Technická univerzita v Košiciach Fakulta Baníctva, Ekológie, Riadenia a Geotechnológií Katedra informatizácie a riadenia procesov

Transcription

1 Technická univerzita v Košiciach Fakulta Baníctva, Ekológie, Riadenia a Geotechnológií Katedra informatizácie a riadenia procesov Riadenie sústavy servomotorov technologického objektu Diplomová práca Štúdijný program: Technologický manažment Vedúci diplomovej práce: Prof. RNDr. Igor Podlubný, Csc. Diplomant: Peter Konečný Konzultant diplomovej práce: Ing. Ivo Petráš, PhD. Košice 2004

2 Pokyny na vypracovanie diplomovej práce Diplomovou prácou sa overujú vedomosti a zručnosti, ktoré študent získal počas štúdia a jeho schopnosti používať ich pri riešení úloh študijného odboru/programu. Diplomová práca predstavuje výsledky štúdia študenta, ktorou uzatvára vysokoškolské štúdium. V diplomovej práci má každý diplomant preukázať vlastné tvorivé schopnosti, vyjadriť svoje postoje a názory k riešeným problémom, vyvodiť správne technické závery z uskutočnených experimentov laboratórnych alebo prevádzkových skúšok. Musí podať obraz o osvojení si potrebných návykov technického spôsobu vyjadrovania, znalostí technickej literatúry, technických noriem a ich použitia. Diplomant sa má vo svojej práci vyjadrovať stručne, logicky, technicky, štylisticky a gramaticky správne. Diplomovú prácu vypracuje diplomant pod vedením a usmerňovaním vedúceho diplomovej práce, presne uvedie použité literárne pramene, prípadne iné použité podklady a vyznačí všetky informácie, ktoré prevzal z iných zdrojov. Diplomová úloha je zadaná študentovi v predposlednom roku štúdia. Zadanie obsahuje : názov témy, rozsah diplomovej práce, zoznam odbornej literatúry, meno vedúceho, prípadne konzultanta práce. Diplomová práca musí byť písaná na jednej strane bieleho papiera formátu STN A-4 na PC vhodným textovým editorom. Okraj na ľavej strane musí mať 35 mm, na pravej strane 25 mm, horný okraj 25 mm, spodný okraj 25 mm od posledného riadku. Strany musia byť očíslované. Diplomová práca musí byť odovzdaná v troch vyhotoveniach, knižne zviazaných. Usporiadanie odovzdaných vyhotovení diplomovej práce sa prepisuje takto: Titulná strana Originál zadania diplomovej úlohy ii

3 "Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce" a "Čestné prehlásenie" na samostatnej strane Obsah diplomovej práce, v ktorom musia byť rozvedené všetky kapitoly a podkapitoly diplomovej práce s udaním odpovedajúcej strany Úvod Diplomová práca po kapitolách s čiastkovými závermi Diskusia výsledkov a celkový záver "Zoznam použitej literatúry "Prílohy: tabuľky väčšieho formátu, rysy, nákresy, programové a výsledkové počítačové výstupy a pod. V prípade potreby má diplomová práca obsahovať aj zoznam symbolov a jednotiek používaných v práci. V diplomovej práci sa používajú veličiny a jednotky SI. Citácia literatúry sa vykonáva podľa STN Pri popisovaní rysov sa používa normalizované technické písmo. Obrázky rysované, fotokópie, ako i prílohy musia byť očíslované, v texte uvedené a vysvetlené. Diplomová práca, ktorá nebude vyhovovať tomuto usporiadaniu nebude prijatá. Ustanovenia týchto predpisov som vzal na vedomie. V Košiciach dňa vlastnoručný podpis študenta iii

4 Čestné vyhlásenie: Vyhlasujem, že som diplomovú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej odbornej literatúry. V Košiciach iv

5 Obsah 1 Úvod Cieľ Pohnútky pre voľbu témy Servomotory verzus krokové motory Formulácia úlohy Teoretická časť Analytické modely spojitých systémov Vonkajší popis Vnútorný popis metóda stavového priestoru Analytické modely diskrétnych systémov Z-transformácia Diferenčné rovnice a diskrétne prenosy systémov Riadiaci systém Základné pojmy Uzavretý regulačný obvod Otvorený regulačný obvod Riadenie krokového motora Základné typy ústredných regulačných členov Proporcionálny regulátor P Integračný regulátor I Derivačný regulátor D Matematická rovnica spojitého PID regulátora Matematická rovnica diskrétneho PSD regulátora Vplyv regulátorov na vlastnosti regulačného obvodu Použitie regulátorov Sústavy a regulátory neceločíselného rádu Derivácia a integrál neceločíselného rádu Sústavy neceločíselného rádu Regulátory neceločíselného rádu Praktická časť Popis objektu riadenia Diagramy dátových tokov Schéma objektu riadenia Dekompozícia objektu riadenia Obvod ochrany výstupov PLC automatu Schéma zapojenia obvodu Popis použitého zariadenia PLC automat a vývojový softvér Automation Studio PLC automat B&R Automation Studio Experimentálna časť Syntéza riadiaceho systému Kroky pri tvorbe riadiaceho systému Ovládanie pohybu krokového motora Návrh klasického regulátora Návrh regulátora neceločíselného rádu Klasický regulátor verzus regulátor neceločíselného rádu...58 v

6 5.3 Korekcie smeru volantom Záver Zoznam použitej literatúry...62 Užívateľská príručka...64 Systémová príručka...71 Programová príloha vi

7 Zoznam obrázkov Obrázok 1: Schéma prejazdu zákrutou automobilom s otáčavými svetlometmi a spätnými zrkadlami...11 Obrázok 2: Uzavretý regulačný obvod Obrázok 3: Spätnoväzobný regulačný obvod Obrázok 4: Otvorený regulačný obvod...20 Obrázok 5: Dopredný regulačný obvod...20 Obrázok 6: Kompenzačný regulačný obvod...20 Obrázok 7: Očíslovanie cievok motora Obrázok 8: Vplyv proporcionálneho regulátora na výstup regulovanej sústavy Obrázok 9: Vplyv integračného regulátora na výstup regulovanej sústavy...29 Obrázok 10: Vplyv derivačného regulátora na výstup regulovanej sústavy...30 Obrázok 11: Diagram dátových tokov 1. úrovne...35 Obrázok 12: Diagram dátových tokov 2. úrovne...35 Obrázok 13: Diagram dátových tokov 3. úrovne...36 Obrázok 14: Schematický obrázok objektu riadenia Obrázok 15: Detail zapojenia cievky motora Obrázok 16: Topologická dekompozícia objektu riadenia...38 Obrázok 17: Funkčná dekompozícia objektu riadenia Obrázok 18: Zapojenie tranzistora vo funkcii spínača Obrázok 19: Schéma zapojenia ochrany výstupov PLC automatu...40 Obrázok 20: Krokový motor...41 Obrázok 21: Stator krokového motora Obrázok 22: Rotor krokového motora...42 Obrázok 23: Tranzistor BD Obrázok 24: Schematická značka tranzistora typu PNP...43 Obrázok 25: Polovodičová dióda 7008 so schematickou značkou...44 Obrázok 26: Schéma programu PLC automatu Obrázok 27: PLC automat B&R Obrázok 28: konštrukcia obrazovky Automation Studio Obrázok 29: Zapojenie cievok krokového motora Obrázok 30: Schéma programu regul Obrázok 31: Schéma programu fract...58 Obrázok 32: Prechodová charakteristika sústavy s regulárorom neceločíselného rádu (hore), prechodová charakteristika sústavy s klasickým regulátorom (dole)...59 Obrázok 33: Úvodná obrazovka Automation Studio Obrázok 34: Otvorený projekt Automation Studio Obrázok 35: Monitor premenných watch Obrázok 36: Karta na nastavenie vlastností pripojenia ETHERNET...67 Obrázok 37: Panel modulu CPU vii

8 Zoznam tabuliek Tabuľka 1: Veličiny automatického riadenia...18 Tabuľka 2: Princíp unipolárneho jednofázového riadenia s plným krokom Tabuľka 3: Princíp unipolárneho dvojfázového riadenia s plným krokom Tabuľka 4: Princíp unipolárneho riadenia s polovičným krokom Tabuľka 5: Princíp bipolárneho jednofázového riadenia s plným krokom Tabuľka 6: Princíp bipolárneho dvojfázového riadenia s plným krokom Tabuľka 7: Princíp bipolárneho riadenia s polovičným krokom Tabuľka 8: Parametre krokového motora...42 Tabuľka 9: Parametre stabilizátora napätia 78S Tabuľka 10: Technické parametre zdroja napätia PS Tabuľka 11: Technické parametre modulu AI Tabuľka 12: Technické parametre modulu AO Tabuľka 13: Technické parametre modulu DI Tabuľka 14: Technické parametre modulu DO viii

9 Poďakovanie Táto diplomová práca vzniká v roku, v ktorom Slovensko prežíva jedny z najväčších zmien, aké kedy jeho národ zažil. Tieto zmeny sa dotýkajú aj nás študentov ale v konečnom dôsledku sa dotýkajú až nasledujúcej generácie študentov. Hovorím o novom zákone, podľa ktorého si budú všetci študenti za štúdium platiť. Ja patrím do poslednej generácie študentov, ktorých sa táto reforma nedotkne. Ostatní študenti si pravdepodobne viac začnú vážiť peniaze a tiež možnosť štúdia na vysokej škole. Budú sa snáď poctivejšie pripravovať na skúšky a budú sa oveľa viac snažiť niečo sa naučiť. Práve preto by som chcel poďakovať všetkým pedagógom a technickým pracovníkom našej fakulty, ktorí nás počas celého štúdia nútili k poctivej a cieľavedomej práci. Oni nám dali morálny základ stať sa dobrými inžiniermi. Okrem vedomostí, ktoré nám odovzdali, nás naučili byť viac sebestačnými a vzbudili v nás pocit sebadôvery a sebaistoty. Touto formou sa chcem tiež poďakovať svojim rodičom a známym, ktorí ma počas celého štúdia podporovali a verili že svoje štúdium dovediem do úspešného konca. Všetkým spomenutým sa chcem ešte raz poďakovať. ix

10 Úvod 1 Úvod 1.1 Cieľ Riadenie je cieľavedomý spôsob dosiahnutia požadovaného stavu alebo chovania riadeného objektu, alebo riadenie je zavádzanie výstupných informácií do riadeného objektu (sústavy) za účelom dosiahnutia požadovaného výstupného stavu (výstupných stavov) väčšinou pri splnení určitých kritérií optimálnosti, ako je kvalita, čas cena a ekologické hľadiská. (DORČÁK, Ľ., TERPÁK, J., DORČÁ- KOVÁ, F., 2002, ) Téma tejto práce je dosť široká a pri riadení servomotorov si môžeme predstaviť viac konkrétnych zariadení, kde by sa servomotory mohli používať alebo aj používajú. Cieľom tohto návrhu projektu, je vytvoriť objekt, ktorý by reprezentoval natáčanie svetlometov a vonkajších spätných zrkadiel na automobiloch, pri prejazde zákrutami. Hlavnou úlohou je pre tento objekt navrhnúť riadiaci systém, ktorý by zabezpečil požadované chovanie systému, zadefinované v kapitole Formulácia úlohy. Určite si mnohý teraz kladiete otázku, prečo sa snažíme vytvoriť niečo, čo je už niekoľko rokov v praxi overené. Áno máte pravdu. Niektoré automobilové koncerny ponúkajú vo vyšších triedach automobily vybavené natáčaním svetlometov pri prejazde zákrutami. Pre bežného človeka je však tento systém nedostupný. Chceme ukázať jednoduchosť takého riešenia, čo možno v konečnom dôsledku bude viesť k zníženiu nákladov na zavedenie tohoto systému. Nikdy sa neuvažovalo vybaviť automobil otáčavými spätnými zrkadlami. Prečo to považujeme za dôležité si vysvetlíme na nasledujúcich riadkoch. 1.2 Pohnútky pre voľbu témy Pre myšlienku vytvorenia takého objektu sme sa rozhodli s prostého dôvodu. Na Slovensku a všeobecne vo svete sa stane denne veľké množstvo dopravných nehôd. Jedným z dôvodov týchto nehôd je aj neprehľadná situácia v zákrutách. Spomínané otáčavé svetlomety do smeru jazdy majú osvetliť vozovku v zákrutách a odhaliť tak možné hroziace nebezpečenstvo. Otáčavé spätné zrkadlá majú za úlohu tiež odhaliť nebezpečenstvo elimináciou tzv. mŕtvych uhlov a tak zlepšiť 10

11 Pohnútky pre voľbu témy možnosť monitorovať situáciu za automobilom pri prejazde zákrutou. (viď Obrázok 1.) Obrázok 1: Schéma prejazdu zákrutou automobilom s otáčavými svetlometmi a spätnými zrkadlami 1.3 Servomotory verzus krokové motory Pre realizáciu tohoto objektu sme použili krokové motory namiesto už spomínaných servomotorov. Rozdiel medzi nimi spočíva hlavne v tom, že servomotory disponujú snímačom polohy. Teda vieme určiť v akej polohe sa nachádzajú. Takéto zariadenie u krokových motorov absentuje, ale sú pre nás výhodnejšie z hľadiska ceny. Pre naše prezentačné účely sú postačujúce. 11

12 Formulácia úlohy 2 Formulácia úlohy Úlohu diplomovej práce sme si rozdelili do nasledovných dielčich úloh: príprava a konštrukcia objektu zoznámenie sa s PLC automatom a vývojovým softvérom tvorba riadiaceho systému Pri konštrukcii objektu sme sa museli rozhodnúť pre správny typ krokových motorov pre natáčanie svetiel a spätných zrkadiel. Museli sme sa rozhodnúť pre adekvátne náhrady reálnych častí automobilu, aby dostatočne spĺňali funkciu reálnych objektov. Tiež sme museli zvážiť, aké zaťaženie bude pripadať na jednotlivé moduly PLC automatu a na základe toho sa rozhodnúť pre vhodnú ochranu týchto modulov voči poškodeniu. Na realizáciu riadiaceho systému sme použili PLC automat typu B&R rady Podrobnejší popis tohoto riadiaceho automatu nájdete v kapitole PLC automat a vývojový softvér Automation Studio. K tomuto automatu je dodávaný aj vývojový softvér s názvom Automation Studio. V rámci vývojového prostredia sme na realizáciu riadiaceho systému použili jazyk Automation Basic. Pri tvorbe riadiaceho systému sme museli dodržať nasledovné podmienky. Pri riadení automobilu sa volantom vykonávajú korekcie smeru vozidla. Voči týmto korekciám musí byť riadiaci systém odolný a nesmie ich prenášať do natáčania svetlometov a vonkajších spätných zrkadiel. Riadiaci systém musí reagovať len na zásadné zmeny smeru vozidla. Pre tieto obmedzenia bolo potrebné navrhnúť vhodný regulátor. 12

13 Teoretická časť 3 Teoretická časť 3.1 Analytické modely spojitých systémov Popis lineárnych spojitých systémov môžeme vnímať z dvoch hľadísk: vonkajší popis vnútorný popis Na vonkajší matematický popis sústav používame nasledovný matematický aparát: obrazový prenos diferenciálne rovnice Vonkajší popis Laplaceova tranasfomácia Laplaceova transformácia je typom integrálnej transformácie a predstavuje matematický aparát, ktorý zjednodušuje analýzu a syntézu regulačných obvodov. Je definovaná nasledujúcim vzťahom: F p =L[ f t ]= 0 f t e pt dt (1) Inverzná Laplaceova transformácia je definovaná ako f t =L 1 [ F p ]= 1 c i F p e pt dp (2) 2 i c i kde p=r i je komplexné číslo a c je konštanta zvolená tak, aby v polrovine R p c nemala funkcia F p žiadne singulárne body. Aby funkcia f(t) bola transformovateľná do Laplaceovej oblasti, musí vyhovovať nasledujúcej podmienke: 0 f t e rt dt kde r, a t 0,. (3) 13

14 Analytické modely spojitých systémov Matematické modely dynamických systémov Pri matematických modeloch dynamických sústav sa zameriame na sústavu z hľadiska vstupu a výstupu. Takýmto pohľadom sa sústavy dajú popísať pomocou lineárnych diferenciálnych rovníc s konštantnými koeficientami. Všeobecný tvar takejto diferenciálnej rovnice sa dá zapísať ako a n y n t a 1 y ' t a 0 y t =b m u m t b 1 u ' t b 0 u t (4) kde a 0, a 1,..., a n, b 0, b 1,..., b n sú konštantné koeficienty y t je výstupná veličina zo systému a u t je vstupná veličina do systému. Pri odvodzovaní diferenciálnej rovnice väčšinou vychádzame z fyzikálnej podstaty dejov, alebo ju získame experimentálnymi metódami. Podľa rádu diferenciálnej rovnice (index n ), rozlišujeme jednokapacitné sústavy, dvojkapacitné sústavy atď. Laplaceovu transformáciu diferenciálnej rovnice (4) a následnou úpravou dostaneme prenosovú funkciu systému, ktorú môžeme zapísať ako: F p = Y p U p = b m p m b 1 p b 0 a n p n a 1 p a 0 (5) Diferenciálnej rovnici prvého rádu, ktorá popisuje jednokapacitnú sústavu zodpovedá prenosová funkcia: F p = 1 a 1 p a 0 (6) Vnútorný popis metóda stavového priestoru Vnútorný popis dáva úplný obraz o všetkých dynamických vlastnostiach, to znamená i tých, ktoré z hľadiska vstup - výstup nie sú pozorovateľné. Tieto metódy pracujú v časovej oblasti. Stav systému je definovaný ako dostatočná informácia o systéme v nejakom okamihu t 0. Je to najmenší počet hodnôt platných v čase t 0 a definovaných tak, aby pri známej budiacej funkcii bolo možné určiť stav systému pre akékoľvek t t 0. To znamená, že stav systému pre čas t t 0 nie je závislý pred časom t 0. Množina hodnôt definujúcich stav systému je množina stavových premenných. 14

15 Analytické modely spojitých systémov Stavové premenné majú geometrický význam súradníc stavového priestoru, v ktorom riešime chovanie systému. Stav systému reprezentuje bod, ktorého spojnicu s počiatkom nazveme stavovým vektorom. Tento bod pri zmene systému opisuje tzv. stavovú trajektóriu. Lineárny systém s konečnou dimenziou n sa dá zapísať ako dx t = A x t B u t (7) dt y t =C x t t 0 pre x 0 =x 0, pričom A, B, C sú matice a kde x t je stavová premenná, u t je vstupná premenná a y t je výstupná premenná. Tento zápis zohľadňuje poznatky aj o vnútornej štruktúre systému. 15

16 Analytické modely diskrétnych systémov 3.2 Analytické modely diskrétnych systémov Popis diskrétnych systémov uskutočňujeme pomocou nasledovného matematického aparátu: obrazový prenos diferenčné rovnice Z-transformácia Z- transformácia predstavuje pravidlo, pomocou ktorého sa postupnosť čísel konvertuje na funkciu komplexnej premennej z, ( z=e pt ). Pre diskrétny čas k je definovaná vzťahom: F z = k =0 f kt z k (8) kde T je perióda vzorkovania. Základnú vlastnosť, ktorú budeme ďalej využívať je veta o oneskorení. Pre diskrétnu postupnosť f k m môžeme napísať: f k m z m F z (9) Diferenčné rovnice a diskrétne prenosy systémov Lineárny systém môžeme vyjadriť ako lineárnu kombináciu minulých výstupov, súčasného a minulých vstupov. Potom pre výstup systému n tého rádu platí: y k =b 0 u k b 1 u k 1 b m u k m a 1 y k 1 a n y k n (10) kde a 0, a 1,..., a n, b 0, b 1,..., b m sú konštantné koeficienty y k n je výstupná veličina zo systému a u k m je vstupná veličina do systému. Priamou Z-transformáciou diferenčnej rovnice 10 a uplatnením vety o oneskorení 9, môžeme získať vyjadrenie v tvare diskrétnej prenosovej funkcie: F z 1 = Y z 1 U z 1 = b b z b m z m (11) 1 a 1 z 1 a n z n 16

17 Riadiaci systém 3.3 Riadiaci systém Základné pojmy Riadenie je pôsobenie na dynamickú (riadenú) sústavu, ktorým sa dosahuje toho, aby dynamické procesy v sústave a prenosový účinok sústavy boli v sústave s vopred určeným cieľom riadenia pri všetkých očakávaných vstupoch sústavy. Proces riadenia môže byť realizovaný priamou účasťou človeka, ručné riadenie, alebo bez jeho priamej účasti, automatické riadenie. Riadenie je možné chápať ako informačný proces, uskutočňujúci sa v rámci riadiaceho cyklu: získavanie informácie: zadanie cieľa riadenia, určenie skutočného stavu a výstupu sústavy spracovanie informácie: určenie odchýlky medzi cieľom a skutočnosťou, rozbor a vyhodnotenie odchýlky, generovanie riadiaceho zásahu využitie informácie: fyzikálna realizácia akčného zásahu, pôsobenie akčného zásahu na sústavu, dynamický pochod v sústave v dôsledku pôsobenia zásahu (zdroj: DORČÁK, Ľ., TERPÁK, J., DORČÁKOVÁ, F., 2002, ) Informáciu môžeme chápať ako poznatok, ktorý znižuje príjemcovi jeho neurčitosť. Neurčitosť existuje vtedy ak má príjemca možnosť výberu z viacerých možností. Neurčitosť existuje aj v živej prírode aj v umelo vytvorených systémoch. Na základe informačného toku v riadiacom obvode, delíme riadenie na: uzavreté otvorené Na základe regulačného cyklu delíme riadenie na: dopredné riadenie kompenzačné riadenie spätnoväzobné riadenie 17

18 Riadiaci systém V automatizovaných systémoch riadenia rozlišujeme niekoľko typov riadiacich obvodov. Riadiace obvody sa navzájom líšia štruktúrou a tokom informácií. Pri opise týchto obvodov sa používa dohovorená symbolika. V Tabuľke 1 sú zobrazené označenia veličín automatického riadenia. Tabuľka 1: Veličiny automatického riadenia Názov veličiny Označenie Žiadaná hodnota Regulačná odchýlka e Riadiaca veličina u Akčná veličina a Riadená veličina y Stavová veličina x Porucha z Uzavretý regulačný obvod Uzavretý regulačný obvod je zobrazený na Obrázku 2. Do porovnávacieho člena regulačného obvodu vstupuje žiadaná hodnota a skutočná riadená veličina y. Výsledným rozdielom je regulačná odchýlka e, e= y. Regulačná odchýlka e vstupuje do regulátora, ktorý na jej základe stanoví riadiacu veličinu u. Riadiaca veličina u a tiež porucha z vstupujú do riadeného objektu. Pomocou riadiacej veličiny u sa stanovuje žiadaný výstup z objektu. Priamy zásah na objekte sa vykoná tzv. akčnou veličinou a. Vo viacerých prípadoch je žiadanou hodnotou konštanta. Vtedy hovoríme o regulácii na konštantnú hodnotu. Tento základný typ spätnoväzobného riadenia sa niekedy nazýva aj stabilizácia. Porovnanie e u y Regulátor Objekt Meranie Obrázok 2: Uzavretý regulačný obvod 18

19 Riadiaci systém Obrazový prenos uzavretého obvodu vzhľadom na žiadanú hodnotu je definovaný ako: F W p = Y p W p = F S p F R p 1 F S p F R p (12) kde F R p je prenos ovládacieho zariadenia a F S p je prenos sústavy objektu. Obrazový prenos uzavretého obvodu vzhľadom na poruchu z je definovaný ako F Z p = Y p Z p = F S p 1 F S p F R p (13) kde F R p je prenos ovládacieho zariadenia a F S p je prenos sústavy objektu. Spätnoväzobné riadenie z e Regulátor u Sústava y Obrázok 3: Spätnoväzobný regulačný obvod Na Obrázku 3 je spätnoväzobný spôsob riadenia, ktorý je uzavretým typom riadenia. Žiadaná hodnota je porovnávaná s meranou riadenou veličinou y ktorá reprezentuje skutočný stav. Na základe vzniknutého rozdielu (chyby) regulátor upravuje riadiacu veličinu u Otvorený regulačný obvod Otvorený regulačný obvod vznikne rozpojením uzavretého regulačného obvodu. Obvykle sa rozpojuje v mieste prenášanej regulovanej veličiny. Na Obrázku 4 je príklad otvoreného regulačného obvodu. 19

20 Riadiaci systém Ovládacie zariadenie u Objekt y Obrázok 4: Otvorený regulačný obvod Obrazový prenos otvoreného regulačného obvodu môžeme zapísať ako F O p = F R p F S p (14) kde F R p je prenos ovládacieho zariadenia a F S p je prenos sústavy objektu. Dopredné riadenie Regulátor u Sústava y Obrázok 5: Dopredný regulačný obvod Dopredný spôsob riadenia je otvorený spôsob radenia a je zobrazený na Obrázku 5. Do ovládacieho zariadenia vstupuje žiadaná hodnota ω. Ovládacie zariadenie vygeneruje podľa vopred určeného programu riadiacu veličinu pre objekt u. Výstupom objektu je riadená veličina y. Kompenzačné riadenie z Regulátor u Sústava y Obrázok 6: Kompenzačný regulačný obvod Je to tiež otvorený regulačný obvod a je zobrazený na Obrázku 6. Žiadaná hodnota je privádzaná do kompenzátora (regulátora), ktorý upravuje aj vzhľadom na pôsobiacu poruchu riadiacu veličinu u objektu. Kompenzátor kompenzuje vplyv okolia na objekt. Výstup objektu je riadená veličina y. Tento spôsob riadenia sme použili aj pri realizácii riadiaceho systému pre náš objekt riadenia. 20

21 Riadiaci systém Riadenie krokového motora Základný princíp krokového motora je jednoduchý. Prúd prechádza cievkou statora a vytvára magnetické pole, ktoré pritiahne opačný pól magnetu rotora. (Motor vykoná jeden krok.) Vhodným zapájaním cievok statora dosiahneme vytvorenie točivého magnetického poľa. Riadenie otáčania motora spočíva vo vhodnom zapojení cievok statora. Na základe veľkosti kroku otáčania a veľkosti krútiaceho momentu delíme riadenie krokového motora do nasledovných metód: unipolárne verzus bipolárne riadenie jednofázové verzus dvojfázové riadenie riadenie s plným krokom verzus riadenie s polovičným krokom Unipolárne verzus bipolárne riadenie Pri unipolárnom riadení prechádza prúd v jednom okamihu len jednou cievkou. Výhodou unipolárneho riadenia je najmenší odber. Nevýhodou je, že poskytuje najmenší krútiaci moment. Pri bipolárnom riadení prechádza prúd vždy dvoma protiľahlými cievkami, ktoré sú zapojené tak, že majú navzájom opačne orientované magnetické pole. Výhoda je veľmi jednoduché zapojenie. V podstate stačí jeden tranzistor na jednu cievku. Jednofázové verzus dvojfázové riadenie Jednofázové riadenie spočíva v tom, že magnetické pole generuje len jedna cievka (pri unipolárnom riadení), alebo dvojica cievok oproti sebe(pri bipolárnom riadení). U dvojfázového riadenia generujú rovnako orientované magnetické pole vždy dve susedné cievky. Výhoda je veľký krútiaci moment, ale nevýhoda je dvojnásobná spotreba oproti jednofázovom riadení. 21

22 Riadiaci systém Riadenie s plným krokom verzus riadenie s polovičným krokom Riadenie s plným krokom znamená, že na jednu otáčku motora je treba toľko krokov, koľko zubov má stator daného motora. Dosiahneme toho použitím ktorejkoľvek dosiaľ uvedenej metódy riadenia. Riadením s polovičným krokom dosiahneme dvojnásobnej presnosti. Technicky sa jedná o striedanie krokov s jednofázovým a dvojfázovým riadením. V nasledujúcich tabuľkách si znázorníme jednotlivé spôsoby riadenie krokového motora. Cievky motora sú očíslované nasledovne: Obrázok 7: Očíslovanie cievok motora Unipolárne jednofázové riadenie s plným krokom Tabuľka 2: Princíp unipolárneho jednofázového riadenia s plným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka Unipolárne riadenie krokového motora s plným krokom sme použili pri realizácii riadenia krokových motorov nášho objektu. 22

23 Riadiaci systém Unipolárne dvojfázové riadenie s plným krokom Tabuľka 3: Princíp unipolárneho dvojfázového riadenia s plným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka Unipolárne riadenie s polovičným krokom Tabuľka 4: Princíp unipolárneho riadenia s polovičným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka Bipolárne jednofázové riadenie s plným krokom Tabuľka 5: Princíp bipolárneho jednofázového riadenia s plným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka

24 Riadiaci systém Bipolárne dvojfázové riadenie s plným krokom Tabuľka 6: Princíp bipolárneho dvojfázového riadenia s plným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka Bipolárne riadenie s polovičným krokom Tabuľka 7: Princíp bipolárneho riadenia s polovičným krokom Cievka Cievka Cievka Cievka

25 Základné typy ústredných regulačných členov 3.4 Základné typy ústredných regulačných členov V tejto časti sa zameriame na ústredné regulačné členy, často označované aj ako regulátory, a to najmä z hľadiska ich dynamického spracovania regulačných odchýlok. Úlohou regulačných členov je vhodným spôsobom spracovať do nich vstupujúcu regulačnú odchýlku tak, aby výstupná veličina spôsobila čo najpriaznivejší zásah do sústavy z hľadiska priebehu regulovanej veličiny. Regulátory môžeme deliť do skupín podľa rôznych hľadísk: podľa druhu energie s ktorou pracujú: mechanické, pneumatické, hydraulické a elektrické regulátory. podľa spôsobu napájania: priame: odoberajú energiu na svoju činnosť priamo z regulovanej sústavy. (napr.: plavákový regulátor výšky hladiny) nepriame: odoberajú energiu na svoju činnosť zo zvláštneho napájacieho zdroja. Vyznačujú sa väčšou zložitosťou a tiež aj zodpovedajúcou vyššou hladinou regulácie. podľa priebehu prenášaného signálu: spojité regulátory: pracujú so spojitými signálmi. Hlavnými prvkami sú operačné zosilňovače. nespojité regulátory: pracujú s nespojitými signálmi. Ďalej ich môžeme rozdeliť na nespojité v čase (impulzné) a nespojité v amplitúde (dvoj alebo viac polohové) podľa linearity: lineárne: používané prevažne pri spojitej regulácii nelineárne: typické pre nespojitú reguláciu podľa prenosových dynamických vlastností, t.j. podľa spôsobu spracovania regulačnej odchýlky: proporcionálny regulátor (P) integračný regulátor (I) derivačný regulátor (D) ich kombinácie 25

26 Základné typy ústredných regulačných členov Proporcionálny regulátor P Proporcionálny regulátor iba zosilňuje regulačnú odchýlku e. V analógovom tvare, sa dá proporcionálny regulátor vytvoriť jednosmerným invertujúcim zosilňovačom. Prenos proporcionálneho regulátora môžeme vyjadriť ako F P p =K Integračný regulátor I (15) Integračný regulátor ako jediný umožňuje úplné odstránenie regulačnej odchýlky, tzv. trvalej regulačnej chyby, lebo tá je regulátorom integrovaná. K jej úplnému vynulovaniu však dochádza až za určitý čas, teda samotný regulátor I je pomalý. Prenos integračného regulátora môžeme opäť napísať ako pomer spätnoväzobnej impedancie (odporu) a vstupnej impedancie (odporu): F I p = 1 pt I (16) Derivačný regulátor D Ideálny derivačný integrátor nie je možné realizovať. Spôsobujú to parazitné zotrvačnosti, ktoré potlačujú prenos regulátora pri vysokých frekvenciách, kedy by mal byť prenos regulátora najväčší. Prenos derivačného regulátora môžeme napísať ako: F D p = pt D (17) Matematická rovnica spojitého PID regulátora Činnosť lineárnych regulátorov, môžeme matematicky popísať nasledujúcou rovnicou: u t =Ke t T D e ' t 1 e t dt (18) T I kde e t je regulačná odchýlka, ktorá vstupuje do regulátora a u t je riadiaca veličina. Na pravej strane rovnice sú funkčné členy regulátorov. 26

27 Základné typy ústredných regulačných členov Matematická rovnica diskrétneho PSD regulátora PSD regulátory sú diskrétnym ekvivalentom ku spojitým PID regulátorom. Diskrétna prenosová funkcia regulátora má tvar: F R z 1 = q 0 q 1 z 1 q 2 z 2 1 z 1 (19) Parametre q 0, q 1 a q 2 sa dajú prepočítať z parametrov PID regulátora, pre periódu vzorkovania T podľa zvolenej metódy integrovania. Pre lichobežníkovú metódu sa prepočet dá urobiť podľa nasledujúcich vzťahov: q 0 =K T I T 2 T D T, q 1= K T I T 2 2T D T, q 2 = T D T Vplyv regulátorov na vlastnosti regulačného obvodu V tejto kapitole si všimneme, ako sa menia prenosové vlastnosti regulačného obvodu, keď regulátorom v spätnoväzobnom zapojení budeme ovplyvňovať regulovanú sústavu. Z popisu spätnoväzobného obvodu poznáme rovnicu obrazového prenosu regulovanej sústavy vzhľadom na poruchu (rovnica 13, strana 19) a žiadanú hodnotu (rovnica 12, strana 19). Prenos regulovanej sústavy môžeme všeobecne napísať ako: 1 F S p = a n p n a n 1 p n 1 (20) a 1 p a 0 Vplyv proporcionálneho regulátora na vlastnosti regulačného obvodu Prenos prenos ideálneho proporcionálneho regulátora je daný vzťahom: F RP p =K (21) Po pripojení takého regulátora bude prenos uzavretého regulačného obvodu vzhľadom na poruchu daný podľa rovnice (13) nasledujúcim vzťahom: 1 F Z p = a n p n (22) a 1 p a 0 K 27

28 Základné typy ústredných regulačných členov Jeho limita pre čas t teda pre p 0 bude: lim F Z t =lim F Z p = 1 t p 0 a 0 K (23) Podobne pre prenos regulovanej sústavy vzhľadom na žiadanú hodnotu (vzorec 12) s pripojeným proporcionálnym regulátorom platí: K F W p = a n p n (24) a 1 p a 0 K Jeho limita pre čas t teda pre p 0 bude: lim F W t =lim F W p = K t p 0 a 0 K (25) Na základe limít môžeme tvrdiť, že proporcionálny regulátor pôsobí na sústavu, tak, že zväčšuje zosilnenie sústavy. Teda výstupná veličina nebude nikdy rovná 0 ani sa nikdy nebude rovnať žiadanej hodnote. y(t) 1 a 0 K a 0 K 0 t Obrázok 8: Vplyv proporcionálneho regulátora na výstup regulovanej sústavy Vplyv integračného regulátora na vlastnosti regulačného obvodu Keď pripojíme k regulovanej sústave s prenosom (rovnica 20) v spätnoväzobnom zapojení ideálny integračný regulátor s prenosom: F RI p = 1 T I p bude prenos poruchy pôsobiacej na vstupe do sústavy: (26) 28

29 Základné typy ústredných regulačných členov T F Z p = I p T I p a n p n a 1 p a 0 1 (27) Trvalá regulačná odchýlka pri pôsobení poruchy na vstupe do regulovanej sústavy, vyplýva z limity predošlého vzťahu: lim y Z t =lim F Z p =0 (28) t p 0 čo potvrdzuje, že integračný regulátor umožňuje docieliť nulovú regulačnú odchýlku. y(t) Sústava bez I - regulátora Sústava s I - regulátorom 0 t Obrázok 9: Vplyv integračného regulátora na výstup regulovanej sústavy Vplyv derivačného regulátora na výstup regulovanej sústavy Pripojme teraz k sústave s prenosom (vzorec 20) v spätnoväzobnom zapojení ideálny derivačný regulátor s prenosom: F RD p =T D p (29) Pri spätnoväzobnom zapojení dostaneme pre prenos poruchy pôsobiacej na vstupe do sústavy vzťah: 1 F Z p = a n p n (30) a 1 T D p a 0 Trvalá regulačná odchýlka pri pôsobení poruchy na vstupe regulovanej sústavy, vyplývajúca z limity predošlého vzťahu, je: lim y Z t =lim F Z p = 1 (31) t p 0 a 0 29

30 Základné typy ústredných regulačných členov čo znamená, že derivačný člen neumožňuje dosiahnuť nulovú regulačnú odchýlku, dokonca ani neovplyvňuje konečnú hodnotu ustáleného stavu, teda nezabezpečuje vynútenú zložku regulovanej veličiny, čo je neprípustné. Naproti tomu však ovplyvňuje tlmenie (odpor). Pri rastúcej hodnote T D sa tlmenie zväčšuje a urýchľuje ukončenie regulačného pochodu. y(t) Sústava bez regulátora Sústava s regulátorom 0 t Obrázok 10: Vplyv derivačného regulátora na výstup regulovanej sústavy 30

31 Základné typy ústredných regulačných členov Použitie regulátorov Ako sme už spomínali, vlastnosti regulátorov určujú kvalitu regulácie. Pred samotnou syntézou regulátora musíme vedieť aký regulátor sa hodí pre riadenie nášho systému. Na nasledujúcich riadkoch spomenieme použitia jednotlivých regulátorov a ich kombinácií. Použitie proporcionálneho regulátora Proporcionálny regulátor patrí k základným a najpoužívanejším regulátorom. Jeho charakteristickou vlastnosťou je zosilnenie. Pri určitých typoch regulátora je niekedy na závadu prekmitnutie regulovanej veličiny. To môžeme zmierniť zmenšení zosilnenia. Proporcionálne regulátory nie sú vhodné na reguláciu sústav bez zotrvačnosti, lebo už pri malom zosilnení je systém náchylný k vysokofrekvenčnému kmitaniu. Problém je pri regulácii sústav vyšších rádov a tiež aj pri statických sústavách s dopravným spozdením. Vhodné sú aj na reguláciu astatických sústav. Použitie integračného regulátora Integračný regulátor ako jediný z regulátorov odstraňuje trvalú regulačnú odchýlku. Jeho základnou nevýhodou je pokles zosilnenia so zvyšujúcou sa frekvenciou, takže takýto regulátor odstraňuje poruchy pomaly. Integračný regulátor je vhodný na statické sústavy bez zotrvačnosti. Jeho zosilnenie môže byť veľmi vysoké bez nebezpečia rozkmitania. Je vhodný aj pre zotrvačné sústavy prvého rádu a aj pre statické sústavy s dopravným oneskorením. Je menej vhodný pre reguláciu sústav vyšších rádov. Tiež ho nie je možné používať na astatické sústavy, lebo regulačný obvod je nestabilný. Použitie proporcionálne derivačného regulátora Všeobecne je možné povedať, že proporcionálne derivačný regulátor je vhodný tam, kde je vhodný aj samotný proporcionálny regulátor. Výhodou PD regulátora je vyššia rýchlosť regulácie, čo sa prejavuje potlačením vstupujúcej poruchy. 31

32 Základné typy ústredných regulačných členov Vhodnou voľbou časovej konštanty je možné znížiť rád regulovanej sústavy a tak zvýšiť stabilitu sústavy. Použitie proporcionálne integračného regulátora Proporcionálne integračný regulátor je najrozšírenejším kombinovaným regulátorom, lebo má takmer univerzálne použitie. Oproti integračnému regulátoru má väčší prenos vo vyšších frekvenciách, takže rýchlejšie odstraňuje nárazové poruchy. Jeho najväčším prínosom je úplné odstránenie regulačnej odchýlky. Použitie proporcionálne integračne derivačného regulátora Proporcionálne integračne derivačný regulátor je vhodný tam, kde je vhodný aj PI regulátor. PID regulátor je však rýchlejší a rýchlejšie tlmí časté poruchy vstupujúce do regulovanej sústavy. 32

33 Sústavy a regulátory neceločíselného rádu 3.5 Sústavy a regulátory neceločíselného rádu Pri identifikácii sústav a návrhu regulátorov na ich riadenie sa často stretávame s tým, že štandardným matematickým aparátom nevystihneme dostatočne vlastnosti danej sústavy. Preto sa v praxi používajú neceločíselné derivácie a integrály na popis takýchto sústav Derivácia a integrál neceločíselného rádu Deriváciu a integrál neceločíselného rádu, môžeme vyjadriť pomocou spoločného operátora D t a, kde a t sú hranice operácie. Na vyjadrenie sa vo všeobecnosti používajú dve definície. Riemannova Liouvilleova definícia má tvar: D t a 1 f t = n d n t dt n a f d (32) n 1 t pre n 1 n a kde je Eulerova Gamma funkcia. Grünwaldova Letnikovova definícia derivácie neceločíselného rádu má nasledujúci tvar: D t a f t =lim h 0 kde [ t a h ] [ t a h ] h j=0 1 j j f t jh (33) znamená celú časť z t a h. Numerickú aproximáciu operátora neceločíselného rádu môžeme vyjadriť z Grünwald Letnikovej definície (rovnica 33) v tvare: ± k L/h D kt k f t h ± j=0 1 j ± j f k j (34) kde L je dĺžka krátkej pamäte, h je časový krok výpočtu (perióda vzorkova- j nia) a 1 ± j sú binomické koeficienty c ± j, j=0,1,. Pre ich výpočet je vhodné použiť nasledujúci vzťah: c ± 0 =1, c ± j = 1 ± 1 j c ± j 1 (35) 33

34 Sústavy a regulátory neceločíselného rádu Sústavy neceločíselného rádu Regulovateľné sústavy neceločíselného rádu môžeme popísať diferenciálnou rovnicou vo všeobecnom tvare: a n D n t y t a1 D 1 t y t a0 D 0 t y t =bm D m m u t b1 D 1u t b0 t D 0 t u t (36) kde k, k, ( k=1,2, ) sú reálne čísla, n 1 0, m 1 0 a a k, b k ( k=1,2, ) sú ľubovoľné konštanty. Diferenciálnej rovnici (36) zodpovedá prenosová funkcia: F S p = Y p U p = b m p m b1 p 1 b0 p 0 a n p n a1 p 1 a0 p 0 (37) Regulátory neceločíselného rádu Regulátor neceločíselného rádu je reprezentovaný diferenciálnou rovnicou neceločíselného rádu v tvare: u t =Ke t T I D t e t T D D t e t (38) ktorej zodpovedá prenosová funkcia vo všeobecnom tvare: F R p = U p E p =K T I p T D p (39) kde a sú ľubovoľné reálne čísla, 0, K je proporcionálna konštanta, T I je integračná konštanta, T D je derivačná konštanta, je integrovania a je rád derivovania. Ak uvažujeme =1 a =1, tak dostaneme klasický PID regulátor. Ak =0 a/alebo T I =0 dostaneme PD regulátor a pod. Všetky uvedené typy regulátorov sú len partikulárnymi prípadmi PI D regulátora neceločíselného rádu. 34

35 Praktická časť 4 Praktická časť 4.1 Popis objektu riadenia Pri príprave objektu riadenia sme sa museli rozhodovať pre adekvátne prvky, ktoré sme pri jeho stavbe použili. Pri tomto výbere vhodných prvkov a tiež aj pri samotnej realizácii riadiaceho systému nám pomohli diagramy dátových tokov. Diagramy dátových tokov sme použili ako grafický vyjadrovací prostriedok na popis štruktúry systému so zdôraznením funkčných vlastností systému Diagramy dátových tokov Na Obrázku 11, je zobrazený diagram dátových tokov 1. úrovne. Vyjadruje základnú štruktúru objektu riadenia a tiež aj koncepciu na ktorej je objekt postavený. Potenciometer 1. Proces riadenia Krokové motory Obrázok 11: Diagram dátových tokov 1. úrovne Potenciometer sme použili ako adekvátnu náhradu volantu automobilu. Jeho otočenie reprezentuje natočenie volantu automobilu. Výstup z potenciometra sme použili ako vstup do riadiaceho systému. Na jeho základe riadiaci systém vygeneruje impulzy na otočenie motorov. Na Obrázku 12 je zobrazený diagram dátových tokov 2. úrovne. Zobrazuje základnú štruktúru riadiaceho systému. 1.1 Získavanie inf. o meranej veličine 1.2 Výpočet regulačnej odchýlky 1.3 Výpočet akčného zásahu 1.4 Vyslanie riadiacej veličiny Obrázok 12: Diagram dátových tokov 2. úrovne 35

36 Popis objektu riadenia Pre riadiaci systém je dôležité, aby sme mu poskytli potrebné informácie o systéme. Preto si rozoberieme aj štruktúru získavania informácií o meranej veličine. Tento proces je popísaný na Obrázku Diskretizácia Prevod na hodnotu vo fyzikálnych jednotkách Obrázok 13: Diagram dátových tokov 3. úrovne Do riadiaceho systému dostávame informácie zo snímača vo forme analógového signálu. Riadiaci systém pracuje s diskrétnymi údajmi a preto je signál pri vstupe do riadiaceho systému diskretizovaný. Veľkosť meranej veličiny však z takého signálu nedostaneme priamo. Signál, v našom prípade napäťový, obsahuje vo veľkosti svojej amplitúdy veľkosť našej meranej veličiny. Ak máme snímač, tak na jej určenie použijeme prevodovú funkciu snímača Schéma objektu riadenia Na základe diagramov dátových tokov sme vytvorili schematický obrázok objektu. (Obrázok 14) Tento obrázok popisuje základné topologické rozmiestnenie jednotlivých prvkov objektu riadenia. Nie je na ňom zobrazené riešenie na ochranu výstupov PLC automatu. (popísané v podkapitole Obvod ochrany výstupov PLC automatu) Na obrázku vidíme základnú dosku, ktorá má reprezentovať obrys automobilu. Na základnej doske sú umiestnené 4 motory, ktoré budú ovládať natočenie svetlometov a spätných zrkadiel modelu. Vidíme zobrazený aj potenciometer, ktorý slúži vo funkcii volantu. 36

37 Popis objektu riadenia Motor 1 Motor 2 PLC automat Motor 4 Motor 3 Potenciometer Základná doska Obrázok 14: Schematický obrázok objektu riadenia Na Obrázku 15 vidíme detail zapojenia cievky jedného z motorov aj s riešením ochrany výstupu PLC automatu. 12V Cievka motora s jadrom DO Obrázok 15: Detail zapojenia cievky motora Toto zapojenie sme realizovali pre každú cievku motora. Riešenie ochrany výstupov automatu je vysvetlené v kapitole Obvod ochrany výstupov PLC automatu. 37

38 Popis objektu riadenia Dekompozícia objektu riadenia Na základe Obrázku 15 sme si dekomponovali objekt riadenia. Dekompozícia objektu riadenia je ďalším krokom, ktorý má pomôcť pri výstavbe objektu a tvorbe riadiaceho systému. Dekompozíciu vnímame z hľadiska topológie (Obrázok 16) a prebiehajúcich procesov (Obrázok 17). Topologická dekompozícia Energetický podsystém Materiálový podsystém Vstupná Vnútorná Výstupná Vstupná Vnútorná Výstupná Elektrické rozvody Spínacie zariadenia Vinutia cievok Jadrá cievok Rotor Prevodovka motora Obrázok 16: Topologická dekompozícia objektu riadenia Svetlo Zrkadlo Funkčná dekompozícia Energetický podsystém Materiálový podsystém Vstupná Vnútorná Výstupná Vstupná Vnútorná Výstupná Proces prívodu a rozvodu el. energie. Zopnutie spínača Transformácia el. energie na magnetickú Prenos mag. energie. Vytváranie točivého mag. poľa Procesy interakcie mag. polí statora a rotora Točenie rotora Obrázok 17: Funkčná dekompozícia objektu riadenia Proces točenia prevodovkou Proces točenia svetlom a zrkadlom 38

39 Popis objektu riadenia Obvod ochrany výstupov PLC automatu Na výstupy PLC automatu sme plánovali pripájať krokové motory. Tie považujeme za akčné členy, ktoré sú dosť výkonné zariadenia. Pri ich ovládaní by mohlo dôjsť k poškodeniu alebo až zničeniu príslušného výstupného modulu. Preto je potrebné chrániť ich pred preťažením. Na ochranu výstupov PLC automatu sme použili tranzistory v zapojení spínača. Takéto zapojenie je na Obrázku V DO Obrázok 18: Zapojenie tranzistora vo funkcii spínača Schéma zapojenia obvodu Ako sme spomínali v predchádzajúcej kapitole, na konštrukciu obvodu ochrany výstupov PLC automatu, sme použili tranzistor vo funkcii spínača. Takéto zapojenie sme museli realizovať pre každú cievku motora. Keďže sme použili 4 motory, tak sme realizovali 16 takýchto zapojení. Celková schému zapojenia ochrany výstupov automatu je na Obrázku 19 39

40 Popis objektu riadenia 24V 78S12 R1 R1 R1 R1 DO1 DO2 DO3 DO4 R1 R1 R1 R1 DO1 DO2 DO3 DO4 R1 R1 R1 R1 DO5 DO6 DO7 DO8 24V 78S12 R1 R1 R1 R1 DO9 DO10 DO11 DO12 R3 R2 AI1 Obrázok 19: Schéma zapojenia ochrany výstupov PLC automatu Podľa tejto schémy sme zhotovili plošný obvod. Na schéme vidíme aj zapojenie potenciometra R3, ktorý slúži ako náhrada volantu. Popis použitých súčiastok k tejto schéme nájdete v kapitole Popis použitého zariadenia. 40

41 Popis objektu riadenia Popis použitého zariadenia V tejto kapitole sa dozvieme, aké zariadenie sme použili na stavbu objektu riadenia. Bližšie si opíšeme prístroje nahrádzajúce reálne časti automobilu a tiež si charakterizujeme súčiastky použité na zostrojenie ochrany výstupov PLC. Krokový motor Vo všeobecnosti môžeme motor charakterizovať ako zariadenie, ktoré mení použitý zdroj energie na mechanickú energiu (prácu). V našom prípade, keďže pracujeme s elektrickými zariadeniami, ide o premenu elektrickej energie na mechanickú energiu. Názov krokového motora súvisí s spôsobom riadenia jeho pohybu. Riadenie pohybu spočíva v postupnom privádzaní energie (napätia) na jednotlivé cievky motora. (viď kapitola Riadenie krokového motora) Krokový motor (Obrázok 20) má štandardnú stavbu elektrického motora poháňaného jednosmerným napätím. Základné časti elektrického motora sú stator a rotor. Obrázok 20: Krokový motor Stator je statická časť motora. Je tvorený telom motora, v ktorom sú umiestnené cievky. Ich počet určuje počet riadiacich signálov. Na Obrázku 21 máme zobrazený stator krokového motora s ôsmimi cievkami. Krokový motor, ktorý sme použili my, má 4 cievky. 41

42 Popis objektu riadenia Obrázok 21: Stator krokového motora Rotor (Obrázok 22) je pohyblivá časť motora. Je tvorený hriadeľom osadeným na guličkových ložiskách a prstencom permanentných magnetov. Rotor sa pôsobením magnetického poľa cievok statora otáča. Obrázok 22: Rotor krokového motora Pri stavbe objektu sme použili krokové motory zo starých 5,25'' disketových mechaník. Základné parametre takého krokového motora sú uvedené v Tabuľke 8. Tabuľka 8: Parametre krokového motora Parameter Hodnota Jednotka Napájacie napätie 12 V Počet cievok (riadiacich signálov) 4 - Uhol otočenia na jeden krok 1.8 º LED Dióda LED diódy sme pri konštrukcii nášho objektu použili ako náhradu svetlometov automobilu. Svojou vysokou svietivosťou a malou veľkosťou sa hodia pre naše účely. 42

43 Popis objektu riadenia Pri výbere farby LED diód bola rozhodujúca cena. Cenovo najvýhodnejšie boli diódy červenej farby. Tie síce nekorešpondujú so skutočnou farbou svetlometov automobilu, ale na prezentačné účely sú postačujúce. Zrkadlá Ako náhradu spätných zrkadiel sme použili malé kúsky skutočného zrkadla, ktoré sme vhodným spôsobom upevnili na krokový motor. Súčiastky na ochranu výstupov PLC automatu Tranzistor (BD ) Tranzistor je polovodičová súčiastka, tvorená dvoma prechodmi PN. C B C B Obrázok 23: Tranzistor BD Tranzistor má tri vstupy: emitor (E), kolektor (C) a báza (B). Báza je riadiaci vstup, ktorým ovládame spínanie tranzistora. Základnými stavmi tranzistora sú otvorený stav, zodpovedajúci zopnutiu akéhokoľvek spínača a uzatvorený stav zodpovedajúci rozopnutiu spínača. Keď je tranzistor uzatvorený, tečie obvodom kolektor emitor len zbytkový prúd kolektora. V tomto stave sú prechody B-K a B-C polarizované v závernom smere. E Obrázok 24: Schematická značka tranzistora typu PNP V otvorenom stave sú prechody B-E a B-C polarizované v priamom smere. E Stabilizátor napätia 78S12 Stabilizátor napätia je súčiastka, ktorá vstupné napätie z povoleného rozsahu transformuje na napätie 12 V. Technické parametre stabilizátora sú v Tabuľke 9 43

44 Popis objektu riadenia Tabuľka 9: Parametre stabilizátora napätia 78S12 Parameter Hodnota Jednotka Výstupné napätie 12 V Vstupné napätie 14,5 30 V Pracovná teplota º C Odchýlka výstupného napätia ±5 % Odpor R1 V obvode ochrany výstupov PLC sme použili odpory o veľkosti 1kΩ. Polovodičová dióda 4007 Polovodičová dióda je tvorená jedným polovodičovým prechodom PN. Vhodným zapojením dosiahneme elimináciu spätných rázov v obvode. Obrázok 25: Polovodičová dióda 7008 so schematickou značkou Kondenzátory Na elimináciu špičiek na zdroji sme použili kondenzátory. Keramický kondenzátor typu M1 a elektrolytický s kapacitou 100μF. 44

45 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio 4.2 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio PLC (Programmable Logical Controler) znamená v preklade programovateľný logický automat. Je to mikropočítač so špeciálne prispôsobeným hardvérom a softvérom pre riadenie logického, spojitého, alebo kombinovaného typu. Má základné charakteristiky počítača. Výpočty sú vyhodnocované samostatným procesorom. Dáta sú uchovávané v permanentnej, nezávislej pamäti. PLC má zbernicovú štruktúru. Jednotlivé moduly sa pripájajú priamo na zbernicu. PLC automaty pozostávajú väčšinou s nasledovných typov modulov: modul napájania modul centrálnej jednotky modul (moduly) vstupov a výstupov ďalšie rozširujúce moduly PLC automaty sú pre svoje vlastnosti ako sú modulárnosť, robustnosť, stavebnicovitosť, kompatibilita, spoľahlivosť a autodiagnostické funkcie, vhodné na riadenie a monitorovanie technologických procesov. Na Obrázku 26 (zdroj: LEŠŠO, I.) je zobrazená schéma PLC automatu, ktorý riadi technologický proces. Na tejto schéme vidíme princíp práce PLC automatu so získanými údajmi s procesu a vysielanými akčnými veličinami. Vidíme aj štruktúru programu PLC automatu. My sme pri realizácii diplomovej práce použili automat od firmy B&R. 45

46 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Obrázok 26: Schéma programu PLC automatu PLC automat B&R 2005 B&R (Bernecker & Rainer) je Rakúska firma, ktorá na trhu ponúka celý rad priemyselných automatov. Automat B&R 2005 (Obrázok 27) patrí do tejto širokej rodiny PLC automatov. 46

47 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Obrázok 27: PLC automat B&R2005 Automat pozostáva z odoberateľných modulov. Moduly (okrem zdroja a CPU) sa môžu vkladať na základnú dosku v ľubovoľnom poradí. Zbernicový systém a napájacie kontakty sú vsadené na základnej doske. Základné dosky sú dostupné v rôznych dĺžkach (6,9,12,15 slotov). Jednotlivé moduly môžu mať šírku jedného slota, alebo aj dvoch slotov. Systém má centrálne napájanie. Napájacie napätie je 24 VDC ± 25% alebo 90 až 250 VAC. Automat je odolný voči teplotným výkyvom. Dokáže pracovať pri teplote od 0 do 60 ºC a pri relatívnej vlhkosti vzduchu v rozmedzí 5 až 95 %. Automat B&R 2005 pozostáva z nasledovných modulov: Zdroj napätia PS 465 Centrálna jednotka CP 360 Analógové vstupy AI 375 Analógové výstupy AO 350 Digitálne vstupy DI 475 Digitálne výstupy DO

48 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Zdroj napätia PS 465 Jeho technické údaje sú vypísané v Tabuľke 10. Zdroj má aj reléovú ochranu a to ochrannou diódou s prechodným napätím 370 V. Tabuľka 10: Technické parametre zdroja napätia PS 465 Charakteristika Hodnota Jednotka Napájacie napätie V Maximálny prúd 3.5 A Výkon 50 W Centrálna jednotka CP 360 Je to vysoko výkonná jednotka pre B&R Je umiestnená hneď vedľa zdroja napätia a vyžaduje dva sloty na svoje zapojenie. Okrem iného obsahuje konektory na prepojenie cez RS232 a 10/100 BASE-T ETHERNET interfejs. Je tiež vybavený konektorom na prepojenie modulov cez apci interfejs. Ten umožňuje prepojiť CPU s inými typmi zberníc a sieťových systémov. Nevyhnutný je tiež slot na Compact Flash Card, teda pamäťové médium. Analógové vstupy AI 375 Popis modulu je v Tabuľke 11. Tabuľka 11: Technické parametre modulu AI 375 Charakteristika Hodnota Jednotka Počet vstupov 8 - Vstupný signál (napäťový) +10 až -10 V Vstupný signál (prúdový) 0 až 20 ma Rozlíšenie prevodníka 12 bit Maximálna chyba (pri 25 ºC) ±0,1 * % * Z meraného rozsahu 48

49 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Analógové výstupy AO 350 Charakteristiky modulu sú v Tabuľke 12. Tabuľka 12: Technické parametre modulu AO 350 Charakteristika Hodnota Jednotka Počet výstupov 8 - Výstupný signál (napäťový) +10 až -10 V Rozlíšenie prevodníka 12 bit Maximálna chyba (pri 20 ºC) ±0,25 % Maximálne zaťaženie na výstup ±10 ma Digitálne vstupy DI 475 Parametre modulu digitálnych vstupov sú v Tabuľke 13. Tabuľka 13: Technické parametre modulu DI 475 Charakteristika Hodnota Jednotka Počet vstupov 16 - Vstupný signál (napäťový) 24 V Maximálne spínacie opozdenie 12 m Vstupný prúd pri nominálnom napätí asi 5 ma Digitálne výstupy DO 479 Popis modulu je v Tabuľke 14. Tento modul má ochranu pred preťažením jeho tranzistorových výstupov. Je vybavený aj ochranou proti špičkám. Tabuľka 14: Technické parametre modulu DO 479 Charakteristika Hodnota Jednotka Počet výstupov 16 - Výstupný signál (napäťový) 24 V Maximálne zaťaženie na výstup 0.5 A Únikový prúd vo vypnutom stave 0.3 ma Maximálne spínacie opozdenie: log 1 log 0 log 0 log μs μs 49

50 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Automation Studio Automation Studio (ďalej len AS) je len jedna z častí balíka B&R Automation Software, ktorý obsahuje všetky softvérové balíky nevyhnutné pre konfiguráciu, programovanie, diagnostiku a obsluhu všetkých riadiacich a panelových systémov od firmy B&R. Všeobecné informácie AS je softvér, ktorý je kompatibilný s operačným systémom MS Windows. Teda práca s týmto softvérom je jednoduchá aj vďaka dobrému grafickému rozhraniu. Ak sa vyskytnú problémy, je možné použiť aj pomocníka. Na inštaláciu celého balíka Automation Software (verzia 2.40) je potrebná nasledovná konfigurácia počítača: operačný systém MS Windows 98/ME/NT4.0/2000/XP procesor Pentium 166 Mhz 64 MB RAM 300 MB pamäte hardisku rozlíšenie monitora 1024 x 768 XGA (minimálne 800 x 600 XGA) Na prepojenie riadiacich zariadení s počítačom máme k dispozícii nasledovné typy komunikačných kanálov: sériové RS232 sieťové ETHERNET CAN rozhranie Nie všetky typy komunikácie sú podporované na každom zariadení od firmy B&R. Na tvorbu diplomovej práce sme mali k dispozícii automat B&R 2005, ktorý podporuje všetky spomenuté spôsoby komunikácie. Používali sme komunikáciu pomocou sieťového rozhrania ETHERNET. Konfigurácia takého spojenia je opísaná v Používateľskej príručke a tiež aj v Systémovej príručke. Popis pracovnej plochy Na Obrázku 28 máme zobrazenú obrazovku AS softvéru. V ľavej časti obrazovky je okno pre hardvérovú konfiguráciu zariadenia. V pravej časti je okno na soft- 50

51 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio vérové nastavenia. V hornej časti sa nachádza menu programu, tak ako je to štandardne v aplikáciách MS Windows. V spodnej časti obrazovky máme okno na chybové správy po kompilácii a tiež stavový riadok ktorý zobrazuje informácie o type spojenia, type CPU, verzii softvéru AS a o stave spojenia. Obrázok 28: konštrukcia obrazovky Automation Studio Programovacie jazyky Na programovanie úloh pre zariadenia nám AS ponúka nasledovné programovacie jazyky: Automation Basic je textový a inštrukčný jazyk vyvinutý firmou B&R. K štandardným programovacím prvkom obsahuje naviac prvky, ktoré boli vyvinuté špeciálne pre riadiace automaty firmy B&R. Bol vytvorený z programovacieho jazyka PG2000 a je vhodný aj na obnovu programov vytvorených na tejto platforme a tiež aj na vytváranie nových projektov vo všetkých oblastiach automatizácie. ANSI C je jazyk vytvorený v 70 tych rokoch z jazyka B (Basic Combined Programming Language) a teraz je štandardizovaný, hardvérovo orientovaný 51

52 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio jazyk známy na celom svete. Napriek tomu, že nie je štandardom pre všetkých výrobcov PLC automatov, firma B&R ho integrovala do svojho vývojového softvéru. Ladder Diagram (Sieťový diagram) je programovací jazyk používajúci diagramy. Pochádza z elektromechanických reléových systémov a definuje tok prúdu cez jednotlivé časti siete (diagramu). Teda, sieťový diagram vyzerá podobne ako schémy elektrických obvodov a je vhodný najmä na realizáciu boolových (dvojúrovňových) signálov. Instruction List (Inštrukčný zoznam) je druhá generácia inštrukčne orientovaného programovacieho jazyka, podobného assembleru. Je používaný najmä na vytváranie kratších programov s využitím logických funkcií (AND, OR atď.) alebo ako spoločný jazyk s ďalšími graficky založenými programovacími jazykmi. Structured Text (Štruktúrovaný text) nepoužíva strojovo orientovaný kód ako inštrukčný list, ale používa abstraktné príkazy na vytváranie výkonných príkazových štruktúr. Sequential Function Chart (Sekvenčná funkčná tabuľka). Tento jazyk bol vyvinutý preto, aby sa komplexná úloha rozdelila do jasných krokov a aby bolo možné definovať tok riadiacich signálov medzi jednotlivými krokmi. Vyvinul sa z krokového sekvenčného programovania a je vhodný na procesy, ktorých stavy sa menia v jasných krokoch ako napríklad práčka (predpieranie, pranie atď.) alebo procesy chemického zmiešavania. Diagnostické funkcie Často sa stáva, že napriek bezchybnému kompilovaniu programu, program na zariadení nefunguje bezchybne. AS softvér ponúka niekoľko diagnostických funkcií pomocou ktorých môžeme takéto logické chyby odhaliť: Variable Monitor a Variable Watch (Monitory premenných) je používaný na zobrazenie, monitorovanie a zmenu hodnôt premenných na cieľovom zariadení. 52

53 PLC automat a vývojový softvér Automation Studio Variable Trace (Záznam premenných) umožňuje nahrať hodnoty premenných v určitom časovom intervale a zobraziť ich v grafe. Force (Ručný zásah do programu) umožňuje zmeniť hodnotu premennej voči hodnote stanovenej programom a to na jeden cyklus programu. Debugger (Ladič chýb) je dôležitý nástroj na hľadanie logických chýb programu. System Logbook (Systémový denník) v ktorom sú zaznamenané všetky hlásenia chýb, porúch a alarmov. Jeho obsah je možné kedykoľvek prezrieť. Line Coverage (Krytie riadkov). Ak je spustený, tak sa všetky riadky programového kódu, ktoré už boli vykonané, zvýraznia. 53

54 Experimentálna časť 5 Experimentálna časť Pri experimentoch sme pozorovali vplyv navrhnutých regulátorov na dynamické vlastnosti objektu a tiež sme sme pozorovali, či objekt spĺňa požiadavky z hľadiska požadovanej citlivosti akčnej veličiny na malé zmeny uhla otočenia volantu. 5.1 Syntéza riadiaceho systému Na vytváranie riadiaceho systému sme použili Automation Studio verziu Z palety ponúkaných programovacích jazykov sme použili Automation Basic Kroky pri tvorbe riadiaceho systému 1.)Pred vytváraním vlastného regulačného člena sme museli najprv vytvoriť program na ovládanie pohybu krokového motora oboma smermi. Museli sme preto nájsť správne zapojenie cievok a teda správne poradie riadiacich signálov na jednotlivé cievky motora. 2.)Klasickým regulátorom riadiť otáčky motorov na základe (volantu) riadiacej veličiny tak, aby uhol natočenia svetiel a zrkadiel zodpovedal skutočným požadovaným hodnotám. Zabezpečiť vhodnú citlivosť regulátora vzhľadom na simulované korekcie volantu počas jazdy automobilu. (zdrojový kód programu nájdete v Programovej prílohe) 3.)Regulátorom neceločíselného rádu riadiť otáčky motorov na základe (volantu) riadiacej veličiny tak, aby uhol natočenia svetiel a zrkadiel zodpovedal skutočným požadovaným hodnotám. Zabezpečiť vhodnú citlivosť regulátora vzhľadom na simulované korekcie volantu počas jazdy automobilu. (zdrojový kód programu nájdete v Programovej prílohe) Ovládanie pohybu krokového motora Pred realizáciou programu na ovládanie pohybu krokového motora sme si jeden motor napojili na digitálne výstupy cez obvod ochrany výstupov (viď. Obvod ochrany výstupov PLC automatu). Na Obrázku 29 máme zapojenie cievok motora. Vidíme, že všetky cievky majú spoločnú zem a voľné signály sú napojené na digitálne výstupy automatu. 54

55 Syntéza riadiaceho systému Po realizácii takého zapojenia sme vytvorili jednoduchý program, kde sme postupne v jednotlivých cykloch programu vysielali impulzy na jednotlivé cievky motora. Pritom sme pozorovali, či sme dosiahli požadovaný plynulý otáčavý pohyb motora. Pri neúspešnom spôsobe pohybu sme vhodne zmenili poradie napojenia cievok na jednotlivé výstupy automatu. Takto sme postupovali až do úspešného roztočenia motora. Na dosiahnutie spätného pohybu motora sme jednoducho otočili poradie riadiacich signálov. Obrázok 29: Zapojenie cievok krokového motora Návrh klasického regulátora Na riadenie otáčok krokového motora sme použili PI regulátor, vzhľadom na to, že potrebujeme zabezpečiť požadovanú citlivosť regulátora vzhľadom na simulované korekcie volantu počas jazdy automobilu. Integračná zložka regulátora má potlačiť tieto korekcie a neprenášať ich do otáčania motorov (svetiel a zrkadiel). Pri návrhu regulátora sme použili experimentálne metódy. Vychádzali sme z faktu, o maximálnom prípustnom počte krokov motora (t.j. maximálny uhol otočenia motora), zodpovedajúcom minimálnej (maximálnej) hodnote riadiacej veličiny. Maximálny počet krokov motora je rôzny pre svetlá a pre zrkadlá. Hodnoty riadiacej veličiny (elektrické napätie regulované potenciometrom) považujeme za mieru otočenia volantom automobilu. Maximálne otočenie volantu a tým aj kolies 55

56 Syntéza riadiaceho systému sa u rôznych áut líši a preto sme zvolili často sa vyskytujúcu hodnotu a to 2,5 otáčky. Rovnicu PS regulátora, dostaneme z rovnice PSD regulátora (rovnica 18) vypustením derivačnej zložky: u k =Ke k 1 1 e k 1 (40) T I Keď teraz do tejto rovnice dosadíme vyššie uvedené fakty dostaneme rovnicu pre krokové motory so svetlami: 20=K 10 1 T I 10 (41) kde 20 je maximálny počet krokov motora so svetlami a 10 je maximálna hodnota vstupnej riadiacej veličiny vo voltoch. Je to rovnica o dvoch neznámych, ktorú riešime tak, že jednu z konštánt si zvolíme ( K ) a druhú z rovnice vypočítame. Pre K =10 sme dostali T I = 1 8. Podobne aj pre krokové motory so zrkadlami, kde je maximálny prípustný počet krokov 10 sme dostali: 10=K (42) T I a pre K =10 sme dostali T I = 1 9. Schéma programu s klasickým regulátorom Na základe diagramov dátových tokov sme vytvorili nasledovnú schému, podľa ktorej bol vytvorený program. Na tejto schéme môžeme vidieť aj poradie vykonávania sa jednotlivých stavov programu. Begin rightlights leftlights leftmirror rightmirror Obrázok 30: Schéma programu regul 56

57 Syntéza riadiaceho systému Na Obrázku 30 je schéma programu regul, ktorý používa klasický regulátor. Teraz si popíšeme jednotlivé stavy: Begin uskutočňuje sa tu načítanie riadiacej veličiny a výpočet akčného zásahu. leftlights a rightlights zabezpečí sa vyslanie požadovaného počtu krokov v správnom smere na jednotlivé cievky, určené akčnou veličinou. Výsledkom je natočenie svetiel na správnu stranu o potrebný uhol. leftmirror a rightmirror zabezpečí sa vyslanie požadovaného počtu krokov v správnom smere na jednotlivé cievky, určené akčnou veličinou. Výsledkom je natočenie zrkadiel na správnu stranu o potrebný uhol Návrh regulátora neceločíselného rádu Aj pri návrhu tohoto regulátora sme zostali verní PI regulátoru. Tento regulátor dostaneme z rovnice neceločíselného PID regulátora (rovnica 39), vypustením derivačnej zložky: F R p =K T I p (43) Pred určením konštánt K a T I sme museli určiť rád sústavy neceločíselného rádu a následne aproximovať integračnú zložku regulátora. Experimentálne sme zistili, že sústava sa správa uspokojivo pri ráde z intervalu = 0.5,1. Na určenie obrazového prenosu takej sústavy sme použili program vytvorený podľa VINAGRE, B., M., CHEN, Y., Q., PETRÁŠ, I., 2003,. Na základe požadovaných vstupov program vygeneruje diskrétny tvar prenosu sústavy. Najlepšie výsledky sme dosiahli pri sústave s rádom 0.75, pre ktorú sme dostali obrazový prenos sústavy popísaný rovnicou: F S = 750,8 563,1 z 1 646,6 z 2 402,8 z 3 95,39 z 4 31,62 z 5 23,74 17,81 z 1 20,45 z 2 12,74 z 3 3,017 z 4 z 5 (44) Odvodením dostaneme z tejto rovnice vzťah pre výstup zo sústavy, ktorý použijeme v rovnici regulátora. 57

58 Syntéza riadiaceho systému Konštanty regulátora sme určili rovnako ako u klasického regulátora a dostali sme pre krokové motory so svetlami: K =4 a T I = 1 10 a pre krokové motory so zrkadlami: K =1 a T I = Schéma programu s regulátorom neceločíselného rádu Podobne ako pri klasickom regulátore aj teraz sme si vytvorili schému programu s jednotlivými stavmi. Begin rightlights leftlights leftmirror rightmirror Obrázok 31: Schéma programu fract Na Obrázku 31 je schéma programu fract, ktorý používa regulátor neceločíselného rádu. Popis stavov je rovnaký ako u programu regul. 5.2 Klasický regulátor verzus regulátor neceločíselného rádu Z hľadiska dynamických vlastností sústavy sme očakávali, že regulátor neceločíselného rádu, bude poskytovať kvalitnejšiu reguláciu reálneho objektu ako klasický regulátor. Porovnaním prechodových charakteristík oboch regulátorov môžeme usudzovať, že regulátor neceločíselného rádu nám oproti klasickému regulátoru zabezpečil postupnejší nárast akčnej veličiny. Celkové časy regulácie sa pri správaní objektu u jednotlivých regulátorov nelíšia. Vzhľadom na to, že rýchlosť generovaných pulzov krokových motorov nezá- 58

59 Klasický regulátor verzus regulátor neceločíselného rádu visí od rýchlosti generácie pulzov regulátorom, ale od trvania cyklu programu, keďže počas jedného cyklu programu generujeme maximálne jeden impulz motora a počet požadovaných impulzov rastie rýchlejšie ako sa jednotlivé impulzy generujú. počet krokov motora t y(t) t Obrázok 32: Prechodová charakteristika sústavy s regulárorom neceločíselného rádu (hore), prechodová charakteristika sústavy s klasickým regulátorom (dole) Na Obrázku 32 sú zobrazené prechodové charakteristiky sústav s klasickým regulátorom a s regulátorom neceločíslného rádu. Tieto grafy charakterizujú dynamické vlastnosti sústavy s regulátormi. 59

60 Korekcie smeru volantom 5.3 Korekcie smeru volantom Pri navrhovaní regulátora neceločíselného rádu sme predpokladali, že požadované zanedbanie korekcií volantu (potenciometra) zabezpečí samotný regulátor. Realita však bola iná. Na Obrázku 32 vidíme, že svojimi vlastnosťami sme zabezpečili len pomalšie reakcie regulátora na zmenu riadiacej veličiny, čo v konečnom dôsledku znamená pomalšie reakcie riadiacej veličiny. Požadovanú vlastnosť objektu sme nakoniec zabezpečili vložením nelinearity do programu. Takýmto spôsobom sme zabezpečili požadované reakcie na korekcie uhla potenciometra, čo sú korekcie smeru jazdy automobilu volantom. Korekcie volantu bez zásahu regulátora sú po pridaní nelinearity možné až do 18 veľkosti uhla, čo pripadá na približne 1 16 otáčky volantu. 60

61 Záver 6 Záver Cieľom tejto diplomovej práce bolo vytvoriť riadiaci systém objektu, ktorý má ponúknuť nové myšlienky automobilovému priemyslu. Konkrétne ide o realizáciu systému natáčania svetiel a spätných zrkadiel automobilu na základe zmeny smeru volantom. Pre fakultu má tento objekt ako učebná pomôcka znamenať prínos a spestrenie vyučovacieho procesu. Prvou časťou práce bola konštrukcia daného objektu riadenia. Uplatnili sme tu aj vedomosti z elektrotechniky. Objekt sme zostrojili tak, aby sa na krokové motory dali naviazať rôzne zariadenia. Ďalším krokom práce bolo získanie dostatočného množstva vedomostí o použitom PLC automate. V tejto časti sa nám podarilo uskutočniť doteraz problémové prepojenie PLC automatu s počítačom cez Ethernet. V tretej fáze riešenia sa nám podarilo vytvoriť riadiaci systém na riadenie miery otočenia sústavy krokových motorov. Riadiaci systém sme realizovali pomocou klasického regulátora a aj pomocou regulátora neceločíselného rádu. Porovnaním výsledkov oboch regulátorov musíme konštatovať, že oba regulátory nám poskytli požadovanú kvalitu regulácie. Očakávali sme kvalitatívne lepšie výsledky riadenia objektu s regulátorom neceločíselného rádu, ale z dôvodu technických vlastností objektu sa tieto výhody neprejavili na chovaní objektu. Riešenie problému reakcií riadiaceho systému na korekcie volantom sa nám nepodarilo zabezpečiť vhodnými parametrami regulátora, ale dosiahli sme požadovaný výsledok vložením nelinearity do programu. V konečnom dôsledku sa nám podarilo zabezpečiť také chovanie objektu, ktoré odzrkadľuje reálne požiadavky na správanie sa takého systému. 61

62 Zoznam použitej literatúry Zoznam použitej literatúry Manuál k B&R DORČÁK, Ľ., TERPÁK, J., DORČÁKOVÁ, F., 2002, : Teória automatického riadenia: Spojité lineárne systémy, TU Košice, 2002, 210 strán, ISBN , EAN PODLUBNÝ, I., at all: Analogue Realization of Fractional-Order Controlner, Nonlinear Dynamics, Kluwer Academic Publishers, vol. 29, no. 1 4, 2002, pp VINAGRE, B., M., CHEN, Y., Q., PETRÁŠ, I., 2003, : Journal of The Franklin Institute, 2003, Franklin Institute, Elsevier Ltd., 14 strán LEŠŠO, I., Prednášky k predmetu monitorovacie systémy, Zimný semester, 2003, TU Košice PETRÁŠ, I., Teória automatického riadenia (Návody na cvičenia), TU Košice, 2001, 52 strán, ISBN X 62

63 PRÍLOHA A (Užívateľská príručka)

64 Užívateľská príručka Užívateľská príručka Postup na otvorenie a spustenie programov k objektu riadenia Spustíme si Automation studio v ponuke Štart, záložka Programy, záložka B & R Automation, Automation Studio, spúšťacím súborom B & R Automation Studio. Zobrazí sa nám pracovná plocha Automation Studio. (Obrázok 33) Obrázok 33: Úvodná obrazovka Automation Studio Môže sa stať, že po spustení AS sa otvorí posledný upravovaný projekt a potom sa zobrazí obrazovka na Obrázku 3. Ďalším krokom je otvorenie príslušného projektu. Náš projekt má názov Diplom. Otvoríme ho cez menu File, kliknutím na tlačidlo Open project..., následne sa nám zobrazí dialógové okno Windows na otvorenie súboru. Tu musíme náš projekt nájsť na mieste kde je uložený. Cesta k súboru je: E:/home/konecny/Documents/br-automation/diplom/diplom.pgp/diplom.gdm Zobrazí sa nám okno projektu. (Obrázok 34) 64

65 Užívateľská príručka Obrázok 34: Otvorený projekt Automation Studio Teraz pristúpime k samotnému preneseniu programu do PLC automatu. Zvolíme si program, ktorý chceme nahrať do automatu. (regul, fract) Zvolený program musíme povoliť na prenos do automatu. Ak je program povolený na nahranie, je jeho názov zobrazený štandardnými čiernymi písmenami. Ak to tak nie je a názov daného programu je zobrazený sivou farbou, musíme ho umožniť nahrať do automatu. To vykonáme kliknutím na daný program pravým tlačidlom myši a následným odškrtnutím voľby Disable. Pre správny chod programu musia byť ostatné programy nepovolené na nahranie programu do automatu. (t.j. musia byť zobrazené sivou farbou, t.j. musí byť zaškrtnutá voľba Disable) Vzorovú situáciu máme zobrazenú na Obrázku 34, kde je na nahranie do automatu pripravený program fract. Teraz môžeme pristúpiť k vlastnému preneseniu programu do automatu. Uskutočníme to stlačením tlačidla Build, ktoré zabezpečí kompiláciu programu. 65

66 Užívateľská príručka Ak nie je v programe chyba a kompilácia prebehla v poriadku, potom sa po kompilácii zobrazí ponuka preniesť program do auto- matu. Preto v danej ponuke stlačíme tlačidlo Transfer. Ak by tlačidlo nebolo prístupné (viď obrázok), je pravdepodobne problém so spojením počítača s automatom. Preto sa presvedčíme či je správne zapojený prenosový kábel. Ak je kábel v poriadku, skúsme reštartovať aplikáciu, teda celé Automation Studio. Keď sa nám podarí spustiť zvolený program automatom, pokúsime sa monitorovať stav dôležitých veličín. Na monitorovanie ich stavu odporúčame monitorovaciu funkciu watch. Ak už program beží v PLC, tak stlačíme kombináciu kláves CTRL W a spustí sa monitor premenných Watch (Obrázok 35). Obrázok 35: Monitor premenných watch Monitor sa spustí bez zobrazených premenných (napr: varglobal). Pre zvolenie premenných, ktoré majú byť monitorované stlačíme prvé tlačidlo vľavo hore: Insert Variable po jeho stlačení sa zobrazí okno so zoznamom všetkých premenných, ktoré sú momentálne použité v programe na PLC automate. Z tohto zoznamu si kliknutím myši zvolíme premennú ktorú chceme monitorovať. Tá sa nám pridá do zoznamu monitorovaných premenných a okrem jej mena sa zobrazí aj jej typ a aktuálna hodnota. 66

67 Užívateľská príručka Konfigurácia spojenia PLC s počítačom cez ETHERNET Na konfiguráciu spojenia PLC s automatom cez ETHERNET potrebujeme počítač v spojení s PLC cez iný druh spojenia ako je ETHERNET. Na realizáciu tohto spojenia potrebujeme špeciálny kábel na prepojenie dvoch počítačov. Otvoríme si existujúci projekt a pre tento nakonfigurujeme vlastnosti ETHER- NET spojenia. Na ľavej strane okna otvoreného projektu v časti softvérového nastavenia nájdene kartu Ethernet. Na tejto karte otvoríme vlastnosti príslušného modulu (pravé tlačidlo myši, voľba Vlastnosti). Zobrazí sa nám okno ako na Obrázku Obrázok 36: Karta na nastavenie vlastností pripojenia ETHERNET Na tejto karte musíme nastaviť vlastnosti pripojenia Ethernet, podobne ako pri konfigurácii pripojenia TCP/IP počítača. Na karte Device konfigurujeme adresu 67

68 Užívateľská príručka PLC automatu. Na karte INA musíme tiež zaškrtnúť položku Active INA comunication (online ). Po zadaní všetkých parametrov stlačte tlačidlo OK. Pre správnu funkciu pripojenia musíme nastaviť IP adresu PLC automatu z rovnakej adresnej oblasti ako je nastavený počítač. Na Obrázku 37 je zobrazený panel CPU modulu automatu. V spodnej časti modulu máme dva otočné prepínače, ktorými nastavujeme adresné číslo PLC automatu. Je to hexadecimálne číslo zložené v dvoch častí. Obrázok 37: Panel modulu CPU To číslo musíme udať do konfiguračnej časti v menu Tools, Options na karte On Line, pre spojenie TCP/IP v ponuke Properties položka Destination Address. Položka Source Address je číslo, ktoré tiež identifikuje počítač v rámci siete. Po ukončení konfigurácie môžeme nahrať takto nakonfigurovaný projekt do automatu. Po jeho nahratí sa aktivuje aj pripojenie automatu cez Ethernet. 68