Implementacja sterowania rozmytego dżojstikiem typu haptic na sterowniku PLC

Transkrypt

1 Implementacja sterwania rzmyteg dżjstikiem typu haptic na sterwniku PLC Dminik Rybarczyk, Pitr Owczarek, Grzegrz Pittner Wydział Budwy Maszyn i Zarządzania Plitechniki Pznańskiej Streszczenie: Artykuł pisuje implementacje układu sterwania dżjstikiem typu haptic w sterwniku PLC. D jeg prjektwania wykrzystan metdy szybkieg prttypwania systemów sterwania śrdwisk Matlab raz narzędzie Autmatin Target fr pakietu Autmatin Studi firmy Bernecker & Rainer [4]. Dzięki niemu mżliwe stał się przeniesienie zaprjektwaneg mdelu sterwania bezpśredni d sterwnika PLC. W sterwniku nadrzędnym przebadan regulatr prprcjnalny i rzmyty, prównując trzymane wyniki. Sygnał sterujący, wypracwany w sterwniku PLC trafiał na sterwniki silników pszczególnych si. Słwa kluczwe: haptic, dżjstik, regulatr rzmyty, manipulatr W rzwiązaniach przemysłwych, craz częściej pszukuje się nwych urządzeń i technik d wzajemnej interakcji maszyny z peratrem. Są t między innymi: panele dtykwe, mnitry z brazami stereskpwymi, wirtualna rzeczywistść. Artykuł pisuje implementacje układu sterwania dżjstikiem z siłwym sprzężeniem zwrtnym (typu haptic) w sterwniku PLC. Dzięki siłwemu sprzężeniu zwrtnemu, peratr ma wrażenia fizyczneg kntaktu z tczeniem kntrlwaneg biektu. 1. Wprwadzenie D sterwania wielu urządzeń stsuje się becnie różneg rdzaju dżjstiki. W wielu teg typu układach stswane są złżne systemy sterwania, nie zawsze mżliwe d zastswania w warunkach przemysłwych. Rzwiązaniem prblemu jest implementacja układu sterwania dżjstikiem typu haptick w sterwniku PLC. Sterwniki PLC są becnie standardem w sterwaniu prcesami przemysłwymi. Ręczne napisanie prgramu sterująceg jest bardz częst czaschłnne i wiąże się z mżliwścią ppełnienia licznych błędów, c w skrajnym przypadku mże spwdwać uszkdzenie maszyny. Z teg względu craz bardziej ppularne staje się wykrzystanie metd szybkieg prttypwania układów sterwania. Przyspieszają ne prces prjektwania raz pzwalają na ich bezpieczne sprawdzanie. Metdy te plegają na wykrzystaniu graficzneg mdelwania symulacyjneg d prgramwania sterwników. Autrzy niniejszej publikacji, wykrzystali teg typu pdejście d sterwania dżjstikiem. 2. Opis prblemu badawczeg Celem prjektu był pracwanie skutecznej metdy sterwania dżjstikiem typu haptic przy pmcy sterwnika PLC. Układ zbudwany jest z dwuramienneg dżjstika. W jeg przegubach zastswan silniki prądu stałeg, sterwane mikrkntrlerem. Są ne płączne d sterwnika PLC, który pełni rlę nadrzędną. Załżn, że sterwany dżjstikiem biekt naptyka wirtualną przeszkdę, zdefiniwaną w kreślnym punkcie przestrzeni rbczej. W mmencie znalezienia się kńcówki efektra w jej bszarze, generwana jest siła przeciwdziałająca ruchwi. Dzięki temu peratr, na pdstawie siłweg sprzężenia zwrtneg ma mżliwść sterwania biektem, nie widząc g w spsób bezpśredni. Dżjstik jest typem dwusiweg manipulatra kinematyce przedstawinej na rys. 1. y a α Rys. 1. Schemat kinematyki dżjstika haptic Fig. 1. Schematic f the haptic jystick kinematic b β Strefa działania sprzężenia siłweg Pzycję kńcówki rbczej efektra wyznaczn przy pmcy równań kinematyki prstej (na pdstawie zmiennych przegubwych). Wartści w si x bliczan przy wykrzystaniu następującej zależnści: x=a cs(α)+b cs(α+β) (1) W mmencie przekrczenia pewnej kreślnej wartści na si x (pczątek strefy działania sprzężenia zwrtneg), w przegubach manipulatra pjawia się stpniw rsnący mment prwy. Dżjstik wypsażn w silniki prądu stałeg sterwane prądw. Załżn, że wartść natęże- x 404 Pmiary Autmatyka Rbtyka 2/2012

2 nia prądu jest wprst prprcjnalna d wartści mmentu siły na wale silnika. D sterwania natężeniem prądu silników zastswan regulatr dwupłżeniwy. Regulatr nadrzędny (PLC) przeznaczny był d wyznaczania i kształtwania mmentów pru ruchu. Wykrzystan w nim najpierw regulatr prprcjnalny, a następnie regulatr rzmyty (fuzzy lgic regulatr). zaprjektwanie raz wyknanie sterwnika silnikami dżjstika, implementacja metdy sterwania w prgramie Matlab, przygtwanie prjektu w śrdwisku Autmatin Studi, przeniesienie kdu ze śrdwiska Matlab d sterwnika PLC, testy układów regulacji. Sterwnik PLC B&R Regulatr prprcjnalny / Regulatr rzmyty Ethernet TCP/IP Autmatin Studi Kmputer PC Matlab DAC Wejście enkdera Pmiary Sterwnik silnika Sterwnik silnika Sterwanie Rys. 2. Wygląd prttypu mechaniki dżjstika zbudwaneg z klcków Leg Mindstrm Fig. 2. View f the jystick prttype built with Leg Mindstrm 3. Opis układu sterwania W celu zweryfikwania skutecznści zaprpnwanych metd sterwania zbudwan dwusiwy dżjstik (rys. 2). Na każdej z si zamntwan enkder impulswy, pzwalający na dczytanie pzycji w jakiej aktualnie jest dany przegub manipulatra. Jak hamulce zastswan silniki DC wraz z przekładniami (przeciwdziałały ne ruchwi peratra). D badań wstępnych wykrzystan klcki Leg Mindstrm. Układ sterwania składał się z dwóch głównych części: sterwnika nadrzędneg raz pdrzędneg sterwnika si silników. Rlę sterwnika nadrzędneg spełniał sterwnik PLC typu X20, któreg prducentem jest firma B&R. D prgramwania tych sterwników wykrzystan śrdwisk Autmatin Studi. Dłączna d nieg bibliteka Autmatin Target fr umżliwiła zintegrwanie systemu ze śrdwiskiem Real Time Wrkshp wchdząceg w skład pakietu Matlab. Opracwanie układu sterwania dżjstikiem typu haptic wymagał przeprwadzenia następujących czynnści: teretyczne pracwanie metdy sterwania, przygtwanie warstwy sprzętwej: pdłączenie układu zasilania sterwnika PLC raz wymaganych mdułów wejść/wyjść, Rys. 3. Schemat sterwnika dżjstika Fig. 3. The jystick driver Układ sterwania pracwał pd kntrlą systemu peracyjneg czasu rzeczywisteg, dzięki czemu bliczenia wyknywane na sterwniku raz wypracwywane przez nieg sygnały spełniały ściśle kreślne ramy czaswe. Główny prgram sterujący wyknywany był z częsttliwścią 100 Hz. Rys. 4. Widk dżjstika i sterwników Fig. 4. A view f a jystick and its cntrllers Sterwnik silnika W celu wygenerwania dpwiednieg mmentu siły na wale silnika DC knieczne stał się zaprjektwanie niezależneg sterwnika silników. D sterwania mmentem siły wykrzystan regulację prądwą. Układ pierał się na 2/2012 Pmiary Autmatyka Rbtyka 405

3 wydajnym, 32-bitwym mikrkntrlerze STM32F103. Jak stpień mcy psłużył układ L298 pzwalający na wysterwanie silnika prądem natężeniu maksymalnie 2 A. W bwód silnika szeregw włączn czujnik prądu typu AC71205 firmy Allegr Micrsystems, któreg działanie wykrzystywał efekt Halla. Napięciwy sygnał wyjściwy trafiał bezpśredni na 12-bitwy przetwrnik ADC mikrkntrlera. W związku z dużą mcą bliczeniwą jednstki centralnej mżliwe stał się zastswanie, pracująceg z wyską częsttliwścią, dwupłżeniweg regulatra natężenia prądu. Dzięki temu uzyskan dkładnść regulacji prądu w zakresie ±10 ma. Rys. 6. Układ sterwania dżjstikiem w prgramie Matlab Fig. 6. The jystick cntrl system in Matlab 32-bitwy mikrkntrler STM32 Zadana wartść prądu PLC Regulatr dwupłżeniwy Przetwrnik ADC Kierunek brtu silnika Czujnik prądu Mstek H Silnik DC Przeliczenie kątwej wartści wejściwej na stpnie Wartść płżenia w si x Rys. 5. Elektrnika sterująca silnikami prądu stałeg Fig. 5. The electrnic cntrl systems f the DC drives 4. Oprgramwanie sterujące W związku z zastswaniem sterwnika PLC firmy B&R główny prgram sterujący pracwan z wykrzystaniem śrdwiska Autmatin Studi. Przygtwany w nim prjekt składał się z warstwy sprzętwej raz prgramwej. W warstwie sprzętwej zdefiniwan zastswane mduły wejść/wyjść. W przypadku pisywaneg prjektu ddan mduły bsługujące enkdery impulswe raz wyjścia analgwe (kntrlujące sterwniki silników). Algrytm kinematyki prstej raz sprzężenia siłweg zamdelwan w śrdwisku Matlab (rys. 6). Mdel składał się z następujących części: mdelu kinematyki prstej, na któreg wejścia trafiały dane w pstaci kątów α i β zmiennych przegubwych, natmiast na wyjściu generwane był płżenie kńcówki efektra w si x (rys.7), mdelu regulatra prprcjnalneg, w którym definiwan wartść, przy której rzpczyna się jeg działanie, a także wartść wyjściwą dla przetwrnika DAC sterwnika PLC (rys. 8), mdelu regulatra rzmyteg, w którym definiwan wartść, przy której rzpczyna się jeg działanie, a także przeliczan wartść wyjściwą dla przetwrnika DAC sterwnika PLC (rys. 9). Mdel, p kmpilacji przez prgram Real Time Wrkshp, pakietu Matlab trafiał bezpśredni d załżneg wcześniej prjektu w prgramie Autmatin Studi. Między warstwą prgramwą i sprzętwą infrmacje wymieniane były przy pmcy zmiennych lkalnych i glbalnych. Tak przygtwany prjekt, p skmpilwaniu wysyłan d sterwnika PLC. Rys. 7. Implementacja kinematyki prstej w prgramie Matlab Fig. 7. Implementatin f the kinematics in Matlab Przeszkda Wzmcnienie k p Wartść kalibracyjna dla przetwrnika DAC Rys. 8. Implementacja regulatra prprcjnalneg w prgramie Matlab Fig. 8. The implementatin f the prprtinal cntrller in Matlab Przeszkda Regulatr rzmyty Wartść kalibracyjna dla przetwrnika DAC Rys. 9. Implementacja regulatra rzmyteg w prgramie Matlab Fig. 9. The implementatin f the fuzzy lgic cntrller in Matlab 406 Pmiary Autmatyka Rbtyka 2/2012

4 5. Badania eksperymantalne Układ testwan, w ten spsób, że peratr przemieszczając kńcówkę dżjstika wzdłuż si x. W mmencie dtknięcia wyznacznej wirtualnie strefy (przeszkdy) sterwnik nadrzędny generwał sygnał siły pru, który za pśrednictwem sterwnika mikrprcesrweg był przekazywany d silników. Operatr dczuwał wtedy mment pru ruchu infrmujący g przekrczeniu strefy, w której znajduje się wirtualna przeszkda. Z uwagi na siłę, która pwinna narastać płynnie, nie pwdując drgań na pszczególnych siach, kluczwą czynnścią pdczas prjektwania układu sterwania był dbranie dpwiednieg regulatra dla nadrzędnej pętli sterującej siłą przegubów dżjstika. W pierwszej fazie badań zdecydwan się na zastswanie regulatra prprcjnalneg. Klejnym krkiem był znalezienie takieg spsbu sterwania, który pzwliłby na kształtwanie sygnału wyjściweg siły w szerkim zakresie. W związku z brakiem wystarczających infrmacji mdelu badaneg dżjstika autrzy zdecydwali się na zastswanie regulatra rzmyteg. Schemat implementacji teg regulatra w układzie sterwania przedstawin na rys. 10. W blku rzmywania jak funkcje przynależnści zastswan trzy funkcje typu gausswskieg, natmiast w blku wystrzania - funkcje trójkątne (rys. 10a). Dzięki dbraniu kształtu funkcji przynależnści w spsób pkazany na rysunku, uzyskan funkcję pkazaną na rys. 10b. trafiająceg na silnik. Czerwne linie na wszystkich wykresach znaczają pczątek naptkania przeszkdy. Rys. 11. Wykresy przemieszczeń zmiennych przegubwych, kńcówki efektra raz prądu generwang na silniku badania symulacyjne Fig. 11. Charts f the junctin displacement variables, the effectrs psitin and the current generated n the mtr simulatin researches Badania symulacyjne (rys. 11) pkazały, że sterwanie rzmyte zapewnia bardziej płynne zmiany sygnału pdawaneg na silniki. W trakcie badań dświadczalnych, najpierw silniki dżjstika sterwan regulatrem prprcjnalnym. Wartści współczynnika wzmcnienia, przy których nie występwały scylacje w układzie wynsił kp=30 V/A (rys. 12). Niestety przy takim wzmcnieniu uzyskiwan stsunkw niską wartść prądu na silnikach i peratr nie dczuwał efektu naptkania wirtualnej przeszkdy. Ddatkw, w trakcie badań zauważn isttny prblem wynikający z knstrukcji mechanicznej dżjstika, a mianwicie występwania luzów na przekładni, które były wyraźnie dczuwane przez peratra. Rys. 10. Funkcje przynależnści wejść/wyjść raz funkcja wyjściwa regulatra rzmyteg (Matlab ) Fig. 10. The membership functins f inputs/utputs and the fuzzy cntrller utput functin (Matlab ) Przed rzpczęciem badań na rzeczywistym biekcie autrzy przeprwadzili symulację. Wykresy przedstawiają zmiany wartści kątwych w czasie pszczególnych zmiennych przegubwych, zmiany płżenia kńcówki efektra w si x raz zmiany generwaneg prądu Rys. 12. Wykresy przemieszczeń zmiennych złączwych, kńcówki regulatra prprcjnalneg kp=30 Fig. 12. Charts f the junctin displacement variables, the prprtinal regulatr kp=30 2/2012 Pmiary Autmatyka Rbtyka 407

5 Rys. 13. Wykresy przemieszczeń zmiennych złączwych, kńcówki regulatra prprcjnalneg kp=120 Fig. 13. Charts f the junctin displacement variables, the prprtinal regulatr kp=120 Rys. 15. Wykresy przemieszczeń zmiennych złączwych, kńcówki regulatra rzmyteg (prąd d 0,8 A) Fig. 15. Charts f the junctin displacement variables, the fuzzy lgic regulatr (fr the current 0,8 A) Rys. 14. Wykresy przemieszczeń zmiennych złączwych, kńcówki regulatra prprcjnalneg kp=300 Fig. 14. Charts f the junctin displacement variables, the prprtinal regulatr kp=300 Aby zwiększyć mment pru ruchu zwiększn współczynniki wzmcnienia regulatra (rys. 13 i 14). Jednak skutkiem teg był występwanie dużych drgań ruchu dżjstika. Były ne nie d zaakceptwania i w związku z tym pstanwin zastswać i wyknać badania przy sterwaniu dżjstika regulatrem rzmytym. Jeg działanie sprawdzn dla dwóch wartści prądu. W związku ze specyficznym ukształtwaniem funkcji wyjściwej regulatra, trzymane przebiegi, mim stsunkw dużej wartści prądu na silnikach, cechwały się znacznie mniejszymi scylacjami. Przekładał się t na wyraźne zwiększenie kmfrtu bsługi (dczuwania) dżjstika. Rys. 16. Wykresy przemieszczeń zmiennych złączwych, kńcówki regulatra rzmyteg (prąd d 1,2 A) Fig. 16. Charts f the junctin displacement variables, the fuzzy lgic regulatr (fr the current 1,2 A) 6. Wniski W artykule pisan system sterwania wirtualnym manipulatrem za pśrednictwem dżjstika typu haptic. Wyknany mdel fizyczny teg dżjstika raz zaprpnwan zastswanie dwupzimweg regulatra systemu. Regulatr niższeg pzimu zaimplementwan w mikrkntrlerze a regulatr wyższeg pzimu w sterwniku PLC. D jeg prgramwania zastswan i zintegrwan prgramwanie AS i MS. Pzwlił t na szybkie mdelwanie raz uruchmienie sterwania. Opisywany spsób sterwania zstał zaimplementwany w sterwniku PLC, c w znacznym stpniu zwiększa 408 Pmiary Autmatyka Rbtyka 2/2012

6 walry praktyczneg zastswania pisywaneg rzwiązania w przemyśle. Ręczne napisanie prgramu regulatra rzmyteg w języku ANSI C mgłby pwdwać spre trudnści. Autrzy rzwiązali prblem, stsując metdy szybkieg prttypwania układów sterwania. Dzięki temu mgli skupić uwagę na istcie prblemu, budując strukturę regulatra przy pmcy dpwiednich blków funkcyjnych w śrdwisku Matlab. Najpierw przeprwadzn badania z zastswaniem regulatra typ P a następnie regulatra rzmyteg. T drugie rzwiązanie kazał się być bardziej skuteczne. Regulatry rzmyte znalazły szerkie zastswanie w sterwaniu prcesami wymagającymi autmatycznej regulacji. Nadal jednak brakuje publikacji dtyczących wykrzystania ich w dżjstikach typu haptic. Przeprwadzne badania miały na celu sprawdzenie wykrzystania ich mżliwści w sterwaniu teg typu układami. Główne zalety pisywanej metdy t mżliwść kształtwania wyjściweg sygnału sterująceg prądem silnika bez dkładnej znajmści mdelu biektu sterwania. Nad zastswaniem nwych metd sterwnia dżjstikami typu haptic prwadzne będą dalsze badania. Weryfikacji wymaga przede wszystkim zachwanie układu w warunkach zmienneg bciążenia raz wykrzystania mdeli nieliniwych. Prwadzne badania mają na celu stwrzenie systemu, który pzwli na sterwanie trójsiwym manipulatrem z napędem hydraulicznym pracującym w granicznej widcznści. Praca naukwa finanswana ze śrdków na naukę w latach jak prjekt badawczy pt. "Zastswanie metd sztucznej inteligencji d nadzrwania pracy urządzeń mechatrnicznych z napędami elektrhydraulicznymi sterwanymi bezprzewdw" Implementatin f the haptic fuzzy cntrller in the PLC Abstract: The article describes the implementatin f a haptic jystick cntrl in the PLC. Authrs used the rapid prttyping methds in designed the cntrl systems - Matlab envirnment and B&R Autmatin Target fr Autmatin Studi tl.. The cntrl signal which was generated in the PLC has been sent t the mtr drivers hit f each axis. The primary driver was tested with fuzzy and prprtinal cntrller. The results has been cmpared. System was tested in the simulatin and in the experimental researches. Keywrds: haptic jystick, fuzzy lgic cntrller, manipulatr mgr inż. Dminik Rybarczyk Asystent w Zakładzie Urządzeń Mechatrnicznych Plitechniki Pznańskiej dminik.rybarczyk@put.pznan.pl mgr inż. Pitr Owczarek Dktrant w Zakładzie Urządzeń Mechatrnicznych Plitechniki Pznańskiej pitr.wczarek@dctrate.put.pzna n.pl Bibligrafia 1. Milecki, A., Myszkwski A., Chciuk M., Applicatins f magnetrhelgical brakes in manual cntrl f lifting devices and manipulatrs [in:] 11 th Internatinal Cnference n Electrrhelgical Fluids and Magnetrhelgical Suspensins, Dresden Chciuk M., Myszkwski, A., Wykrzystanie trzysiweg dżjstika dtykweg z cieczą magnetrelgiczną i siłwym sprzężeniem zwrtnym d sterwania raminami rbta. Archiwum Technlgii Maszyn i Autmatyzacji, vl. 28, nr 4, 2008, Jezierski E., Dynamika rbtów. WNT, mgr inż. Grzegrz Pittner Asystent w Zakładzie Urządzeń Mechatrnicznych Plitechniki Pznańskiej grzegrz.pittner@put.pznan.pl 2/2012 Pmiary Autmatyka Rbtyka 409