Дослідження сервоприводу з урахуванням нелінійності

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 основі 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 із структурних елементів, характеристика яких представлена в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 Характеристика структурних елементів ПО

№	Назва і функціональне призначення	Передбачуваний об'єм коду, байт	Передбачуваний об'єм даних, байт	Макс. час виконання, мс	Вимоги по розміщенню в пам'яті
1	Початковий пуск і ініціалізація (стік, таймери, переривання)	50	Регістри РСФ, стік в РПД (16 байт)	0.1	Після таблиці векторів переходу
2	Функціональний алгоритм ПД-регулювання	100	РПД (до 30)	10	довільне
3	Процедури уведення-виведення і управління ЦАП	150 кожна	РПД (до 10 байт)	1 кожна	довільне
4	Арифметичні процедури для 2-байтових чисел («+»,» - «,»*»)	До 30 байт («+»,» - «) і до 100 («*»)	Банк Рон (8 байт)	0.05 і 0.2	довільне
5	Таймірованіє (період )	20	РСФ	0.02	довільне

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.

Основні 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 пристрої використовується мікросхема КР1533АП6, графічне позначення якої представлено на малюнку 4.7.

Малюнок 4.7 - Шинний формувач

Мікросхема є 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 рівні напруги на вході виходи мікросхеми переводяться у високоімпедансний стан (таблиця 4.3).

Таблиця 4.3 Таблиця істинності шинного формувача

		Операція
H	X	Третій стан
L	H	D1D2
L	L	D2D1

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 шлейфі 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

Мікроконтролер	COM-порт	Призначення
10	7	RXD_MK і TXD_PK
11	4	TXD_MK і RXD_PK
20	8	GND

LPT-порт

На малюнку 4.9 представлений зовнішній вигляд роз'єму LPT-порту (father) на шлейфі 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

Мікроконтролера	LPT-порт	Призначення (SPI)
6	7	Mosi
7	10	Miso
8	8	Sck
9	6	Rst
20	18, 25	Gnd

4.6 Створення принципової схеми управляючого спецобчислювача

Після вибору і 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: лінійної і 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 наявності автоколивань в системі).

Перейдемо до умови відсутності автоколивань. Ця умова запишеться , отже - умова відсутності 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 торканні і буде мінімальним і критичним. Оскільки, якщо його зменшити, то будуть відсутні автоколивання.

Розглянемо деякий окремий випадок.

Розмикаємо систему на вході нелінійної ланки (мал. 5.4)

Малюнок 5.4 - Розімкнена система на вході нелінійної ланки

де .

Передавальна функція лінійної частини системи:

(5.1)

передавальна функція нелінійної частини системи WН - це коефіцієнт гармонійної лінеаризації в методі гармонійної лінеаризації. В загальному випадку WН складається з речовинної і уявної комплексної складових.

В даному випадку WН(s) - це дійсне число.

В загальному випадку: .

В даному випадку: ; .

Для K=1, WН(s) виглядає таким чином (малюнок 5.5)

Малюнок 5.5 - Дійсне число WН для K=1

Величина q для однозначної нелінійності залежить тільки від амплітуди А.

Оскільки K=1, то нелінійність виглядає таким чином (малюнок 5.6)

Поки амплітуда А не перевищує зону нечутливості b, тобто до А=b, система розімкнена і A=0.

Малюнок 5.6 - Нелінійність для K=1

Побудуємо годограф для WЛ(s) і (малюнок 5.7)

Малюнок 5.7 - Годограф для WЛ(s) і

де .

Розглянемо передавальну функцію лінійної частини системи для будь-якої лінійної передавальної функції можна записати:

 (5.2)

Такий запис справедливий, якщо передавальна функція не має нульових полюсів.

А і В-це поліноми від ?.

А - парний ступінь ?; В-непарний ступінь ?.

Крапка 1 на годографі характерна тим, що фазовий зсув чисельника рівний фазовому зсуву знаменника передавальної функції.

Сумарна ФЧХ такої ланки рівна фазовій характеристиці чисельника мінус фазова характеристика знаменника; значить фазовий зсув рівний нулю:, звідси при . Визначимо модуль передавальної функції лінійної частини системи.

А0 - модуль передавальної функції на частоті :.

Знайдемо значення частоти .

;

;

;

; .

З одержаних співвідношень визначаємо значення кругового коефіцієнта нелінійного сервоприводу.

;.

Систему більш високого порядку можна апроксимувати системою більш низького порядку для частот в околиці .

5.2 Розрахунок сервоприводу з нелінійною ланкою

а). Нелінійна ланка задана так (малюнок 5.8)

Малюнок 5.8 - Нелінійна ланка

Характеристика нелінійної ланки:

b=3 ма; c=18 ма; K=1;

б). Лінійна частина:

;

З умови технічного завдання дано:

; ; ; ; ;

; ; ;;

;

де РСЕР - середній розподіл Гауса

Розрахунок:

1) Визначимо qm.

Значення коефіцієнта q для даного виду нелінійності визначається виразом:

(5.3)

де а - амплітуда вхідного сигналу;

.

Дана нелінійність має . Для визначення qm задаємося різними значеннями амплітуди вхідного сигналу, враховуючи, що a>>b2 і прораховуємо на обчислювальній машині (ОМ) значення коефіцієнта q(а) з кроком.

Результати обчислення заносимо в таблицю 1 в додатку Б.

2). Визначимо KКР (використовуючи A0):

Визначимо з умови:

Зробимо заміну:

KКР визначається при . При підстановці в дійсну частину одержимо A0. В цьому випадку K=KКР.

Використовуючи цей результат, запишемо :, звідси критичний круговий коефіцієнт сервоприводу рівний:

Значення qm узято з таблиці 2 додатку Б.

3). Визначення номінального значення добротності сервоприводу і коефіцієнта зворотного зв'язку:

а)

б) ? визначаємо з виразу:

в) номінальне значення добротності визначиться:

г) значення коефіцієнта ЗЗ знайдемо із співвідношення:

5.3 Облік впливу інерційності сервоприводу на стійкість руху

Приймаємо допущення:

1. Нелінійності неістотні.

2. Лінійну частину сервоприводу спростимо до 2-го порядку.

Вважатимемо, що ТП=0.

Для лінійного сервоприводу 2-го порядку в розімкненому стані:

(5.4)

Запишемо передавальну функцію сервоприводу:

(5.5)

де.

Під керованістю розуміють здатність змінювати параметри свого руху при відхиленні управляючих органів. Керованість напряму пов'язана із стійкість.

Під стійкістю розуміється здатність об'єкту управління повертатися на задану траєкторію після дії на нього обурення.

Динамічними показниками керованості в тимчасовій області вважаються параметри перехідного процесу при східчастому відхиленні управляючих органів час перехідного процесу і величина перерегулювання, в частотній області - власна частота короткоперіодичного руху (?0) і відносний коефіцієнт загасання (?).

Для перевірки вибраних алгоритмів управління виконаємо моделювання системи з використанням системи моделювання Matlab/Simulink для побудови частотних характеристик. Досліджувана схема моделювання сервоприводу з урахуванням нелінійності приведена на малюнку 5.9.

Малюнок 5.9 - Досліджувана схема сервоприводу з урахуванням нелінійності

На малюнку 5.10 представлений перехідною процес досліджуваної системи сервоприводу з урахуванням нелінійності при КЗЗ> 0.0024=0.024

Малюнок 5.10 - Перехідної процес досліджуваної системи сервоприводу з урахуванням нелінійності при КЗЗ > 0.0024=0.024

З одержаного перехідного процесу видно, що пік амплітуди рівний А=2.5°, немає сталого значення амплітуди і час перехідного процесу дуже великий, т.ч. присутні автоколивання, отже система нестійка, це не задовольняє вимогам ТЗ. Величина перерегулювання складає приблизно ?=1.5% від сталого значення амплітуди і теж не задовольняє вимогам ТЗ.

На малюнку 5.11 представлений перехідною процес досліджуваної системи сервоприводу з урахуванням нелінійності при КЗЗ=0.0024.

Малюнок 5.11 - Перехідної процес досліджуваної системи сервоприводу з урахуванням нелінійності при КЗЗ = 0.0024

На вказаному графіку видно що, що пік амплітуди рівний А=1.39°, стале значення амплітуди, рівний А=1°и час перехідного процесу tПП=0,35c, який задовольняє вимогам ТЗ. Величина перерегулювання складає приблизно ?=0.39% від сталого значення амплітуди і задовольняє вимогам ТЗ. Отже можна зробити висновок, що КЗЗ розрахований правильно, система стійка.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6