Разработка системы управления для поворотно-циклового шагающего движителя

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. В. Леонард, В. Е. Павловский
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВОРОТНО-ЦИКЛОВОГО ШАГАЮЩЕГО ДВИЖИТЕЛЯ*
Волгоградский государственный технический университет Институт прикладной математики им. Келдыша РАН
Alex-Leonard@yandex. ru, vlpavl@mail. ru
Рассматривается построение системы управления для шагающего движителя, который представляет собой сдвоенные цикловые механизмы шагания. Предлагается способ организации обратной связи.
Ключевые слова: цикловой движитель с направляющей, система управления шагающего движителя.
A. V. Leonard, V. E. Pavlovky DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR CYCLE — TURNING WALKING MOVER
Volgograd State Technical University Keldysh Institute of Applied Mathematics
The design of control system for walking mover, which is a dual cycle walking mechanisms, has been considered. The way of organizing feedback has been proposed.
Keywords: cycle walking propeller with directing, control system of walking mover.
С целью снижения энергетических затрат ствления энергетически эффективного переме-
шагающей машины «Восьминог» разработан щения шагающей машины вдоль прямой линии
движитель, реализующий прямолинейную опор- необходимо, что бы фаза опоры одного механиз-
ную фазу (рис. 1) [1−6]. ма равнялась фазе переноса другого по времени,
На рис. 1: 1 — поддерживающая рама, 2 — дви- а курсовая скорость машины была постоянной.
житель. Данный движитель представляет собой Решена задача согласованного управления энер-
сдвоенные механизмы шагания с криволинейны- гетически эффективным перемещением шагаю-
ми направляющими. Корпус движителя способен щей машины [7]. В результате проведенного тео-
поворачиваться относительно рамы. Для осуще- ретического исследования установлено, что дви-
------------------------------ житель должен быть оснащен системой управле-
* Работа поддержана РФФИ (проект № 13−01−90 710 ния, задающей и отслеживающей согласованные
мол_рф_нр, 12−08−31 375, 12−01−31 398) движения механизмов шагания.
За основу системы управления цикло — по- ется структурно — функциональная схема, воротного шагающего движителя [8] принима- представленная на рис. 2.
Рис. 1. Физическая модель движителя
Структурно — функциональном l/k-Uil) М k-U* (t)
схеми системы міраллсния
Л/
//Л/
KU)
tk yx Ли
HUl 1
-1 к-уж Ли
3-
Схема системы управления
Л1Г
ф ПК
Ї. ЇІ а& gt-]. *'-[од
а (/) «('-) «(0
(3) ЛУЩтр)
ЧъЪЛ М.
Jc*[. z]- ДЛ ДU
V
итг
PWS1 & quot-
=
Ф У»
V
Н — мост
©. ///г-. «// © МП О) Л & gt-
= 12 в L
> 1bit
/» — 20 Л
R-ЛОч
иш }Ц и~2Н
@ ИП
Рис. 2. Структурно-функциональная схема системні управления
В качестве верхнего уровня принятия решений может использоваться как персональный компьютер, так и быстродействующий микропроцессор (например, AT91SAM9X25 с тактовой частотой 400 МГц типа ARM), взаимодействующий с ПК. В случае использования операционной системы (ОС) реального времени ПК способен практически напрямую регулировать усилители — приводы движителя (двигатели постоянного тока). В текущей научно — исследовательской работе осуществляется по-
строение системы управления, когда ПК (с обычной ОС) реализует предварительный расчет управляющих параметров и формирует из них набор данных для передачи на нижний уровень (рис. 3).
В существующей версии авторской программы (язык С++), при помощи которой производится ввод данных об объекте управления, можно задать параметры механизмов шагания, механические характеристики привода, напряжение питания и режим перемещения движите-
ля. В результате расчета формируются массивы ски управляющие напряжения представляют данных 71(2) [ґ ] - уровни напряжений. Графиче- с°б°й стушнгатые кривые (рис. 4).
РЕАЛИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ
ВВЕДИТЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МЕХАНИЗМА (СИ)
Ь -0. 27 555 г 0. 8 811 го3 0. 23 601 аіїа1 -1. 335 аКа2 ЕО ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ФУНКЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ СТОПЫ
П1(аКа) = 0. 1543 ап (а+ 2. 52 883 К 0. 0182 ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ФУНКЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС ШАТУН-СТОА П2(айа)= -0. 0354 яп (а+ -0. 95 719 К 0. 021
МАКС. НАПРЯЖЕНИЕ ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИВОДА ПРАВОГО БОРТА
и = 10. 5
М_дв. = 15. 81 и — 460. 23 уу- 35. 89
уу_тах «
ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИВОДА ЛЕВОГО БОРТА
42. 56
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ
РАСЧЕТ
М_рв. = 12. 97 и — 398. 43 уу_тах *
ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОГРАММНОГО ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ КОРПУСА ВДОЛЬ ПРЯМОЙ ЛИНИИ
х 0
& lt-= х0 & lt-= х *-0. 1616 + 0. 0015 !+ 0 С2Г2
ВВЕДИТЕ МАССО — ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКО МОДЕЛИ
Р= 0
т= 0. 4
ПОДТВЕРДИТЬ
ПАРАМЕТРЫ
Рис. 3. Окно ввода параметров физической модели и режима движения
Рис. 4. Окно отображения теоретических характеристик движения физической модели / формирования массивов программных уровней напряжений
Нижний уровень принятия решений — мик- набора данных математической модели ПК и
роконтроллер (Atmega2560 с тактовой частотой данных, принимаемых от угловых датчиков
8 — 16 МГц). Задача контроллера формировать привода движителя. В качестве усилителей ис-
последовательность уровней і управляющих пользуются Н — мостовые схемы на биполяр-
напряжений (и = іАи) через усилитель с за- ных транзисторах (рис. 5).
данным временным интервалом Аї на основе
Рис. 5. Н — мостовая схема усилителя на биполярных транзисторах
Предлагается организовать прием данных от абсолютного углового энкодера (12 — битный датчик Л85 045 с тактовой частотой 1 МГц) посредством PWM — сигнала. Программным способом производится подсчет количества к микросекунд посылки PWM — сигнала высокого логического уровня. В этом случае число к пропорционально измеренному угловому значению а. Согласно решенной задаче об управлении напряжение, генерируемое системой управления, и определяется суммой трех слагаемых:
и = и * + иДа + им,
где и* - значение программного напряжения, полученного из уравнений динамики, иДа -корректировочное значение напряжения, которое обусловлено рассогласованием действитель-
ного значения угла поворота кривошипа и его программного значения, ида — корректировочное значение напряжения, которое обусловлено ошибкой углового ускорения.
и = и* + у1 (а — а*) + Уз (а — а*).
(1)
у у3 — коэффициенты обратных связей, удовлетворяющие условиям асимптотической устойчивости. Учитывая линейную связь между параметрами, а и к, между и и і, аналитическое выражение управляющего напряжения (1) с обратными связями по угловой координате и ускорению можно представить в виде целочисленного выражения, определяющего величину уровня напряжения і с временным шагом Аї и интервалом между соседними уровнями, А и:
і = і +
2пУі
Аи4096
(о-Гк *01)
2пУз
Аї2 Аи4096
к2 —
-2 [к1 -[к1* 1] + к0-[к0*1
Где параметры с индексом «ноль» — значения времени Дt, параметры с индексом «два» -для текущего момента времени, параметры с значения через промежуток времени 2ДЛ индексом «один» — значения через промежуток
At прием расчет значения уровней холостой угла напряжений ход PWM-сигналы рас читанных уровней
II 1111 щ 1111 ffl 1111 III 1111 1111 till щ 1111 ш 1111 1111 II.
1 1

8 МС 1,1 МС 8 мс 1,1 мс 8 мс 1,1 мс

Рис. 6. Временная схема выполнения алгоритма расчета управляющего уровня г по обратной связи
При этом в начале запуска системы, по мере поступления данных, подключается сначала обратная связь по угловой координате, а затем — по ускорению (рис. 6):
2лу,
(-Г* D
2nY X.
2пУ-
73 = 7
AU4096
2nY x,
-(к2 -Г**21)
96 V 2 1 2 !/
Ai 2AU4096
AU4096
-(*з-Г* *з 1)
96 V 3 1 3 1
2пУ X
Ai2 AU4096
AU4096
(к2 — [к2* ] - 2 [к1 — I& quot-к1* ]] + к0 — I& quot-к0* ])
(к3 -[к3* ]-2 [к2 -[к2* ]] + к1 -Гк1* ])
Анализ временных затрат на выполнение программы управления показал, что время приема элементарной посылки PWM — сигнала от датчика и ее перекодировки составляет порядка 8 мс, а расчет управляющих уровней будет происходить за 1,1 мс. Максимальное угловое ускорение кривошипа для перемещения движителя со скоростью 7 мм/с, составляет s = 0,03 рад/с2. Тогда, если принять эту величину постоянной на протяжении t = 20 мс, то 5а» st2/2"2,Ь106, град. Время работы шагающего механизма в опорной фазе т = 26,37 с. В этом случае возможная суммарная ошибка угла поворота кривошипа (обусловленная перемещением машины на один шаг, длина которого 170 мм) составит: Да «т /1 • 5а «0,27 град, что соответствует Дх «2 25 мм и Ду «0 15 мм
J max ' J max '
(максимальная горизонтальная и вертикальная ошибки перемещения стопы). Полученные величины гипотетических ошибок являются вполне приемлемыми для реализации движения физической модели вдоль прямой линии.
Серия предварительных экспериментов по реализации энергетически эффективного режима перемещения физической модели подтвердила теоретические выводы о необходимости наличия обратных связей в системе управления. Предложенный способ организации обратных связей позволит сформировать устойчивое энергетически эффективное перемещение представленного движителя.
В дальнейшем выполняется модификация системы управления аппарата на основе модулей микроконтроллерной системы управления РОБОКОН-1 [9−10] (рис. 7).
Рис. 7. Движитель «Циклон» с системой управления РОБОКОН-1
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Леонард А. В. Цикловый шагающий механизм с направляющей // Изв. вузов. Машиностроение. 2011. № 10. С. 18−22
2. Пат. 2 422 317 РФ, МПК В 62 Б 57/032. Шагающая опора для многоопорных самоходных машин и для транспортных средств повышенной проходимости / Леонард А. В., Брискин Е.С.- ВолгГТУ. — 2011-
3. Брискин, Е. С. Синтез циклового шагающего механизма с направляющей и критерии его оценки / Брискин Е. С., Леонард А. В., Малолетов А. В. // Теория механизмов и машин. — 2011. — Т. 9, № 1. — С. 14−24-
4. Леонард, А. В. Цикловый шагающий движитель с направляющими. Свойства. Управление. Пути совершенствования / Леонард А. В. // Известия ВолгГТУ. Серия & quot-Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах& quot-. Вып. 16: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2013. — № 8 (111). — C. 81−85-
5. Пат. 2 063 354 РФ, МПК В 62 D 57/032. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / Брискин Е. С., Русаковский А. Е., Арзамасков А. М., Чернышев В. В.
6. Пат. 2 063 353 РФ, МПК В 62 D 57/032. Шагающая опора для многоопорных самоходных машин и для транспортных средств повышенной проходимости / Брискин Е. С., Русаковский А. Е., Арзамасков А. М., Чернышев В. В.
7. Брискин, Е. С. Устойчивость поступательного дви-
жения шагающей машины с цикловыми движителями / Е. С. Брискин, А. В. Леонард // Изв. РАН. Теория и системы управления. — 2013. — № 6. — C. 131−138-
8. Леонард, А. В. Построение системы управления для физической модели цикло — поворотного движителя / Леонард А. В. // Прогресс транспортных средств и систем — 2013: матер. междунар. науч. -практ. конф., Волгоград, 24−26 сент. 2014 г. / ВолгГТУ [и др.]. — Волгоград, 2013. — C 325−326.
9. В. Е. Павловский, В. В. Павловский. Модульная микро-контроллерная система управления роботами РОБОКОН-1. Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, ISSN 2071−2898 (печатная версия), М., 2012, № 86. — 32 с.
10. В. Е. Павловский, В. В. Павловский. Масштабируемая система управления роботами РОБОКОН-1. // Информационно-измерительные и управляющие систем. Издательство & quot-Радиотехника"-. — 2013. — Т. 11. — № 4. — С. 80−92.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой