CC BY
8
УДК 681.513.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-214-217
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ОТРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ
О.О. Морозов, М.Е. Ткачева
В работе рассмотрены отдельные аспекты разработки цифровой управляющей системы (ЦУС), автоматизирующей процесс функционирования лабораторного стенда, для быстрогоэкспери-ментального определения статических, динамических, энергетических и частотных характеристик пневматических рулевых приводов. Описаны: структура ЦУС и структура сообщений информационного обмена ЦУС с системой верхнего уровня.
Ключевые слова: рулевой привод, экспериментальный стенд, микропроцессорная управляющая система, автоматизация.
Важным этапом отработкиэкспериментальных рулевых приводов (РП) является быстрое получение экспериментальных данных о статических, динамических, энергетических и частотных свойствах отрабатываемого РП, что позволяет сократить время отработки, количество РП в экспериментальной партии, получать сведения о воздействии вторичных факторов на упомянутые свойства РП [4], таким образом, качественно совершенствовать процесс отработки новых изделий. Реализация упомянутых аспектов невозможна без автоматизации процессов испытаний, сбора и подготовки данных [1].
В данной статье приведены основные результаты разработкиархитектуры цифровой управляющей системы (ЦУС) стенда и ее программного обеспечения, предназначенного для снятия статических, динамических и частотных характеристик РП.
Для автоматизации работы стенда была произведена замена имеющихся индикаторных измерительных приборов, регистрирующих угол поворота рулевого органа, и давления в полостях испытуемого РП на современные быстродействующиедатчики, позволяющие получать информацию об измеряемых величинах в готовом для цифрового информационного преобразования виде, с требуемой точностью и малым транспортным запаздыванием [5].ЦУС разрабатывалась в предположении, что последующая обработкаполученных экспериментальных данных, будет вестись с помощью заранее неизвестного набора программных средств на универсальном персональном компьютере.
В качестве датчиков давления выбраны датчики на основе тензометрических преобразователей; для получения данных об угловом перемещении применен инкрементный энкодер с требуемым разрешением; регистрация непрерывных электрических величин организована с помощью высокопроизводительных аналого-цифровых преобразователей. Построение ЦУС на базе высокопроизводительного контроллера позволяет организовать сложные активные программы экспериментов с преобразованием измерительной информации в реальном времени.
Структура разработанной ЦУС представлена на рисунке.
Питание системы осуществляется от лабораторного блока питания напряжением 15В (ИП), микроконтроллер (МК)- напряжением 3.3В (П1), информационно-измерительные элементы системы -напряжением 5В (П2).
Выходной сигнал с тензометрических усиливается (УН) и фильтруется (ФНЧ). В качестве фильтра нижних частот используетсяпоследовательное включение RC-фильтра первого порядка и цифрового фильтра АЦП.
Для осуществления преобразования сигнала в микроконтроллере использованытрисинхронно функционирующих 12-битных АЦП [2]. Для повышения точности временного позиционирования точек выборки сигналов работа АЦП дополнительно синхронизирована с моментами захвата состоянии инкре-ментного энкодера.
Для повышения помехозащищенности получение данных от энкодера (Э) происходит по цифровому дифференциальномуканалу связи, что требует наличия соответствующего дифференциального приемника (ДП) в непосредственной близости от МК [7].
Управляющие сигналы на дифференциальные, либо поляризованные катушки ЭМП РП подаются с двух синхронизированных ЦАП микроконтроллера, и усиливаются по амплитуде и току (УМ).
Подключение системы управления к ПК реализовано с применением интерфейса USB 1.1, с пропускной способностью до 10 Мбит/с[].
Для организации процессов управления активными экспериментами на стенде разработан обобщенный регулятор [3], являющийся частью встроенного программного обеспечения (ВПО) контроллера. Регулятор предварительно настраивается через интерфейсрегулятора (ИР).
Данные по последовательному интерфейсу USB передаются с помощью специально разработанной системы сообщений, кадры которой, имеют переменную длину [6].
Структура кадра сообщенияпредставлена в табл. 1.
214
ДД1 УН
t /
ДД2 УН
/ * / \
ДД3 УН
ФНЧ
ФНЧ
ФНЧ
_!_t
Э
ДП
ОИ
ацп1 мк sis
ацп2 цап
ацп3 usb
/впо
tim2 У
УМ
usb
сву
ФЗВ
ИР
ЭМП
х
Структура микропроцессорной управляющей системы: ДД1, ДД2, ДД3 - датчики давления в двух полостях привода и ресивере соответственно; УН - усилитель напряжения; УМ - усилитель
мощности; ФНЧ - фильтр низких частот;Э - энкодер; ДП - дифференциальный преобразователь;ИР - интерфейс обобщенного регулятора; ФЗВ - формирователь задающего воздействия; х - состояние системы; СВУ - система верхнего уровня; USB- интерфейс; ЭМП - электромеханический преобразователь; ИП - источник питания 15В; П1, П2 - вторичные источники питания; АЦШ - аналогово-цифровые преобразователи; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; TIM2 - программируемый таймер в режиме интерфейса инкрементного энкодера; ОИ - отладочный интерфейс; МК - микроконтроллер; ВПО - встроенное программное
обеспечение МК
Таблица 1.
Структура сообщения__
Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4-ь n+4 Байт n+5
Байт синхронизации Команда Длина данных Данные Контрольная сумма
Кадры, направленные в сторону МК и получаемые системой верхнего уровня, отличаются значением байта синхронизации. Коды команд представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Коды команд в кадрах, отправляемых в сторону МК. (Байт 1 = П)__
Код команды Команда Структура данных Длина кадра
01 В кадре данные с текущим значением вектора уж type TDATA = array [1..4] of int16 record time: longint; y: TDATA; end; 17 байт
02 В кадре значение коэффициентов регулятора record i,j: byte; K: longint; end; 11 байт
03 В кадре значение начальных условий record i: byte; q: longint; end; 10 байт
04 В кадре значение такта квантования record nom, denom: longint; end; 13 байт
05 В кадре команда начала эксперимента Данных нет 6 байт
06 Прерывание эксперимента до его окончания Данных нет 6 байт
07 В кадре данные о тарировке record i:byte; nom, denom: longint; end. 10 байт
08 Чтение состояния системы Данных нет 5 байт
Окончание таблицы 1
Код команды Команда Структура данных Длина кадра
09 В кадре информация комплекса параметров (кроме уж) record K,q, nom, denom: longint; end; 172 байт
10 Запрос коэффициентов тарировки record i:byte; end; 6 байт
11 Очистить буфер приёмника Данных нет 5 байт
12 Данные получены успешно/не успешно record m: byte; end. 6 байт
Таблица 3
Коды команд в кадрах, отправляемых от МК. (Байт 1 = F2)__
Код команды Команда Структура данных Длина кадра
01 Последний передаваемый кадр получен не верно record kontr: byte;end. 6 байт
02 Кадр получен успешно Данных нет 5 байт
03 В кадре данные результатов эксперимента type TDATA2 = array [1..2] of int16 record time: longint; y: TDATA; y2:TDATA2; end. 21 байт
04 Данные о состоянии системы record stite: longint; end; 9 байт
05 В результате процесса вычислений произошло переполнение Данных нет 5 байт
06 Буфер приёмника заполнен/пуст record n: byte; end. 6 байт
Указанная информация использована для формирования межплатформенного обмена данными за счет блочного ее внедрения в исходные тексты программ ВПО МК и программного обеспечения СВУ. ВПО МК реализовано на языке Си, программное обеспечение СВУ- на объектно-ориентированной версии языка Паскаль.
Список литературы
1. Анурьев В.И. Справочник конструктора и машиностроителя: в 3-х т. 8-е изд., перераб. и доп. Под.ред. И.Н.Жестковой. М.: Машиностроение, 2001.
2. Джозеф Ю. Ядро Cortex-M3 компании ARM. Полное руководство / пер. с англ.
A.В.Евстифеева. М: Додэка-XXI, 2012. 552 с.
3. Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М.Макакрова,
B.М.Лохина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 576 с.
4. Проектирование следящих систем. Физические и методические основы: учеб.для вузов / ред. Лакота Н.А. М.: Машиностроение, 1992. 352 с.
5. Расчёт и конструирование механизмов приборов и установок: Учебное пособие для инженерно-физических и приборостроительных специальностей вузов / Ю.В.Милосердин, Б.Д.Семёнов, Ю.А.Кречко. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 408 с.
6. Официальный сайт фирмы STMicroelectronics. [Электронный ресурс] URL: www.st.com (дата обращения: 10.09.2022).
7. Производственно-техническая фирма Consys [Электронный ресурс] URL: https://paper.consys.ru (дата обращения: 10.09.2022).
Морозов Олег Олегович, канд. техн. наук, доцент, omo@sau.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ткачева Мария Евгеньевна, младший научный сотрудник лаборатории цифровых систем управления сложными динамическими объектами, mashutka98@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AUTOMATION OF THE LABORA TORY STAND FOR THE TESTING OF EXPERIMENTAL PNEUMATIC STEERING GEARS
O.O. Morozov, M.E. Tkacheva 216
The paper considers certain aspects of the development of a digital control system (DCS), which automates the process of functioning of a laboratory stand, for a quick experimental determination of the static, dynamic, energy and frequency characteristics of pneumatic steering drives. Descriptions: the structure of the DCS and the structure of messages for information exchange between the DCS and the upper-level system.
Key words: steering gear, experimental stand, microprocessor control system, automation.
Morozov Oleg Olegovich, candidate of technical sciences, docent, omo@sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tkacheva Maria Evgenievna, junior researcher laboratory of digital control systems for complex dynamic objects, mashutka98@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.513.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-217-219
ОБОБЩЕННЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ АКТИВНЫХ СТЕНДОВЫХ
ИСПЫТАНИЙ
О.О. Морозов, М.Е. Ткачева
Во время проведения экспериментальных испытаний рулевых приводов для организации программ активных экспериментов, спроектирован обобщенный программный задатчик-регулятор. Представляющий собой программу, выполняемую ядром микроконтроллерной системы управления экспериментом, данный регулятор синхронно со сбором экспериментальных данных формирует входныевоздей-ствиянаисследуемый рулевой привод, зависящие от собранной информации.
Ключевые слова: рулевой привод, экспериментальный стенд, обобщенный регулятор, ПИД-регулятор.
Во время проведения эксперимента, описанного в статье «автоматизация лабораторного стенда дляотработки экспериментальных пневматическихрулевых приводов» этого сборника[1], необходима организация воздействий на объект испытаний, коррелирующих с его состоянием. Для этогобыл спроектирован обобщенный регулятор, структура которогопредставлена на рисунке.
Во время проведения экспериментов по отработке систем пневматического рулевого привода с использованием лабораторного экспериментального стенда необходимо, в частности, регулирование давления в полостях привода [4].
Параметр К представляет собой матрицу тхп, которая задаётся исходя из количества параметров уи, которые необходимо поддерживать в рамках значений, заданных вектором уж.
Регулятор имеет внутренние переменные состянияql и q2, которые могут быть использованы для реализации конечно-разностных уравнений.
Для данной [1] конструкции стенда входные векторыуж и уи имеют размерность 4, q1, q2 и выходной сигнал и- скаляры. В результате получаем размерность матрицы К -10х3.
Расчет выходных параметров производится исходя из уравнения у=к*х[2]. Получаем:
/
[к]и2[к] q1[k] q2[k])
т _
^11 ^12 ^13 ^14 ^2 1^2 2 ^2 3 ^2 4 ^3 1^3 2 ^3 3 ^3 4 ^4 1^4 2 3 ^4 4 1^5 2 3 4
К 6 1К6 2 К6 3 К 6 4
\
х
УжЛЩ Уж2 И Ужз [к]
Уж4[к]
УиЛк]
Уи2[к]
У из И Уи4[к]
qdk-i],
\ q2[k-1]/
u[k]1 u[k]2
К71К7 2 з К7 4
1^8 2 ^8 3 ^8 4 ^9 1 ^9 2 ^9 3 ^9 4 40 1 ^10 2 ^10 3 ^10 4
Исходя из вышеуказанного уравнения, выразим выходные параметры системы:
1 •Уж1[^]+^2 1 •Уж2[к]+К3 1 -УжзИ+^4 1 •Уж4[^]+^5 1 •Ум [к] +К6 1
УизИ+^8 1^У«л[к]+К9 !• qi[k-1]+K101 • q2[k-1];
Kl 2 •Уж1[^]+^2 2 •Уж2[^]+^3 2 •Ужз[^]+^4 2 •Уж4[^]+^5 2 • УигШ +К6 2
УизИ+^8 2^Уи4[^]+^9 2 • q1[k-1] + K102 • q2[k-1]; q[k]1 = К1 з •УжЛк] + К2 з •Уж2[к]+К3 з •Ужз[к]+К4 з •Уж4[^]+^5 з •УиЛк]+ К6 з УигИ+^7 з^УизИ+^8 з^Уи4[^]+^9 з • q1[k-1] + K103 • q2[k-1];
Уи2[к] +К7 1 Уи2 [к] +К7 2
