Мехатронная колебательная система с компьютерным управлением

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет Факультет Технической Кибернетики Кафедра автоматики и вычислительной техники

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: Мехатронная колебательная система с компьютерным управлением.

Направление: 220 200 — Автоматизация и управление Специальность: 220 201 — Управление и информатика в технических системах Выполнил, студент гр.6081/2 Э. А. Сичевая Руководитель, доцент А. Г. Леонтьев Консультанты:

По экономике, к. э. н., доцент Л. И. Горчакова По безопасности жизнедеятельности В. П. Малышев По нормоконтролю С. А. Нестеров Санкт-Петербург 2009

Реферат

стр.____, рис. 39, табл.5, черт.2

ПРЯМОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, ДВУЗВЕННЫЙ МИНИРОБОТ, СИСТЕМА, СЕРВОПРИВОД, ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ, КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ТИПА «КАЧЕЛИ», ВСТРОЕННАЯ МОДЕЛЬ

Разработана система прямого компьютерного управления. Объектом управления является двузвенный мини-робот на качелях (колебательная система типа «качели»). В качестве исполнительного механизма используется сервопривод фирмы Hitec HS-85BB+. Обратная связь с объектом управления организована через встроенную программную модель.

• Реферат
• Введение
• 1. Слабоуправляемые мехатронные колебательные системы
• 1.1 Понятие о слабоуправляемой динамической системе
• 1.2 Мехатронные колебательные системы
• 1.3 Постановка задачи
• 2. Разработка структуры мехатронной колебательной системы и ее аппаратного обеспечения
• 2.1 Структура и функциональная схема системы (компьютерное прямое управление через LPT порт)
• 2.2 Разработка принципиальных схем объекта управления
• 3. Математическая модель системы
• 3.1 Модель объекта управления в пакете MatLab
• 3.2 Модель системы управления с обратной связью
• 3.3 Особенности дискретной модели объекта управления
• 4. Разработка алгоритмов и программ прямого компьютерного управления электромеханическим объектом
• 4.1 Состав ПО
• 4.2 Структура ПО
• 4.3 Алгоритмы и программы прямого компьютерного управления
• 4.4 Экспериментальные исследования системы
• 5. Экономическое обоснование проекта
• 5.1 Назначение разработанной системы
• 5.2 Исходные данные
• 5.3 Расчёт затрат
• 5.4 Перспективы использования разработки
• 6. Охрана труда и техника безопасности
• 6.1 Введение
• 6.2 Основные вредные и опасные факторы при работе с компьютером и способы борьбы с ними
• 6.3 Расчет освещенности рабочих мест
• 6.4 Требования к параметрам дисплея
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение 1. Техническое задание
• Приложение 2. Описание программы
• Приложение 3. Текст программы
• Приложение 4. Программа и методика испытаний
• Приложение 5. Текст программы тестовой модели
• Приложение 6. Текст программы программного управления сервоприводом

Большинство существующих систем управления предполагает использование обратной связи для получения информации о текущем состоянии объекта, в соответствии с которой формируется сигнал управления. Однако в некоторых случаях снятие информации о положении объекта бывает затруднено. Сложности могут быть связаны с труднодоступностью объекта управления или с необходимостью дополнительных затрат на электронное согласование непосредственно системы управления и объекта управления. Такая задача становится актуальной при рассмотрении компьютерного управления.

Однако в случае сложных объектов программное управление неприемлемо. Здесь на помощь может прийти моделирование объекта. В частности, использование модели объекта для организации обратной связи.

1. Слабоуправляемые мехатронные колебательные системы

1.1 Понятие о слабоуправляемой динамической системе

Управляемость — одно из важнейших свойств системы управления, описывающее возможность перевода системы из одного состояния в другое. Наряду с наблюдаемостью, наличие этого свойства у объектов управления позволяет рассчитывать оптимальное управление с помощью простых математических операций.

Состояние линейной системы управляемо, если существует такой вход, который переводил бы начальное состояние в конечное состояние (начало координат) за конечный интервал времени. Для линейных систем существует критерий управляемости в пространстве состояний.

Пусть существует система порядка n с n компонентами вектора состояния), p входами и q выходами, записанная в виде:

Где

Здесь x — «вектор состояния», y — «вектор выхода», u — «вектор входа», A — «матрица системы», B — «матрица входа», C — «матрица управления», D — «сквозная матрица» .

Для неё можно составить матрицу управляемости:

Согласно критерию управляемости если ранг матрицы управляемости равен, система является полностью управляемой.

В случае представления объекта управления моделью типа «вход — выход» условием его управляемости является отсутствие общих корней полиномов, А (s) и B (s), то есть система управляема, если и только если алгебраические уравнения

не имеют общих корней.

Данное условие может быть проверено как непосредственным вычислением корней полиномов, так и косвенным путем.

Многочлены A (s) и B (s) передаточной функции H (s) =B (s) /A (s) имеют, по крайней мере, один общий корень, если их результант, то есть определитель порядка (m+n), det ® =0, где матрица

Таким образом, система, описываемая передаточной функцией H (s) считается управляемой, если ее результант отличен от нуля. Результант имеет порядок m+n, где m — порядок числителя, n — порядок знаменателя.

Результант формируется следующим образом:

а) первые m строк результанта — коэффициенты полинома знаменателя ak (k=0,1,., n). При этом коэффициенты rii=a0 (i=1,2., m); вправо от а0 по строке записываются коэффициенты в строке — нулевые. Общее число коэффициентов в строке — (n+m).

б) следующие n строк результанта формируются аналогично с использованием коэффициентов полинома числителя bk (k=0,1,., m).

Для дискретных систем, представленных в виде векторно-матричной модели, справедливо иное соотношение.

(1.1.)

Состояние системы (1.1.) управляемо, если и только если ранг матрицы |Ф^-nГ Ф^-n+1Г Ф^-1Г| равен размерности пространства состояний n.

В том случае, если условие управляемости не выполняется, система является слабоуправляемой, или неуправляемой и точное решение задачи оптимального управления не представляется возможным. Для решения таких задач могут применяться приближенные методы [7], однако в общем случае унифицированного подхода не существует.

Другими словами, в слабоуправляемых системах обычно количество управляемых координат меньше количества степеней свободы. У них явно выражено собственное движение. Большинство колебательных систем — слабоуправляемые.

колебательная система компьютерное управление

1.2 Мехатронные колебательные системы

В простейшем виде мехатронную колебательную систему можно представить как управляемый математический маятник переменной длины, где управление колебаниями осуществляется изменением длины маятника путем перемещения точечной массы по невесомому стержню.

Кинематическая схема маятника и структура системы управления в общем виде показаны на рис. 1.1 а, б соответственно.

а) б)

Рис. 1.1. Кинематическая схема (а) и структура (б) системы

Рассмотрим возможные подходы к синтезу задатчика движения, обеспечивающего колебания маятника с определенной амплитудой. Колебательные движения маятника описываются следующим дифференциальным уравнением 2-го порядка:

(1.2.)

где:

— обобщенная сила (момент) инерции,

— кориолисова сила,

— момент, создаваемый весом,

— трение.

Раскачивание происходит за счет кориолисовой силы:

которой можно управлять, перемещая массу по координате согласованно с изменением угла .

При малых и средних колебаниях, когда и при отсутствии трения () получим уравнение движения в упрощенном виде:

(1.3.)

Рассмотрим два способа синтеза задатчика с обратной связью для рассматриваемой колебательной мехатронной системы: синергетический и логический.

Потребуем, чтобы «качели» раскачивались так же, как происходят колебания в генераторе Ван-Дер-Поля, описываемом нелинейным дифференциальным уравнением следующего вида (применительно к нашему случаю):

(1.4.)

кстати, очень похожим на уравнение качелей (1.3.).

Фазовый портрет генератора Ван-Дер-Поля показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Фазовый портрет генератора Ван-Дер-Поля

Как видно из рис. 1.2., система имеет установившийся цикл — аттрактор, форма и величина которого зависит от параметров и .

Исходя из синергетического принципа управления будем строить задатчик так, чтобы изображающая точка «качелей» в фазовом пространстве стремилась к аттрактору, задаваемому генератором Ван-Дер-Поля. Для этого необходимо, чтобы ускорение, задаваемое уравнением (1.4.):

равнялось фактическому ускорению системы, получаемому из уравнения (1.2.):

Приравняв эти уравнения друг другу, получим требуемое управление :

(1.5.)

Структура системы с задатчиком, реализующим зависимость (1.5.), показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура синергетической системы управления

Задатчик позволяет регулировать амплитуду и форму (манеру) колебаний изменением параметров соответственно и .

Применение концепции обратных задач динамики позволяет создать несколько иную структуру системы управления, в которой равенство задающего ускорения и фактического ускорения обеспечивается за счет введения обратной связи по ускорению. Структура такой системы показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Структура мехатронного генератора с параметрическим возбуждением типа «качелей», построенного согласно концепции обратных задач динамики (ОЗД)

Другой способ формирования управляющего воздействия — логический.

Рассмотрим временную диаграмму «идеального» раскачивания «качелей» при помощи перемещения массы с постоянным ускорением, изменяющимся по закону, как показано на рис. 1.5.

На основе временной диаграммы может быть получена логическая функция, связывающая знаки угловой скорости и угла со знаком ускорения (см. табл.1.1.).

Рис. 1. 5. Временная диаграмма возбуждения качелей

Таблица 1.1.

Связь знака угловой скорости щ и угла ц со знаком ускорения sign x''.

Из этой таблицы видно, что логический генератор колебаний должен реализовывать функцию неравнозначности (сумма по модулю 2), т. е.:

Тогда задатчик колебаний можно представить в виде двух функциональных узлов: логического задатчика знака ускорения и регулятора амплитуды колебаний. Схема такой системы показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Система управления колебаниями с логическим задатчиком Рассмотрим другой характерный пример мехатронной колебательной системы — двузвенный активный маятник типа «гимнаст на турнике» .

Кинематическая схема управляемого активного двузвенного маятника и структурная схема системы управления им показаны на рис. 1.7 а и б соответственно.

а) б)

Рис. 1. 7. Кинематическая схема активного двузвенного маятника (а) Целью управления является возбуждение колебаний путем управления углом между звеньями, связывающим независимые координаты — углы отклонения звеньев от вертикали.

По аналогии с выводом уравнения динамики пассивного двузвенного маятника, сделанном в (1.2.), можно сформулировать уравнения динамики активного маятника:

(1.6. a)

(1.6., б) которые описывают движение верхнего (1-го) звена (1.6., а) и нижнего (2-го) звена (1.6., б) математического двузвенного маятника под действием электромагнитного момента М_Э, создаваемого двигателем, установленным между звеньями.

Введем следующие упрощения:

1) l₁ = l₂ = l, m₁ = m₂ = m - симметрия,

2) с = 0 — отсутствие трения,

3) — малое, тогда sin б = б, cos б = 1 — мягкое раскачивание.

Сведем оба уравнения к одному, исключив M_Э:

Учитывая, что б = ц₂ - ц₁, т. е. ц₂ = б + ц₁, исключим из этого уравнения ц₂. Получим:

(1.7.)

Заданное движение определяется уравнением Ван-Дер-Поля, которое можно представить в следующем виде:

где — задаваемое ускорение, ц₀ — амплитуда колебаний, а е — интенсивность раскачивания (манера колебаний).

Подставив в уравнение процесса (1.7.), получим в явном виде требуемое управление при управлении по ускорению:

где:

Структура системы управления показана на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Система управления двузвенным активным маятником Исходя из концепции ОЗД, попробуем упростить систему, вводя обратную связь по ускорению. При этом получим структуру, показанную на рис. 1.9, где функция также получается из уравнения Ван-Дер-Поля:

Рис. 1.9. Система управления двузвенным активным маятником Аналогичным образом может быть решена задача стабилизации маятника в верхнем неустойчивом положении (стойка гимнаста на руках). Видимо, здесь возможно только динамическое равновесие, заключающееся в стабилизации малых колебаний около точки равновесия ц₁ = р, что может быть достигнуто (видимо) соответствующим выбором значений ц₀ и е.

Есть идея осуществить декомпозицию синергетического задатчика колебаний (рис. 1.8.) и представить его как управляемый терминальный задатчик угла б. Тогда система будет иметь следующий вид (рис. 1.10.):

Рис. 1.10. Система управления двузвенным активным маятником Терминальный задатчик реализует достижение очередной локальной цели — перемещение звена на заданный угол б_i за заданное время T_i. В простейшем случае это может быть сделано движением с постоянным ускорением б_i''=const. Задатчик локальных целей может быть нечетким. Его задача — вырабатывать локальные цели в зависимости от сложившейся ситуации по достижении предыдущей цели. О достижении предыдущей цели информирует дискриминатор состояния.

1.3 Постановка задачи

В данной работе решается задача создания системы управления слабоуправляемым объектом. Объектом управления является двузвенный мини-робот, представляющий из себя мехатронную колебательную систему типа «качели» .

Особенностью разрабатываемой системы управления является организация обратной связи с использованием не непосредственно объекта управления, а его модели — с другой. Идея использования обратной связи через модель обусловлена использованием персональной ЭВМ для формирования управляющего воздействия, то есть прямое компьютерное управление. В этом случае осложнено получение информации о текущем положении объекта, поскольку это требует дополнительных преобразований уровня. Таким образом, управляющий сигнал подается непосредственно с порта ввода-вывода управляющей ЭВМ (для этого удобнее всего использовать LPT порт).

Исходя из специфики задачи, управляющая ЭВМ должна поддерживать процессы реального времени.

Прежде чем приступить к разработке системы, необходимо произвести ее моделирование.

В качестве исполнительного механизма будет использован сервопривод фирмы Hitec HS-85BB+.

2. Разработка структуры мехатронной колебательной системы и ее аппаратного обеспечения

2.1 Структура и функциональная схема системы (компьютерное прямое управление через LPT порт)

Структурная схема разрабатываемой системы управления представлена на рис. 2.1 и 2.2 На рисунке представлен возможные варианты связи системы управления, реализованной на персональной ЭВМ, и объекта управления, представляющего собой колебательную систему типа «качели». Мы будем использовать первый вариант, как единственный физически реализуемый в наших условиях.

Рис. 2.1. Связь объекта управления с управляющей ЭВМ (первый вариант)

Рис. 2.2. Связь объекта управления с управляющей ЭВМ (второй вариант)

Как уже отмечалось, основная идея проекта заключается в прямом компьютерном управлении объектом. Управление осуществляется через параллельный порт (что позволяет не производить дополнительных преобразований уровней и подавать управляющий сигнал непосредственно на исполнительный механизм). При этом обратной связи с реальным объектом нет, регулирование производится с использованием внутренней модели.

Функционально систему управления может быть разделена на три части (рис. 2.3.): собственно формирователь управляющего сигнала (на рис. обозначено как «Система управления»), программная модель объекта управления (на рис. обозначена как «Модель ОУ») и преобразователь, функции которого будут описаны ниже. управляющего сигнала (на рис. разделена на три части: на персональной ЭВМ, и объекта управления, представляющего собой

Рис. 2.3. Структурная схема системы управления

В соответствии с математическим представлением объекта управления, приведенной в главе 1, его можно представить в виде блока, на вход которого подается управляющее воздействии x и x', фактически являющееся положением подвеса маятника, а на выходе получается угол поворота маятника ц и ц' (рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Модель объекта управления

В свою очередь система управления формирует управляющий сигнал в виде положения подвеса маятника относительно опоры. Однако в нашем случае мы управляем этим положением не напрямую, а посредством угла поворота цупр. исполнительного механизма — сервопривода. Поэтому необходимо выполнять преобразование управляющего воздействия.

Рис. 2.5. Геометрическая модель объекта управления

В соответствии с рис. 2.5 угол поворота сервопривода и положение подвеса связаны следующей формулой:

(2.1.)

Это преобразование производится в вышеобозначенном «преобразователе». Так же преобразователь производит формирование управляющего ШИМ сигнала и передачу его на LPT-порт, к которому подключен сервопривод.

2.2 Разработка принципиальных схем объекта управления

Как было отмечено при постановке задачи, управление исполнительным механизмом (сервоприводом Hitec HS-85BB+) будет осуществляться через параллельный (LPT) порт.

Выходной уровень выводов порта является TTL уровнем с уровнем высокого напряжения от 2,4 до 5 В, и уровнем низкого напряжения от 0 до 0,8 В. LPT-порт имеет 8 data-выводов, 8 управляющих выводов и 9 выводов (см. рис. 2.6), подтянутых к нулевому уровню. Будем рассматривать только data-выводы. Управляющие выходы имеют некоторые отличия, однако для наших целей 8 data-выводов (на рис. обозначены как D0-D7) достаточно.

Рис. 2.6 Назначение выводов lpt-порта

В таблице 2.1 приведены электронные характеристики выводов параллельного порта.

Таблица 2.1.

Электронные характеристики выводов параллельного порта

Исходя из характеристик порта, минимальный период, с которым мы можем изменять значение выхода, равен:

мкс.

Сервопривод Hitec HS-85BB+ хорош тем, что в него встроена следящая система отработки заданного угла поворота, что позволяет не использовать внешние датчики поворота и обратные связи для стабилизации заданного угла, что немаловажно для п0остроения заявленной выше системы управления. В таблице 2.2 приведены технические характеристики этого привода.

Таблица 2.2.

Технические характеристики сервопривода Hitec HS-85BB+

На рис. 2.7 представлен внешний вид привода (габаритные характеристики приведены в мм).

Рис. 2.7. Внешний вид сервоприводов Hitec HS-85BB+

Подключение сервопривода производится 3х-проводной шиной, включающей силовое напряжение питания, общий провод и сигнал управления. Сигнал управления предполагается подавать с параллельного порта, выходное напряжение LPT выводов позволяет делать это без дополнительных преобразований уровня.

Для управления сервоприводом используется ШИМ-кодированный сигнал, скважность которого определяет заданный угол поворота. Временные характеристики сигнала управления показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Временная диаграмма управляющего сигнала Как показано на рисунке, управляющий сигнал должен иметь частоту 50Гц, что достижимо при быстродействии параллельного порта.

Минимальный период импульса 0,9 мс, максимальный — 1,5 мс. В этом промежутке кодируется абсолютное значение угла от 0° до 180° (в абсолютных величинах).

Электрическая схема подключения объекта управления представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Электрическая схема подключения сервопривода

3. Математическая модель системы

3.1 Модель объекта управления в пакете MatLab

Смоделируем объект управления с системе MatLab (используется набор инструментов Simulink). Модель объекта представлена на рис. 3.1.

Произведем моделирования объекта в идеальных условиях (без учета трения). Результаты моделирования — на рис. 3.2.

Рис. 3.1. Модель объекта управления в пакете MatLab

Рис. 3.2. Результаты моделирования в отсутствии трения

Имеем незатухающие колебания с амплитудой, равной начальному значению — что свидетельствует о корректности построенной модели.

Теперь произведем моделирование объекта с учетом трения. Коэффициент трения возьмем равный 0.15. Результаты моделирования в этом случае представлены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Результаты моделирования при коэффициенте трения равном 0,15

В этом случае колебания, как и ожидалось, затухают. Необходимо подавать управляющее воздействие в соответствии с некоторым законом управления.

3.2 Модель системы управления с обратной связью

Рассмотрим два способа синтеза задатчика с обратной связью для рассматриваемой колебательной мехатронной системы: синергетический и логический.

Синергетический задатчик колебаний

Структура такой системы показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Структура мехатронного генератора с параметрическим возбуждением типа «качели»

Произведем моделирование системы в среде MatLab. Структура системы в наборе инструментов Симулинк представлена на рис. 3.5 Результаты моделирования — на рис. 3.6.

Рис. 3.5. Структура системы с синергетическом задатчиком.

Рис. 3.6. Результаты моделирования

Имеем незатухающие негармонические колебания. Вид колебаний зависит от задаваемых параметров генератора Ван-Дер-Поля е и А₀.

Логическое управление колебаниями

Произведем моделирование логического задатчика управляющего воздействия в среде MatLab. Структура системы и результаты моделирования представлены на рис. 3.7 и 3.8 соответственно.

Как видно из рисунков, колебания системы близки к гармоническим, что является более предпочтительным при выборе алгоритма управления. Так же в этом случае более проста процедура задания амплитуды колебаний по сравнению с синергетическим задатчиком. Поэтому систему управления будет конструировать исходя из логического алгоритма функционирования задатчика.

Рис. 3.12. Структура системы с логическим упралвением

Рис. 3.13. Результаты моделирования

3.3 Особенности дискретной модели объекта управления

Для реализации программной модели объекта управления необходимо численно решить уравнение его математической модели. Использование специализированных библиотек осложняется нелинейностью уравнения, поэтому была получена итерационная формула исходя из методов численного интегрирования и дифференцирования.

В качестве метода интегрирования был выбран метод трапеций, дающий более точный результат, чем метод треугольников, но не требующий дополнительных начальных условий, как методы более высокого порядка. Получили следующие формулы для итерационного вычисления:

.

Было произведено моделирование объекта управления с целью уточнения параметров моделирования. Текст программы, использовавшейся для моделирования, приведен в приложении 6. Параметр модели, требующий настройки — это период дискретизации или шаг интегрирования. Ниже приведены результаты моделирования.

Моделирование производилось для системы без трения, в этом случае возможно оценить качество — как разницу между фактической амплитудой колебаний и заданным начальным состоянием системы.

На рис. 3.7 — 3.10. приведены графики полученных колебательных процессов для разных значений шага интегрирования. Минимальный шаг интегрирования, который следует установить, равен 0,02 — это период, с которым необходимо выдавать управляющий сигнал для сервопривода. Будем уменьшать период квантования на порядок до тех пор, пока не достигнем желаемого качества переходного процесса.

Рис. 3.7 Колебательный процесс при h = 0.02

Рис. 3.8. Колебательный процесс при h=0.002

Рис. 3.9. Колебательный процесс при h=0.0002

Рис. 3.10. Вид колебательного процесса при h = 0.2

Как видно из диаграмм, при шаге интегрирования меньше 0.0002 колебательный процесс имеет неустойчивый характер. Таким образом, будем выбирать шаг меньше или равный 0.0002. Оценим максимальную относительную погрешность вычисления. Для шага 0.0002 она равна 0.15 и для шага 0.2 она равна 0.05.15% - погрешность, неприемлемая при построении систем управления — следовательно, принимаем шаг интегрирования равным 0.2.

4. Разработка алгоритмов и программ прямого компьютерного управления электромеханическим объектом

4.1 Состав ПО

Как уже было представлено на рис. 2.3., систему управления можно представить в виде трех взаимодействующих блоков. Соответственное деление на блоки так же прослеживается и в программном обеспечении. То есть управляющая система реализуется в виде трех модулей: модуль, производящий расчет управляющего сигнала, виртуальная модель объекта управления, включающая визуальное представление виртуальном модели и драйвер, производящий преобразование задающего воздействия (формируемого в виде угла поворота двигателя) в ШИМ сигнал, передаваемый на объект управления.

Поскольку программное обеспечение призвано производить управление объектов в реальном масштабе времени, необходимо, чтобы управляющая ЭВМ работала под управлением системы реального времени. Операционной системой реального времени (ОСРВ, Real Time Operating System — RTOS) называется программная среда, которая обеспечивает поддержку выполнения прикладных программ, выступая, таким образом, в качестве своеобразного интерфейса между программным обеспечением и аппаратными средствами. ОСРВ предоставляет прикладным программам необходимый набор стандартных сервисов (интерфейсов, функций), позволяющий программам наиболее простым способом взаимодействовать друг с другом и с аппаратурой. Благодаря тому что часто используемые функции реализуются с помощью ОСРВ, программы становятся менее объемными и сложными, а сам процесс программирования — менее трудоемким. От обычных операционных систем операционные системы реального времени отличаются тем, что обеспечивают поддержку выполнения задач, в которых большую роль играет соблюдение заданного времени реакции на то или иное внешнее событие.

В настоящее время существует широкий спектр операционных систем, поддерживающих выполнение процессов в реальном времени. В основном это специализированные ОС, представляющие минимальный набор сервисов, предназначенные для встраиваемых приложений. Из «пользовательских» систем, поддерживающих реальное время с одной стороны — и более-менее полноценный пользовательских интерфейс с другой, предполагающих установку на персональную ЭВМ, можно отметить QNX, DOS и Linux. QNX предоставляет возможность полноценной работы с реальным временем — однако эта операционная система предполагает коммерческое использование. DOS — операционная система, в которой реальное время может быть реализовано за счет однозадачности и таймеров — однако с этой точки зрения она видится неудовлетворительной для пользователя. Linux — открытая свободно распространяемая операционная система, начиная с версии ядра 2.6 предоставляет возможность организации реального времени.

Для запуска процесса в реальном времени необходимо произвести следующие операции:

1) установить интервал системного квантования времени (time slice) равным 1 мс (в этом случае мы будем иметь возможность отмерять интервал времени от 0,9 до 2,1 мс с периодом в 20 мс, необходимый для управления сервоприводом).

2) выставить управляющему процессу приоритет реального времени. В этом случае конкуренция за процессорное время будет производиться только среди процессов реального времени, готовых к исполнению. И только в случае отсутствия таковых, на выполнение будут отправляться обычные процессы.

4.2 Структура ПО

Структура ПО представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Структура ПО

Подсистема формирования управляющего воздействия, математическая модель объекта управления и драйвер сервопривода реализуются с использованием языка С и встроенного компилятора Linux GCC. Графическое представление модели реализуется с использованием Open GL библиотеки GLUT. Отметим, что графическая оболочка не требует приоритета реального времени, в реальном времени работают только модель объекта, формирователь управляющего воздействия и драйвер.

4.3 Алгоритмы и программы прямого компьютерного управления

Компьютерное управление может осуществляться тремя способами:

программное управление

управление с использование модели в реальном времени

управление с превентивным моделированием.

Программное управление предполагает априорную разработку последовательности управляющих сигналов, и в общем случае не применимо для сложных динамических объектов.

Управление с использованием модели в реальном времени позволяет избежать дополнительных затрат на организацию обратной связи с объекта управления, одновременно позволяя имитировать ее наличие для формирователя управляющего воздействия.

Управление с превентивным моделированием включает в себя элементы первых двух типов: оно предполагает организацию программного управления с использованием данных, полученных при помощи внешней модели. Эти данные могут быть получены либо с использованием пакета MatLab, либо любого другого пакета, позволяющего производить построение и исследование моделей объектов.

Как уже отмечалось при постановке задачи, в нашем случае используется второй вариант, то есть управление с использованием модели в реальном времени.

Учитывая специфику исполнительного механизма, управляющий сигнал необходимо формировать каждые 20 мс — период управляющего ШИМ-сигнала для используемого сервопривода. Соответственно, вычислять положение модели необходимо так же каждый 20 мс.

На рис. 4.2 представлен алгоритм выработки управляющего воздействия. Значение управляющего сигнала вычисляется в соответствии с логическим вариантом управления, представленном в разделе 1.2 Алгоритм формирования управляющего воздействия представлен на рис. 4.3.

Рис. 4.2. Схема алгоритма выработки управляющего воздействия

Рис. 4.3. Схема алгоритма вычисления величины управляющего сигнала

В каждом 20-миллисекундном интервале вычисления управляющего воздействия производиться вычисление текущего положения модели. Алгоритм вычисления текущего положения модели приведен на рис. 4.3 Шаг интегрирования h задается в конфигурационном файле программы.

Рис. 4.4. Схема алгоритма вычисления текущего положения модели

4.4 Экспериментальные исследования системы

В первую очередь необходимо было убедиться, что существует возможность управления сервоприводом под операционной системой Linux. Для этого был проведен эксперимент, целью которого было продемонстрировать корректное движение сервопривода при подаче сигнала управления с LPT-порта. Схема эксперимента представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема эксперимента

В соответствии с принятым алгоритмом управления (см. рис. 1.5), расстояние от центра масс «человека на качелях» до подвеса должно меняться с частотой, в два раза превышающей частоту собственных колебаний маятника. Для упрощения наблюдений примем пилообразный сигнал управления (см. рис. 4.6).

Рис. 4.6. График формирования управляющего воздействия

Для осуществления эксперимента был принят вариант программного управления по таблице, содержащей заранее посчитанные значения угла поворота сервопривода в соответствии с исходными данными о системе.

В листинге 4.1 представлен текст программы для реализации испытания.

Листинг 4.1 L

/************************************************************************

*porttest. c: содержит тестовую программу для исследования возможности

*управления сервоприводом с параллельного порта компьютера с

*использованием средств операционной системы Linux

*

*Автор: Сичевая Э. А.

*

***********************************************************************/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define LPT_BASE 0×378

#define ARRAYSZ 40

#define EXEC_TIME 3000;

/* таблица значений угла поворота сервопривода */

char angle_var = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20, 19,18,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1};

int main ()

{

int index, exec_cycles;

int i, n;

char inc = 0;

struct timespec TimeSpec;

struct sched_param SchedParam;

struct timespec ttt, ret;

/*обнуляем значения структур*/

memset (&SchedParam, 0, sizeof (struct sched_param));

memset (&TimeSpec, 0, sizeof (struct timespec));

memset (&ttt, 0, sizeof (struct timespec));

memset (&ret, 0, sizeof (struct timespec));

SchedParam. sched_priority = 2;

printf («start»);

/*выставляем дисциплину управления*/

if (sched_setscheduler (0, SCHED_FIFO, &SchedParam))

{

printf («Error while setting scheduler parameters, exiting. n»);

return — 1;

}

/*получаем привелегии для доступа к устройствам ввода-вывода*/

if (ioperm (LPT_BASE, 1, 1))

{

printf («Error while obtaining IO permissions, exiting. n»);

return — 1;

}

/*инициализируем переменные перед стартом управления*/

exec_cycles = EXEC_TIME;

n = 0;

index = 0;

ttt. tv_sec = 0;

ttt. tv_nsec = 15 000 000;

TimeSpec. tv_sec = 0;

TimeSpec. tv_nsec = 15 000;

while (exec_cycles—)

{

/*выводим 1 в 1 дата-вывод LPT-порта*/

outb (0×01, LPT_BASE);

/*ждем до окончания импульса в зависимости от выводимого угла (по таблице angle_var) */

for (i = 0; i < (angle_var [index] + 100); i++)

{

nanosleep (&TimeSpec, &ret);

}

outb (0×00, LPT_BASE);

if (! (exec_cycles % 2))

index = (index + 1) %40;

/*засыпаем на 15 мс*/

nanosleep (&ttt, NULL);

}

printf («exit»);

return 0;

}

Испытания показали, что при соблюдении заявленных производителем сервопривода временных характеристик сигнала управления, а так же при выполнении процесса задатчика с приоритетом реального времени, сервопривод успешно отрабатывает заданный угол.

Следующим шагом исследования была тестовая разработка программы управления, формирующей управляющий сигнал в соответствии с информацией о положении модели (см. раздел 3.3). Текст программы приведен в приложении 5. В целях упрощения процедуры анализа полученных данных разработка производилась в пакете Visual Studio (Visual C++).

Данная программа производит вычисление управляющего сигнала и выводит последовательность в файл. Шаг интегрирования в вычислениях выбирается таким же, как и для программной модели и задается в конфигурационном файле test_zadatchik. ini, который считывается при загрузке программы.

5. Экономическое обоснование проекта

5.1 Назначение разработанной системы

В дипломном проекте микропроцессорная система реализована на базе сервопривода Hitec HS-85BB+. Данная система предназначена в первую очередь для обучения студентов основам организации прямого компьютерного управления, в дальнейшем рассматривается возможность изготовления программируемых игрушек на основе данной системы. Однако на данном этапе система изготавливается в единственном экземпляре и устанавливается в лаборатории «Электромеханические системы» в 9 корпусе.

Таким образом, с точки зрения экономического обоснования, данный проект требует расчета стоимости выполнения.

5.2 Исходные данные

Для оценки стоимости проекта необходимо выполнить расчет следующих показателей: прямой производственной зарплаты, затрат на материалы, комплектующие, энергию и составить смету общих затрат. Исходные данные для расчетов представлены в таблицах 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1.

Исходные данные для расчета прямой производственной зарплаты.

Таблица 5.2.

Исходные данные для расчета затрат на материалы, комплектующие, энергию.

5.3 Расчёт затрат

Затраты вычисляются по формуле

з = к + и,

где К — единовременные затраты заказчика; И — текущие издержки заказчика.

К = К_АЛ + К_ОТЛ + К _РЕШ,

где К_АЛ — затраты на создание алгоритма (и программы и т. д.);

К_ОТЛ — затраты на отладку (программы, методики);

К_РЕШ — затраты на решение (на исследование).

Эти три составляющие включают оплату труда разработчика. Для организаций бюджетной сферы расчеты заработной платы работников основываются на МРОТ (см. табл.5.1.) и тарифных коэффициентах, устанавливаемых законодательно:

ЗП = МРОТ ^* R ^* (T/T_{эф. разр)}, (5.1.)

где ЗП — зарплата работника; R - тарифный коэффициент разработчика (табл.5.1.); Т — время, затраченное на разработку; T_{эф. разр -} месячный объем рабочего времени разработчика.

Рассчитаем заработную плату для каждой из стадий разработки.

ЗП_ал = 1100*2,02* (100/168) = 1350 руб

ЗП_реш = 1100*2,02* (100/168) = 1350 руб

ЗП_отл = 1100*2,02* (200/168) = 2700 руб

Таким образом,

К_ал = ЗП_ал (1 + К_доп) (1 + К_отч),

где ЗП_ал — заработная плата разработчика алгоритма (программы и т. д.); К_доп — коэффициент дополнительной заработной платы (устанавливается руководством организации — в нашем случае он равен 0); К_отч — коэффициент, учитывающий отчисление на социальное обеспечение (устанавливается правительственными органами).

К_ал = 1350* (1 + 0,265) = 1700 руб.

Коэффициент отладки и амортизация:

К_отл = ЗП_отл + А_отл+ С_отл + З_{м. э}

А_отл = (Ц_эвм /Т_сл ^· Т_эф) ^· Т_отл

где Т_эф — эффективный фонд времени используемого оборудования или ЭВМ в году;

Т_сл - срок службы ЭВМ;

Т_отл — длительность отладки, ч;

Ц_эвм — балансовая стоимость ЭВМ, руб.;

З_{м. э} — затраты на материалы, эл/эн и другие (в нашем случае не поддаются оценке).

А_отл = (8000/ (5 * 2000)) *100 = 80 руб

К_отл = 2700 + 80 = 2780 руб

К_реш = ЗП_реш + (Ц_эвм/ (Т_сл ^· Т_эф)) Т_реш,

где Т_рЕШ — время решения задачи.

К_реш = 1350 + (8000/10 000) *100 = 1430 руб.

Итого единовременные затраты заказчика составят:

К = 1700 + 2780 + 1430 = 5910 руб.

И = И₃ + С_м + И_э + С_лаб+ И_н

где И₃ — прямая зарплата;

И_м — материальные издержки;

И_э — расходы на электроэнергию;

С_лаб — экспериментальные расходы;

И_н — накладные расходы (как правило, более 60% от И₃).

Прямая зарплата вычисляется по общей формуле для вычисления заработной платы (5.1.). При этом учитывается время разработчика, затраченное на сборку изделия.

И_З = 1100*2,02* (10/168) = 140 руб.

Стоимость материалов определяется как:

где С_{тр -} транспортно-заготовительные расходы,

С_{матi -} оптовая цена единицы 1-го материала,

Q_{мi -} норма расхода 1-го материала.

руб.

Стоимость покупных изделий определяется как:

Где С_тр-транспортно-заготовительные расходы

С_{ПИ I}-оптовая цена единицы i-ого изделия

Q_{ПИ I}-норма расхода i-го изделия

руб.

И_м. = С_мат + С_пи = 90 + 1120 = 1210 руб.

Расходы на электроэнергию:

И_Э = P*t*Ц_кВт = 1*400*1,44 = 576 руб.

Экспериментально-производственные расходы Слаб — это расходы на обслуживание приборов, рассчитываемые по следующей формуле:

где К — коэффициент использования приборов = 0,5;

t — время на выполнение работы = 2 месяца;

Получаем:

И_лаб = 0,5*2*150 =150 руб.

Смета затрат на лабораторную установку приведена в таблице 5.3

Таблица 5.3.

Смета затрат на разработку лабораторной установки

Расчётная себестоимость системы составляет 10 060 руб.

5.4 Перспективы использования разработки

Как уже отмечалось выше, данная система изготавливается в единичном экземпляре для использования в качестве лабораторного стенда и не подлежит продаже, поэтому расчет экономической эффективности и договорной цены продукта произведен не был.

В дальнейшем эта система может быть использована как основа для производства управляемых детских игрушек-роботов.

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Введение

В данном проекте рассматривается компьютерная электромеханотронная система управления. Использоваться система будет в лабораторном помещении кафедры. Для безопасной и безвредной работы человека с данной системой в данном разделе рассмотрены вопросы безопасности человека при работе с компьютером, а так же произведен расчет нормы освещенности рабочих мест лаборатории. Для обеспечения нормальной работы с компьютером необходимо, чтобы были созданы условия работы, которые обеспечивали бы как комфортность, так и безопасность труда.

6.2 Основные вредные и опасные факторы при работе с компьютером и способы борьбы с ними

Работа с компьютером связана прежде всего с восприятием изображения на экране и с одновременным различением текста рукописных или печатных материалов, с выполнением машинописных графических работ и других операций, что способствует зрительному утомлению, которое усиливается из-за бликов, мерцаний и других отклонений визуальных параметров экрана и световой среды помещения.

Эта работа характеризуется повышенным уровнем эмоционального напряжения, что связано с высокой концентрацией внимания, с определенным визуальным дискомфортом, с ответственностью за качество выполняемого задания. Кроме того, длительная работа в неизменной статической позе приводит к перенапряжению различных групп мышц, а однотипные движения на клавиатуре развивают воспалительные процессы в суставах и мышцах рук.

Таким образом, к основным вредным и опасным факторам при работе с компьютером можно отнести:

· Повышенное зрительное напряжение

· Нервное напряжение

· Костно-мышечное напряжение

· Электромагнитные поля

· Шум, выделение вредных веществ

Рассмотрим влияние более подробно факторы, вызывающие зрительное напряжение.

Повышенная нагрузка на зрение способствует возникновению близорукости, приводит к переутомлению глаз, к мигрени и головной боли, повышает раздражительности, нервное напряжение, может вызвать стресс.

Зрительная система человека плохо приспособлена к рассматриванию картинки на экране дисплея. В течение многих миллионов лет она приспосабливалась для восприятия предметов исключительно в отраженном свете. Появление электронно-лучевой трубки было сопряжено для человека с большими проблемами, так как изображение является результатом свечения экрана, т. е. приходится смотреть на источник света — дисплей. И хотя глаза человека способны приспосабливаться к интенсивности света, что достигается в первую очередь изменением диаметра зрачка, а так же изменением чувствительности сетчатки, это как выяснилось, тяжелая зрительная работа. С другой стороны, пользователь вынужден в процессе работы переносить свой взгляд с экрана на бумагу и обратно.

Сильно влияют на зрительную работу технические характеристики дисплеев: разрешающая способность, яркость, контрастность, частота обновления (для ЭЛТ-мониторов). Эти параметры могу негативно сказаться на зрении, если не учитывать их при выборе устройства или при его установке.

В комплексе причин, отрицательно влияющих на зрение оператора, в первую очередь следует выделить недостаточную контрастность изображения на экране, связанную с пространственной и временной нестабильностью, излишней яркостью монитора, а так же блики и отраженный свет на его поверхности. Визуальные эргономические параметры при работе с компьютером задаются ГОСТ Р 50 948−96. В данном документе содержатся допустимые значения характеристик дисплея, таких как контрастность изображения, неравномерность яркости элементов, временная и пространственная нестабильность изображения, а так же эргономических параметром, например, угол линии наблюдения и др. Значения основных визуальных эргономических параметров ВДТ приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

Основные визуальные эргономические параметры ВДТ

Важным фактором, определяющим степень зрительного утомления, является так же освещенность рабочих мет и помещений, где расположены компьютеры. Грамотное размещение компьютером в помещении и правильно спроектированное и выполненное освещение позволяют сохранить зрение пользователя, не создают дополнительную нагрузку на нервную систему, обеспечивают нормальную деятельность оператора, резко уменьшают ошибки в его работе.

Согласно Санитарным правилам, освещение в помещениях с ПК должно быть смешанным: естественным и искусственным. Мониторы следует размещать так, чтобы светящиеся экраны не попадали в поле зрения других операторов, и на экранах отсутствовала прямая и отраженная блесткость естественного или искусственного освещения. Так же согласно этим правилам, искусственное освещение должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В качестве источников света при искусственном освещении должны применяться люминесцентные лампы типа ЛБ. Освещенность на поверхности стола должна быть 300−500 лк. При этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и т. д.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м².

Для благоприятных условий работы необходимо обеспечить достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и в пределах окружающего пространства. Если в поле зрения находятся поверхности, значительно отличающейся между собой по яркости, то при переводе взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность глаз вынужден переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения. Равномерность яркости достигается прежде всего системой общего освещения, а также соответствующей окраской потолка, стен и оборудования. Специалисты рекомендуют, чтобы стены, оборудование, мебель имели матовое покрытие с коэффициентом отражения 0,7−0,8 от потолка и более низким от стен и пола (0: и 0,3 соответственно). Достигается это окраской потолка в белый цвет, а стен — в светло-желтые и оранжево-желтые цвета.

Рассчитаем требования к освещенности рабочего места.

6.3 Расчет освещенности рабочих мест

Для обеспечения комфортности и безопасности труда на условия деятельности человека и окружающей среды накладываются некоторые ограничения, которые называются санитарно-гигиеническими требованиями.

К одним из таких требованиям, предъявляемым к условиям работы в помещении, относятся нормы освещенности рабочих мест.

Для освещения помещений общественных зданий, к которым относится учебная лаборатория, как правило, применяют люминесцентные лампы. При этом необходимо обеспечить следующие характеристики освещения: