Управление от эвм

В мехатронных устройствах для управления в основном используются различные средства вычислительной техники в микроисполнении: микропроцессоры, однокристалльные ЭВМ, микроконтроллеры, одноплатные микроЭВМ. В дальнейшем такие средства управления мы будем обозначать как ЭВМ без указания конкретного типа.

Обобщенная схема управления от ЭВМ некоторым объектом (мехатронным устройством) показана на рис. 3. Объект управления характеризуется некоторыми параметрами состояния (выходными величинами). Задачей управления является обеспечение требуемого состояния объекта управления в каждый момент времени.

Для контроля состояния объекта используются измерительные преобразователи параметров состояния, которые преобразуют измеряемые параметры в информационные сигналы. Эти сигналы должны быть представлены в форме, пригодной для автоматического ввода в ЭВМ. Как правило, такой формой являются двоичные коды. Аналоговые информационные сигналы преобразуются в двоичные коды с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Кроме параметров состояния при решении задачи управления могут учитываться параметры окружающей среды, отображающие условия функционирования объекта. Для контроля этих параметров используются соответствующие измерительные преобразователи.

Под управлением программы параметры состояния объекта сравниваются с заданными значениями и определяется отклонение текущих параметров от заданных. На основе вычисленных отклонений и информации об условиях функционирования определяются значения требуемых управляющих воздействий, которые в виде числовых кодов выводятся на выходы ЭВМ. Логика определения необходимого управления определяется программой, что позволяет путем замены программы легко менять логику управления.

Сигналы управления усиливаются, при необходимости преобразуются в аналоговые сигналы с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и поступают на входы исполнительных механизмов объекта, меняя состояние последнего требуемым образом.

Цифровые системы управления содержат как непрерывные, так и квантованные по времени, или дискретные, сигналы. Такие системы по принципу работы являются дискретными, что отличает их свойства от свойств непрерывных регуляторов.

При проектировании системы управления необходимо, прежде всего, обеспечить её работоспособность, т.е. система должна приводить объект управления в заданное состояние во всех предусмотренных условиях его функционирования. Кроме того, система управления должна обеспечивать требуемое состояние объекта с заданной точностью и иметь требуемое быстродействие. То есть система управления должна обладать необходимым качеством.

Автоматическое регулирование

Задачи управления различны и их сложность определяет сложность применяемых систем управления. Управление может осуществляться вручную и автоматически. Для автоматического управления предназначены системы автоматического управления.

Автоматическое управление– автоматическое осуществление совокупности воздействий на объект управления, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Частной задачей автоматического управления является автоматическое регулирование. Автоматическое регулирование– поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на объект.

При проектировании мехатронных устройств часто приходится решать задачу разработки системы автоматического регулирования. Задача эта имеет достаточную сложность, и её решение требует использования методов теории автоматического управления.

Автоматическое регулирование можно рассматривать как базовый метод управления с целью обеспечения заданного значения управляемой величины на выходе объекта управления. Основой систем автоматического управления являются системы автоматического регулирования.

Всистеме автоматического регулирования управление осуществляется некоторым объектом с целью получения необходимого результата (рис. 4). Этот результат заключается в обеспечении заданного состояния объекта. Состояние объекта характеризуется значением его выходной (управляемой) величины.

Для изменения состояния объекта на его вход управления подаются управляющие воздействия. Управляющие воздействия формируются устройством управления на основе цели управления и некоторой информации (в том числе информации о результате управления).

Теория автоматического управления включает аналитические модели и методы, позволяющие описать и исследовать реальные технические автоматические системы с целью определения их поведения в автоматическом режиме работы и создания систем с требуемыми свойствами. Теория автоматического управления решает задачи аналитического описания автоматических систем, их анализа и синтеза.

В качестве примера системы автоматического регулирования на рис. 5 показана система автоматического управления скоростью вращения вала электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. Подобные системы широко используются в мехатронных устройствах.

Объектом управления в системе является электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения Д, управляемая величина – угловая скорость (t) вращения вала двигателя, управляющее воздействие на двигатель – напряжениеu_д питания цепи якоря. В системе использован распространенный способ регулирования скорости электродвигателя за счет изменения напряжения в цепи его якоря. В общем случае и напряжение питания двигателя, и скорость вращения его вала являются функциями времени.

Чтобы иметь возможность управлять скоростью вращения вала двигателя (например, для изменения скорости движения исполнительного органа), используется устройство управления (регулятор скорости), в состав которого входят: источник регулируемого напряжения РИН, усилитель напряжения У, тахогенератор Тг и задающий потенциометр R_з.

Источник регулируемого напряжения РИН преобразует напряжение питающей сети в напряжение u_дпостоянного тока, подаваемое на обмотку якоря электродвигателя Д. За счет изменения напряжения управленияu_уна входе управления РИН можно изменять его выходное напряжение от нуля до некоторого номинального значения, определяемого напряжением питающей сети. При этом будет изменяться угловая скорость(t) вращения якоря (и выходного вала) электродвигателя.

Тахогенератор Тг является датчиком угловой скорости вращения вала электродвигателя. Его выходное напряжение u_тна рабочем участке характеристики пропорционально скорости вращения его вала.

Задающий потенциометр R_зпитается от источника опорного напряженияU_опи позволяет задавать напряжениеu_з, задающее скорость вращения. При перемещении движка потенциометра напряжение заданияu_зизменяется. Потенциометр является задатчиком скорости вращения.

Тахогенератор Тг и задающий потенциометр R_звключены последовательно и с противоположной полярностью напряженийu_тиu_з. В результате такого включения обеспечивается сравнение этих напряжений, результатом которого является напряжение ошибки системы:

,

которое поступает на вход усилителя У ошибки.

Пусть в исходном состоянии якорь двигателя неподвижен и произошло включение системы. Поскольку напряжение на выходе тахогенератора в этом случае равно нулю, то на вход усилителя У ошибки поступит полное напряжение задания u_з, которое после усиления создаст максимальное значение напряженияu_ууправления РИН и обеспечит максимальное (для данного случая) напряжение на якоре электродвигателяu_д. Якорь электродвигателя начнет вращаться, быстро разгоняясь.

По мере роста угловой скорости вращения якоря электродвигателя (t) происходит рост напряженияu_тна выходе тахогенератора и соответственно уменьшается напряжение ошибкиu. В результате регулятор будет автоматически уменьшать напряжениеu_д, подаваемое на электродвигатель. При этом будет замедляться рост скорости(t) вращения вала. В этом процессе наступает момент, когда снизившееся напряжение на электродвигателе уже не обеспечивает дальнейший разгон его якоря, что приведет к установлению состояния равновесия и к стабилизации угловой скорости вращения его якоря(t)=Const.

Если коэффициент усиления усилителя У ошибки велик (), то состоянию равновесия соответствует условиеu_т=u_з. Установившееся значение скорости (при неизменном значенииu_з) будет автоматически поддерживаться регулятором.

Пусть, например, в установившемся режиме вследствие некоторых причин скорость вращения якоря электродвигателя снизится. Это приведет к уменьшению напряжения тахогенератора u_ти к увеличению напряженияuошибки на входе усилителя У ошибки, что приведет в конечном счете к возрастанию напряжения на якоре двигателя и к восстановлению установившегося значения угловой скорости вращения якоря электродвигателя. Таким образом, регулятор стабилизирует скорость вращения якоря электродвигателя независимо от нагрузки на валу последнего и действующих на электродвигатель помех.

Если в рабочем состоянии системы регулирования скорости вращения якоря электродвигателя перемещать движок потенциометра R_з, то будет изменяться напряжение заданияu_зи, следовательно, условие наступления установившегося режима. В результате будет изменяться скорость вращения якоря электродвигателя. Это обстоятельство можно использовать, например, для дистанционного управления электродвигателем.