Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор систем управления электроприводами устройств высокоточного перемещения 11
1.1. Обзор устройств высокоточного перемещения специальных промышленных механизмов 11
1.2. Обзор архитектур СУ многокоординатных ЭП устройств высокоточного перемещения 16
1.3. Обзор структур инвариантных автоматических систем управления .24
1.4. Программные средства систем управления многокоординатными ЭП 30
1.5. Выводы 35
2. Моделирование электромеханического объекта управления и анализ средств моделирования 37
2.1. Идеология построения взаимосвязи сред моделирования MATLAB 7 и разработки программного обеспечения Delphi 7 37
2.2. Модель варианта кинематической цепи механизма 42
2.3. Модель цифро-аналогового следящего электропривода постоянного тока 47
2.4. Модель цифро-аналогового СЭП с комбинированным управлением...54
2.5. Выводы 65
3. Разработка алгоритмов управления многокоординатными следящими ЭП 67
3.1. Общая характеристика траекторных задач 67
3.2. Алгоритм расчета и построения кубического сплайна 70
3.3. Алгоритм управления скоростью на участках траекторий движения многокоординатного следящего электропривода 85
3.4. Алгоритм генерации задания СЭП в реальном времени 100
3.5. Синтез структуры СУ с комбинированным управлением следящим ЭП 106
3.6. Выводы 113
4. Программное обеспечение системы управления и экспериментальные исследования 115
4.1. Описание экспериментальной установки 115
4.2. Программное обеспечение 118
4.3. Экспериментальные исследования электромеханической системы ... 127
4.4. Экспериментальные исследования цифровой системы управления... 136
4.5. Выводы 148
Заключение 149
Литература 153
- Обзор устройств высокоточного перемещения специальных промышленных механизмов
- Идеология построения взаимосвязи сред моделирования MATLAB 7 и разработки программного обеспечения Delphi 7
- Алгоритм расчета и построения кубического сплайна
- Экспериментальные исследования электромеханической системы
Введение к работе
В последние годы получило развитие новое технологическое оборудование, содержащее в своем составе устройства высокоточного перемещения - установки лазерной и плазменной резки, лазерной гравировки, роботизированные сварочные комплексы, которое предопределяет новые требования к быстродействию и точности систем управления следящими электроприводами. Эти требования не могут быть обеспечены только цифровым исполнением элементов электропривода, поэтому необходимо разработать более эффективное алгоритмическое и программное обеспечение систем управления.
Анализ алгоритмического обеспечения систем управления следящими электроприводами, разработанного такими производителями как Siemens, Mitsubishi, Heidenhain, Fanuc, показал, что наиболее перспективными с точки зрения качества отработки сложных траекторий движения являются алгоритмы кубической сплайн-интерполяции, алгоритмы управления скоростью электропривода в виде функций высоких порядков, а также средства цифровой коррекции задающих воздействий, основанные на теории комбинированного управления. Известно, что теория комбинированных систем управления позволяет повысить точность и быстродействие отработки заданных траекторий движения. Этому посвящено достаточно большое количество работ [8, 11, 30, 50, 51, 118]. Однако большого распространения в инженерной практике алгоритмы комбинированного управления цифровыми следящими электроприводами не получили.
Обзор систем управления следящими электроприводами производимых отечественными производителями показывает, что на рынок, в основном, поставляются системы, оснащенные только двумя видами интерполяции - линейной или круговой, а также ставшими уже классическими законами разгона/торможения по прямоугольной или трапециидальной диаграмме скорости. Во многих случаях классические законы управления следящими электроприводами, как например, в установках лазерного раскроя листовых материалов
или гравировки не позволяют достичь требуемых динамических характеристик электромеханических систем - минимальной ошибки отработки заданной траектории движения при максимальном быстродействии и ограничениях скорости и ускорения. Так, например, ошибки поддержания заданной контурной скорости при раскрое материалов могут проявиться в виде значительно большего оплавления кромки траектории движения лазерного луча либо в виде отсутствия заданной глубины резки. Это в совокупности приводит к искажению контура обрабатываемой детали.
Вопросами разработки и совершенствования систем управления электроприводами, в том числе с цифровым управлением, занимались Башарин А.В., Сабинин Ю.А., Нуждин В.Н., Сосонкин В.Л., Коцегуб П.Х., Перельму-тер В.М., Поздеев А.Д., Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г., Щипанов. Г.В., Кулебакин B.C., Mark Milam В., Monsees Covert, Hugh Jack и др.
Современный уровень вычислительных устройств позволяет практически без ограничений реализовывать различные алгоритмы управления технологическим оборудованием. Такое обстоятельство дает возможность цифровым системам управления электроприводами не только обеспечить высокую точность и производительность системы, но и расширить круг задач, возлагаемых на систему управления.
Широкие перспективы внедрения алгоритмического обеспечения создаются при модернизации систем управления технологическим оборудованием в машиностроении. Это обусловлено тем, что прогресс в развитии числовых систем управления по своим темпам существенно опережает улучшение конструкций механообрабатывающего оборудования.
Все вышеизложенное и определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.
Цель работы
Цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмического обеспечения систем цифрового программного управления, позволяющих
улучшить в реальном масштабе времени точность и плавность движения следящих многокоординатных электроприводов технологического оборудования.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
анализ принципов построения и архитектуры современных систем цифрового управления многокоординатными следящими электроприводами устройств высокоточного перемещения;
разработка модели цифро-аналогового следящего электропривода в интегрированной среде MATLAB и Delphi;
разработка алгоритмов сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения цифровых следящих электроприводов;
разработка алгоритмов плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов;
синтез структуры и алгоритма цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом;
программно-аппаратная реализация цифровой системы управления следящими электроприводами класса PCNC двухкоординатного стола.
Методы исследований
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории автоматического регулирования, линейной алгебры и дифференциальных уравнений, теория дискретных Z-преобразований, математического моделирования на ЭВМ. Имитационное моделирование выполнено с помощью программных продуктов MATLAB, MathCAD, Delphi.
Научная новизна
- разработан алгоритм кубической сплайн-интерполяции, обеспечиваю
щий построение криволинейной траектории движения заданной дис
кретно на плоскости и отличающийся от известного метода прогонки
отсутствием двух циклов расчета коэффициентов сплайн-функции;
разработана методика синтеза корректирующего устройства цифровой системы комбинированного управления следящим электроприводом в Z-области, обеспечивающего инвариантность относительно задающих воздействий;
синтезирован алгоритм генерации задающих воздействий для следящего электропривода, обеспечивающий формирование плавных законов разгона/торможения на заданном участке траектории.
Практическая ценность
разработана цифровая система управления многокоординатным следящим электроприводом, реализованная на базе персонального компьютера и операционной системы Windows NT и обеспечивающая формирование задающих воздействий в реальном времени;
разработано прикладное программное обеспечение в среде Delphi, позволяющее исследовать работу следящих электроприводов, как в режиме эксплуатации, так и на модели в среде MatLab-7;
разработана программа, которая позволяет формировать задание для цифровых следящих электроприводов с минимально гарантированным интервалом дискретности в условиях функционирования многозадачной операционной системы.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований с положениями теории автоматического управления.
Реализация результатов работы.
Основные результаты диссертации получены при выполнении хоздоговорной НИР, грантов компании «ЮКОС» и Томского политехнического университета.
Результаты проведенных исследований нашли применение при создании технологического комплекса лазерной резки металлов (ИФПМ СО РАН, г. Томск), автоматизированной системы дозирования и смешивания сыпучих материалов с цифровым следящим электроприводом (ЗАО «САГ», г. Томск). Разработанная экспериментальная программно-аппаратная система управления электроприводами двухкоординатного стола используется для подготовки студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» на кафедре ЭПЭО Томского политехнического университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
алгоритм сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения следящих электроприводов;
алгоритм плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов;
структура цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом и алгоритм его работы;
модели цифро-аналоговых следящих электроприводов в интегрированной программной среде MATLAB и Delphi;
программно-аппаратная реализация цифровой системы класса PCNC для управления следящими электроприводами двухкоординатного стола.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
научно-технических конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г. Томск, 2002-2004 гг.;
всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях», г. Бийск, 2002-2003 гг.;
- международной научно-технической конференции «Новые технологии
управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 2002
г.;
международной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнические системы и комплексы», г. Томск, 2003 г.;
международных научно-технических конференциях «Современные техника и технологии», г. Томск, 2003-2004 гг.;
всероссийских научно-технических конференциях «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2003-2004 гг.;
международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», г. Барнаул, 2005 г.;
международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 г.;
всероссийской конференции - конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и Энергосбережение», г. Томск, 2006 г.
Публикации
Результаты выполненных исследований отражены в 24 печатных работах, в том числе в 20 статьях и тезисах докладов, 2 патентах РФ на изобретение и полезную модель, 2 авторских свидетельствах о регистрации программного продукта для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы (в том числе приложения) составляет 175 страниц, включая 84 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 128 наименований и приложений на 11 страницах.
Обзор устройств высокоточного перемещения специальных промышленных механизмов
Современный уровень вычислительных устройств, пройдя несколько ступеней эволюции, позволил разработчикам реализовывать практически без ограничений различные алгоритмы управления технологическим оборудованием. Такое обстоятельство дает возможность современным системам управления электроприводами не только обеспечить высокую точность и производительность системы, но и расширить круг задач, возлагаемых на систему управления. В первую очередь, это проявляется в разработках нового технологического оборудования.
Исторически сложилось, что цифровые системы управления разрабатывались для управления электроприводами, установленными на металлорежущих станках и промышленных роботах. В самом общем случае металлорежущие станки предназначены для обработки металла путем снятия стружки. Обработка на таких станках может производиться при помощи одного или нескольких инструментов.
В настоящее время станочный парк металлообрабатывающего оборудования очень велик, но при этом разновидность металлорежущих станков в основном обусловлена конструктивно-технологическими особенностями обрабатываемых деталей [58, 89, 97]. По способу обработки станки подразделяются на токарные, сверлильные, шлифовальные, фрезерные, строгальные [59]. По степени универсальности, а также в зависимости от характера производственного процесса, различают станки универсальные, специализированные и специальные. Универсальные станки предназначены для обработки однотипных деталей широкой номенклатуры. Специализированные станки служат для обработки деталей, сходных по конфигурации, но имеющих раз личные размеры. Специальное станочное оборудование предназначено для обработки единичных образцов сложных дорогостоящих изделий.
С развитием числового программного управления появился определенный вид технологических систем - гибкие автоматизированные производства [10]. Они представляют собой группы металлорежущих станков, оснащенных общей системой управления и обеспечивающих технологический цикл серийного выпуска деталей, включая их складирование и контроль. Современное гибкое автоматизированное производство является сложной автоматической линией, оснащенной станками с числовым программным управлением и управляемой от одной или нескольких ЭВМ [17, 83, 57, 78].
Для придания требуемой формы и размеров обрабатываемой детали в станках производят перемещение рабочего органа относительно заготовки. Такое движение разделяется на главное движение, за счет которого происходит резание материала, и на движение подачи, с помощью которого снимают новый слой металла. Так, например, в токарных станках главным движением является вращение заготовки, во фрезерных станках - вращение инструмента (фрезы), в шлифовальном - вращение шлифовального круга. Наиболее часто главное движение требует наибольшей установленной мощности его привода по сравнению с мощностями приводов подач. Это обусловлено тем, что различные технологические режимы обработки требуют больших диапазонов изменения скоростей и сил обработки. Таким образом, требования к электроприводам металлорежущих станков формулируются режимом работы станков [59, 86]. Так, например, к электроприводам главного движения предъявляются требования изменения угловой скорости в диапазоне 2,5:1 - 4:1 при постоянной мощности и в диапазоне 10:1 - при постоянном моменте. Электроприводы подач станков с числовым управлением должны обладать широким диапазоном изменения скорости, который достигает 10000:1 и более. Время пуска и торможения такого привода с приведенным моментом инерции механизма, равным моменту инерции двигателя, не должно превышать 0,1с Жесткие требования также предъявляются к равномерности перемещений на пониженных скоростях, и точности позиционирования (табл. 1.1).
Другой наиболее распространенной областью применения систем с числовым программным управлением является роботизированный комплекс. Роботизация возникла как реакция на потребность автоматизации вспомогательных ручных операций на производствах с вредными условиями труда и на производствах с высоким уровнем автоматизации технологических процессов [25]. Повышение качественных показателей воспроизведения заданных траекторий движения позволило применять роботы в таких областях как сварка, нанесений покрытий, сборка и контроль параметров изделий.
В настоящее время в зависимости от использования промышленных роботов различают манипуляционные и производственные роботизированные технологические комплексы (РТК) [63].
В манипуляционных РТК промышленные роботы выполняют обслуживание основного технологического оборудования, операции транспортирования, загрузки и разгрузки. Основными видами машиностроительного производства, в которых используются манипуляционные роботы, являются литейное производство, термообработка, ковка, обслуживание металлорежущих станков. В производственных РТК промышленные роботы используются в качестве основного оборудования и выполняют такие операции как сварка, сборка, нанесение лакокрасочных покрытий. Для таких комплексов характерно цикловое и позиционное управление. Широкое применение промышленных роботов для автоматизации процессов точечной и дуговой сварки стало возможным благодаря появлению быстродействующих микропроцессорных систем управления. В каждом конкретном случае существуют свои требования и особенности функционирования тех или иных промышленных механизмов, однако при всем их многообразии практически все промышленные механизмы обла дают общими режимами работы исполнительных электроприводов [64, 14, 81, 104]: - режим перемещения рабочего органа (вала электродвигателя) электропривода из одного положения в другое с ограничениями на переменные состояния или без ограничений; - режим слежения за программным заданием на перемещение рабочего органа или изменение других переменных состояния; - режим стабилизации скорости движения рабочего органа или стабилизации других переменных состояния. Исходя из общих особенностей в функционировании промышленных механизмов [39], можно сформировать требования, которые они должны обеспечивать (см. табл. 1.1).
Идеология построения взаимосвязи сред моделирования MATLAB 7 и разработки программного обеспечения Delphi 7
Система MATLAB (Matrix Laboratory - матричная лаборатория) была разработана в конце 70-х годов прошлого века. В начале 80-х годов прошлого века Джон Литл (John Little) из фирмы MathWorks, Inc. разработал версии системы PC MATLAB для компьютеров класса IBM PC, VAX и Macintosh. В дальнейшем были созданы версии для рабочих станций Sun, компьютеров с операционной системой UNIX и многих других типов больших и малых ЭВМ. В настоящее время свыше десятка популярных компьютерных платформ поддерживают работу с MATLAB [126, 31]. В процессе исторического развития к расширению системы были привлечены крупнейшие научные школы мира в области математики, программирования и естествознания. Очередным шагом в развитии этой системы стало появление в 2004 году новой версии MATLAB 7.
Главными достоинствами MATLAB являются ее открытость и расширяемость. Большинство команд и функций системы реализованы в виде текстовых m-файлов и файлов на языке Си. Все поставляемые разработчиками файлы доступны для модификации, что дает пользователю возможность создавать не только отдельные файлы, но и библиотеки файлов для реализации специфических задач.
В новой версии MATLAB прослеживается тенденция к интеграции с такими популярными математическими системами, как Mathcad, Maple и Mathematica. Помимо этого осуществляется поддержка текстового процессора Microsoft Word и экспорта графики в слайды презентационной программы Microsoft PowerPoint. Это значительно упрощает создание презентаций и различных отчетов. На сегодняшний день среда моделирования MATLAB 7 является языком высокого уровня для научно-технических расчетов, включающим в себя набор средств, необходимых для анализа данных, разработки алгоритмов и приложений.
Основными областями применения являются: - математические расчеты; - разработка алгоритмов; - моделирование; - анализ данных и визуализация; - научная и инженерная графика; - разработка приложений с интерфейсом пользователя. Разработчики выделяют пять основных частей, из которых состоит MAT LAB [125]: 1. Язык MATLAB - это язык массивов и матриц высокого уровня с управлением функциями, структурами данных, вводом-выводом, а также с особенностями, присущими объектно-ориентированным языкам программирования. 2. Среда MATLAB - набор инструментов и приспособлений, с помощью которых пользователь осуществляет разработку моделей, контроль и отладку. 3. Управляемая графика - графическая система MATLAB, которая позволяет осуществлять обработку изображений, различных графиков с помощью команд высокого уровня для визуализации двух- и трехмерных данных. Поддерживает разработку пользовательского интерфейса в среде MATLAB. 4. Библиотека математических функций - набор вычислительных алгоритмов разной степени сложности (расчет функций синуса, косинуса, преобразование Фурье и др.). 6. Программный интерфейс - библиотека, которая позволяет использовать языки программирования: Си, Фортран. Имеет средства для вызова программ из MATLAB. При моделировании сложных систем особое место занимает интегрированная в MATLAB программная система Simulink. Она создана для моделирования, имитации и анализа нелинейных динамических систем и устройств, заданных в виде системы блоков. Simulink обеспечивает прямой доступ к широкому спектру инструментов анализа и проектирования, расположенных в библиотеке блоков (Blocksets) для специализированных приложений, таких как связь, цифровая обработка сигналов, электромеханика, энергетические системы. Помимо стандартных блоков пользователь может создавать свои специализированные библиотеки, а также генерировать Си код из любого блока.
К недостаткам среды MATLAB следует отнести невозможность реализации управления аппаратными средствами персонального компьютера в реальном времени. Например, управление модулями дискретного и аналогового ввода-вывода при реализации цифро-аналоговых следящих систем, построенных на базе персонального компьютера. В связи с этим наиболее универсальным с точки зрения моделирования и управления электроприводами технологического оборудования является вариант взаимодействия программ-аштратных средств, приведенный на рис. 2.1. Управляющая программа формирует массив заданий по положению для каждой координаты, после чего данные поступают в MATLAB через Workspace - область, содержащую все переменные эталонной модели электромеханического объекта или системы. Структура эталонной модели одного из вариантов реального электропривода постоянного токи изложена в параграфах 2.3, 2.4 данной главы. Система управления, реализованная по такому принципу, позволяет значительно сократить время, необходимое для разработки и отладки алгоритмов управления электроприводами.
Таким образом, экспериментальному этапу предшествует апробация разработанных алгоритмов на модели, управляемой при помощи программного обеспечения, которое используется не только для моделирования, но и для управления электроприводом в реальном времени. Устраняя все неисправности в управляющей программе на этапе моделирования, исключается необходимость в отладке алгоритмов в реальных условиях.
Алгоритм расчета и построения кубического сплайна
Для обработки сигналов в модуле используются программируемые логические микросхемы (FPGA) и технология In-System-Programmable (ISP), что позволяет изменять алгоритм работы модулей непосредственно в системе без выключения питания. Для обработки сигналов с дискретных датчиков положения и сигналов электроавтоматики используется программное обеспечение фирмы Fastwel, Периферийный модуль AI-16-5A-1 предназначен для аналого-цифрового преобразования сигналов, а также для формирования аналоговых сигналов. Оба модуля установлены на шине ISA.
Механическая часть системы представляет собой двухкоординатный стол с установленными на его оси электродвигателями постоянного ток ПИ12.07. Передача тягового усилия осуществляется с помощью передачи винт-гайка качения. Кинематическая схема механизма приведена во 2-й главе. Экспериментальная установка находится в учебной лаборатории кафедры ЭПЭО ЭЛТИ (рис. 4.2) и используется в учебном процессеОсобенности разработки программного обеспечения (ПО) для управления следящими электроприводами во многом зависят от задач, возлагаемых на СЭП, аппаратной реализации системы управления, а также от используемой операционной системы.
Как известно, кроме систем управления многокоординатными следящими электроприводами, реализованными по принципу CNC, большое распространение получают системы, построенные по принципу PCNC [100, 102]. Наиболее развитыми архитектурными вариантами таких систем являются варианты, основанные на двухпроцессорной архитектуре, где вычислительное устройство на верхнем уровне (персональный компьютер) является терминалом, а вычислительное устройство на нижнем уровне является специализированным контроллером (отдельная плата, вставляемая в ПК) либо промышленный компьютер, работающий под управлением операционной системы (ОС) реального времени.
Помимо двухпроцессорного варианта в последнее время все большее распространение получает архитектурный вариант, реализованный на базе одного персонального компьютера. Отличительная особенность такого архитектурного решения заключается в том, что все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решаются программным путем без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки. В качестве операционной системы используется ОС Windows NT с интегрированным программным ядром реального времени. Среда Windows NT представляет возможности для реализации интерфейса оператора, контроллера электроавтоматики. Ядро реального времени синхронизирует работу задач управления следящими электроприводами, электроавтоматикой, обеспечивает работу интерполятора в реальном времени. Наиболее продвинутые представители таких систем (Power Automation, Германия) позволяют реализовывать управление 8 следящими электроприводами. Количество управляемых электроприводов ограничивается лишь вычислительными ресурсами ПК и количеством линий ввода-вывода в используемых модулях связи с цифровыми приводами.
Особенности разработки программного обеспечения во многом предопределяет аппаратная реализация системы управления. В нашем случае система управления экспериментальной установкой реализована на базе персонального компьютера, модулей аналогового (AI-16-5A-1) и дискретного ввода-вывода (UNIO-96-5) фирмы Fastwel. В качестве операционной системы используется Windows NT. Применение модуля AI-16-5A-1 обусловлено наличием быстродействующего двухканального ЦАП необходимого для управления двумя регулируемыми электроприводами. Модуль UNIO-96-5 используется для обработки сигналов электроавтоматики и двух дискретных датчиков положения (ЛИР-128А) фирмы СКБ ИС. Применение модуля UNIO-96-5 определяет особенности обработки информации, поступающей от датчиков положения. Это отсутствие необходимости в отслеживании направления движения и суммирования импульсов для определения текущего положения. Модуль вне зависимости от работы центрального процессора ПК производит все необходимые расчеты и выдает в два 16-разрядных регистра информацию о положении в виде (определенного движением вала двигателя) количества обработанных импульсов.
Разработчику программного обеспечения достаточно лишь использовать полученную информацию либо обнулить содержимое соответствующих регистров. Такая реализация значительно упрощает алгоритмы работы программного обеспечения и снижает нагрузку на процессор ПК. Ввиду описанных выше особенностей аппаратной реализации системы управления и синтезированных алгоритмов в главе 3 предлагается разрабатывать программное обеспечение в среде Windows NT. Одной из важных задач разрабатываемого обеспечения под управлением Windows NT является своевременное формирование задания на РЭП. Для обеспечения этого требования разработан алгоритм функционирования главного цикла программы (рис. 4.3). В первую очередь (блок 1), необходимо повысить приоритет запущенной программы до уровня «Realime». Выполнение данной процедуры средствами Delphi показано в табл. 4.1. Оператор в первой строке позволяет получить доступ к запущенному программой процессу. Оператор во второй строке, в свою очередь, устанавливает указанному процессу приоритет реального времени. Описание всех параметров вызываемых процедур приведено в [121]. Однако нужно помнить, что установка приоритета реального времени в среде Windows NT не гарантирует своевременного расчета сигнала задания. Поэтому предлагается программно перераспределить вычислительные ресурсы между процессом расчета интерполятора, значения сигнала ЦКУ и процессом расчета и выдачи уровня сигнала задания на РЭП.
Расчет интерполятора (блок 4) предлагается поместить в тело основного цикла, а результаты его расчетов помещать в поля объекта, которому предварительно (блок 2) была выделена область памяти. Под объектом в Delphi понимаются специальные типы, которые содержат поля, методы и свойства [15, 47, 88]. Методы и свойства - это набор приемов и параметров, с помощью которых программист может осуществлять работу с объектами. Работа основного цикла может быть остановлена прерываниями от таймера (блок 6) для формирование сигналов задания на РЭП либо прерываниями, поступившими от сигналов электроавтоматики (блок 8). В задачи блока 6 входят: опрос датчиков положения, выполнение алгоритма расчета регуляторов положения и выдача сигналов на ЦАП по соответствующим координатам.
Экспериментальные исследования электромеханической системы
В общем случае степень вклада каждой составляющей определяется заданной контурной скоростью и ускорением, а также геометрией траектории движения. Так, если задать ступенчатый закон изменения ускорения (линейное нарастание скорости), то вклад третьей разности будет отсутствовать, поскольку производная будет равна нулю. Влияние геометрии траектории на расчет ЦКУ проявляется в виде изменении знака сигнала ЦКУ или быстром изменении его величины. Это можно увидеть из диаграмм (см. рис. 4.17), где при постоянстве контурной скорости наблюдается скачкообразное изменение координатной скорости. Во избежание скачкообразного нарастания сигнала ЦКУ, что может привести к резким изменениям скорости и росту координатной и, как следствие, векторной ошибки, необходимо анализировать поступающую информацию от интерполятора на несколько тактов вперед. При необходимости следует ограничивать сигнал ЦКУ на допустимом уровне. 1. Разработанная цифровая система управления экспериментальной установкой в виде автоматизированного исследовательского комплекса с программным пультом оператора позволяет реализовать требуемые режимы работы системы управления двухкоординатными следящими электроприводами. 2. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение системы управления, реализованное на языке программирования Delphi-7 обеспечивает выполнение исследований всех разработанных алгоритмов. Полученные результаты эксперимента: заданная и отработанная траектория движения, координатные ошибки, сигнал ЦКУ - на всем участке движения передаются в среду MatLab для их использования в моделях цифровых следящих электроприводов. 3. Установлено преимущество алгоритма кубической сплайн-интерполяции по сравнению с алгоритмом линейной интерполяции. Экспериментально подтверждена достоверность результатов моделирования, полученных в главах 2 и 3 . Это обстоятельство дает возможность применения разработанной модели для исследования класса подобных электромеханических систем управления. 4. Экспериментальные исследования алгоритма интерполяции кубическим сплайном, алгоритмов управления плавным движением двухко-ординатным следящим электроприводом, подтвердили их работоспособность и эффективность в различных режимах работы экспериментальной установки. 5. Показана эффективность применения синтезированного цифрового корректирующего устройства, позволяющего минимизировать координатные ошибки многокоординатного следящего электропривода, а также повысить его быстродействие. По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие выводы: 1. Обзор устройств высокоточного перемещения показал необходимость применения многоуровневых цифровых систем с учетом распределения задач управления на алгоритмическом уровне. Определены основные характеристики движения некоторых типов устройств высокоточного перемещения, определяющие требования к управлению многокоординатными следящими электроприводами. 2. Анализ архитектур современных систем управления многокоординатными ЭП устройств высокоточного перемещения показал, что наибольшее распространение получили системы, построенные на основе концепции PCNC. Это, прежде всего, обусловлено возросшим спросом на системы с PCNC и гибкостью адаптации оборудования к конкретным задачам. С ростом производительности современных микропроцессоров все большее предпочтение отдается однокомпьютерному варианту построения системы с открытой архитектурой. Такая архитектура дает возможность пользователю программно реализовать необходимые геометрические, логические и терминальные задачи, что в итоге позволяет разработать необходимую систему без значительных капиталовложений. 3. В результате обзора структур инвариантных автоматических систем управления установлено, что применение корректирующих устройств в системах управления следящими электроприводами позволяет обеспечить инвариантность привода по управляющему и возмущающему воздействию, а также поднять порядок астатизма системы. Сравнительная оценка различных структур систем управления следящими электроприводами с точки зрения реализуемости на реальном оборудовании показала, что наиболее просто реализуется структура с цифровым корректирующим устройством в контуре положения. 4. Предложенная концепция взаимодействия программного обеспечения для управления реальным оборудованием и моделью следящего электропривода в среде моделирования MatLab-7 позволяет производить отладку и оценку адекватности разработанных алгоритмов управления следящими электроприводами в реальном времени. 5. Разработанные модели регулируемого электропривода и цифровой системы управления двухкоординатного стола в среде MatLab-7 учитывают особенности исполнения механической части и основные нелинейности электропривода. Разработанная модель цифрового корректирующего устройства в рамках структур инвариантных систем позволяет организовать сигнальную адаптацию задающего сигнала следящего электропривода. 6. Предложен алгоритм интерполяции кубическим сплайном, обладающий высокой точностью и обеспечивающий минимальное время построения сплайн-функции на заданном интервале интерполяции. Сравнительный анализ быстродействия предложенного алгоритма и известного алгоритма прогонки показал увеличение быстродействия расчета сплайн-функции на 62 - 93% в зависимости от количества интервалов интерполяции. 7. Синтезирован алгоритм генерации задания по положению электропривода для траекторий движения, представленных кубическим сплайном, позволяющий формировать задание в реальном времени. Алгоритм не требует больших вычислительных затрат, а также позволяет предварительно на этапе планирования изменить некорректные задания оператора. При этом закон изменения ускорения во времени на участках разгона или торможения может быть описан одной сложной функцией либо комбинацией нескольких простых.
