Дослідження сервоприводу з урахуванням нелінійності

Таблиця 3.3 Характеристики ЕГРМ в третьому положенні перемикача

На малюнку 3.2 представлена статична характеристика суматора і розрахований коефіцієнт передачі суматора.

Малюнок 3.2 - Статична характеристика суматора

Для трьох різних положень перемикача коефіцієнт відповідно рівні:

Лінійна математична модель суматора має наступний вигляд:

(3.2)

Нелінійна математична модель має вигляд:

Коефіцієнт передачі підсилювача потужності

На малюнку представлена швидкісна характеристика ЕГРМ і розрахований коефіцієнт передачі ЕГРМ, який рівний 0,02.

Получена передавальна функція має вигляд:

.

3.1 Отримання частотних характеристик

Суть експериментального методу отримання частотної характеристики будь-якої динамічної ланки полягає в дослідженні його реакції на дію гармонійного сигналу вигляду: . Для виконання експерименту необхідно виконати наступне:

а) встановити перемикач в положення 3, що відповідає підключенню виходу ГНЧ до входу СМ;

б) встановити перемикач в положення 1, що відповідає підключенню сигналу з виходу генератора до першого променя осцилографа, а перемикач - в положення 4, що відповідає підключенню сигналу з виходу потенціометра зворотного зв'язку ЕГРМ до другого променя осцилографа;

в) за допомогою будівельних ручок, що знаходяться не передній панелі ГНЧ, встановити частоту сигналу 0,02 Гц, а амплітуду сигналу підібрати так, щоб вона не потрапляла в зони не лінійності швидкісної характеристики ЕГРМ;

г) включити ГНЧ;

д) включити тумблер, при цьому вихідний шток ЕГРМ повинен почати скоювати коливальні рухи певної амплітуди з частотою, рівній частоті вхідного сигналу. Оскільки до складу ЕГРМ входить інерційна ланка з великою постійною часу, то матиме місце фазовий зсув між вхідними і вихідними сигналами;

е) по осцилографу визначити амплітуду вихідного сигналу, зсув фаз між сигналами і одержані результати занести в таблицю 3.4;

ж) змінити частоту вхідного сигналу на 0,02 Гц і повторити п. е.

Таблиця 3.4 Частотні характеристики ЕГРМ

На малюнках 3.3 -3.4 представлені АЧХ і ФЧХ ЕГРМ

Малюнок 3.3 - АЧХ ЕГРМ

Малюнок 3.4 - ФЧХ ЕГРМ

4. Конструкторська частина

4.1 Проектування спеціалізованого обчислювача

В даній частині роботи буде проведений процес проектування спеціалізованого обчислювача.

В системі автоматичного позиціонування, що розробляється в даній роботі, регулятор буде виконаний на основі цифрового мікроконтролера, який повинен буде реалізовувати вибраний раніше закон управління. Для реалізації пропорційної і диференціальної складових потрібна інформація про положення керма управління. Пропонується функціональна схема, представлена на малюнку 4.1.

Малюнок 4.1 - Функціональна схема цифрового регулятора

ЗП - задаючий пристрій;

АК - аналоговий комутатор;

ПВХ - пристрій виборкихраніння;

АЦП - аналого-цифровий перетворювач;

МК - мікроконтролер;

ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач;

ШІМ - широтно-імпульсний регулятор;

ШУ - шина управління.

4.2 Перетворювач алгоритмів управління для реалізації в спецобчислювачі

4.2.1 Аналіз алгоритмів управління

Вхідною інформацією для обчислювача є сигнали формувача задаючого сигналу і шифратора приросту. Обидва сигнали є 8-розрядним паралельним цифровим кодом.

Оскільки всі вхідні параметри алгоритму поступають безпосередньо з датчика і задаючого пристрою, то попередня обробка не потрібна. Принципи перевірки достовірності інформації з датчика не регламентуються і застосуються не будуть.

4.2.2 Розрахунок масштабуючих коефіцієнтів

Значення коду поступаючого з датчика, реєструючого переміщення, є 8-розрядним цифровим кодом, який характеризує величину лінійного переміщення керма управління. Згідно пункту 1, де була розроблена структурна схема системи позиціонування керма управління, значення сигналу зворотного зв'язку повинне бути зменшено в 1000 разів, відповідно виходячи з цього, цифровий 8-розрядний код поступаючий з шифратора приросту повинен бути помножений на коефіцієнт зворотного зв'язку:

.

Дана операція буде виконана безпосередньо за допомогою мікроконтролера, при виконанні алгоритму реалізації заданих арифметичних операцій.

4.2.3 Оцінка реалізованої періоду дискретності

Заданий період дискретності складає . Стандартна тактова частота мікроконтролера МК51 , що використовується, отже, період імпульсів для таймера МК51 складе . Максимальний інтервал часу реалізовуваний таймером . Оскільки , то даний період дискретності може бути реалізований тільки апаратними засобами МК51 (таймер в 16-бітовій конфігурації рахункового регістра).

4.2.4 Оцінка реалізації обчислювача на особливі ситуації

Особливими ситуаціями в системі, що розробляється, є сигнали переривань. Джерела переривань і пов'язані з ними події дані в таблице. 4.1

Таблиця 4.1 Джерело переривань і пов'язані з ними події дано

4.2.5 Структура повного алгоритму роботи системи

Повний алгоритм функціонування обчислювача за рішенням задачі управління складається з таких етапів:

1. Прийом коду із значенням управляючого сигналу (по сигналу готовності, який обробляється через канал переривання).

2. Прийом коду із значенням сигналу з датчика положення .

3. Реалізація обчислень (узгодження вхідних сигналів, реалізація закону управління).

4. Очікування завершення періоду, реалізоване через очікування сигналу переривання від таймера.

5. Перезапуск таймера (запис стартового числа) і перехід до пункту 1.

4.3 Побудова функціональної схеми спецобчислювача

Спецобчислювач призначений для перетворення і обробки інформації тією, що подається з датчиків. На вхід спецобчислювача подається аналоговий сигнал в діапазоні 0…+5В, а на виході одержуємо аналоговий сигнал в діапазоні 0…+10В. Функціональна схема спецобчислювача представлена на малюнку 4.2. Для здійснення керованої передачі аналогової інформації в АЦП застосований 8-розрядний аналоговий комутатор з дешифратором, який комутує вихід з 0 і 1 з 8 аналогових входів. В нашому випадку всю решту входів заземлимо, окрім останнього, який залишимо для виходу з підсилювача потужності. Номер даного входу визначається двійковим номером, заданим на управляючих входах. Інформація про двійковий номер поступає безпосередньо від мікроконтролера. Для перетворення 8-розрядного дискретного коду в аналоговий застосовний 10-розрядний ЦАП, для цього на два розряди ЦАП подамо землю. З цього виходить, що в обчислювач повинні входити: мікроконтролер (МК), АЦП, ЦАП, пристрій виборкихраніння (УВХ), аналоговий комутатор (АК).

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

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;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6