Фрагмент доповіді на Всеукраїнській науково-технічній студентській конференції. Днепрдзержинськ, ДНТУ, 2006 р.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА НАУКОВО-ДОСЛІДНИЦЬКА УСТАНОВКА НА БАЗІ IBM-PC суміснОГО комп'ютерУ
Сучасний машинний пристрій або, як його називають виробничий агрегат складається з великого числа різноманітних деталей, окремих машин і апаратів, що виконують різні функції. Всі вони в сукупності виконують роботу, спрямовану на забезпечення певного виробничого процесу. Необхідно добре знати призначення окремих елементів, що становлять машинний пристрій, їх характеристики, достоїнства і недоліки, оскільки без цього неможливо проектувати і створювати електропривод, а також неможливо правильно обслуговувати його в експлуатації. Тому в науковій діяльності, з метою глибокого вивчення електромеханічних систем, застосовуються лабораторні стенди і установки.
Лабораторні стенди для дослідження електромеханічних систем дозволяють всебічно вивчити об'єкт дослідження, експериментально визначити його параметри, і підібрати оптимальний алгоритм керування об'єктом.
Дослідження електромеханічної системи за допомогою лабораторного стенду дозволяє виявити деякі недоліки системи управління електроприводом, які не можуть бути виявлені на початкових етапах дослідження за допомогою математичного моделювання.
1 ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ НАУКОВО-ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ
1.1 Загальні відомості
Силова частина установки містить у собі два двигуни постійного струму верстатної серії (ПБСТ), два тиристорних перетворювачі типу ЭТ6. У якості датчика швидкості виступає тахогенератор, розташований на одному валу з досліджуваною машиною М1. Вали досліджуваної і навантажувальної машин з'єднані жорстко, без пружностей і зазорів. З боку навантажувальної машини М2 передбачена можливість підключення дванадцятирозрядного кодового датчика КД3, що може виступати як датчик швидкості, так і датчик положення .
Система керування електроприводом реалізована на цифровій елементній базі. У якості керуючої ЕОМ виступає IBM-PC сумісний комп'ютер Pentium III (600 Мгц). Аналогово-цифрове перетворення сигналів зворотних зв'язків і цифро-аналогове перетворення керуючих впливів здійснюється платою 5710 Octagon Systems. Вхідні аналогові сигнали, що надходять від датчика швидкості і датчиків струму, гальванично розв'язані за допомогою трьох модулів 5В41 Analog Devices. Для гальванічної розв'язки вихідних сигналів (завдання на СІФК) використовується два модулі 7В22 Analog Devices.
Система керування реалізує пряме цифрове керування електроприводом. Керуюча ЕОМ працює під керуванням операційної системи реального часу QNX. Період дискретності цифрової керуючої машини складає 0,5 мс. Крім функції керування на систему покладені ще і функції візуалізації з можливістю оперативного керування системою з клавіатури комп'ютера. Вигляд вікна візуалізації показано на рисунку 1.2. Реєстрація необхідних сигналів (як внутрішніх так і зовнішніх сигналів системи) здійснюється з частотою 2кгц. Передбачено можливість запису сигналів із заданою передісторією. Пуск реєстрації можна здійснити як вручну, так і програмно. Кількість записуваної інформації обмежується обсягом виділюваної пам'яті з загального обсягу оперативної пам'яті для даної задачі і складає 16МБ. При частоті реєстрації 2кгц і обсязі виділеної пам'яті (обсяг однієї точки запису складає 4 байти) максимальна кількість сигналів-секунд дорівнює 2097.
Функціональна схема експериментальної установки представлена на рисунку 1.3 Наборне поле на передній панелі стенда дозволяє реалізовувати необхідну конфігурацію системи керування. Для дослідження системи регулювання з контурами швидкості і струму досліджуваної машини і контуром струму навантажувальної машини необхідно здійснити з'єднання елементів на наборному полі, що представлено на рисунку 1.4
Перегляд, аналіз, фільтрація, перетворення і подальша обробка зареєстрованих сигналів здійснюється за допомогою пакета МаtLab в операційній системі Windows.
Рисунок 1.2 – Вікно візуалізації
Рисунок 1.3 Функціональна схема експериментальної установки.
Рисунок 1.4 Схема комутації на наборному полі для реалізації СПР
с використанням ТП1, ТП2 і цифрова системи керування
1.2 Системне програмне забезпечення
В даний час багато операційних систем (ОС) реального часу (РЧ) показують близькі значення показників ефективності. Тому одним з найбільш важливих критеріїв операційної системи є наявність у ній розвитого середовища розробки, графічних інтерфейсів, мережної підтримки.[7] Серед найвідоміших ОС РЧ для IBM PC таких як, RTMX (фірма RTMX-Uniflex), AMX (фірма Kadak Products Ltd.), OS-9000 (фірма Microwave Systems), FlexOS (фірма Novell Dedicated Sys Bus Unit), Lynx OS (фірма Lynx Real-Time Systems), VRTX (фірма Ready Systems) і інших, саме QNX вигідно виділяється якнайповнішим набором інструментальних засобів, до яких користувач звик в DOS або UNIX.
Нижче приведені основні риси ОС РЧ QNX, завдяки яким вона і була обрана для реалізації даного проекту[9-11]:
· надійна мікроядерна архітектура з захистом пам'яті;
· передбачуваність;
· гнучка масштабованысть;
· POSIX-сумісний API;
· розподілений мережний доступ до ресурсів;
· підтримка TCP/IP;
· багатоплатформеність;
· підтримка SMP-архітектур;
· простота адаптації до апаратних засобів.
Головний обов'язок операційної системи складається в керуванні ресурсами комп'ютера. Усі дії в системі – диспетчеризація прикладних програм, запис файлів на диск, пересилання даних по мережі і т.п. – повинні виконуватися спільно настільки швидко і прозоро, наскільки це можливо.
Деякі області застосування пред'являють більш тверді вимоги до керування ресурсами і диспетчеризації програм, чим інші. Додатки реального часу, наприклад, покладаються на здатність операційної системи обробляти численні події в межах обмеженого інтервалу часу. Ніж швидше реагує операційна система, тим більший простір "для маневру" має додаток реального часу в межах твердих тимчасових рамок.
Операційна система QNX ідеальна для додатків реального часу. Вона забезпечує всі невід'ємні складові системи реального часу: багатозадачність, диспетчеризацію програм на основі пріоритетів і швидке переключення контексту.[11]
QNX – гнучка система. Розроблювачі легко можуть настроїти операційну систему таким чином, щоб вона відповідала вимогам конкретних додатків. QNX дозволяє створити систему, що використовує тільки необхідні для рішення задачі ресурси. Конфігурація системи може змінюватися в широкому діапазоні – від ядра з декількома невеликими модулями до повноцінної мережної системи, що обслуговує сотні користувачів.
QNX досягає свого унікального рівня продуктивності, модульності і простоти завдяки двом фундаментальним принципам:
· архітектура на основі мікроядра;
· зв'язок між процесами на основі повідомлень.
1.2.2Прикладне програмне забезпечення
Програмно-апаратна частина установки складається з одного вузла, що є IBM PC сумісним офісним комп'ютером (по складу аналогічний промисловому контролерові) з необхідним набором периферійних пристроїв, що працюють під керуванням ОС РЧ QNX 4.25.[6] Виходячи їх того, що QNX – багатозадачна ОС, що надає диспетчеризацію процесів на основі пріоритетів і швидке переключення контексту задач, прикладне програмне забезпечення системи керування лабораторним приводом має модульну структуру. Основною функцією вузла є керування об'єктом, тобто одержання і вироблення керуючих сигналів і видача даних сигналів у поділювану пам'ять. Крім того, вузол здійснює їхнє графічне відображення, можливість одержання і зміни з процесу-візуалізації поточних параметрів процесу керування. Він оснащений необхідним набором пристроїв зв'язку з об'єктом (ПЗО), у якості яких виступають ЦАП, АЦП і модулі дискретних каналів вводу/виводу, а його програмна частина складається з процесу керування, процесу візуалізації.
Вузол містить наступні основні компоненти:
· керуючий процес – процес, відповідальний за одержання, розрахунок і видачу керуючих сигналів на ПЗО. Взаємодія з іншими станціями локальної мережі відбувається через процес-коммунікатор за допомогою механізму поділюваної пам'яті;
· процес візуалізації – процес, що здійснює контроль за поточними параметрами системи і представляє можливість оперативної зміни поводження системи.
Під поняттям візуалізації мається на увазі сукупність процесів, що працюють під керуванням графічної оболонки Photon і забезпечюючих взаємодію користувача з процесом керування. Процес візуалізації стану лабораторної установки забезпечує візуальне відображення основних сигналів і параметрів поточної роботи установки, а також надає можливість при працюючої САК змінювати параметри процесу керування, змінюючи тим самим поводження математичної моделі системи керування;
1.3 Основні технічні характеристики устаткування
Плата аналогового вводу-виводу 5710
Термінальна плата вхідних гальванічних розв'язок 5В08 Analog Devices
· Напруга живлення 5В;
· Кількість модулів – 8.
3 модулі вхідних гальванічних розв'язок 5В41-03 Analog Devices
· Вхідний сигнал +/-10В;
· Вихідний сигнал +/-5В;
· Смуга пропускання 10 кГц.
Термінальна плата вихідних гальванічних розв'язок 7ВР04-1 Analog Devices
· Напруга живлення 24В;
· Кількість модулів – 4.
2 модулі вихідних гальванічних розв'язок 7В22 Analog Devices
· Вхідний сигнал +/-10В;
· Вихідний сигнал +/-10В.
Тиристорний перетворювач ЕТ6 Р14 220-52 (верстатний). Являє собою моноблочну відкриту конструкцію, призначену для вбудовування в шафи комплектних пристроїв і в ніші металорізальних верстатів.
· Напруга 380В;
· Потужність 5,5квт;
· Частота 50Гц;
· ТУ 16-530.223_77
· Трансформатор ТС 14/24;
· Реактор РТ4 (2шт);
· Регулятор ППБ 15М 1.
ТП виконаний по шестифазній нульовій схемі зі спільним керуванням випрямними групами. Реактори обмежують зрівняльний струм. Датчиками струму служать магнитодіоди. Для захисту двигуна від перевищення температури в нього вбудований терморезистор, який підключається до схеми захисту в системі управління (тут не використовується).
Двигун ПБСТ-43 У4
· Напруга 220В;
· Потужність 2,8квт;
· Номінальний струм 14,5А;
· Номінальна частота обертання 1500про/хв;
· Напруга збудження 220В;
· Струм збудження 0,4А.
2 Реалізація системи керування електроприводом за допомогою пакетів Simulink і Real Time Workshop у середовищі MatLab
Розробка системи керування електроприводом здійснювалася за допомогою пакета Simulink у середовищі MatLab. Для зв'язку програми керування електроприводом використовується драйвер плати аналогового вводу-виводу 5710 Octagon systems.
Фрагмент Simulink моделі motor109.mdl, файл якої реалізує керуючу програму представлений на рисунку 2.7. За допомогою цієї моделі реалізовано двоконтурну систему підлеглого регулювання швидкості, з ПІ-регулятором струму, та П-регулятором швидкості. Трапециідальну тахограму реалізує передбаченний в моделі задавач інтенсивності. Для успішної компіляції необхідно здійснити відповідне настроювання параметрів моделювання, модуля RTW і т.д.
Рисунок 2.7 – Фрагмент Simulink моделі motor109.mdl
3 Програма перегляду записаних сигналів
Для перегляду, аналізу і подальшої обробки зареєстрованих сигналів розроблений графічний інтерфейс у середовищі MatLab за допомогою додатка Guide. Для виклику програми перегляду необхідно в командному рядку набрати ім'я цього додатка sees. При запуску цієї програми відкривається панель (див. рисунок 3.1) з областю для побудови графіків і з декількома кнопками. При натисканні лівої кнопки виклику «Load» викликається стандартний інтерфейс відкриття файлу середовища MatLab. Для зручності використання за замовчуванням викликається папка C:\matlab12\work\lab_109\data, у якій представлені усі файли з розширенням *.mat. Після вибору файлу у відповідній області будується графік сигналів у функції часу в одних осях, а праворуч від цієї області з'являються «вікна контролю» різних квітів, причому їхня кількість дорівнює числу зображених сигналів. За допомогою лівої клавіші миші можна забирати або відновлювати мітку на кожнім з каналів. При цьому буде з'являтися або зникати відповідний графік, колір якого збігається з кольором його назви на вікні контролю каналів (Chanel_). Крім того, після відкриття файлу у верхній шапці панелі з'являється назва додатка «Signals of Laboratory 109» і ім'я відкритого файлу, наприклад «Current file: t_3_L_3.mat».
Побудовані графіки за допомогою лівої і правої кнопки миші можна збільшувати (розтягуванням прямокутника лівою клавішею миші) або зменшувати графіки. При цьому масштаб на осях ординат і часу буде змінюватися автоматично.
Праворуч кнопки виклику «Load» розташоване вікно списку збереження масштабу «save initial scope/save current scope». За замовчуванням встановлена опція «save initial scope». При цій опції, якщо ви мишкою змінюєте масштаб, а потім забираєте або відновлюєте який-небудь з каналів у вікні контролю, то графіки перебудовуються завжди в тому масштабі, у якому вони були побудовані з початку. Для зміни опції на «save current scope» необхідно клацнути правою клавішею миші на вікно списку збереження масштабу, і вибрати потрібний. При встановленій опції «save current scope» які-небудь маніпуляції із сигналами, що приводять до відновлення графіків у вікні, здійснюються зі збереженням поточних на даний момент масштабу. Це особливо зручно при великих збільшеннях.
Рисунок 3.1 – Зовнішній вигляд панелі перегляду
Для того, щоб строго встановити значення максимуму і мінімуму осей ординат і часу необхідно викликати діалогову панель введення координат натисненням правої клавіші миші у області вікна списку збереження масштабу. У цьому вікні з назвою «Введіть свої параметри координат» є можливість набрати (змінити) цифрове значення координат мінімуму і максимуму по кожній осі
При натисканні правої клавіші миші в області контролю каналів (Chanel_) з'явиться контекстне меню з наступними пунктами: «filtering, invert conversion, incremention, multiplication». Вибір пункту «filtering» дозволяє зробити фільтрацію обраного сигналу простою аперіодичною ланкою з постійної часу, яку можна вибрати з наданого далі списку (0,002 0,005 0,01) за допомогою мишки. Обраний сигнал буде профільтрований із зазначеної постійної часу і його графік оновлений. Крім того, із сигналами можна робити наступні операції: інвертування (invert conversion), зрушення по вертикалі на зазначену величину (incremention), збільшення (зменшення) у зазначене число раз (multiplication).
Закриття або згортання панелі проглядання записаних файлів здійснюється натисненням лівої клавіші миші у відповідній області.
В даній роботі запропоновано реалізацію системи керування електроприводом за допомогою пакетів Simulink і Real Time Workshop у середовищі MatLab, на прикладі двоконтурної системи підлеглого керування електроприводом постійного струму.
За допомогою даної експерементальної науково-дослідної установки були реалізовані та досліджені система регулювання швидкості електроприводу, та система регульвання положення електроприводу.
Було розроблено спеціалізоване програмне забезпечення для візуалізації процесів, а також для аналізу отриманих результатів
1. Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Федоряк Р.В. Практическая реализация цифровых САУ в среде пакета Матлаб с использованием платформы реального времени „QNX TARGET” // Вісник Національного технічного університету ХПІ. Тематичний збірник наукових праць „Проблеми автоматизованного електроприводу. Теорія і практика”. – Харків: НТУ ХПІ. – 2002. – Т.1. - №12 – с.98-101.
2. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. – 832 с.
3. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью – М.: Лаборатория базовых знаний, 200. – 616 с.
4. Моделювання електромеханічних систем: Підручник / Чорний О.П., Луговой А.В., Родькін Д.Й., Сисюк Г.Ю., Садовой О.В. – Кременчук, 2001. – 376с.
5. Толочко О.І. Аналіз та синтез електромеханічних систем зі спостерігачами стану: навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. – Донецьк: Норд-Пресс, 2004. – 298 с.
6. Сорокин С. IBM РС в промышленности // СТА, №1, 1996, с. 6-13.
7. Сорокин С. Как много ОС РВ хороших : // СТА, №2, 1997, с. 7-11.
8. Золотарев С. Интегрированные пакеты АСУ ТП в ОС QNX // СТА, №1, 1996, с. 36-40.
9. Ющенко С. QNX // СТА, №2, 1997, с. 12-13.
10. Ющенко С. Графическая оболочка PHOTON - революция в мире интерфейсов // СТА, №1, 1996, с. 105-109.
11. Сорокин С. Системы реального времени // СТА, №2, 1997, с. 22-29.
12. Олссон Г., Пиани Дж., Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский Диалект, 2001, 557 с. с. ил.
13. MATLAB und SIMULINK. Beispielorientierte Einfuhrung in die Simulation dynamischer Systeme / Josef Hoffman – Bonn: Addison-Wesley-Longman. 1998. - 505 S.
14. Solving control engineering problems with MATLAB (MATLAB curriculum series) / K. Ogata. – Englewood Cliffs. NJ: Prentice Hall, 1994 – 359p.