POPIS, IDENTIFIKACE SYSTÉMU A NÁVRH REGULÁTORU POMOCÍ MATLABU V APLIKACI FOTBAL ROBOTŮ



Podobné dokumenty
POUŽITÍ REAL TIME TOOLBOXU PRO REGULACI HLADIN V PROPOJENÝCH VÁLCOVÝCH ZÁSOBNÍCÍCH

Využití neuronové sítě pro identifikaci realného systému

Vypracovat přehled způsobů řízení paralelních kinematických struktur s nadbytečnými pohony

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL

Modelování a simulace Lukáš Otte

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

Identifikace a řízení nelineárního systému pomocí Hammersteinova modelu

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

VÝVOJ ŘÍDICÍCH ALGORITMŮ HYDRAULICKÝCH POHONŮ S VYUŽITÍM SIGNÁLOVÉHO PROCESORU DSPACE

Příloha A návod pro cvičení 1. SESTAVENÍ MODELU V PROSTŘEDÍ MATLAB SIMULINK Zapojení motoru

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Přípravek pro demonstraci řízení pohonu MAXON prostřednictvím

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

Návrh frekvenčního filtru

Návrh konstrukce odchovny 3. dil

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

Řízení tepelné soustavy s dopravním zpožděním pomocí PLC

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Stanovení typu pomocného regulátoru v rozvětvených regulačních obvodech

DOOSAN Škoda Power s. r. o. a Západočeská univerzita v Plzni ŘÍZENÍ AERODYNAMICKÉHO TUNELU PRO KALIBRACI TLAKOVÝCH SOND

Modelování elektromechanického systému

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

Vysoká škola Báňská. Technická univerzita Ostrava

1. Regulace proudu kotvy DC motoru

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı Ústav automatizace a měřicí techniky v Brně

CW01 - Teorie měření a regulace

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

Modelování polohových servomechanismů v prostředí Matlab / Simulink

Řízení asynchronních motorů

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

PŘECHODOVÁ CHARAKTERISTIKA

Řízení tepelné soustavy pomocí PLC Siemens

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

Robustnost regulátorů PI a PID

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

VY_32_INOVACE_AUT -2.N-09-REGULACNI TECHNIKA. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

Srovnání kvality snímání analogových veličin řídících desek se signálovým procesorem Motorola DSP56F805. Úvod. Testované desky

Regulační obvod s měřením regulováné veličiny

SIMULACE JEDNOFÁZOVÉHO MATICOVÉHO MĚNIČE

Pro tvorbu samostatně spustitelných aplikací je k dispozici Matlab library.

k DUM 08. pdf ze šablony 1_šablona_automatizační_technika_I 03 tematický okruh sady: regulátor

Pneumatický motor CE 107

Programování LEGO MINDSTORMS s použitím nástroje MATLAB a Simulink

DUM 19 téma: Digitální regulátor výklad

Bezpečnost chemických výrob N111001

POHON 4x4 JAKO ZDROJ VIBRACÍ OSOBNÍHO AUTOMOBILU

Regulační obvod s měřením akční veličiny

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Rozběh a reverzace asynchronního motoru řízeného metodou U/f

Konfigurace řídicího systému technikou Hardware In The Loop

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

3. Mechanická převodná ústrojí

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Měření neelektrických veličin. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

VLIV VELIKOSTI VZORKOVACÍ PERIODY NA NÁVRH DISKRÉTNÍHO REGULAČNÍHO OBVODU

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky IDENTIFIKACE A REGULACE SOUSTAVY HUMUSOFT CE 151. Michal Semonský

Úvod do zpracování signálů

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

Předmluva 9 Obsah knihy 9 Typografické konvence 10 Informace o autorovi 10 Poděkování 10

Ladění regulátorů v pokročilých strategiích řízení

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. CW01 - Teorie měření a regulace 10.2 ZS 2010/2011. reg Ing. Václav Rada, CSc.

Laborato regula ních systém a prost edk Název prezentace ídicích systém Umíst ní laborato E228 Správce laborato Ing. Št pán O ana, Ph.D.

CITLIVOSTNÍ ANALÝZA DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ I

Katalog biomedicínských modelů, výuka simulacim a modelování v biomedicínském inženýrství, interaktivní systém v MatLab-Simulinku

Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK

14 - Moderní frekvenční metody

PREDIKTIVNÍ ŘÍZENÍ NELINEÁRNÍHO SYSTÉMU

Vývojové práce v elektrických pohonech

The Optimization of Modules for M68HC08 Optimalizace modulů pro M68HC08

25.z-6.tr ZS 2015/2016

5.1.1 Nestacionární režim motoru

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Pozorovatel, Stavová zpětná vazba

U Úvod do modelování a simulace systémů

Řízení motoru Mendocino

Nejjednodušší, tzv. bang-bang regulace

Bezdrátový přenos signálu v reálné aplikaci na letadle.

Automatické měření veličin

Diagnostika signálu vlakového zabezpečovače

Úvod do modelování a simulace. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Mikropočítačová vstupně/výstupní jednotka pro řízení tepelných modelů. Zdeněk Oborný

MĚŘENÍ A REGULACE TEPLOTY V LABORATORNÍ PRAXI

5. A/Č převodník s postupnou aproximací

1. Regulace otáček asynchronního motoru - skalární řízení

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Mechatronické systémy struktury s asynchronními motory

Matematicko-fyzikální model vozidla

Studium závislosti výpočetního času algoritmu GPC prediktivního řízení na volbě typu popisu matematického modelu v regulátoru

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky. NASTAVENÍ PARAMETRŮ PID REGULÁTORU JAKO OPTIMALIZAČNÍ ÚLOHA Ondřej Zouhar

Transkript:

POPIS, IDENTIFIKACE SYSTÉMU A NÁVRH REGULÁTORU POMOCÍ MATLABU V APLIKACI FOTBAL ROBOTŮ Z.Macháček, V. Srovnal Katedra měřicí a řídicí techniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Abstrakt Příspěvek se zabývá problematikou návrhu regulátoru PID (PSD) pro reálnou aplikaci fotbal robotů s využitím programu MATLAB a SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOXU. Regulovaná soustava použitá pro simulaci a návrh regulátoru se skládá ze dvou kol robota, která jsou poháněna stejnosměrnými motory a pomocí zpětné vazby tvořené kvadraturním dekodérem jsou snímány informace o rychlosti otáčení kol. Cílem regulovaného systému je stabilní pohyb obou kol podle požadovaných rychlostí posílaných bezdrátově z řídicího sytému na PC. Realizovaný systém je stabilní i při nerovnostech povrchu, prokluzu kol nebo při zatížení jedné strany robota menším předmětem. 1 Úvod Článek popisuje návrh a realizaci PID (PSD) regulátoru použitého pro regulaci pohonů aplikace fotbalu robotů. Základem správné regulace pohonů je znalost parametrů a chování motoru. Pro dosažení dostatečné přesnosti a robustnosti je nezbytné systém namodelovat a specifikovat jeho chovaní a parametry. Při řešení této aplikace se jedná o identifikaci pohonů robota zahrnující fyzikální veličiny podílející se na vlastnostech soustavy a řízení - prokluz kol a váha robota, nerovnosti povrchu. Postup, který byl zvolen pro návrh regulátoru PID (PSD), je uzpůsoben s ohledem na řešenou aplikaci fotbal robotů: - Naměření přechodové charakteristiky pohonů v zátěži, tedy při pohybu na ploše. - Provedení identifikace soustavy, určení operátorového přenosu G ( s). - Sestavení matematického modelu soustavy pohonů robota pomocí Taylorova rozvoje. - Identifikace a návrh PID regulátoru z naměřené přechodové charakteristiky pohonů. - Návrh PSD regulátoru z parametrů PID regulátoru a požadovaného průběhu časových charakteristik. - Implementace a realizace PSD regulace pro pohon robotů. Pro řešení popisovaného projektu se využil matematický program MATLAB a jeho nástroje SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOX-IDENT, SIMULINK, GUI. Pro řízení pohonů a dalších funkcí robota se používá digitální signálový procesor DSP 56F805 Freescale a vývojové prostředí CodeWarrior. Navržený PSD regulátor je implementován lichoběžníkovou metodou do kódu v DSP robota v jazyce C. Testováním pohybů robota v reálné aplikaci bylo potvrzeno, že popisovaný postup a návrh je dostatečně robustní, přesný a vyhovuje požadovaným parametrům na změnu rychlosti a dynamiku robota. Experimentálním doladěním konstant při provozu robota se regulátor stal robustním v širokém spektru zrychlení robota (0 m/s.. rychlost robota). Prokluzy, tedy nekoordinované pohyby, robota jsou řešeny omezením maximální změny rychlosti oproti předchozímu stavu rychlosti robota, což již není dále v tomto příspěvku popsáno.

Identifikace a matematický popis soustavy Pro sestavení matematického modelu a určení parametrů soustavy odpovídající reálné aplikaci pohonů robota je nejprve nutné naměřit dynamickou charakteristiku pohybu kol. Pohony kol jsou tvořeny motory Faulhaber 006SR, které jsou přes silový prvek H-Bridge Freescale 33877 řízeny PWM signálem z digitálního signálového procesoru DSP. Řídicí PWM signál má proměnnou střídu v rozsahu hodnot u = 0 000 při frekvenci f PWM = 30kHz. Při zatížení kol je rychlost pohybu robota omezena na maximální hodnotu v = 000mm s. Přepočet na frekvenci otáčení kola lze získat pomocí následujícího vzorce, kde lze dosáhnout f = 7114 ot min : maximální rychlosti otáček [ ] max 1 [ min ] v 60 f = 9,18 ot π r 60... přepočet ze sekund na minuty počet zubů na kole 101 9,18... poměr převodu zubů = = 9,18 počet zubů na pohonu 11 r... poloměr kola v našem případě je 5 mm Nezbytná zpětná vazba informující o rychlosti otáčení kola je tvořena kvadraturním dekodérem umístěným na motoru pohonu kola. Výpočet impulsů vyhodnocovaných kvadraturním dekodérem při otáčení kola za minutu je dán vztahem: f RPM impuls = 048 1,5[ ot ms ] () 60 1000 RPM impuls max 365 [ ot ] = ms 60... přepočet z minut na sekundy 1000... přepočet ze sekund na milisekundy 048... počet vzorků (impulsů) pro jednu otáčku převodník 51bodů x 4 impulsy na jeden bod 1,5 je v milisekundách perioda přerušení regulace motoru (frekvence snímání a regulace) Tedy požadovaná veličina RPM impuls požadov (počet impulsů otáčení kola), kterou zasílá řídicí systém robotovi je přivedena do sumátoru. V sumátoru je od požadované hodnoty odečtena skutečná hodnota naměřená na výstupu soustavy (na motoru kvadraturním dekodérem) RPM impuls skuteč (počet impulsů otáčení kola). Výsledná hodnota ze sumátoru (regulační odchylka) je přivedena do regulátoru PSD. Z regulátoru vstupuje do soustavy řídicí veličina ve tvaru PWM signálu, ovlivňujícího H-Bridge společně s motory pohonu viz. Obr.1 [1]. (1) Obrázek 1: Blokové schéma regulace soustavy (pohonů robota)

V následujícím grafu je znázorněna závislost mezi hodnotami RPM a PWM, což je velmi důležité pro celkovou regulaci soustavy. Z této závislosti vyplývá, že do počáteční hodnoty PWM = 650 je pohon robota v klidové pozici. Od počáteční hodnoty až do PWM = 800 je závislost lineární, poté se snižuje citlivost zvyšování otáček na zvyšujícím se PWM. Ve vedlejším grafu je zobrazena dynamická charakteristika soustavy v otevřené smyčce při vstupní signálu ve tvaru jednotkového skoku (přechodová charakteristika). RPM_skuteč[ot/ms] 400 350 300 50 00 150 100 50 0 0 00 400 600 800 1000 100 1400-50 PWM[0-1000] RPM_skuteč[ot/ms] 400 350 300 50 00 150 100 50 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 t [ms] Obrázek : Grafy závislosti RPM,PWM, přechodová charakter. soustavy (pohonů robota) Pro identifikaci a matematický popis soustavy (pohonu robotů) se využilo naměřených dynamických charakteristik (přechodová charakteristika) a výše popsaných parametrů systému. Cílem identifikace systému je determinování dobrého modelu daného systému z naměřených dat. Tento matematický model lze použít pro simulaci pohonů robota, návrh regulátoru, zkoumání a zdokonalování řízení pohybů robota. Po naměření několika přechodových charakteristik byl sestaven matematický model soustavy pohonů robota. K tomuto účelu se využilo SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOX-IDENT viz. Obr.3. Matematický popis odhadu soustavy byl vygenerován ve tvaru přenosu soustavy G(s) a dvou Taylorových rozvojů y1_do inflex () t, y _od inflex ( t), které z části ohraničené inflexním bodem odpovídají naměřené přechodové charakteristice [5]. k 1,0176 G() s = = + Tp s 1+ Tp s 1+ 0,018558 s 1+ 0,001 s y _od inflex y 1_do inflex () t ( )( ) ( )( ) 1 1 0,0097 x = 3 () t + 0,35568 x ( t) + 1,9051 x( t) 6,86937-85,7311 [ ] 4 3-0.00000117798 x () () t + 0,0016353 x ( t) 0,8553 x ( t) + 08,34445 x( t) -1117.5876 + 9650 t = (4) 6,86937 (3) Obrázek 3: SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOX-IDENT

3 Identifikace a návrh PID regulátoru Regulace pohonů reprezentovaných matematickým popisem identifikované soustavy je důležitým prvkem přesného a dynamicky rychlého pohybu robota. Realizovaný regulátor je dostatečně robustní a regulovaný systém je i při značném zatížení stabilní (při vyšším zatížení dochází ke změně přenosu soustavy). Identifikace PID regulátoru byla provedena pomocí Broidovy metody z naměřené přechodové charakteristiky. Návrh PID regulátoru, tedy parametry regulátoru, byly nastaveny pomocí několika metod návrhu a doladěny podle požadavků na chování modelu soustavy v MATLABU. Vybranou identifikací Broidova modelu jsou parametry časových konstant regulátoru vypočteny porovnáním vstupního signálu a výstupního signálu. Broidův model odpovídá systémům se statickou přechodovou charakteristikou. Pomocí sledování inflexního bodu a aproximace výpočtu jsou zjištěny parametry modelu z charakteristických časových konstant t 1 a t, pro které odezva systému odpovídá 8 % a 40 % konečné ustálené hodnoty G 0. Z časových konstant T,L lze vypočítat další parametry systému pro jeho identifikaci [1]. T = 5,5 ( t t1 ) (5) L =.8 t,8 t 1 Obrázek 4. Přechodová odezva systému na jednotkový skok a vyznačení parametrů k identifikaci Návrh regulátoru, kdy se určují jeho parametry K p, T i, T d byl proveden následujícími popsanými metodami, které se odlišují kritérii např. úroveň rušení signálu, robustnost ( neurčitost modelu ), útlum šumem v měřeném signálu. Navržené PID regulátory byly testovány pomocí vytvořeného programu (viz následující kapitola). Mezi testované návrhy PID regulátorů pro regulaci pohonu motorů robota patří tyto metody: - Ziegler-Nichols v časové oblasti - parametry pro určení regulátoru lze vypočítat vzorci: K P T i T d 1. / a L L / - Chien-Hrones-Reswick - parametry regulátoru jsou navrženy i pro menší změny přenosu: 0 % 0 % K P T i T d K P T i T d 0.95 / a.4 L 0.4 L 1. / a L 0.4 L - Cohen Coon - zanedbání menší změny přenosu a rušení. Charakteristické funkce systému lze získat vztahy: a = G o L / T, τ = L / ( L + T ). Parametry regulátoru lze vypočítat ze vztahů: K P T i T d - Halman - metoda určena pro systém se zpožděním a parametry se vypočítají: K p =(T 1 +T )/3G 0 L, T i = T 1 +T, T d = T 1 T /(T 1 +T )

4 Aplikace soustavy a návrhu PID regulátoru v Matlabu Pro identifikaci a návrh PID regulátoru byl vytvořen vlastní program viz obr.5 v MATLABU, který umožňuje pomocí uživatelského rozhraní GUI provést výpočet parametrů regulátoru. Program je založen na intuitivním ovládání pomocí ovládacího menu a jednotlivých funkčních oken. V nynějším rozpracování aplikace je uživatel provést výpočty pro soustavu se spojitým signálem v čase. V aplikaci jsou využity příkazy z Toolboxu pro regulaci a řízení systémů a také Toolbox pro práci s maticemi. Vytvořeným programem je možné převádět jednotlivé maticové tvary zápisu přenosu soustav. Je možné s jakýmkoliv standardním zápisem dané soustavy pro tento systém zobrazit jeho charakteristické hodnoty a parametry, a také je možné zobrazit jednotlivé přenosy systému. Dále lze v této aplikaci také provést optimalizaci metodou LQR Lineární kvadratickou regulací systému s proměnnými parametry. Aplikace obsahuje také, dle daných metod, identifikaci a návrh zadaného systému pro PID regulaci, a poté simulaci PID regulace regulovaného systému. Obrázek 5. Aplikace pro identifikaci a návrh PID regulátoru Srovnáním výsledků z návrhů pomocí jednotlivých popsaných metod byly vybrány parametry K p, T i, T d regulátoru PID, který nejvíce vyhovoval požadavkům regulovaného systému. V MATLAB SIMULINKU byla provedena kontrola regulovaného systému viz Obr.6 [4]. Obrázek 6. Blokové schéma regulovaného systému (pohon motorů robota)

5 Realizace aplikace PSD regulátoru robota Vybrané navržené parametry K p, T i, T d regulátoru PID byly převedeny ze spojité časové oblasti řešení soustavy a regulátoru do diskrétní časové oblasti PSD regulátoru podle níže uvedených převodních vztahů lichoběžníkovou metodou. Po úpravě matematického vztahu výpočtu akční veličiny PWM regulátoru byla provedena implementace do digitálního signálového procesoru robota. Testování realizace pohonů robota a několik úspěšných reprezentací našeho týmu na světových utkáních FIRA potvrdily korektnost našich výpočtů provedených v MATLABU [3]. [ 0] + e[ n] [] = [] + + n 1 Tvzorkovací e Td PWM n K p e n e[] k + ( e[] n + e[ n ] ) (6) Ti k = 1 Tvzorkovací Navržené parametry regulátoru byly nastaveny na následující hodnoty: K = 1,5 T i T d p = 0,0000815 = 0,0007 Reference Obrázek 6. Aplikace pohonů robota pro soutěže FIRA fotbal robotů [1] V. BROIDA. Extrapolation des résponses indicielles apériodiques. Automatisme, vol. XVI, 1969. [] W. KESTER. Mixed signal and DSP design techniques.analog Devices, Inc.ISBN 0-916550-3-0, 000. [3] B. SHAHIAN. Control System Design Using Matlab, Prentice Hall, New Jersey 1993, ISBN 0-13- 174061-X, 1993. [4] A. O DWYER. Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, Imperial College Press, Singapore, ISBN 1-86094-34-X,003. [5] Matlab - user documentation. http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/techdoc/matlab.shtml Práce na projektu a příspěvek jsou podporovány grantem AV 1ET101940418 Strategic system control with multi-agents. Z.Macháček zdenek.machacek@vsb.cz V. Srovnal vilem.srovnal1@vsb.cz Department of Measurement and Control,VSB-TUO,17.listopadu 15,Ostrava, Czech Republic