אוניברסיטת בן-גוריון בנגב הפקולטה למדעי ההנדסה DC Motor speed Control בקרת מהירות
מבוא ומטרת המעבדה להתנסות בתכנון ומימוש של מערכות בקרה. להתנסות בעבודה עם ה- Simulink ובכלים המאפשרים פיתוח מהיר של אב טיפוס prototyping(.)rapid לתכנן מערכת בקרת מהירות למנוע DC המתבססת על בקר אינטגראלי יחד עם רשת קידום ולראות כיצד תכנון הבקר משפיעה על ביצועי החוג הסגור. להכיר חיישני תנועה נפוצים כגון, אנקודר וטכומטר..1 תדריך בטיחות מערכת הניסוי היא מערכת אלקטרו-מכאנית, היא כוללת אותות חשמליים )זרמים ומתחים( וכן חלקים נעים )מנוע, גיר, עומס(. מערכת הניסוי צריכה להיות מורכבת ומוכנה לניסוי בתחילת המעבדה. אין לנתק או לחבר חוטי חשמל או תקשורת במהלך הניסוי. כל שינוי חשמלי או מכאני במערכת יבוצע אך ורק ע"י מדריך מעבדה או טכנאי. אסור לסטודנטים לגעת במנוע כאשר הוא בתנועה. יש להיזהר בעיקר ממגע עם גלגלי השיניים החשופים של הגיר כאשר הם בתנועה. בעלי שיער ארוך צריכים לבצע את המעבדה עם שיער אסוף )שיער ארוך עשוי להיתפס בחלקים מסתובבים של המערכת(. בנוסף, כל הוראות הבטיחות הקבועות הנהוגות במעבדות ההוראה )כגון נעילת נעליים סגורות( תקפות גם במעבדת המכטרוניקה ובקרה. לפני תחילת המעבדה, הסטודנטים מתבקשים לחתום על טופס המאשר קריאה והבנה של הוראות הבטיחות..2 3. מערכת הניסוי MATLAB/Simulink Quanser/QuaRC תקשורת USB Motor Dataacquisition קריאות חיישנים אותות הפעלה אותות בקרה Voltage Amplifier איור - 1 מערכת הניסוי. עמוד 2
מערכת הניסוי מתוארת באיור 1. המחשב כולל את התוכנות MATLAB ו- QuaRC )של חברת.)Quanser המחשב משמש לתכנון וסימולציה של מערכת הבקרה וכן להפעלה של מערכת הבקרה בזמן אמת )כאשר מערכת הבקרה מבקרת את המקום או המהירות של המנוע(. הסימולציה של מערכת הבקרה והמנוע מבוצעת ב- Simulink כאשר הבקר פועל על מודל של המנוע. כאשר הביצועים המתקבלים בסימולציה הם הביצועים הרצויים, ניתן לעבור למימוש )להפעלה( הבקר עם המנוע. המערכת של Quanser כוללת תוכנה )QuaRC( אשר מאפשרת "לבנות" בקר זמן אמת )בקר הפועל על מערכת ממשית לא סימולציה( מתוך מודל הנתון ב-.Simulink במקרה זה, מחשב ה- PC פותר את משוואות הבקרה, בזמן אמת )תחת מערכת ההפעלה.)Windows כאשר "בונים" את בקר זמן האמת, דיאגראמת המלבנים ב- Simulink צריכה לכלול אך ורק את המודל של הבקר, ללא מודל המנוע. התוכנה של Quanser כוללת בלוקים המאפשרים לתוכנית המחשב של הבקר לקרוא אותות המגיעים מציוד חיצוני )לדוגמה, מהחיישנים המותקנים במנוע( ולייצר אותות הנשלחים מהמחשב אל ציוד חיצוני )לדוגמא, אותות הבקרה המפעילים את המנוע(. התקשורת של המחשב עם הציוד החיצוני היא באמצעות כרטיס Data-acquisition המחובר למחשב דרך ערוץ.USB אותות הבקרה )היוצאים מהמחשב( נשלחים תחילה למגבר amplifier(,)voltage האותות המוגברים מפעילים את המנוע. המנוע הוא מסוג DC וכולל מערכת גלגלי שיניים ושלושה סוגים של חיישנים: חיישן זווית יחסי )אנקודר(, נגד משתנה למדידה אבסולוטית של הזוויות וטכומטר למדידת מהירות זוויתית. התוכנה )QuaRC( כוללת ממשק משתמש המאפשר הצגה של משתנים )לדוגמא, הצגה של זוויות המנוע( ושינוי פרמטרים )לדוגמא, שינוי קבועי הבקר( בזמן אמת )בזמן שהבקר פועל על המנוע(. 4. שאלות הכנה נתונה הדיאגרמה הבאה המתארת את מערכת הניסוי הכוללת את הבקר בחוג סגור, איור - 2 דיאגרמה המתארת את מערכת הניסוי בחוג סגור. פונקציית התמסורת של המערכת )Plant( המקשרת בין המתח בכניסה )במוצא(, נתונה באופן פרמטרי ע"י פונקציית התמסורת הבאה, לבין המהירות הזוויתית עמוד 3
ו- הינם פרמטרים של מודל המערכת. א. ב. ו-, יש לשרטט גרף בודה של המערכת ללא הבקר באמצעות ה- עבור,MATLAB יש לחשב את עודף הפאזה PM ואת תדירות המעבר. ניתן להיעזר בנוסחאות הבאות, [ ] יש לתכנן בקר בתחום התדר כך שיתקיימו הדרישות הבאות: שגיאת מצב מתמיד [ ] לכניסת מדרגה, תדירות מעבר )כדי להשיג את מהירות התגובה הרצויה( ועודף פאזה )כדי להשיג את הריסון הרצוי(. שיש לתכנן כולל הבקר שלושה רכיבים:.) i. הגבר פרופורציונלי (.ii אינטגרטור ).(.).iii רשת קידום (, φ( מתקבל *תזכורת: קידום ( של הרשת מקסימלי ב- הנוסחה המקשרת בין.φ הקידום המקסימלי של הרשת φ והמקדם היא ג. באמצעות ה-,MATLAB יש לשרטט גרף בודה של המערכת הכוללת את שלושת רכיבי הבקר שחושב בסעיף ב' ולוודא שהדרישות על עודף הפאזה PM ותדירות המעבר מתקיימות. בנוסף יש לשרטט גרף בודה של המערכת הכוללת רק את ההגבר הפרופורציונלי )שחושב קודם( ואינטגרטור ללא רשת הקידום, ולחשב את עודף הפאזה PM ותדירות המעבר. 5. סימולציית בקרת מהירות )מהירות זוויתית( איור - 3 צילום מסך של מודל הסימולציה. עמוד 4
א. ב. ג. ד. ה. ו. ז. ח. ט. י. יא. יש לפתוח את קובץ הסימולציה,.s_srv02_spd.mdl יש להזין בשורת הפקודה של ה- MATLAB את ערכי הפרמטרים של מודל המערכת )ע"י הגדרת משתנה בשם )tau ו- )ע"י הגדרת משתנה K(, את ערך ההגבר )ע"י הגדרת )kc ואת הפרמטרים של רשת הקידום α )בתוך משתנה a( ו- )במשתנה w(. )דגש: יש להזין את שמות הפרמטרים כפי שמופיעים בסוגריים( יש לוודא שהאות במחולל האותות generator(,)signal הינו גל ריבועי עם אמפליטודת יחידה ותדירות.0.4Hz יש לוודא שהמתג בדיאגרמת המלבנים Switch( )Manual נמצא במצב שבו ישנו מעקף של רשת הקידום. כעת יש להריץ את הסימולציה. כמו כן תוצאות במשקפי התנודות )אוסילוסקופים(, את תוצאות הסימולציה ניתן לראות הסימולציה נשמרות ב- workspace של ה-.MATLAB תוצאות המהירות הזוויתית נשמרות במערך,omega_sim מערך זה הינו בעל שלוש עמודות, העמודה הראשונה מכילה את ערכי הזמן לאורך הסימולציה בשניות, העמודה השנייה מכילה את ערכי המהירות הזוויתית הרצויה ] [ )אות הייחוס( והעמודה השלישית מכילה את ערכי המהירות הזוויתית המתקבלת. [ ] יש לשמור את מערך תוצאות הסימולציה הראשונה בשם שונה )למשל,)omega_sim1 זאת מפני שבהרצה השנייה של הסימולציה הנתונים במערך ישתנו. יש להעביר את המתג בדיאגרמת המלבנים Switch( )Manual למצב השני בו רשת הקידום פעילה. כעת יש להריץ את הסימולציה בשנית. יש להפיק גרף מתוצאות שתי הסימולציות ולהשוות את ביצועי תגובת המעבר לכניסת מדרגה, - תגובת היתר ו- הזמן לפיק ראשון. חשב/י מתוצאות הסימולציה את השגיאה לכניסת מדרגה המתקבלת לאחר התייצבות המהירות הזוויתית עבור שתי הסימולציות. האם השגיאות מתאפסות בקירוב? עמוד 5
6. יישום בקר מהירות זוויתית איור - 4 צילום מסך של מודל הניסוי. א. ב. ג. ד. ה. ו. ז. ח. יש לפתוח את קובץ הניסוי,. q_srv02_spd.mdl יש לוודא שהאות במחולל האותות generator(,)signal הינו גל ריבועי עם אמפליטודת יחידה ותדירות.0.4Hz יש לוודא שמוזנים )אם לא יש להזין( בשורת הפקודה של ה- MATLAB ערכי ההגבר )w(. ו- )a( α והפרמטרים של רשת הקידום )kc( יש לוודא שהמתג בדיאגראמת המלבנים Switch( )Manual נמצא במצב שבו ישנו מעקף של רשת הקידום. לפני הרצת מודל הניסוי יש לוודא עם מדריך המעבדה שמערכת הניסוי מחוברת כהלכה. יש לבנות ( )build את התוכנית, על ידי לחיצה בשורת התפריטים על,Quanser>>Build או על ידי לחיצה על.Ctrl+B כעת יש להמתין עד שהתוכנית תסיים את הפעולה, כאשר הפעולה תסתיים תתקבל השורה הבאה בשורת הפקודה של ה-,MATLAB " <<### Model q_srv02_spd has been downloaded to target." כעת ניתן להריץ את מודל הבקר כאשר הוא פועל על מערכת הניסוי. את תוצאות הניסוי נשמרות ב- workspace ה- של ניתן לראות במשקפי התנודות )אוסילוסקופים(, כמו כן תוצאות הניסוי MATLAB. בסוף ההרצה. תוצאות המהירות הזוויתית נשמרות במערך,omega_exp מערך זה הינו בעל שלוש עמודות, העמודה הראשונה מכילה את ערכי הזמן לאורך הניסוי בשניות, העמודה השנייה מכילה את ערכי המהירות הזוויתית הרצויה [ ] [ ] )אות הייחוס( והעמודה השלישית מכילה את ערכי המהירות הזוויתית המתקבלת עמוד 6
ט. י. יא. יב. יב. יג. יש לשמור את מערך תוצאות הניסוי הראשון בשם שונה )למשל,)omega_exp1 זאת מפני שבהרצה השנייה של הניסוי הנתונים במערך ישתנו. יש להעביר את המתג בדיאגראמת המלבנים Switch( )Manual למצב השני בו רשת הקידום פעילה. כעת יש להריץ את הניסוי בשנית, אין צורך לבצע שוב בנייה )build( של התוכנית. יש לשמור שוב את מערך תוצאות הניסוי בשם חדש )למשל.)omega_exp2 יש להפיק גרף המתאר את תוצאות הניסוי, יש להשוות בין שני מצבי הניסוי ולהשוות את תוצאות הניסוי לתוצאות הסימולציה. יש להתייחס בהשוואה לביצועי תגובת המעבר: - תגובת היתר ו- הזמן לפיק ראשון, ולחשב את השגיאה לכניסת מדרגה המתקבלת לאחר התייצבות המהירות הזוויתית. יש לתכנן בתחום התדר בקר כך שיתקיימו הדרישות הבאות: לכניסת מדרגה ועודף ) ) ( והגבר פרופורציונלי ( פאזה. על הבקר להכיל אינטגרטור יש בלבד. יד. טו. טז. יז. יח. לשרטט גרף בודה של המערכת הכוללת את הבקר באמצעות ה- MATLAB ולוודא שהדרישות מתקיימות. יש להזין את ערך ההגבר )kc( שחושב בסעיף הקודם בשורת הפקודות של ה-,MATLAB וכן להעביר את המתג בדיאגראמת המלבנים Switch( )Manual למצב בו ישנו מעקף של רשת הקידום. לפני הרצת מודל הניסוי יש לוודא עם מדריך המעבדה שההגבר שהתקבל תקין. יש להריץ את מודל הניסוי. יש להפיק גרף המתאר את תוצאות הניסוי עם הבקר החדש. יש להשוות את התוצאות שהתקבלו עם תוצאות הניסוי שהתקבלו קודם, כלומר, עם התוצאות שהתקבלו עם הבקר שכולל את רשת הקידום. בעיקר יש להתייחס בהשוואה ל- הזמן לפיק ראשון. יש לנתח ולהסביר את הסיבות להבדלים המתקבלים. בקשר לתוצאות שהתקבלו, יש להסביר מהו תפקידה של רשת הקידום בבקר הראשון )מה המוטיבציה לשימוש ברשת הקידום במערכת הנתונה(. עמוד 7