Учебный стенд для изучения ПИД-закона управления и правил настройки регулятора

Учебный стенд для изучения ПИД-закона управления и правил настройки регулятора
Даты проведения
с 2018-01-01 по 2018-12-01

Учебный стенд для изучения ПИД-закона управления и правил настройки регулятора

В работе рассматривается процесс разработки учебного стенда для решения проблемы технического оснащения. Объектом исследования являются учебные комплексы для изучения процессов автоматизации. Предметом исследования является учебный стенд для изучения ПИД- законов управления и фильтрации данных. Целью работы: разработать учебный стенд для изучения ПИД-законов управления и правил настройки регулятора.

Основными задачами являются: описание объекта управления, изучение ПИД регулирования, знакомство с правилами настройки регуляторов, организация фильтрации данных, подбор элементной базы для реализации модели стенда, разработка сборочного чертежа для изготовления стенда, изготовление стенда (балансирующая платформа), проведение экспериментов.

За основу стенда для изучения законов регулирования примем двухколесную платформу с дифференциальным приводом – два электрических мотор-редуктора управляемых независимо. Платформа имеет две точки опоры, выполнена по схеме «сигвея» - электрического двухколесного самобалансирующегося транспортного средства. Задача регулирования состоит в том, чтобы подобрать такое управляющее воздействие, при котором платформа будет удерживать равновесие.

Очевидно, что платформа не способна сама сохранять положение равновесия, а единственная величина, которую мы можем регулировать это скорость вращения моторов и ее направление. В нашем случае возмущающим воздействием Z(t) будет отклонение платформы от вертикали. Для регистрации отклонения вплатформеприменяетсяцифровойгироскоп. Сигналы от датчика будут поступать на устройство управления (УУ). После включения платформы УУ фиксирует положение вертикали. По алгоритму находится так называемая ошибка (отклонениетекущегоположенияотпервоначального).В

зависимости от величины отклонения/ошибки УУ выдает управляющий сигнал для устранения (минимизации) ошибки. По управляющему сигналу платформа занимает новое положение и снова происходит его замер и корректировка. Иными словами, описанная система является системой с обратной связью.

Подводя итог, делаем вывод, что обратная связь – способ учета ошибки управления. В действительности, информация с датчика является не единственной влияющей на объект управления. На положение платформы влияет как задающий сигнал x(t), так и реальный выходной сигнал y(t). На


структурной схеме представлен блок «сумматор». Сумматор складывает сигналы задающий X(t) и реальный Y(t). При этом сигнал обратной связи берется со знаком минус т.е. на вход устройства управления поступает разность сигналов эта разность и есть ошибка управления. Такая система называется замкнутой (система с замкнутой цепью воздействия).

Наиболее популярным методом управления такими системами является применение ПИД законов управления. Стенд предназначен для отработки навыков подбора коэффициентов регулятора. Главное в процессе настройки коэффициентов ПИД-регулятора – вовремя убедиться в том, что

поведение системы является адекватным (платформа/робот сохраняет устойчивое положение относительно вертикали). Но помимо таких сугубо экспериментальных подстроек, имеются и вполне объективные принципы, которые необходимо соблюдать при создании регулятора.

1. Скорость работы программы. Управляющая программа должна работать максимально быстро. Это означает, что необходимо использовать максимально лаконичные алгоритмы и простые операции.

2. Равномерность работы программы. Не менее важно то, чтобы формирование управляющего воздействия происходило в как можно более равномерные моменты времени. Нельзя допускать, чтобы программа "задумалась" на непредсказуемое время, т.к. в этом случае сбой дадут и интегральное, и дифференциальное звено. Для предотвращения «потери» времени, можно использовать прерывания, которые гарантированно обеспечат равномерный сбор информации от датчиков.

3. Частота сбора данных и выполнения цикла управления. Помимо стабильности частоты сбора, необходимо определиться с тем, какова должна быть частота управления. Если частота управления слишком маленькая, то система получается не эффективной. Более того, при малой частоте управления может получится система, которую вообще невозможно стабилизировать. Но и при слишком большой частоте возникает негативный эффект «зашумливание».

Для определения частоты управления существует следующее правило: продолжительность итерации управляющего цикла должна быть между 1/10 и 1/100 желаемого времени стабилизации системы. Например, если требуется, чтобы система стабилизировалась за 0.1 с. (за 0.1 секунды робот принял сбалансированное состояние), то частота управления должна быть от 100 до 1000 Гц (время итерации от 0.01 до 0.001 сек.).

В ходе реализации проекта был разработан учебный стенд для изучения ПИД-законов управления. Подобраны привила настройки ПИД регуляторов. Организована фильтрация данных. Подобрана элементная база для изготовления стенда. Разработана конструкторская документация и изготовлена модель стенда. Проведены эксперименты, подтверждающие работоспособность стенда. Написано программное обеспечение для работы со стендом на компьютерах под управлением операционной системы windows. ПО позволяет менять коэффициенты регулятора в реальном времени. При совершении любого изменения можем в реальном времени наблюдать за изменением поведения балансирующей платформы.

Литература

1. Datasheet гироскоп акселерометр GY521.

2. ГОСТ 2.125-88 «правила выполнения эскизных документов» в редакции 2001г.

3. Быков А. В., Силин В. В., Семенников В. В., Феоктистов В. Ю. ADEM CAD/CAM/TDM. Черчение, моделирование, механообработка. —СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

4. Карпов В.Э. «ПИД-управление в нестрогом изложении». Москва 2012 г.

О проекте

Проект опубликовал

Целевая аудитория

школьники 5-7 класс школьники 8-11 класс родители преподаватели

Специализации

Изобретательство Творческие работы

Области знаний

Техника и инженерные науки