CC BY
32
Смирнова М.А.
Санкт-Петербургский государственный университет, аспирант smirnova-ma@bk.ru
Программный комплекс цифрового управления роботом, имитирующим башню танка
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
Программный комплекс, динамическое управление, робот, МаЬЬаЬ. АННОТАЦИЯ:
В статье рассматривается применение современных информационных технологий для динамического управления объектом, имитирующим башню танка. В качестве среды для реализации программного комплекса используется пакет МЛТЬЛВ - Simulink.
Введение
Современные информационные технологии активно внедряются в различные области науки и техники. Одним из приоритетных направлений для внедрения является обрабатывающая промышленность, в частности машиностроение [1-3]. При этом основным структурным элементом информатизации производства являются системы автоматического контроля и управления. Такие системы дают возможность улучшить качество продукции, а также сэкономить время и деньги.
Рис. 1. Объект управления
Главными требованиями к таким системам являются высокая скорость и точность выполнения работ. Эти параметры напрямую зависят от используемого для управления программного обеспечения, которое, в свою очередь, должно быть не только безотказным, но и гибким для легкого расширения и быстрой перенастройки под конкретную задачу. В данной статье рассматривается реализация программного комплекса в среде МА^АВ - Simulink для динамического управления объектом,
имитирующим башню танка (см. рис. 1).
Постановка задачи
Рассмотрим объект управления, имитирующий башню танка [4]. Он представляет собой горизонтальный маятник (см. рис. 3). Его основными элементами являются платформа («башня»), приводимая в движение сервоприводом, и закрепленный на ней стержень («дуло»). Стержень соединен с платформой двумя пружинами одинаковой жесткости и длины, на стержне закреплен груз, который можно перемещать для охвата более широкого множества объектов такого типа.
К вычислительно-моделирующему комплексу объект управления подключается с помощью платы сбора данных Advantech PCL-818L (см. рис. 2)-
/
Рис. 2. Плата сбора данных
Объект управления оснащен двумя аналоговыми потенциометрическими датчиками. Первый расположен на платформе и возвращает напряжение, подаваемое на сервопривод в пределах от 0 до 5 вольт, что соответствует повороту платформы на некоторый угол , а второй находится на башне и возвращает напряжение в пределах от -5 до 5 вольт, которому соответствует угол ! отклонения стержня относительно центра.
Положением равновесия для «башни» является значение напряжения 2.5 вольта, а для «дула» - 0 вольт. Платформа может поворачиваться на 180 градусов.
Основная задача управления данным объектом состоит в том, чтобы при повороте платформы на заданный угол в конечной точке не происходило колебаний стержня. Кроме того, система управления должна возвращать объект управления в заданное положение Рд при возникновении внешних возмущений.
В данной статье ставится задача разработать программный комплекс, позволяющий изменять следующие параметры системы управления:
• выбирать закон управления и его параметры;
• выбирать вес груза;
• выбирать расстояние до точки крепления груза;
• задавать угол Рз , на который необходимо повернуть платформу.
Рис. 3. Основные параметры объекта
Данный программный комплекс предназначен для наглядной демонстрации применения знаний, полученных в курсе теории управления, к реальным физическим объектам и представляет собой уникальную возможность для студентов понять и увидеть различия законов управления, сравнить поведение системы с управлением и без него.
Реализация программного комплекса
Для решения поставленных задач был выбран пакет МА^АВ с подсистемой Simulink, широко использующийся для моделирования динамических систем [5-12]. В нем и были реализованы модель системы управления рассматриваемым объектом (см. рис. 4) и графический интерфейс пользователя для работы с построенной моделью (см. рис. 5).
Ьийег
Ana.bg --V
|||рШ \
СЧкЬпепв ¡при! = 2 Айуагпес И PCi.-ei.3L [ЗЭОЬ1
АпаЬд 1при1
А па Ьд Р1Нвг Ое&дп 1
огс1ег^ 1 раавЬа nd=5
СМккэпепе ¡11 р и I = 1 АЛ'агНесИ РС1_-В1в1. [ЭЭОЬ]
эгесЛпа ЬавЬш УоНв
Оедгее Ва&Ьш
ОдгапеИепв па рсгого! ЬавИш +80 do -80
Р- РЮ
13>-
Нэ->13ед(ве
13>-
\/о Нв-> Сед гее
ЬазЬпуа
с1ед1ее&
--
Оед гее ->Уо Н&
"V —►
.Л па Ьд Ои1ри1
Ро\.ою1 Ваз Ии Оифи! =1 А^-агиесЬ FCL-51.iL [.ЮПИ]
Рис. 4. Simulink-модель объекта управления
В разработанном графическом интерфейсе заложена возможность использовать в модели различные законы управления, а именно:
• управление по выходу и=кДр^)-|Зз),
• где и - управляющее воздействие, ) - угол поворота платформы, в - командный сигнал;
• пропорционально-интегральный регулятор (ПИ)
и = К) —вз)+ К2/(Р(х)-Рз)< т ;
о
• пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД)
и = К 1( в (t) — в3)+ К2/(в(т) — в3)<т+Кз< (в(t) — вз).
При этом коэффициенты Кь К2, Кз пользователь может либо задать самостоятельно, либо использовать уже подобранные коэффициенты, обеспечивающие приемлемую отработку командного сигнала .
Также реализованы возможность отработки командного сигнала без использования какого-либо управляющего воздействия, возможность задания командного сигнала , возможность выбора места крепления груза и его веса. Колебания «дула» и поворот «башни» при отработке командного сигнала отображаются на графиках. По желанию пользователя можно сохранять историю отклонений «башни» и «дула» на графиках для сравнения при выборе другого закона управления._
И Tank
ЕЖИ
Поворот башни:
Параметры объекта:
Вес шайбы (г.): Расстояние до оси (мм.):
ю
24
Закон управления:
Вид: Оку О PI о None
Параметры:
К1 2.1 К2
-100
0 2 [^1 история
Отклонение дула:
4.67
КЗ
3.53
Командный сигнал
Поворот башни (град.)
40
Выполнить
Рис. 5. Программный комплекс
Заключение
В результате проделанной работы реализован программный комплекс динамического управления реальным объектом, имитирующим работу башни танка. Разработанный комплекс предназначен для студентов и представляет собой графическую оболочку для демонстрации и тестирования поведения динамической системы с использованием различных законов управления и без управления, что позволяет проводить
наглядные эксперименты даже для студентов младших курсов.
Литература
1. Веремей Е.И. Основные направления применения компьютерных технологий в задачах управления динамическими объектами // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии, 2012. — № 1. — С. 16-21
2. Веремей Е.И. Вопросы оптимизации цифровых систем управления и обработки сигналов // Сборник избранных трудов VII Международной научно-практической конференции "Современные информационные технологии и ИТ-образование". Под редакцией проф. В.А. Сухомлина. — г. Москва, — 2012. — С. 974-982
3. Веремей Е.И. Основные направления применения компьютерных технологий в задачах управления динамическими объектами // Материалы IV Международной научной конференции "Современные проблемы прикладной математики, теории управления и математического моделирования (СПМТУММ-2011) — г. Воронеж, — 2011.
4. Смирнов Н. В., Смирнов М. Н., Смирнова М. А. Решение прикладных задач теории управления в MATLAB. СПб.: Соло, 2013.186 с.
5. MATLAB. Getting Started Guide / The MathWorks, Inc. - Natick, 2011. - 276 p.
6. SIMULINK. User's Guide / The MathWorks, Inc.-Natick, 2011.- 2326 p.
7. Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 464 с.
8. Веремей Е.И., Корчанов В.М., Коровкин М.В., Погожев С.В. Компьютерное моделирование систем управления движением морских подвижных объектов. СПб: НИИ Химии СПбГУ 2002. 370 с.
9. Иглин С. П. Математические расчеты на базе MATLAB: учебник. СПб. : БХВ-Петербург, 2005. 634 с.
10. Сирота А. А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем: учебное пособие. М.: Техносфера, 2006. 280 с.
11. Солонина А. И. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB: учебное пособие. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. 816 с.
12. Смирнов М.Н., Смирнова М.А. Реализация программного комплекса для динамического управления нелинейным объектом // Процессы управления и устойчивость: Труды 44-й международной научной конференции аспирантов и студентов / Под ред. Н. В. Смирнова, Т. Е. Смирновой. — г. Санкт-Петербург, — 2013. — С. 297-301.
