Modelowanie i symulacja serwonapędów

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.

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.