wersja mobilna
Online: 298 Czwartek, 2016.09.29

Temat miesiąca

Modelowanie i symulacja serwonapędów

poniedziałek, 11 lutego 2008 15:09

Dla inżyniera automatyka symulacja i modelowanie rzeczywistych obiektów są przydatne podczas poznawania zjawisk zachodzących z automatyzowanych procesach. Coraz częściej symulatory i programy do symulacji wykorzystywane są podczas szkoleń i przygotowywania nowych pracowników do pracy na rzeczywistym obiekcie.

Spis treści » Podstawy
» Modelowanie z wykorzystaniem programu ModelQ
» Pokaż wszystko

Dla inżyniera automatyka symulacja i modelowanie rzeczywistych obiektów są przydatne podczas poznawania zjawisk zachodzących z automatyzowanych procesach. Coraz częściej symulatory i programy do symulacji wykorzystywane są podczas szkoleń i przygotowywania nowych pracowników do pracy na rzeczywistym obiekcie.

Rozwój stosowanego oprogramowania jest obecnie bardzo dynamiczny, zaś rosnące możliwości komputerów osobistych pozwalają na wykorzystanie go w codziennej praktyce inżynierskiej. W artykule zostanie przedstawione modelowanie i symulacja serwonapędu jako przykład możliwości przeprowadzenia prostych analiz układów regulacji z wykorzystaniem ogólnodostępnych i tanich programów stanowiących interesującą alternatywę dla komercyjnych aplikacji.

 

Podstawy
Rys. 1. Interfejs programu ModelQ; oznaczenia: 1 - menu główne, 2 - przyciski szybkiego dostępu, 3 - palety komponentów, 4 - formularz

Narzędzia programistyczne służące do symulacji układów mechatronicznych, czyli takich, które łączą w sobie funkcje elektroniczne i mechaniczne, pozwalają inżynierom projektującym, tworzącym lub rozwijającym nowe produkty na szybkie prototypowanie, wizualizację oraz analizę złożonych urządzeń. Utworzone modele są często wykorzystywane później również w sprzętowych symulatorach HIL (hardware-in-the-loop) stosowanych podczas testów i szkoleń (patrz ramka 1).

Systemy do symulacji nie są narzędziami projektowymi w takim sensie jak oprogramowanie CAD (Computer Aided Design), ale są dodatkowo skojarzone są z matematycznym opisem i symulacją zachodzących procesów. Zaletą aplikacji tego typu jest pomoc w wizualizacji i analizie pracy urządzenia w komputerowo symulowanych warunkach zbliżonych do rzeczywistych. W ten sposób możliwe jest iteracyjne poprawianie projektu urządzenia bez tworzenia rzeczywistego prototypu.

Hardware in the Loop

Metoda symulacji HIL (ang. Hardware in the Loop) jest techniką wykorzystywaną coraz częściej w rozwijaniu i testowaniu złożonych systemów wbudowanych czasu rzeczywistego – szczególnie w przemyśle samochodowym i lotniczym. W tym celu tworzony jest interfejs składający się z rzeczywistych elementów, który stanowi połączenie pomiędzy platformą symulującą sterowane urządzenie, a platformą testującą algorytmy implementowane przez system wbudowany, taki jak np. sterowanie, identyfikacja, diagnostyka.

Sterowany procesu symulowany jest przez odpowiedniki matematyczne wszystkich jego elementów dynamicznych. Symulacja typu HIL zawiera elektroniczne odpowiedniki członów wykonawczych i czujników. Odpowiadają one za interfejs pomiędzy symulowanym procesem a systemem wbudowanym odpowiedzialnym za sterowanie. Zaletą stosowania symulacji typu HIL jest szybkość, z jaką mogą być projektowane, rozwijane i testowane aplikacje dla istniejących już układów, bez ponoszenia dodatkowych kosztów związanych z wykonaniem prototypów lub korzystaniem z gotowych, często bardzo kosztownych urządzeń.

Prototypowanie wirtualne

Istotą prototypowania witrualnego (Virtual Prototyping) jest umożliwienie interakcji pomiędzy projektowanym systemem sterowania a witrualnym prototypem urządzenia w postaci projektu typu CAD. W bardziej zaawansowanych projektach tworzone są interfejsy wirtualnej rzeczywistości, w których możliwa jest interakcja pomiędzy człowiekiem a symulowanym systemem.

Rys. 2. Schemat serwomechanizmu z regulacją od położenia

Poprzez symulację złożonych systemów można określić i zrozumieć ich zachowanie stosunkowo niskim kosztem. Pozwala to zredukować czasochłonne badania teoretyczne, uniknąć budowy prototypu urządzenia, którego działanie jest trudne do przewidzenia oraz związanych z tym złożonych i kosztownych testów.

Rys. 3. Blok regulatora PID

Programy do symulacji stanowią oprócz zastosowań inżynierskich także atrakcyjne narzędzie w edukacji. Nie bez przyczyny od dawna stanowią one narzędzie dydaktyczne w naukach inżynieryjnych takich jak automatyka przemysłowa, robotyka, przemysł samochodowy. Obecnie do grupy nauk wykorzystujących złożone modele wchodzą także badania w innych dziedzinach takich jak ekonomia, biologia lub medycyna.

Do najpopularniejszych aplikacji przeznaczonych do modelowania i symulacji układów dynamicznych należą znane wielu inżynierom środowiska takie jak Matlab-Simulink i Mathematica, których stosowanie wykracza daleko poza analizę układów automatyki. Koszt takich aplikacji jest jednak dosyć duży, co ogranicza ich zastosowanie w wielu firmach. Rozwijane są jednak ich odpowiedniki jak chociażby Scilab-Scicos, Octave, ModelQ, które należą do oprogramowania ogólnodostępnego i mogą stanowić przydatne narzędzie wspomagające badanie układów regulacji (patrz ramka 2).

Program ModelQ
Rys. 4. Blok konwertora

W artykule jako narzędzie do modelowania i symulacji układu sterowania serwomechanizmu będzie wykorzystane środowisko ModelQ firmy QXDesign. Cena pełnego programu wynosi 349 dolarów, ale na stronie producenta (http://www.qxdesign.com/VisualModelQ.htm) dostępna jest bezpłatna wersja demonstracyjna programu, która nie ma ograniczeń czasowych. Jedynym mankamentem jest uniemożliwienie zapisywania bardziej skomplikowanych modeli.

Zaletą wykorzystanego pakietu jest łatwość projektowania układów sterowania serwomechanizmów. Program w wersji demonstracyjnej nadaje się idealnie do celów edukacyjnych.

ModelQ jest narzędziem do symulacji, w którym szczególny nacisk położony został na łatwość projektowania układów sterowania serwomechanizmów. Jego budowa jest charakterystyczna dla różnych środowisk symulacyjnych w których projektant rysuje schemat blokowy symulowanego układu (Simulink, Scicos). Interfejs programu przedstawiono na rys. 1.

Podstawowe operacje, takie jak np. zapisywanie zaprojektowanego układu do pliku, odczyt z pliku, elementarne opcje kopiowania i wklejania elementów są zgrupowane w menu głównym (1) a najważniejsze opcje w zbiorze przycisków szybkiego dostępu (2). Symulowany układ rysowany jest na formularzu (workspace) (4) z wykorzystaniem standardowych elementów (blocks, components) i połączeń (wires). Są one zgrupowane na paletach (3).

Celem tworzenia modeli w postaci bloków i połączeń pomiędzy nimi jest skojarzenie symulowanego układu z rzeczywistym urządzeniem. Dodatkowo pozwala to zobrazować kierunek przesyłania sygnałów pomiędzy poszczególnymi elementami, co ułatwia i przyspiesza projektowanie.

Schemat serwomechanizmu

W dalszej części omówione zostanie modelowanie i symulacja układu regulacji położenia serwomechanizmu. Schemat serwomechanizmu został przedstawiony na rys. 2.

Różnica pomiędzy sygnałem zadanym qr, a sygnałem regulowanym q, który w tym wypadku reprezentuje położenie, podawana jest na wejście regulatora. Regulator o określonym przez projektanta algorytmie regulacji (np. P, PI, PID) generuje sygnał sterujący. Sygnał ten poprzez konwertor kieruje prawidłową pracą silnika, czyli śledzeniem zadanej wartości położenia.

Zbigniew Piątek - Beckhoff Automation

Jakie rozwiązania technologiczne stosowane są w oferowanych przez firmę serwonapędach? Czy wraz z urządzeniami oferowane jest oprogramowanie dedykowane?

Układy serwonapędów dostarczanych przez Beckhoff to rozwiązania modułowe, pozwalające dobrać konfigurację odpowiednią do danej aplikacji. Optymalizacja systemu jest możliwa zarówno jeśli chodzi o moc poszczególnych osi, jak również wykorzystanie odpowiedniego sprzężenia zwrotnego z silników serwo.

Fundamentalnym elementem w technologii sterowania ruchem jest dla nas system czasu rzeczywistego i oprogramowanie typu PC Based PLC/NC. Beckhoff przyjął też koncepcję integracji algorytmu sterowania napędami i innymi urządzeniami na bazie nadrzędnego sterownika i jednego środowiska programistycznego TwinCAT.

Oprogramowanie służy zarówno do parametryzacji serwonapędów, jak też realizacji wielozadaniowego układu sterowania. Wysoką funkcjonalność TwinCAT zawdzięcza dodatkowo dużej liczbie specjalizowanych bibliotek, takich jak edytor krzywek elektronicznych, osie FIFO, latająca piła (pływająca gilotyna) i szeregowi innych.

Jakie są nowości w zakresie układów z serwonapędami?

Przykładem z naszej oferty jest wykorzystanie Ethernetu czasu rzeczywistego jako wspólnej magistrali komunikacyjnej dla czujników, napędów i układów wejściowo-wyjściowych oraz przeniesienia części zadań z poziomu serwowzmacniacza na poziom jednostki sterującej CPU. Takie nowatorskie podejście eliminuje dotychczasowe „wąskie gardła” układów sterowania, pozwalając jednocześnie osiągnąć niespotykaną do tej pory szybkość reakcji układu. Uzyskać można bowiem możliwość realizację kompletnej pętli sterowania nawet dla 100 osi w czasie mniejszym niż 100µs !

Jak zmienia się w Pana ocenie rynek serwonapędów?

Klasyczne aplikacje, w których stosuje się serwonapędy to układy sterowania maszyn oraz linii technologicznych. Rynek ten rozwija się w ostatnich latach niezwykle intensywnie i można powiedzieć, że nadążamy w tym względzie za tendencjami ogólnoświatowymi. Jednocześnie wymagania stawiane układom wykonawczym i napędowym w tego typu systemach sprawiają, że zastosowanie typowych silników z przetwornicami częstotliwości traci moim zdaniem stopniowo rację bytu.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

2016-09-28   |
Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

Stałoprądowe zasilacze nowej serii EVS zostały zaprojektowane do zastosowań w systemach magazynowania energii i innych wymagających zasilania stałym prądem, np. oczyszczania wody czy powlekania galwanicznego. W zależności od wersji mogą być chłodzone przez naturalny obieg powietrza (wersje 300 W) lub za pomocą wbudowanego wentylatora (wersje 600 W).
czytaj więcej

Huby USB do zastosowań przemysłowych

2016-09-28   | Conrad Electronic Sp. z o.o.
Huby USB do zastosowań przemysłowych

Conrad Business Supplies wprowadził do oferty nowe huby (rozdzielacze) USB 2.0 marki renkforce. Urządzenia z czterema lub siedmioma portami są przeznaczone do zastosowań przemysłowych i innych, gdzie wymagana jest wysoka stabilność mechaniczna oraz bezpieczeństwo instalacji.
czytaj więcej

Nowy numer APA