7. Интеллектуальные мехатронные модули
По сравнению с мехатронными модулями движения в конструкцию интеллектуальных мехатронных модулей (ИММ) дополнительно встраиваются управляющие устройства и силовые электронные преобразователи, что придает им интеллектуальные свойства.
Искусственный интеллект образуется на использовании в системе управления датчиков (преобразователей контролируемых параметров в электрический или другой сигнал) информации, воспринимаемой устройствами автоматики. Среди таких устройств «сбора и обработки» информации о состоянии внешней среды особое место занимают преобразователи усилий в деформацию чувствительного элемента, регистрирующие статические и динамические нагрузки. Такие тактильные датчики могут быть контактными и бесконтактными. Функционирование схем машин и механизмов автоматического действия в технической системе сопряжено с непрерывным контролем и взаимосвязанным процессом передачи, приема и обработки информации информационно-измерительной подсистемой по соответствующим алгоритмам с применением микропроцессорных устройств и современной вычислительной техники.
Объединение производителем в едином модуле управляющих и электронных свойств, двигателя, механической и информационных частей освобождает пользователя от решения «проблемы интересов».
Для работы с ИММ пользователю достаточно только связать мехатронные модули с центральным устройством управления через локальную сеть, в результате получается децентрализованная распределенная система управления, типовая архитектура которой представлена на рис. 7.1
Рис. 7.1 Типовая архитектура распределения системы управления
При этом расстояние между компьютером верхнего уровня управления и контроллерами интеллектуальных модулей может достигать нескольких сотен метров. Обмен информацией и управляющими командами между этими устройствами осуществляется через высокоскоростную компьютерную сеть.
Применение распределенных систем позволяет эффективно решить ряд проблем управления, характерных для мехатроники. К числу основных преимуществ систем данного типа следует отнести:
− отсутствие многочисленных соединительных кабелей и приводов (удобство наладки, эксплуатации и т.д.);
− возможность применения современных вычислительных алгоритмов и методов управления движением;
− высокая гибкость открытой архитектуры, возможность оперативно формировать зоны управления в соответствии с требованиями технологического процесса, и расширять систему для решения новых функциональных задач;
− высокая надежность системы, диагностика в процессе вычисления операции.
Оператор с помощью специального программного обеспечения может задавать в программе движения временные или логические условия, использовать методы компенсации зазора (люфта), получать сообщения о текущем положении и диагностике состояния модуля.
Технические характеристики интеллектуального мехатронного модуля “Simordrive Posmo Si” приведены в качестве примера в табл. 7.1
Таблица 7.1
Технические характеристики ИММ “Simordrive Posmo Si”
Тип двигателя |
Номинальная мощность, кВт |
Номинальный момент, Нм |
Момент инерции ротора без / с тормозом Jg ∙ 10-4, кГм2 |
Номинальный ток, А |
Масса без тормоза / с тормозом, кГ |
1 FK6 |
2.1 |
4.0 |
8.9 / 9.5 |
3 |
12.0 / 12.5 |
3.7 |
6.0 |
16.1 / 17.0 |
5.2 |
16.3 / 16.8 |
|
2.8 |
6.8 |
15.0 / 18.0 |
3.9 |
16.3 / 17.8 |
|
5.3 |
10.5 |
27.3 / 30.3 |
7.4 |
21.0 / 22.5 |
|
6 |
12 |
55.3 / 63.2 |
8.2 |
23.9 / 26.3 |
Фирма “Siemens” производитель данных модулей, отмечает их следующие достоинства:
− минимизация затрат потребителя, благодаря размещению модуля непосредственно в машине;
− непосредственное подключение сигналов с помощью четырех клемм, которые настраиваются на входе и выходе;
− быстрая диагностика, благодаря светодиодам, показывающим неисправность и готовность к работе и использованию специальной программы Simo Com U;
− быстрая замена модулей с помощью карты памяти.
В качестве датчика обратной связи используется вращающийся трансформатор с разрешающей способностью 4096 имп/об.
Модуль оснащен двигателями синхронного типа с номинальным моментом 4 Нм при максимальной скорости вращения до 6000 мин-1. Отдельные модификации мехатронных модулей содержат также встроенное тормозное устройство.
Принцип действия любой автоматической системы управления заключается в обнаружении отклонений регулируемых величин от заданных значений и формирование воздействий на процесс управления для устранения этих отклонений.
Часто переменную величину, значение которой необходимо поддержать постоянной или изменять по желаемому закону, называют управляемой величиной (координатой).
Требуемое значение регулируемой величины (координаты) принято называть заданным, а фактическое − текущим.
Разность между заданным и текущим значениями является отклонением или сигналом ошибки. Совокупность устройств, которые воздействуют на объект управления, поддерживая текущее значение управляемой величины (координаты) равным заданному называют автоматическим регулятором или динамической системой.
Воздействие регулятора на объект с целью приближения текущего значения управляемой величины к заданному или придания замкнутой системе желаемых свойств, называют управляющим воздействием, а совокупность устройств и физических сред, через которые управляющее воздействие влияет на управляемую величину − каналом управления.
В зависимости от управляющего воздействия системы управления разделяют на:
− системы автоматической стабилизации, поддерживающие управляемую величину на заданном уровне;
− системы программного регулирования с изменением управляемой величины по заданному закону;
− следящие системы, в которых заданное значение управляемой величины изменяется произвольно по времени.
Для уменьшения ошибки и сохранения устойчивости обычно вводят интегральный закон управления (И − регулятор) в виде:
,
где K − коэффициент усилия регулятора (знак минус учитывает наличие обратной связи);
∆ − сигнал ошибки.
Данный закон предусматривает изменение управляющего сигнала со скоростью, пропорциональной отклонению управляемой величины от заданного значения. Включение интегрирующего звена в мехатронную систему существенно повышает точность процесса управления.