Дипломная работа: Дослідження сервоприводу з урахуванням нелінійності

2.3.2 Нелінійності сервоприводу

Основна нелінійність сервоприводу (ОНСП) – це нелінійність рульової машинки, нелінійність статичних характеристик.

Статичні характеристики рульової машинки:

1)         швидкісна;

2)         моментальна.

Швидкісна характеристика рульової машинки – це залежність кутової швидкості вихідного сигналу рульової машинки від вхідного сигналу.

                                               (2.19)

де

- на вхід РМ подається струм,

- на виході РМ – кутова швидкість.

Моментна залежність моменту, що розвивається вихідним штоком, від вхідного сигналу, яка представлена на малюнку 2.6а.

Зона нечутливості є обов'язково; вона обумовлена особливістю конструкцій РМ і нечутливістю реле на вході.

Насичення Mmax обумовлено обмеженням потужності. Моментної характеристикою безпосередньо не використовується.

Зона нечутливості обумовлена тими ж причинами. Що і для розглянутої моментно характеристики. І ще тим, що і РМ завжди необхідно подолати якесь навантаження, якийсь момент M1. Треба подати команду ; до цього вихідний шток нерухомий, швидкість рівна нулю. Зона нечутливості «плаває» залежно від моменту. Це вносить невизначеність при проектуванні.

Зона нечутливості складається як би з двох частин. Вона обумовлена:

1.   Конструкцією РМ.

2.   Моментом, прикладеним до вихідного штока РМ.

Щоб зменшити момент, прикладений до вихідного штока РМ, прагнуть зробити крутіше моментальну характеристику (ближче до релейної).

Вс ці нелінійності необхідно враховувати при проектуванні сервоприводу.

Побудова частотних характеристик для даного об'єкту проводитиметься в середовищі MATLAB/Simulink.

На вказаному графіку видно що, що пік амплітуди рівний А=1.6°, стале значення амплітуди, рівний А=1.2°и час перехідного процесу tПП=0.25 c, який задовольняє вимогам ТЗ. Величина перерегулювання складає приблизно δ=0.6 від сталого значення амплітуди і задовольняє вимогам ТЗ.

Побудуємо ЛАЧХ і ЛФЧХ нескоректованої системи за допомогою команд MATLAB, а також ЛАЧХ і ЛФЧХ скоректованої системи.

Запас стійкості по амплітуді рівний 40.5 дБ, по фазі -375 град. Зв'язана частота ωС=233 рад/с. Запас стійкості системи не достатні, щоб система залишалася стійкою при варіаціях параметрів, приводу і інших функціональних пристроїв в допустимих межах.

3. Експериментальна частина

Задачею експериментальної частини є, одержати навики дослідження статичної і динамічних характеристик електрогідравлічної рульово машинки (ЕГРМ), з використанням реальної установки (в аудиторії 402 радіо корпусу). Як об'єкт управління використовували електрогідравлічний рульовий привод, який представлений на малюнку 3.1.

Малюнок 3.1 – Електрогідравлічна рульова машинка

На вихідному валу ЕГРМ встановлений рухомий електричний контакт, який стикається з сектором нерухомого контакту, має певний тарований (заданий) центральний кут . Послідовно в ланцюг контактів включається годинник для визначення тривалості замкнутого стану контактів при обертанні вихідного валу ЕГРМ. Для подачі управляючого сигналу використовували джерело командних сигналів. Включення стенду здійснюється включенням тумблерів.

а) перемикач  встановити в положення 2, перемикачі,    в положення 1. Перемикачі  і  використовуються для відстежування зміни сигналів в контрольних точках системи і живлення;

_б) рухомий контакт ЕГРМ встановити в положення розімкненого стану по відношенню до нерухомого контакту, шляхом повороту вихідного валу ЕГРМ;

в) ручкою регулятора задаючого пристрою (ЗП) встановити по вольтметру  необхідне значення управляючої напруги (знак сигналу залежить від повороту ЗУ управо або вліво по відношенню до середнього положення ЗП);

г) включити тумблери  і (подається живлення на годинник);

д) включити тумблер, після чого вихідний шток ЕГРМ після певного часу займе нове украй положення;

е) після зупинки штока ЕГРМ вимкнути тумблер  живлення електродвигуна і записати свідчення годинника в таблиці 3.1–3.3. Перемкнути перемикач  () в положення 2 і по першому (другому) променю осцилографа визначити напругу на виході СМ, після чого встановити перемикач  () в положення 3 і по першому (другому) променю осцилографа визначити вихідний сигнал на воді ПМ. Вс свідчення занести в таблиці 3.1–3.3;

ж) здійснити установку годинника в нульове положення відповідною кнопкою скидання годинника;

з) змінити знак на управляючої дії ЗП на протилежний і повторити пп. е-ж.

и) з певним інтервалом зміни управляючої д повторити пп. в-к.

к) визначити значення кутових швидкостей обертання валу ЕГРМ, як відношення кута повороту вихідного штока до проміжку часу замкнутого стану контактів:

,                                                  (3.1)

де – фіксоване значення кута;  – інтервал часу за який шток ЕГРМ при і-том управлінні здійснює поворот на фіксований кут. К ПМ = 3.

Таблиця 3.1 Характеристики ЕГРМ в першому положенні перемикача

Таблиця 3.2 Характеристики ЕГРМ в другому положенні перемикача

Таблиця 3.3 Характеристики ЕГРМ в третьому положенні перемикача

На малюнку 3.2 представлена статична характеристика суматора і розрахований коефіцієнт передачі суматора.

Малюнок 3.2 – Статична характеристика суматора

Для трьох різних положень перемикача коефіцієнт відповідно рівні:

Лінійна математична модель суматора має наступний вигляд:

                       (3.2)

Нелінійна математична модель має вигляд:

Коефіцієнт передачі підсилювача потужності

На малюнку представлена швидкісна характеристика ЕГРМ і розрахований коефіцієнт передачі ЕГРМ, який рівний 0,02.

Получена передавальна функція має вигляд:

.

3.1 Отримання частотних характеристик

Суть експериментального методу отримання частотної характеристики будь-якої динамічної ланки полягає в дослідженні його реакції на дію гармонійного сигналу вигляду: . Для виконання експерименту необхідно виконати наступне:

а) встановити перемикач  в положення 3, що відповідає підключенню виходу ГНЧ до входу СМ;

б) встановити перемикач  в положення 1, що відповідає підключенню сигналу з виходу генератора до першого променя осцилографа, а перемикач  – в положення 4, що відповідає підключенню сигналу з виходу потенціометра зворотного зв'язку ЕГРМ до другого променя осцилографа;

в) за допомогою будівельних ручок, що знаходяться не передній панелі ГНЧ, встановити частоту сигналу 0,02 Гц, а амплітуду сигналу підібрати так, щоб вона не потрапляла в зони не лінійності швидкісно характеристики ЕГРМ;

г) включити ГНЧ;

д) включити тумблер, при цьому вихідний шток ЕГРМ повинен почати скоювати коливальні рухи певної амплітуди з частотою, рівній частоті вхідного сигналу. Оскільки до складу ЕГРМ входить інерційна ланка з великою постійною часу, то матиме місце фазовий зсув між вхідними вихідними сигналами;

е) по осцилографу визначити амплітуду вихідного сигналу, зсув фаз між сигналами і одержані результати занести в таблицю 3.4;

ж) змінити частоту вхідного сигналу на 0,02 Гц повторити п. е.

Таблиця 3.4 Частотні характеристики ЕГРМ

На малюнках 3.3 -3.4 представлені АЧХ і ФЧХ ЕГРМ

Малюнок 3.3 – АЧХ ЕГРМ

Малюнок 3.4 – ФЧХ ЕГРМ

4. Конструкторська частина

4.1 Проектування спеціалізованого обчислювача

В даній частині роботи буде проведений процес проектування спеціалізованого обчислювача.

В системі автоматичного позиціонування, що розробляється в даній роботі, регулятор буде виконаний на основі цифрового мікроконтролера, який повинен буде реалізовувати вибраний раніше закон управління. Для реалізації пропорційної і диференціальної складових потрібна інформація про положення керма управління. Пропонується функціональна схема, представлена на малюнку 4.1.

Малюнок 4.1 – Функціональна схема цифрового регулятора

ЗП задаючий пристрій;

АК – аналоговий комутатор;

ПВХ – пристрій виборкихраніння;

АЦП – аналого-цифровий перетворювач;

МК – мікроконтролер;

ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач;

ШІМ – широтно-імпульсний регулятор;

ШУ – шина управління.

4.2 Перетворювач алгоритмів управління для реалізації в спецобчислювачі

4.2.1 Аналіз алгоритмів управління

Вхідною нформацією для обчислювача є сигнали формувача задаючого сигналу шифратора приросту. Обидва сигнали є 8-розрядним паралельним цифровим кодом.

Оскільки всі вхідні параметри алгоритму поступають безпосередньо з датчика і задаючого пристрою, то попередня обробка не потрібна. Принципи перевірки достовірності інформації з датчика не регламентуються застосуються не будуть.

4.2.2 Розрахунок масштабуючих коефіцієнтів

Значення коду поступаючого з датчика, реєструючого переміщення, є 8-розрядним цифровим кодом, який характеризує величину лінійного переміщення керма управління. Згідно пункту 1, де була розроблена структурна схема системи позиціонування керма управління, значення сигналу зворотного зв'язку повинне бути зменшено в 1000 разів, відповідно виходячи з цього, цифровий 8-розрядний код поступаючий з шифратора приросту повинен бути помножений на коефіцієнт зворотного зв'язку:

.

Дана операція буде виконана безпосередньо за допомогою мікроконтролера, при виконанн алгоритму реалізації заданих арифметичних операцій.

4.2.3 Оцінка реалізованої періоду дискретності

Заданий період дискретності складає . Стандартна тактова частота мікроконтролера МК51 , що використовується, отже, період імпульсів для таймера МК51 складе . Максимальний інтервал часу реалізовуваний таймером . Оскільки , то даний період дискретност може бути реалізований тільки апаратними засобами МК51 (таймер в 16-бітовій конфігурації рахункового регістра).

4.2.4 Оцінка реалізації обчислювача на особливі ситуації

Особливими ситуаціями в системі, що розробляється, є сигнали переривань. Джерела переривань пов'язані з ними події дані в таблице. 4.1

Таблиця 4.1 Джерело переривань і пов'язані з ними події дано

4.2.5 Структура повного алгоритму роботи системи

Повний алгоритм функціонування обчислювача за рішенням задачі управління складається з таких етапів:

1.         Прийом коду із значенням управляючого сигналу (по сигналу готовності, який обробляється через канал переривання).

2.         Прийом коду із значенням сигналу з датчика положення .

3.         Реалізація обчислень (узгодження вхідних сигналів, реалізація закону управління).

4.         Очікування завершення періоду, реалізоване через очікування сигналу переривання від таймера.

5.         Перезапуск таймера (запис стартового числа) і перехід до пункту 1.

4.3 Побудова функціональної схеми спецобчислювача

Спецобчислювач призначений для перетворення і обробки інформації тією, що подається з датчиків. На вхід спецобчислювача подається аналоговий сигнал в діапазоні 0…+5В, а на виході одержуємо аналоговий сигнал в діапазоні 0…+10В. Функціональна схема спецобчислювача представлена на малюнку 4.2. Для здійснення керовано передачі аналогової інформації в АЦП застосований 8-розрядний аналоговий комутатор з дешифратором, який комутує вихід з 0 і 1 з 8 аналогових входів. В нашому випадку всю решту входів заземлимо, окрім останнього, який залишимо для виходу з підсилювача потужності. Номер даного входу визначається двійковим номером, заданим на управляючих входах. Інформація про двійковий номер поступає безпосередньо від мікроконтролера. Для перетворення 8-розрядного дискретного коду в аналоговий застосовний 10-розрядний ЦАП, для цього на два розряди ЦАП подамо землю. З цього виходить, що в обчислювач повинні входити: мікроконтролер (МК), АЦП, ЦАП, пристрій виборкихраніння (УВХ), аналоговий комутатор (АК).

Малюнок 4.2 – Функціональна схема спецобчислювача

4.3.1 Формування алгоритму роботи спецобчислювача

Спецбчислювач на базі мікроконтролера виконує наступні операції:

– отримання і обробка інформації з підсилювача, датчика зворотного зв'язку по положенню і датчика кутової швидкості;

-  реалізація закону управління;

-  видача аналогового сигналу на електрогідравлічний перетворювач.

На малюнку 4.3 представлений спрощений алгоритм роботи обчислювача по отриманню, перетворенню і передачі даних. Алгоритм представлений у вигляді блок-схеми.

На основ запропонованого алгоритму роботи складена програма роботи управляючого обчислювача, побудованого на основі мікроконтролера AT89S8252 фірми Atmel.

Розроблена програма вводиться в керований обчислювач за допомогою LPT-порту ПК і каналу програматора, який здійснює прошивку резидентної пам'яті програм мікроконтролера.

4.4 Розробка структури ПО і оцінка необхідних ресурсів

Програмне забезпечення для вирішення даної задачі складатиметься з структурних елементів, характеристика яких представлена в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 Характеристика структурних елементів ПО

Під процедурами введення(висновку) маються на увазі дії по управлінню каналом введення(висновку), по перетворенню числа. Загальна діаграма завантаження обчислювача в межах базового періоду роботи  представлена на малюнку 4.4.

Малюнок 4.4 – Діаграма завантаження обчислювача

На схемі цифрами позначені:

1.            Установка адреси роботи.

2.         Дозвіл роботи аналогового комутатора.

3.         Дозвіл роботи УВХ і АЦП.

4.         Час перетворення.

5.         Читання даних.

6.         Заборона роботи АЦП і аналогового комутатора.

7.         Установка адреси на аналоговий комутатор.

8.         Дозвіл роботи аналогового комутатора.

9.         Дозвіл роботи УВХ і АЦП.

10.      Час перетворення.

11.      Читання даних.

12.      Визначення значення управляючої дії.

13.      Вибір закону управління на Порт 2.

Максимальний час на виповнення алгоритму в межах базового періоду складає (на підставі таблицы 4.2):

,

де

( – час виконання функціонального алгоритму).

Тоді .

Оскільки <, то циклограма малюнка 2.4 може бути реалізована на даному процесорі безпосередньо.

Необхідний об'єм пам'яті програм (ПЗП) складає:

байт.

Об'єму ПЗП достатньо для виконання алгоритму, оскільки об'єм РПП складає 4096 байт.

4.5 Розробка принципової схеми обчислювача

4.5.1 Вибір елементарної бази

Годинозадаючий ланцюг.

Годинозадаючий ланцюг необхідний для завдання тактових імпульсів мікроконтролеру для його синхронізації. На малюнку 4.5 представлена принципова схема час задаючого контура, створеного на основі кварцового резонатора з частотою 22.1184 Мгц, включеного по схемі з середньою крапкою.

Кварцовий резонатор, що підключається до зовнішніх висновків XTAL1 і XTAL2 мікроконтролера, управляє роботою внутрішнього генератора, який формує внутрішні сигнали синхронізації.

На основі сигналів синхронізації пристрій управління мікроконтролера формує машинний цикл фіксованої тривалості, яка дорівнює 12 періодам резонатора. Вибір зупинений саме на такій схемі з таким кварцовим резонатором унаслідок того, що у взаємодії з мікроконтролером AT89S8252 цей ланцюг генерує крок роботи МК рівний 0.5 мкс. Такий крок роботи програм повністю влаштовує, оскільки дозволить легко вкласти алгоритм роботи мікроконтролера в 5 мс.

Для проектованого управляючого обчислювача був вибраний мікроконтролер AT89S8252 фірми Atmel. На малюнку 4.6 представлено графічне позначення мікроконтролера AT89S8252 фірми Atmel.

Вибір цього мікроконтролера обумовлений наступним:

-     гранично низька вартість;

-     наявність 8 кбайтів FLASH-ПЗП програм з можливістю внутрішньосистемного перепрограмування через SPI (serial programming interface) канал;

-     можливість роботи на низьких тактових частотах (аж до нуля Гц), що важливе в системах реального часу.

Основн характеристики наступні:

-     три рівні захисту програм;

-     256 байтів внутрішньої оперативної пам'яті;

-     три 16-бітові таймери/лічильники;

-     32 програмовані лінії уведення-виведення;

-     дев'ять джерел переривань;

-     програмований послідовний інтерфейс;

-     master/slave SPI послідовний інтерфейс;

-     режим зниженого енергоспоживання (живлення +5 В);

-     переривання при подачі напруги;

-     програмований сторожовий таймер;

-     два регістри – покажчика даних;

-     прапор відключення живлення.

Мікроконтролер випускається в DIP корпусі, що дозволяє як встановлювати контроллер на контактний майданчик, так і упаювати його в схему.

Шинний формувач застосовується для збільшення потужності вхідних і вихідних (запетлеваних) сигналів мікроконтролера до 20 мА. Як шинний формувач в представленому пристро використовується мікросхема КР1533АП6, графічне позначення якої представлено на малюнку 4.7.

Малюнок 4.7 – Шинний формувач

Мікросхема восьмирозрядним двонаправленим приймачем-передавачем з двома станами на виході і без інверсії вхідної інформації. Режим роботи визначається комбінацією сигналів на двох входах управління – і . При низькому рівні напруги на вході управління третім  станом напряму передачі визначається логічним рівнем на вході , а при високому рівн напруги на вході  виходи мікросхеми переводяться у високоімпедансний стан (таблиця 4.3).

Таблиця 4.3 Таблиця стинності шинного формувача

Для забезпечення роботи щодо низкоомного або велике навантаження місткості виходи мікросхеми мають підвищену потужність в порівнянні із стандартними.

COM-порт

На малюнку 4.8 представлений зовнішній вигляд роз'єму COM-порту (mother) на шлейф передачі даних, з вказівкою номерів ніжок.

Малюнок 4.8 – Зовнішній вигляд роз'єму COM-порту

Використовування цього порту ПК як і пристрої узгодження рівнів необхідно при розробці каналу передачі даних на ПК. COM-порт – це послідовний порт ПК, через який можлива передача даних по протоколу RS-232 на підключений ПК.

В таблиці 4.4 представлені відповідні номери ніжок мікроконтролера і COM-порту з поясненням їх призначення, необхідні для наладки даного каналу зв'язку.

Таблиця 4.4 Принцип сполучення МК і ПК

LPT-порт

На малюнку 4.9 представлений зовнішній вигляд роз'єму LPT-порту (father) на шлейф програматора, з вказівкою номерів ніжок.

Малюнок 4.9 – Зовнішній вигляд роз'єму LPT-порту

LPT-порт це паралельний 25-піновий порт ПК. Вживання цього порту ПК пов'язано з наладкою каналу програматора. Канал програматора здійснює прошивку резидентної пам'яті програм мікроконтролера AT895S8252.

В таблиці 3.4 представлені відповідні номери ніжок мікроконтролера і LPT-порту з поясненням їх призначення.

Таблиця 3.4 Таблиця опису шлейфу програматора

4.6 Створення принципової схеми управляючого спецобчислювача

Після вибору розрахунку функціональних блоків пристрою можна переходити до створення принципової схеми управляючого обчислювача.

Принципова схема є з'єднанням вибраних функціональних блоків по функціональній схемі, з урахуванням всіх правил з'єднання. Принципова електрична схема розробленого пристрою представлена в додатку А.

5. Дослідницька частина

5.1 Вибір кругового коефіцієнту нелінійного сервоприводу

В нелінійних системах звичайно присутні автоколивання. Як основний критерій при виборі кругового коефіцієнта використовують вимоги відсутності автоколивань в нелінійній системі. Щоб досліджувати систему на автоколивання, треба її розімкнути так, щоб виділити нелінійність.

Всю розімкнену систему замінюємо двома ланками: лінійно нелінійної частинами (мал. 5.2)

Малюнок 5.2 – Ланки: лінійна і нелінійна частина

Використовують метод гармонійної лінеаризації. Запишемо умову наявності автоколивань в системі: , звідси  (умова наявност автоколивань в системі).

Перейдемо до умови відсутності автоколивань. Ця умова запишеться , отже  – умова відсутност автоколивань. Це означає, що годограф WЛ(s) і годограф  не перетинаються, тоді, автоколивання в системі відсутні. Вигляд  різний, залежно від того, яка нелінійність переважає. Якщо немає петлі, то нелінійність однозначна (мал. 5.3).

Малюнок 5.3 – Годограф без петлі

Те мінімальне значення кругового коефіцієнта посилення сервоприводу, при якому виконується умова існування автоколивань в системі, назвемо критичним.

Чому мінімальне?

Перетин годографів може бути найрізноманітнішим. Завжди в системі буде два граничні цикли. Один стійкий, інший нестійкий. Але коефіцієнт не буде критичним.

Найменший коефіцієнт, який виходить тільки при торканн буде мінімальним і критичним. Оскільки, якщо його зменшити, то будуть відсутн автоколивання.

Страницы: 1, 2, 3, 4