ALGORYTMY STEROWANIA NAP DEM ELEKTROHYDRAULICZNYM PRZY POMOCY WAHAD OWEGO D OJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZ MR W UK ADZIE Z SI OWYM SPRZ ENIEM ZWROTNYM

Transkrypt

1 dr in. Piotr Gaw owicz mgr Marcin Chciuk mgr in. Pawe Bachman Uniwersytet Zielonogórski ALGORYTMY STEROWANIA NAP DEM ELEKTROHYDRAULICZNYM PRZY POMOCY WAHAD OWEGO D OJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZ MR W UK ADZIE Z SI OWYM SPRZ ENIEM ZWROTNYM W artykule opisano uk ad sterowania serwonap du elektrohydraulicznego z dodatkowym si owym sprz eniem zwrotnym. Przedstawiono budow i zasad dzia ania hamulca z ciecz magnetoreologiczn i zale no momentu hamuj cego od pr du. Ko cowa cz artyku u zawiera wyniki bada do wiadczalnych procesu sterowania serwonap dem elektrohydraulicznym za pomoc d ojstika dotykowego z ciecz magnetoreologiczn przy pomocy dwóch ró nych algorytmów sterowania. ALGORITHMS OF CONTROL ELECTROHYDRAULIC DRIVE BY SWINGING MOTION HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETHORHEOLOGICAL FLUID AND FORCE FEEDBACK The article describes control system of electrohydraulic servo drive with additional force feedback. The structure of magnetorheological rotary brake and the research of relation between torque and current are presented. The last section forms results based on the research electrohydraulic servo drive s control system with magnetorheological haptic joystick by two different control algorithms. 1. WST P Sterowanie w nap dach elektrohydraulicznych stosowanych w ró nego rodzaju maszynach cz sto odbywa si w p tli po o eniowego sprz enia zwrotnego. Sprz enie to realizowane jest w sposób elektryczny lub poprzez operatora, który swoim wzrokiem obserwuje po o enie t oczyska. W tym drugim przypadku problem mo e pojawi si, gdy sterownie odbywa si w warunkach niedostatecznej widoczno ci lub w przypadku jej braku. Gdy operator nie mo e obserwowa ruchomej cz ci roboczej sterowanego urz dzenia przerwana jest p tla po o eniowego sprz enia zwrotnego (rys. 1), co powoduje brak mo liwo ci precyzyjnego sterowania. Rozwi zaniem, w tym wypadku, mog oby by dodatkowe si owe sprz enie zwrotne wraz z odpowiednio zmodyfikowanym d ojstikiem, umo liwiaj cym operatorowi odczuwanie si y przekazywanej ze sterowanego urz dzenia (d ojstik dotykowy ang. haptic joystick). Urz dzenia dotykowe znane s ju od lat i wykorzystywane s do przekazywania wra e zwi zanych z dotykiem, np. pochodz cych z wirtualnej rzeczywisto ci lub gier komputerowych [1]. Stosowane s te w robotach chirurgicznych [1], a tak e w uk adach sterowania samolotów. Istnieje kilka firm produkuj cych takie urz dzenia, m.in. Immersion [5], SensAble [7], Force Dimension [4], które maj w swojej ofercie kilkana cie ró nych rodzajów tego typu urz dze [1]. automation

2 Po o enie zadane Mózg R ka D wignia Potencjometr Urz dzenie Ruch cz ci roboczej D ojstik Cz owiek D wignia Hamulec MR Czujnik si y Wzrok Sprz enie zwrotne z udzia em wzroku Si owe sprz enie zwrotne Przerwanie sprz enia Rys. 1. Schemat koncepcji sterowania urz dzeniami w uk adzie z dodatkowym si owym sprz eniem zwrotnym 2. BUDOWA I BADANIA D OJSTIKA DOTYKOWEGO W budowie d ojstika dotykowego wykorzystano w a ciwo ci cieczy magnetoreologicznej [6], której szczególn cech jest wzrost jej lepkospr ystych w a ciwo ci wraz ze wzrostem dzia aj cego na ni pola magnetycznego. Je eli ciecz ta umieszczona jest w polu magnetycznym zawieszone w niej cz steczki ferromagnetyczne zaczynaj zachowywa si jak miniaturowe magnesy, uk adaj c si wzd u linii si pola magnetycznego i stanowi przeszkod dla przep ywu no nika [3]. Wykorzystuj c to zjawisko zaprojektowano i wykonano obrotowy hamulec magnetoreologiczny, którego przekrój i widok pokazane s na rys. 2. a) o ysko przewody elektryczne b) uszczelnienie szczelina z ciecz MR cewka linie pola elektromagnetycznego wirnik (stal) korpus (stal) pokrywa Rys. 2. Przekrój (a) i widok (b) hamulca MR Charakterystyki hamulca przedstawiono na rys. 3. Pierwsza z nich (rys. 3a) pokazuje zale no momentu hamuj cego od pr du p yn cego przez cewk hamulca, a druga (rys. 3b) dynamik dzia ania hamulca dla ró nych warto ci nat enia pr du p yn cego przez jego cewk. 696 automation 29

3 a) b) M [Nm] M [Nm] [Nm] 3 2,4 A,3 A,2 A,15 A,1 A,5 A 1 1,1,2,3,4 I I [A] 5 1 t t [ms] Rys. 3. Charakterystyki hamulca MR: a) M=f(I); b) M=f(t) dla ró nych pr dów Na bazie opisanego hamulca wykonano d ojstik, w którym na czas bada w d wigni umieszczono czujnik si y (rys. 4). Do pomiaru po o enia k towego d ojstika s u y potencjometr obrotowy. F j Czujnik si y Hamulec MR Rys. 4. Widok d ojstika dotykowego (F j si a hamuj ca d ojstika) Potencjometr pomiar po o enia Nast pnie wykonano badania si y hamuj cej (F j ) d ojstika, dla ró nych pr dów p yn cych przez cewk hamulca magnetoreologicznego. Wyniki tych pomiarów pokazane s na rys. 5. F [N] Fj [N] ,1,2,3,4 I [A] Rys. 5. Charakterystyka d ojstika F j =f(i) (F j si a hamuj ca d ojstika, I pr d hamulca MR) automation

4 silownik 4 dzojstik 1 czujnik sily silownik 2 2 Kd -1 KHMR 1 KP karta zaworu hydraulicznego cewki hamulca MR 1 Pomiary Automatyka Robotyka 2/29 3. STEROWANIE NAP DEM ELEKTROHYDRAULICZNYM W UK ADZIE Z DODATKOWYM SI OWYM SPRZ ENIEM ZWROTNYM I D OJSTIKIEM DOTYKOWYM Z CIECZ MAGNETOREOLOGICZN Na podstawie bada symulacyjnych opisanych w publikacji [2] zauwa ono, e przy ciskaniu przez si ownik obiektu spr ystego, si a hamuj ca na d ojstiku wzrasta wraz ze wzrostem si y oporu na si owniku oraz, e po uderzeniu si ownika w przeszkod si a na si owniku gwa townie wzrasta, powoduj c wzrost si y hamuj cej d ojstika, co dla operatora Zawór Si ownik Czujnik si y Liniowy hamulec MR Sterowanie obci eniem F s y s Sterowanie zaworu Po o enie si ownika Si a si ownika PC 2 PC 1 Pomiar Matlab Simulink DasyLab y s F s DaqBoard 31 PCI 1716 F s y s j F j Si a d ojstika Pozycja d ojstika Pr d HMR Stopie mocy OPA549 j Rys. 6. Schemat blokowy uk adu steruj co-pomiarowego mog oby stanowi sygna, do zatrzymania. Aby potwierdzi wyniki bada symulacyjnych zaprojektowano uk ad pomiarowy, w którym jako obci enie si ownika zastosowano liniowy hamulec magnetoreologiczny z mo liwo ci regulacji si y oporu. Do sterowania u yto komputer PC z kart steruj c PCI 1716 i programem Matlab/Simulink z systemem czasu rzeczywistego (Real Time Workshop). Do pomiarów wykorzystano drugi komputer z kart pomiarow DaqBoard 3 i programem DasyLab. Schemat blokowy tego uk adu pokazano na rys. 6. Widok stanowiska badawczego przedstawia rys. 7. Operator siedz cy przed komputerem nie mia mo liwo ci obserwowania ruchu si ownika. W zwi zku z tym, e sterowanie obci eniem odbywa o si poprzez r czne w czenie odpowiedniego napi cia cewki liniowego hamulca magnetoreologicznego, podczas bada nie by o mo liwo ci sprawdzenia dzia ania uk adu z obci eniem spr ystym. 698 automation 29

5 Si ownik hydrauliczny Indukcyjny pomiar po o enia PC 2 D ojstik PC 1 Czujnik si y Obci enie regulowane Liniowy hamulec MR Rys. 7. Widok stanowiska pomiarowego Przebadano przypadek, w którym t oczysko si ownika uderza w przeszkod. Schemat uk adu sterowania wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys. 8. dzojstik -K- Gain 5 Gain1 sil owni k 1 si lasi lo 2 u Abs.8 Gain2 1 Rys. 8. Schemat uk adu sterowania wykonany w programie Simulink Na rys. 9a pokazano charakterystyki po o enia i si y d ojstika oraz si ownika w czasie z w czonym si owym sprz eniem zwrotnym. Linia oznaczona liter x pokazuje moment zatrzymania d ojstika w chwili, gdy operator wyczu wi kszy opór d ojstika po uderzeniu si ownika w przeszkod. Na wykresie wida, e d ojstik i si ownik zatrzyma y si niemal w tym samym czasie. Rys. 9b pokazuje wyniki pomiarów bez dodatkowego si owego sprz enia zwrotnego. Przez ca y czas pomiaru si a F j równa by a sile oporów w asnych d ojstika. Na tym wykresie wida, e d ojstik zatrzyma si dopiero w chwili oznaczonej liter y, czyli oko o,5 s po zatrzymaniu si ownika (linia x). Operator nie wyczu momentu uderzenia si ownika w przeszkod. Zatrzyma d ojstik dopiero po zaobserwowaniu innych symptomów spowodowanych wzrostem ci nienia w uk adzie hydraulicznym po zatrzymaniu automation

6 si si ownika (wzrost nat enia d wi ku i wibracji). Ró nica czasu zatrzymania d ojstika w obu badanych przypadkach jest niewielka, gdy ruch roboczy t oczyska odbywa si zaledwie w zakresie do 6 mm, a operator siedzia blisko ca ego urz dzenia i z pewnym prawdopodobie stwem móg si domy li, kiedy si ownik mo e si zatrzyma. Mo na przypuszcza, e gdyby zakres ruchu i pr dko si ownika by y wi ksze, a stanowisko sterowania by oby bardziej oddalone od nap du, ró nice te te by yby wi ksze. a) j [ ] y s [mm] -2-4 F j [N] F s [kn] -6 t [s] x b) j [ ] y s [mm] F j [N] F s [kn] t [s] x y Rys. 9. Przebiegi czasowe si y i po o enia si ownika oraz d ojstika a) przy w czonym si owym sprz eniu zwrotnym, b) bez dodatkowego sprz enia si owego (F s si a si ownika, F j si a d ojstika, y s po o enie si ownika, j po o enie d ojstika) Nast pnie zaprojektowano i przebadano algorytm, w którym pomijane s opory magnetoreologicznego hamulca obci aj cego przy wy czonym napi ciu cewki tego hamulca. Zastosowanie tego algorytmu umo liwia zwi kszenie zakresu odczuwanych przez operatora si wyst puj cych na d wigni d ojstika. Schemat uk adu sterowania pokazany jest na rys. 1. Do wiadczalnie ustalono, e si a oporu hamulca MR u ytego jako obci enie si ownika, przy wy czonym napi ciu wynosi,8 kn i w momencie ruchu si ownika jest ona odejmowana od warto ci zmierzonej przy pomocy czujnika si y. 7 automation 29

7 dzojstik -K- Gain 5 Gain1 silownik 1 silasilo.8 2 u Abs Constant1 Switch.8 Gain2 1 Constant Rys. 1. Schemat uk adu sterowania z pomini ciem oporów MR hamulca obci aj cego bez w czonego napi cia wykonany w programie Simulink Rys. 11 pokazuje charakterystyki wykonane podczas sterowania z wykorzystaniem wy ej opisanego algorytmu. Wyniki podobne s do przedstawionych na rys. 9a, z tym, e si a odczuwana na d ojstiku podczas ruchu si ownika hydraulicznego z wy czonym napi ciem magnetoreologicznego hamulca obci aj cego jest nieco mniejsza i odpowiada sile oporów w asnych d ojstika (jak w przypadku z wy czonym sprz eniem zwrotnym rys. 9b) j [ ] y s [mm] F j [N] -4-6 t [s] x F s [kn] Rys. 11. Przebiegi czasowe si y i po o enia si ownika i d ojstika dla uk adu sterowania z pomini ciem oporów obci aj cego hamulca MR bez w czonego napi cia 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przytoczonych w artykule wyników bada mo na wywnioskowa, e podczas pracy nap du elektrohydraulicznego w warunkach ograniczonej widoczno ci, d ojstik dotykowy i si owe sprz enie zwrotne mog poprawi jako sterowania po o eniem t oczyska. Stosuj c d ojstik dotykowy mo na zarówno wykrywa przeszkody sta e, jak i zmian si y nacisku na przedmioty spr yste. Praca w p tli z dodatkowym si owym sprz eniem zwrotnym mo e te zmniejszy prawdopodobie stwo uszkodzenia urz dze automation 29 71

8 hydraulicznych, nie dopuszczaj c do nag ych wzrostów ci nienia w uk adzie podczas zderze hydraulicznego elementu roboczego z przeszkod. Mo e te zapobiec zniszczeniu innych przedmiotów znajduj cych si w polu pracy nap du, w które móg by on ewentualnie uderzy. LITERATURA [1] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urz dzeniach dotykowych, Seminarium naukowo-techniczne - TECHNICON '5: Targi Nauki i Techniki, Gda sk 25. [2] Bachman, P.; Milecki, A.: MR haptic joystick in control of virtual servo drive, 11th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden 28. [3] Milecki A., awniczak A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Pozna skiej, Pozna [4] [5] [6] [7] Prac wykonano w ramach projektu badawczego KBN p.t.: Konstrukcja i badania urz dze zadaj cych i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z si owym sprz eniem zwrotnym nr 4 T7B automation 29