regulacji. Są to tryby ruchu dyskretnego (MC_MoveAbsolute, MC_MoveAdditive ruch na zadane położenie lub o zadany dystans) oraz ruchu ciągłego (MC_MoveVelocity ruch z zadaną prędkością). 205 S t r o n a

206 8.2. Struktury sprzętowe cyfrowych serwonapędów Rozważając podjęcie prac nad opracowaniem własnego, prototypowego rozwiązania serwonapędowego należy rozważyć aspekty funkcjonowania napędu posuwu w ramach systemu CNC. Na rysunku 8.7 przedstawiono sekwencję czynności wykonywanych w większości systemów CNC podczas działania. Gdy wszystkie urządzenia w sieci komunikacyjnej systemu komunikują się z jednostką centralną wtedy system CNC jest inicjowany: wszystkie parametry wczytywane są do odpowiednich modułów, rozpoczyna się Inicjalizacja poszczególnych osi napędowych. Polega to na sprawdzeniu czy wszystkie komponenty serwonapędu pracują prawidłowo, czy odczyt sygnałów z enkoderów i/lub innych modułów pomiarowych jest stabilny. Następnie osie są bazowane co oznacza inicjalizację jak również identyfikację położenia początkowego maszyny. Po zakończeniu czynności inicjalizacyjnych i bazowania regulatory i zasilanie osi napędowych jest załączane, zaś system CNC przechodzi w stan oczekiwania na akcję użytkownika, który może: chcieć sterować osiami posuwu w trybie ręcznym, załączyć wykonywanie programu obróbki zapisanego w formie G-kodu na dysku danych systemu CNC, bądź też przerwać aktualnie wykonywany program obróbki. Przedstawiony na rysunku 8.7 schemat funkcjonalny jest bazowym dla wszystkich systemów CNC specyficzne dla danego modelu systemu CNC funkcje czy stany rozbudowują ten schemat. Ogólna zasada działania systemu CNC włączenie zasilania sprawdzenie komunikacji inicjalizacja systemu CNC inicjalizacja poszczególnych osi ruchu zasilenie regulatorów w osiach oczekiwanie na ruch/rozpoczęcie wykonywania programu obróbki rozpoczęcie realizacji funkcji zawartych w programie zakończenie wykonywania programu obróbki obsługa maszyny w trybie pracy ręcznej wizualizacja procesu obróbki wymiana informacji z otoczeniem produkcyjnym obsługa innych interfejsów komunikacyjnych Rys Działanie system CNC z punktu widzenia napędu zespołu posuwowego Na rysunku 8.9 przedstawiono grupy modułów/zagadnienia związane z funkcjonowaniem systemów sterowania napędami w ramach systemów CNC. Podczas projektowania zespołów posuwowych pierwszą zgoła decyzją jest określenie, czy zastosować napęd klasyczny z silnikami obrotowymi czy też nowe rozwiązanie z napędem bezpośrednim z technologią silników liniowych. O wadach i zaletach obu rozwiązań można dyskutować wiele, jednakże zwykle sprowadza się to do kosztu implementacji silniki 206 S t r o n a

207 liniowe są po prostu jeszcze zbyt drogie. Jednakże, dzięki narzędziom przedstawionym w ramach niniejszego raportu możliwe jest znaczne skrócenie czasu koniecznego do estymacji zysków z zastosowania technologii silników liniowych. Więcej na ten temat zawarto w publikacji [103]. Zalety zastosowania śrub tocznych łatwość montażu niski koszt realizacji aplikacji Wady zastosowania śrub tocznych występowanie siły tarcia na gwincie większe opory ruchu nagrzewanie się śruby podczas pracy zużycie gwintu podczas pracy zmiana dokładności zmienność sztywności śruby na jej długości pracy Zalety zastosowania silników liniowych brak tarcia mechanicznego podczas pracy większe prędkości posuwów cicha praca brak zmiennej sztywności mechanicznej Wady zastosowania silników liniowych większy koszt wdrożenia aplikacji duża wartość siły przyciągania pomiędzy elementem pierwotnym i wtórnym podczas pracy wytwarza się znaczne pole magnetyczne Rys Wady i zalety technologii napędowych stosowanych w osiach posuwu Zastosowana technologia silników determinuje następnie sposób pomiaru położenia i/lub prędkości w poszczególnych osiach ruchu. Na początku raportu przedstawiono dostępne współcześnie konfiguracje. Zagadnienia bezpieczeństwa pracy napędu istotnie wykraczają poza zakres raportowanego projektu. Przedstawione w ramach raportu z Zadania 3 diagramy przepływu pracy nad nowymi algorytmami wskazują jednoznacznie, w którym momencie cyklu życia nowego produktu zagadnienie to musi zostać uwzględnione. W swoich pracach [66-70] autor w bardzo precyzyjny sposób przedstawia rozwój interfejsów funkcjonowania komunikacji pomiędzy jednostką nadrzędną CNC (sterownik NC) a serwonapędem, stanowiącym element wykonawczy układu napędowego zespołu posuwowego obrabiarki. Analogowy interfejs prędkościowy przechodzi współcześnie do historii, o ile w mało precyzyjnych aplikacjach maszyn niskiej klasy zadawanie prędkości ruchu w osi z bitową rozdzielczością zakresu +/- 10[V] spełnia stawiane wymagania. W precyzyjnej obróbce wieloosiowej, gdzie dynamika ruchu oraz oczekiwana dokładność pozycjonowania są olbrzymie, jedynie komunikacja z zastosowaniem deterministycznego Ethernetu (EtherCAT, Ethernet Powerlink, ProfiNet, SERCOS III) jest w stanie spełnić stawiane aplikacji wymagania. Początkowo, kiedy moce obliczeniowe jednostek nadrzędnych nie były zbyt duże, producenci proponowali rozwiązania jak na rysunku 8.10a, w którym kaskadowy układ regulacji zaimplementowany jest w procesorze podrzędnym serwonapędu. Rozwój technologii procesorów, wielordzeniowe architektury systemów sterowania doprowadziły do ewolucji w kierunku programowych implementacji systemów sterowania napędami w tych nowych architekturach serwonapędów (rysunek 8.10b) cyfrowy serwonapęd staje się inteligentną końcówką mocy inteligentnym elementem wykonawczym. Taka ewolucja architektur serwonapędów od zamkniętych architektur funkcjonalnych z parametryzowanymi jednostkami wykonawczymi w kierunku otwartych interfejsów programowych pokazuje, jak bardzo aktualna jest tematyka raportowanego projektu. 207 S t r o n a

208 Rys Funkcje sterowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek CNC a) b) Rys Ewolucja architektury funkcjonalnej cyfrowych serwonapędów współcześnie 208 S t r o n a

209 Dzięki zapewnieniu otwartości systemu sterowania na poziomie implementacji algorytmów regulacji i /lub położenia użytkownicy uzyskują niepowtarzalną możliwość Zgodnie z architekturą, przedstawioną na rysunku 8.10b, budowane są niemalże wszystkie nowe rozwiązania systemów CNC oraz sterowania napędami zgodne z normą IEC oraz PLCopen Motion Control. Do producentów, których produkty są w tym obszarze najpopularniejsze na rynku zaliczyć należy produkty firmy Bernecker&Rainer, oraz Beckhoff Prototypowanie algorytmów regulacji położenia i prędkości cyfrowego serwonapędu Celem realizacji Zadania 6 było zaprojektowanie a następnie wykonanie i uruchomienie prototypowego inteligentnego modułu wykonawczego dla celów sterowania napędami zespołu posuwowego obrabiarki. W ramach raportowanego zadania opracowano unikatowe stanowiska badawcze, wykorzystujące podejście szybkiego prototypowania z zastosowaniem platformy naukowej, oraz dla porównania z zastosowaniem docelowego przemysłowego systemu sterowania. W niniejszym rozdziale omówiono projekt cyfrowego, sterowanego za pomocą karty szybkiego prototypowania uznanej w tego typu badaniach na świecie (karta DS1104 firmy dspace), serwonapędu dwuosiowego, o otwartym interfejsie programistycznym, dzięki któremu opracowane w ramach Zadania 5 projektu algorytmy bez dodatkowych nakładów pracy mogły być następnie implementowane w warunkach eksperymentu praktycznego. W ramach prac związanych z realizacją Zadania 3 projektu wytypowano również platformę sprzętowo-programową, dzięki której możliwe jest prowadzenie badań w trybie tzw. on-target prototyping Prototypowanie algorytmów regulacji w napędach zgodnie z podejściem naukowym Załączniki 6.1, 6.2. oraz 6.3 stanowią wyczerpującą dokumentację tego etapu projektu: a) 6.1. Opracowanie projektu i dokumentacji stanowiska badawczego do badań inteligentnego napędowego modułu wykonawczego sterującego silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi osi posuwu stolika X-Y obrabiarki, b) 6.2. Instrukcja obsługi stanowiska do szybkiego prototypowania algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, c) 6.3. Wprowadzenie do szybkiego prototypowania z wykorzystaniem sterownika dspace DS1104 oraz oprogramowania RTI i ControlDesk. Projekt dwuosiowego falownika cyfrowego o otwartej architekturze funkcjonalnej, który posłużył do zbudowania prototypowego stanowiska badawczego w ramach raportowanego projektu opracowany i w formie niekomercyjnego prototypu wykonany został w Laboratorium Energoelektronicznych Źródeł Zasilania dla Technologii Zimnej Plazmy Katedry Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Na rysunku 8.11 pokazano zdjęcia zarejestrowane podczas testów uruchomieniowych modułu serwonapędowego, zaś na rysunku 8.12 zamieszczono widok pełnego stanowiska badawczego, zbudowanego w ramach Zadania 7 raportowanego projektu. 209 S t r o n a

210 Rys Stanowisko badawcze (napędowy moduł wykonawczy) podczas testów funkcjonalnych 210 S t r o n a

211 Rys Widok pełnego stanowiska badawczego, integrującego wszystkie komponenty systemu. 1 komputer wraz z oprogramowaniem Matlab/Simulink oraz dspace, 2 nadrzędna jednostka sterująca CNC, 3 panel zaciskowy (przyłączeniowy) karty szybkiego prototypowania DS1104, 4 falownik 2-osiowy, opisany w załączniku 6.1 do raportu, 5 moduł NI crio wraz z kartami pomiaru drgań oraz szybkimi wejściami analogowymi, 6 komputer NI PXI wraz z kartami pomiaru drgań (dodatkowe pomiary kontrolne podczas testów), 7 moduł zasilania wraz z zabezpieczeniami, 8 obiekt sterowania korpus obrabiarki VC600 z napędem śrubowym kulowo-tocznym 211 S t r o n a

212 Prototypowanie algorytmów regulacji w napędach zgodnie z podejściem on-target Dodatkowym zadaniem uzupełniającym była realizacja stanowiska badawczego, w ramach którego możliwe jest prowadzenie bieżącej analizy komunikacji pomiędzy systemem sterowania a serwonapędem cyfrowym, użytym podczas badań. Dzięki posiadanemu sprzętowi i oprogramowaniu możliwe w fazie badań symulacyjnych było testowanie nowych koncepcji zgodnie z regułami podejścia mechatronicznego w urządzeniu sterującym czasu rzeczywistego wysokowydajnym komputerze przemysłowym firmy Bernecker & Rainer. Na rysunkach 8.14, 8.15 zaprezentowano odpowiednio widok drzewa aplikacji sterującej zaimplementowanej w sterowniku B&R oraz algorytm, według jakiego ta aplikacja zapewnia możliwość prototypowania algorytmów regulacji zgodnie z diagramem, przedstawionym na rysunku Rys Maszyna stanów PLCopen Motion Control modyfikacja w zakresie programowego prototypowania Rys Widok okna programu Automation Studio dla aplikacji odpowiedzialnej za cykliczną komunikację z układami regulacji prądu/momentu 212 S t r o n a

213 Rys Algorytm aplikacji zapewniającej prototypowanie algorytmów regulacji w trybie cyklicznej komunikacji z użyciem Ethernet Powerlink w serwonapędach ACOPOS 213 S t r o n a

214 B&R PARAMETER B&R PARAMETER B&R PARAMETER _GLOBAL LREAL sctrl_kv _GLOBAL LREAL sctrl_ti _GLOBAL LREAL tsmpl double double s_error Iq ref [A] v_ref - v_akt B&R IN Regulator predkosci PI B&R IN _GLOBAL LREAL v_ref int8 double u fcn y liczba probek do rejestracji B&R CONFIG double double Embedded MATLAB Function double we_01 B&R OUT rejestrator wielokanalowy _GLOBAL LREAL Iq_ref a) b) Rys Model Simulink dla celów prototypowania w przyborniku Automation Studio Target for Simulink (a) oraz struktura funkcjonalna stanowiska badawczego do prototypowania algorytmów regulacji w serwonapędzie ACOPOS (b) _GLOBAL LREAL v_akt 214 S t r o n a

215 Na rysunku 8.17 przedstawiono zdjęcie stanowiska badawczego zgodnego z podejściem, przedstawionym na rysunku Rys Stanowisko szybkiego prototypowania. Od lewej monitor z widokiem aplikacji Automation Studio, komputer przemysłowy B&R, układ dwóch silników wraz z masami (obciążenie) oraz serwonapęd ACOPOS Dzięki zbudowaniu stanowiska badawczego, przedstawionego na schemacie 8.16 (zdjęcie z rysunku 8.17) możliwe stało się podjęcie tematyki implementacji regulatorów PID ułamkowego rzędu w przemysłowych platformach sterowania cyfrowymi serwonapędami. Choć znane są takie prace jak [84], opracowane przez najważniejszych autorów z tego obszaru tematycznego, to publikacja powstała w ramach projektu [65] stanowi jedną z pierwszych, w których implementacji dokonano w dostępnym na rynku serwonapędzie. Pokazuje to jednoznacznie, iż podejście opracowane w ramach raportowanego projektu po raz kolejny dowodzi swojej słuszności Podsumowanie Podsumowując, cel realizacji Zadania 6, jakim było opracowanie projektu oraz wykonanie i uruchomienie prototypowego stanowiska do badań nad algorytmami sterowania inteligentnego modułu wykonawczego sterującego napędami obrabiarkowego zespołu posuwowego został osiągnięty. W ramach niniejszego rozdziału przedstawiono kompletny projekt dwuosiowego serwonapędu cyfrowego o otwartym interfejsie programistycznym. Opracowana jednostka wykonawcza została wykonana zapewniając spełnienie wymagań podejścia szybkiego prototypowania. Bardzo ważne z praktycznego punktu widzenia było zastosowanie do budowy prototypu serwonapędu dwuosiowego najnowszych materiałów. Opisano to zagadnienie szerzej w publikacji [13]. W kolejnym, ostatnim Zadaniu raportowanego projektu dokonano integracji opracowanego modułu wykonawczego z systemem CNC O.C.E.A.N., o którym była mowa na samym początku raportu. Istotną nowością w zakresie prac badawczych realizowanych w ramach Zadania 6 było opracowanie alternatywnego stanowiska badawczego, umożliwiającego testowanie nowych algorytmów regulacji położenia i/lub prędkości na docelowej przemysłowej platformie sterowania. W ramach realizacji prac nad Zadaniem 6 zaproponowano prostą z implementacyjnego punktu widzenia modyfikację hybrydowego automatu sterowania cyfrowym serwonapędem opisanego w normie PLCopen Motion Control, umożliwiającą w przypadku wybranych dostępnych na rynku modeli serwonapędów weryfikację praktyczną nowych algorytmów w procedurze tzw. on-target prototyping (prototypowania algorytmów regulacji w docelowych systemach sterowania). 215 S t r o n a

216 216 S t r o n a

217 9. Zadanie 7. Dostosowanie opracowanego modułu wykonawczego do systemu sterowania obrabiarką oraz weryfikacja doświadczalna przyjętych założeń Publikacje, w których wykorzystano materiały, opracowane w raportowanym zadaniu 1. Urbański Ł., Układ sterowania o otwartej architekturze cyfrowego serwonapędu silnika PMSM, XII International PhD Workshop OWD 2010, Październik, 2010, s [163], F.10 raportu 2. Pietrusewicz K., Pajor M., Urbański Ł., Dynamic corrections of the tooling errors possibilities within the mechatronic actuator for motors with permanent magnets, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Vol. 31, nr 2, 2011, s [127], F.12 raportu 3. Bonisławski M., Pajdzik R., Pietrusewicz K., Szybkie prototypowanie algorytmów sterowania napędami zespołów posuwowych stolika X-Y frezarki z silnikami synchronicznymi prądu zmiennego ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 32, 2012, s [14], F.19 raportu 4. Kobyłkiewicz A., Pajdzik R., Waszczuk P., Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 12, 2012, s [65], F.25 raportu 5. Pietrusewicz K., Bonisławski M., Pajdzik R., Open architecture digital servodrive for PMSM/PMLM-based machine-tool table feed-drives, Archives of Electrical Engineering, Vol. 62(2), 2013, s [120], pkt. F.26 raportu 217 S t r o n a

218 Obrabiarki sterowane numerycznie stanowią współcześnie jedne z najbardziej złożonych obiektów dynamicznych. Z punktu widzenia architektury sprzętowo-programowej systemy CNC (ang. Computer Numerical Control) łączą w sobie elementy: nadrzędnego sterowania cyfrowego z użyciem zaawansowanego komputera przemysłowego z systemem sterowania czasu rzeczywistego, wysokowydajnej komunikacji w deterministycznych sieciach przemysłowego Ethernetu, wizualizacji z użyciem najnowszych osiągnięć techniki, jak ekranów dotykowych oraz trójwymiarowej grafiki, cyfrowego sterowania wieloosiowymi jednostkami napędowymi. Większość współcześnie wykorzystywanych systemów sterowania obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC) jest całkowicie zamkniętych dla użytkownika. Inżynierowie zwykle mogą jedynie oprogramować działanie maszyny na poziomie programu użytkownika programu obróbki skrawaniem. Nawet, jeżeli jest to bardzo proste z uwagi na zaawansowane rozwiązania informatyczne interfejsu operatora maszyny (w tym dzięki wizualizacji 3D, symulacji procesu przed obróbką, predefiniowane cykle obróbcze czy funkcje systemów CAD/CAM oraz kontrolę kolizji narzędzia), to funkcje te nie mogą zwykle być w prosty sposób modyfikowane przez użytkownika. Otwartość jest ostatnimi czasy modną cechą wszelkiego rodzaju układów sterowania. Otwarta architektura układu sterowania, jakkolwiek byłby rozumiana przez projektantów, jest zauważalnym trendem w technologii współczesnych systemów sterowania. Przywołany w niniejszym rozdziale otwarty system sterowania CNC, opracowany w ramach projektu badawczego rozwojowego nr R Opracowanie i badania prototypu obrabiarkowego zespołu posuwowego z napędami liniowymi sterowanego w dwóch osiach z układu CNC o otwartej architekturze : umożliwia implementację algorytmów poprawiających jakość sterowania napędów liniowych, pozwala na integrację procedur diagnostycznych (w ramach systemu), zawiera mechanizmy włączające zespół posuwowy (obrabiarkę) do infrastruktury informatycznej linii technologicznej, a nawet całego przedsiębiorstwa (poprzez swoje rozwiązania komunikacyjne, w tym bezprzewodowe). W prezentowanym systemie sterowania zaimplementowano otwarty studialny podsystem diagnostyczny, całkowicie zintegrowany z systemem sterowania, co stworzyło nowe, niepowtarzalne możliwości w zakresie możliwości korygowania pracy obrabiarki, zarówno w trybie przed obróbką, jak i trakcie trwania obróbki skrawaniem. Tym, co odróżnia raportowany projekt od systemu O.C.E.A.N. jest fakt, iż otwartość została zapewniona na poziomie algorytmów regulacji napędami, podczas gdy w systemie O.C.E.A.N. otwartość zapewniona była jedynie na poziomie systemu nadrzędnego CNC. W ramach ostatniego, siódmego zadania raportowanego projektu można było wyróżnić dwa kluczowe podzadania. Prace rozpoczęto od integracji opracowanego w ramach Zadania 6 prototypowego moduły wykonawczego z systemem sterowania CNC o otwartej architekturze funkcjonalnej, bazującego na wysokowydajnym komputerze przemysłowym austriackiej firmy Bernecker & Rainer. 218 S t r o n a

219 W drugiej części prac związanych z realizacją Zadania 7 przeprowadzono weryfikację praktyczną podczas realizacji procedur ruchu w sterowaniu obiektem rzeczywistym stolikiem X-Y frezarki VC600 z napędem śrubowym kulowo-tocznym w obu osiach. Z uwagi na prowadzone prace demontażowe stolika X-Y z napędem bezpośrednim z silnikami liniowymi przeprowadzenie uruchomienia na obiekcie było niemożliwe. Dzięki opisanej w niniejszym rozdziale integracji opracowanego w ramach Zadania 6 projektu modułu wykonawczego z nadrzędnym systemem CNC o otwartej architekturze funkcjonalnej stwierdzić należy, iż osiągnięty został CEL GŁÓWNY PROJEKTU Integracja opracowanego serwonapędu z systemem CNC o otwartej architekturze W ramach Zadania 7 dokonano dostosowania modułu wykonawczego do współpracy z systemem O.C.E.A.N. Dostosowanie to miało głównie charakter zapewnienia cyklicznego synchronicznego dla obu osi ruchu zadawania nowych położeń z programu obróbki uruchomionego w procesorze nadrzędnym komputera przemysłowego CNC. Osiągnięto czas/cykl zadawania nowych położeń w osiach X-Y równy 800 mikrosekund. Wynik ten stawia opracowane w projekcie rozwiązanie na równi z najwydajniejszymi dostępnymi na rynku rozwiązaniami systemów CNC, choć współcześnie nikogo nie dziwią czasy cyklu regulatorów położenia na poziomie 400 mikrosekund. Schemat kompletnego systemu sterowania zaprezentowano na rysunku 9.2. Na komputerze projektanta #1 zainstalowane jest oprogramowanie Automation Studio dla programowania systemów sterowania Firmy B&R (w tym aplikacji sterowania napędami, czy implementacji systemu CNC). Dodatkowo, na tym samym komputerze zainstalowano oprogramowanie LabVIEW firmy National Instruments, służące do opracowania aplikacji sterującej dla sterownika crio 9014, który w systemie służy do implementacji konwersji wartości zadanych położenia z systemu CNC na ciągi impulsów dla wejść zadawania wartości położenia zaimplementowanych w ramach karty szybkiego prototypowania DS1104. Implementacja ta został zrealizowana z pomocą układów FPGA sterownika NI9014 celem zapewnienia synchronizacji protokołów pomiędzy TCP/UDP a wejściami zadawania położenia modułu wykonawczego. Na rysunku 9.1 przedstawiono założenia integracji opracowanego modułu wykonawczego z systemem CNC. Rys Schemat ideowy integracji pomiędzy nadrzędnym systemem CNC a energoelektronicznym modułem wykonawczym 219 S t r o n a

220 Rys Schemat stanowiska badawczego, opracowanego w ramach raportowanego projektu 220 S t r o n a

221 9.2. Weryfikacja doświadczalna działania opracowanego systemu Weryfikację rozpoczęto od skonfigurowania wszystkich parametrów stanowiska badawczego, koniecznych z funkcjonalnego punktu widzenia modułu energoelektronicznego. Następnie możliwe było przejście do testowania działania całego stanowiska podczas realizacji procedur ruchu, zaimplementowanych w formie programów w G-kodzie, i uruchamianych z poziomu nadrzędnego systemu CNC firmy Bernecker&Rainer. W niniejszym podrozdziale raportu przedstawiono wybrane wyniki tychże badań. Podczas realizacji procedur ruchu należy każdy z programów wykonano trzykrotnie, z różnymi wartościami posuwu: małym, średnim i dużym. Rejestracja odbywała się z maksymalnym możliwym czasem próbkowania, nie rzadziej jednak aniżeli czas zadawania prądu do układu falownika. Rejestracji podlegały z uwagi na dużą ilość danych należało dokonać skalowania do odpowiednich jednostek przed rozpoczęciem rejestracji: położenie zadane w osi X [mm], położenie zadane w osi Y [mm], położenie aktualne w osi X [mm], położenie aktualne w osi Y [mm], prędkość aktualna w osi X [mm/s], prędkość aktualna w osi Y [mm/s], prąd aktualny Iq w osi X [A], prąd aktualny Iq w osi Y [A], napięcie aktualne uq w osi X [V], napięcie aktualne uq w osi Y [V]. Dodatkowo, rejestrowano podczas badań: przyspieszenia w osi X, przyspieszenia w osi Y. Na kolejnych rysunkach zamieszczono przygotowane programy procedur ruchu w układzie współrzędnych X-Y. Rys Program testowy nr 1 Na rysunku 9.4 przedstawiono wyniki pomiarów podczas realizacji procedury ruchu. 221 S t r o n a

222 Rys Program testowy nr 1 zarejestrowane położenia w osiach X-Y przy różnych prędkościach posuwu Rys Program testowy nr S t r o n a

223 Rys Program testowy nr 2 zarejestrowane położenia w osiach X-Y przy różnych prędkościach posuwu Rys Program testowy nr S t r o n a

224 Rys Program testowy nr 3 zarejestrowane położenia w osiach X-Y przy różnych prędkościach posuwu Rys Program testowy nr S t r o n a

225 Rys Program testowy nr 4 zarejestrowane położenia w osiach X-Y przy różnych prędkościach posuwu Rys Program testowy nr S t r o n a

226 Rys Program testowy nr 5 zarejestrowane położenia w osiach X-Y przy różnych prędkościach posuwu Rys Program testowy nr 6 (posłużył również do identyfikacji dynamiki) 226 S t r o n a

227 Rys Program testowy nr 7 (posłużył również do identyfikacji dynamiki) Programy na podstawie rysunków od 9.3, 9.5, 9.7, 9.9, 9.11, 9.13, 9.14 przygotowano odpowiednie programy w G-kodzie, który umieszczono na dysku FTP nadrzędnego komputera CNC firmy B&R. Przykładowe wyniki realizacji procedury ruchu w zintegrowanym w ramach Zadania 7 przedstawiono na rysunkach 9.4, 9.6, 9.8, 9.10, Wszystkie zarejestrowane wyniki zamieszczono również na załączonym nośniku danych USB. Przedstawione wyniki potwierdzają poprawność funkcjonowania opracowanego i zbudowanego w ramach Zadania 6 stanowiska badawczego Podsumowanie Podsumowując, cel realizacji Zadania 7, jakim było dostosowanie opracowanego modułu wykonawczego do systemu sterowania obrabiarką CNC o otwartej architekturze O.C.E.A.N. oraz weryfikacja doświadczalna przyjętych w zakresie projektu założeń został osiągnięty. Tym samym można stwierdzić, iż ostatnie z przyjętych harmonogramem projektu zadań zostało zrealizowane. W kolejnym rozdziale dokonano podsumowania całego raportowanego projektu. 227 S t r o n a

228 228 S t r o n a

229 10. Podsumowanie. Kierunki rozwoju projektu Z zaprezentowanych wyników raportowanego tutaj projektu wyraźnie wynika, że kompleksowe hybrydowe podejście do zagadnienia sterowania złożonymi układami mechatroniki może umożliwić stabilne, efektywne, odporne i jakościowo najlepsze rezultaty obróbki skrawaniem. W połączeniu z dodatkowymi podsystemami systemu sterowania obrabiarki CNC może stanowić efektywną alternatywę lub wysokowydajne uzupełnienie współcześnie spotykanych systemów sterowania. Zaprezentowane w pracy podejście mechatroniczne do projektowania hybrydowych odpornych układów sterowania stanowi o wkładzie w takie dziedziny wiedzy jak automatyka i robotyka (w tym teoria sterowania), mechatronika oraz stanowi istotny podstęp w obszarze badawczym, związanym ze sterowaniem w tak złożonych obiektach przemysłowych, jak obrabiarki sterowane numerycznie CNC. Opracowana w raportowanym projekcie metodyka stanowi podstawę do rozwiązywania m.in. takich zagadnień jak: projektowanie odpornych regulatorów prądu/prędkości silników synchronicznych z magnesami trwałymi, integracja funkcji diagnostycznych i(lub) korekcyjnych w ramach hierarchicznych systemów sterowania o otwartej architekturze złożonych układów nieliniowych, w tym układów mechatronicznych, projektowanie algorytmów korekcyjnych w maszynach technologicznych do ubytkowej obróbki metalu, w tym uwzględniających fuzję informacji o stanie dynamicznego układu obrabiarka uchwyt przedmiot obrabiany narzędzie z użyciem metod charakterystycznych dla mechatronicznego podejścia szybkiego prototypowania. W obszarze teorii sterowania do najważniejszych osiągnięć projektu zaliczyć należy: wytyczenie nowego kierunku w pracach nad odpornymi układami sterowania o wielu stopniach swobody do sterowania złożonymi obiektami elektromechanicznymi, zastosowanie modelowania przedziałami liniowego dla syntezy odpornego układu sterowania o wielu stopniach swobody choć zastosowanie tego typu modelowania jest zagadnieniem znanym, to jednak zastosowanie takiego podejścia do syntezy układów typu model-following mające na celu efektywną implementację algorytmu sterowania w urządzeniach przemysłowych czasu rzeczywistego jest osiągnięciem nowym, wskazanie czynników optymalizacji koniecznej do zastosowania liczby pętli regulacyjnych; optymalizacja taka ma na celu osiągnięcie kompromisu pomiędzy zakładaną jakością i odpornością regulacji a liczbą pętli modelu, jakie będą musiały zostać użyte w opracowanym algorytmie sterowania, ustalenie warunków odpornej stabilności i odpornej jakości opracowanej metodyki projektowania układów sterowania. Zakres prac, zaprezentowany w niniejszym raporcie stanowi istotny wkład również w dziedzinę wiedzy, jaką jest mechatronika oraz jej zastosowania w projektowaniu systemów sterowania maszyn technologicznych obrabiarek sterowanych numerycznie CNC. W tym obszarze za najważniejsze osiągnięcia niniejszej pracy potraktować należy: zastosowanie podejścia uwzględniania czynników środowiskowych w wypracowaniu prawa sterowania złożonymi układami mechatronicznymi, a dokładnie prędkością ruchu w osiach napędowych sterowanych za pomocą cyfrowych serwonapędów; dotychczasowe podejście w tym zakresie przewidywało modyfikację warunków pracy generatora trajektorii, nie ma rozwiązań, które 229 S t r o n a

230 czynniki środowiskowe, jak temperaturę czy poziom drgań (hałasu) lub punkt pracy i obciążenie (siłę skrawania, masę przedmiotu obrabianego) uwzględniałyby w algorytmie sterowania, zastosowanie mechanizmu obliczeń realizowanych sprzętowo w ramach rekonfigurowalnych układów logicznych FPGA (oraz wbudowanych procesorów zarówno sprzętowych jak i programowych) dla szybkiego przetwarzania informacji pomiarowych z czujników pomiarowych między innymi dla celów implementacji zintegrowanych funkcji diagnostycznych stanu pracy obrabiarki CNC. W obszarze szczególnie związanym z technologiami stosowanymi w obrabiarkach sterowanych numerycznie najważniejsze rezultaty pracy to: zwiększenie odporności pętli regulacji prędkości cyfrowego serwonapędu, jako układu napędowego silników z magnesami trwałymi (obrotowych i liniowych) w osiach ruchu obrabiarki, rozszerzenie funkcjonalności cyfrowego serwonapędu, między innymi poprzez wskazanie konieczności uzmiennienia nastaw regulatorów w poszczególnych trybach pracy automatu normy PLCopen Motion Control (w najprostszym przypadku), stworzenie możliwości i wskazanie konieczności implementacji zintegrowanych funkcji diagnostycznych na poziomie elementu wykonawczego osi napędowej obrabiarki a nie jak to ma miejsce dotychczas w nielicznych na rynku adaptacyjnych systemach sterowania obrabiarkami CNC na poziomie sterowania nadrzędnego, w ramach bloków programowych systemu operacyjnego czasu rzeczywistego; szybkość zmian sygnałów pomiarowych sprawia, iż realizacja obliczeń algorytmów decyzyjnych systemów diagnostycznych na tym poziomie jest nieefektywna i nieprzydatna w zastosowaniach praktycznych, istotne skrócenie czasu obliczeń (poprzez zastosowanie podejścia charakterystycznego dla hybrydowych algorytmów predykcyjnych syntezy off-line regulatorów w poszczególnych pętlach układu regulacji) oraz przepływu informacji dla celów implementacji odpornych algorytmów regulacji w adaptacyjnych, inteligentnych systemach sterowania w wielofunkcyjnych obrabiarkach CNC Osiągnięcia naukowe raportowanego projektu Kolejno realizowane Zadania projektu sukcesywnie zwiększały poziom wiedzy na temat zagadnienia projektu w realizującym go zespole. Załączone materiały jak również liczne publikacje, które powstały podczas realizacji projektu wskazują na następujące osiągnięcia naukowe projektu: a) identyfikacja modeli przedziałami liniowych i/lub afinicznych dla nieliniowych obiektów zespołów posuwowych obrabiarek sterowanych numerycznie, b) zastosowanie techniki automatycznego generowania modeli SimMechanics z plików konstrukcyjnych Solidworks (modeli bryłowych) dla celów badań symulacyjnych dynamiki zespołów posuwowych obrabiarek, c) zastosowanie bazujących na modelu układów regulacji odpornej w sterowaniu napędami zespołów posuwowych obrabiarek CNC, d) zastosowanie podejścia zrównoleglenia pętli regulacji położenia i prędkości w sterowaniu serwonapędami obrabiarek sterowanych numerycznie CNC, e) integracja funkcji diagnostycznych obróbki skrawaniem na poziomie algorytmów regulacji położenia/prędkości w serwonapędzie cyfrowym, 230 S t r o n a

231 f) integracja funkcji korekcyjnych w sytuacji, gdy niedostępny dla użytkownika jest podstawowy algorytm regulacji w ramach bloków funkcyjnych automatu hybrydowego sterowania serwonapędami zawartego w normie PLCopen Motion Control, g) poprawa jakości geometryczno ruchowej poprzez zastosowanie modelowania przedziałami liniowego do wyznaczania prawa sterowania, h) wyznaczenie globalnych zależności opisujących sztywność dynamiczną układu OUPN, zależnie od architektury sterowania/regulacji w cyfrowych serwonapędach obrabiarek CNC Zakończenie Raportowany projekt zakładał: a) skrócenie toru przepływu informacji od układów pomiarowych wprost do elementu wykonawczego sterującego silnikiem, b) umożliwienie implementacji funkcji poprawiających dokładność geometryczno ruchowej obrabiarki poprzez zastosowanie odpornych algorytmów regulacji o wielu stopniach swobody, c) adaptację istniejących (znanych) oraz nowo opracowanych w ramach projektu modeli dynamicznych do potrzeb efektywnych symulacji komputerowych badanych układów sterowania, d) opracowanie przepływu pracy oraz szeregu narzędzi sprzętowo programowych, dzięki którym implementacja nowych algorytmów regulacji położenia, prędkości, diagnostycznych i/lub korekcyjnych bezpośrednio w ramach jednostki sterującej inteligentnego, modułowego elementu wykonawczego cyfrowego serwonapędu dla sterowania zespołami posuwowymi obrabiarek za pomocą interfejsu programistycznego o otwartej architekturze. Zdaniem głównych wykonawców projektu zdefiniowane w postaci zadań realizowanych zgodnie z harmonogramem projektu CELE ZOSTAŁY OSIĄGNIĘTE. W ramach raportowanego projektu powstał prototyp pokazujący, że możliwe jest podjęcie nowych kierunków w rozwoju technologii związanych z obrabiarkami sterowanymi numerycznie CNC, polegających na integracji a przede wszystkich hierarchizacji w ramach systemu sterowania korekt dynamicznych, realizowanych podczas prowadzenia procesu obróbki. Dzięki osiągniętemu wysokiemu poziomowi otwartości systemu sterowania możliwe jest prowadzenie badań w obszarach, które dotychczas nie były dostępne, dając zespołowi badawczemu duże możliwości rozwoju. Dodatkowym efektem projektu była integracja zespołu naukowo-badawczego, utworzonego w ramach Centrum Mechatroniki ZUT w Szczecinie, złożonego ze specjalistów informatyków, automatyków i mechaników, w zakresie realizacji zadań związanych z rozwojem metod sterowania i modelowania napędami zespołów posuwowych obrabiarek CNC Projekty badawcze, w których zawarto metody opracowane w ramach grantu MARINE W ramach prac nad raportowanym projektem opracowano szereg metod i procedur badawczych, związanych z projektowaniem, zaś doświadczenia w nim zdobyte stanowiły podstawę przygotowania zadań badawczych w następujących, aktualnie realizowanych przez zespół Centrum Mechatroniki projektach, związanych zarówno z cyfrowym sterowaniem maszyn do obróbki metali, ale również ze sterowaniem cyfrowym żurawiami załadunkowymi. 231 S t r o n a

232 Metody opracowane w raportowanym projekcie posłużyły jako baza do opracowania zadań badawczych następujących, finansowanych projektów badawczych: iload Partnership for developing energy efficient intelligent load handling system, projekt Marie Curie 7PR, FP7-PEOPLE-2012-IAPP (Industry-Academia Partnerships and Pathways); kierownik zadania WP1 Control Systems ( ), Rodzina wysokowydajnych, uniwersalnych 5-cio osiowych centrów obróbkowych typ X-5, , projekt NCBiR finansowany w ramach Innotech In-Tech Nr (Fabryka Obrabiarek Precyzyjnych AVIA S.A., Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Politechnika Poznańska), Badania porównawcze obrabiarkowych osi serwonapędowych z napędem konwencjonalnym oraz nowoczesnym napędem w postaci silników liniowych, projekt badawczy N N , , NCN, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, kierownik Broel-Plater B. Rodzina wysokowydajnych, uniwersalnych 5-cio osiowych centrów obróbkowych typ X-5 Głównym celem projektu była budowa rodziny wysokowydajnych, uniwersalnych 5-cio osiowych centrów obróbkowych typu X-5 o unikalnych cechach i możliwościach technologicznych. Projekt realizowany był przez konsorcjum w składzie: FOP AVIA, Politechnika Poznańska i Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny. W ramach projektu zrealizowano zaawansowane badania symulacyjne, powiązane z procesem projektowym obrabiarki. Niniejszy artykuł przedstawia możliwości, jakie daje integracja narzędzi CAD/CAM ze środowiskiem Matlab/Simulink w zakresie prototypowania nowych algorytmów regulacji napędów zespołów posuwowych. Projekt konstrukcji nowego centrum obróbkowego został w całości przygotowany w środowisku SolidWorks. Rys Pięcioosiowe centrum obróbkowe AVIA X-5 oraz model konstrukcji w środowisku SolidWorks W ramach projektu dokonano wirtualnej modyfikacji konstrukcji napędów zespołów posuwowych obrabiarki przewidujących zastosowanie technologii synchronicznych silników liniowych. Podczas opracowania wariantu z silnikami liniowymi zastosowano modele firmy Siemens, współpracujące z systemem sterowania CNC itn530 firmy Heidenhain, zastosowanego w prototypowym centrum obróbkowym. 232 S t r o n a

233 Rys Wariant sterowania napędami zespołów posuwowych z parami silników liniowych (2 pary w osi X, jedna para w osi stolika) Obliczenia projektowe oraz modyfikacje konstrukcji zostały następnie przetworzone na dynamiczne modele symulacyjne, uwzględniające zarówno modyfikację konstrukcji jak i specyfikę zastosowanego układu sterowania o kaskadowej strukturze regulacji położenie prędkość prąd, typową dla aplikacji cyfrowego sterowania napędami. 233 S t r o n a

234 a) b) c) Rys Wizualizacja sterowanego obiektu (a), model układu regulacji napędu (b) oraz model wielobryłowy konstrukcji centrum obróbkowego (c) Na rysunku kolejnym przedstawiono kompletny schemat przepływu pracy nad nowym wariantem napędu zespołu posuwu obrabiarki X-5. Podejście mechatroniczne oraz automatyczna generacja kodu modelu Simulink/SimMechanics z poziomu odpowiednio przygotowanego złożenia SolidWorks pozwoliły efektywnie przeprowadzić analizy porównawcze dwóch wariantów sterowania napędami zespołu posuwowego prototypowego centrum obróbkowego X S t r o n a