דף עזר המתאר ניסוי דומה לזה שתבצעו
:(Quanser) של קוונזרNI-ELVIS סדרת מאמני Quanser NI-ELVIS Trainer (QNET) :1 ' מסQNET ניסוי בקרת מהירות מנוע ז"י DC ערכת לימוד לבקרת מנוע DC Motor Control Trainer (DCMCT) מדריך לסטודנט מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT תוכן העניינים 1. מטרות המעבדה 2 .............................................................................................................. 2. סימוכין 2 .......................................................................................................................... 3. תצוגת הסביבה המבוקרת ע"י מודול הבקרה 2 .......................................................... DCMCT .3.1מינוח רכיבים 2 ............................................................................................................... .3.2תיאור הסביבה המבוקרת ע"י ה3 ..................................................................... DCMCT - 4. מטלה טרום-מעבדה 3 ......................................................................................................... .4.1תרגיל :בניית מודל פתוח-לולאה 4 ..................................................................................... 5. פגישת מעבדה 4............................................................................................................ 5.1.הגדרת חומרת המערכת 4 .............................................................................................. 5.2.מהלך המעבדה 4 .......................................................................................................... גרסה ● 02 :עמוד 1 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT .1מטרות המעבדה מטרת הניסוי הזה הינה לתכנן מערכת בקרה בחוג-סגור ) (closed-loopהמווסתת את מהירות מנוע זרם-ישר )ז"י = .(DCהמודל המתמטי של מנוע DCנסקר והפרמטרים הפיזיקליים שלו מזוהים .לאחר וידוי נכונותו ,המודל משמש לתכנון בקר פרופורציוני-אינטגרלי ).(PI .2סימוכין ] [1מדריך למשתמש עבור ה.NI-ELVIS- ] [2מדריך למשתמש עבור ה.DCMCT- .3תצוגת הסביבה המבוקרת ע"י מודול הבקרה DCMCT .3.1 מינוח רכיבים לטובת מינוח מהיר ,טבלה מס' ,1למטה ,מספקת רשימה של המרכיבים העיקריים של ערכת הלימוד לבקרת מנוע .(DCMCT) DCכל רכיב מאותר ומזוהה באמצעות מספר זיהוי ייחודי ) (unique IDעל הסביבה המבוקרת ,להלן ה Plant-של ה ,DCMT-כפי שמופיע באיור מס' .1 מס' זיהוי )(ID# 1 2 תיאור מנוע DC מקודד )אינקודר( מנוע מס' זיהוי )(ID# 3 4 תיאור מארז מנוע DC עומס דיסק טבלה :1מינוח רכיבי הDCMCT- ] - Plant [1הינו מונח מעולם המכניקה והמכונות המתאר את החלק של המערכת וסביבת העבודה הפיזיקאלית המבוקרת על ידי הבקר .המונח בא מעולם הדימויים של מפעל שמבוקר איור :1רכיבי הDCMCT- גרסה ● 02 :עמוד 2 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT .3.2 תיאור הסביבה המבוקרת ע"י הDCMCT - מערכת ה DCMCT-מורכבת ממנוע DCבעל מנוע סרוו המניע עומס דיסק .המגבר המצוי על הלוח, אשר מניע את המנוע ,מקבל אספקת מתח ממקור עצמאי של .± 24v DCמקור המנוע הינו מתח בעל טווח של .± 24vלמנוע יש אינקודר המודד את מיקומו ,טכומטר דיגיטלי המודד את מהירותו וחיישן זרם המודד את הזרם המעשי המוזן למנוע. ההנחה היא כי מערכת ה QNET-מוגדרת כראוי כפי שמוכתב בסימוכין ].[1 .4מטלה טרום-מעבדה עליך לקרוא ,להבין ולבצע חלק זה לפני שאת/ה מבצע/ת את המעבדה. מטרת ניסוי זה היא להציג מושגים של בקרה על-ידי חקירת המאפיינים וההתנהגויות של מנוע סרוו .DC אי-לכך ,קיימת חשיבות רבה בהכרת המאפיינים הפיזיקליים של המנוע. למנוע ה DC-יש מאפיינים חשמליים ומכניים כאחד .עבור הפרמטרים השונים המוגדרים בטבלה מס' ,2 המשוואות החשמליות המתארות את תגובת חוג-פתוח של מנוע ה DC-הן: ][1 Vm (t ) − Rm Im(t ) − Eemf (t ) = 0 ][2 ) Eemf (t ) = Kmω m (t וגם המשוואות המכניות המתארות את המומנט של המנוע הן: d )) ω m(t dt ][1 ][2 ( Tm(t ) = Jeq וגם וTm(t ) = Kt Im(t ) - סימון תיאור Vm מתח סופי של המנוע )(terminal יחידות V Rm התנגדות סופית של המנוע )(terminal resistance Ω Im זרם העוגן )(armature A Kt קבוע מומנט סיבוב )(torque N·m/A Km קבוע back-emfשל המנוע * )V/(rad/s ωm מהירות זוויתית של ציר המנוע rad/s Tm Jeq מומנט סיבוב של המנוע מומנט האינרציה של עוגן והעומס של המנוע N·m Kg·m2 טבלה :2מינוח רכיבי הDCMCT- * back-electromotive forceהינו הפרש המתח בין מתח העוגן לשדה המגנטי מסביב למנוע. כאשר הסימולים Tm , Jeq , ω m, Kt , Km, Imמתוארים בטבלה מס' .2 גרסה ● 02 :עמוד 3 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT .4.1 תרגיל :מידול חוג-פתוח גזור את פונקציית התמסורת בחוג-פתוח, ) Vm ( s ) , ω m ( sהמייצגת את מהירות מנוע ה DC-על-ידי שימוש במשוואת ].[4] ,[3] ,[2] ,[1 .5פגישת מעבדה .5.1 הגדרת חומרת המערכת פגישת המעבדה הזאת מבוצעת באמצעות מערכת ה NI-ELVIS-המצויידת בלוח QNET-DCMCT וקובץ צלמית יישום הבקרה של .Qnet_DCMCT_Lab_01_Speed_Control.vi - Quanserאנא פנה/י להמדריך בסימוכין ] [2עבור הוראות האתחול והחיווט הדרושים לצורך ביצוע מעבדת הבקרה הנ"ל .המדריך בסימוכין ] [2מספקת גם-כן את המאפיינים ותיאור של הרכיבים העיקריים המרכיבים את המערכת שלך. לפני תחילת המעבדה ,וודא/י כי המערכת מוגדרת כדלקמן: מודול ה DCMCT-של QNETמחובר ל.ELVIS- מתג התקשורת של ה ELVIS-נמצא במצב מעקף ).(Bypass מודול ה DCMCT-מחובר לספק חשמל ה.DC- 4 -נורות ה ,+B,+15V,-15V,+5V :LED-המצויות על מודול ה QNET-נמצאות במצב דלוק. .5.2 מהלך המעבדה החלקים הבאים מתאימים לטאבים ) (tabsשל היישום ,המוצג באיור .2אנא עקוב/עקבי אחר השלבים הבאים: שלב – 1קרא את חלק 5.1ועבור על מדריך ההתקנה בסימוכין ].[2 שלב – 2הרץ את היישום QNET_DCMCT_Lab_01_Speed_Control.viהמוצג באיור .2יישום בקרת המהירות המופיע באיור 2הוא התוכנית ברמה העליונה ,אשר תדריך אותך במהלך המעבדה. ** צלמית = VI צלמית היישום הינה היררכיה אחת מיני רבות של יישום שלם ומלא בתוכנת המידול והתכנות LabVIEW של חברת .National Instrumentsבהיררכיה העליונה קיימת הצלמית הראשית. קייימות צלמיות הקרויות ,sub-VIשהינם צלמיות לכל דבר ,רק נמצאות בהיררכיה מתחת לראשית/עליונה. גרסה ● 02 :עמוד 4 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT איור :2קובץ יישום VIשל מבט על למעבדת בקרת מהירות של QNET-DCMCT שלב – 3כפי שהתגלה בתרגיל טרום-המעבדה ,קיימים שלושה מאפיינים הקובעים את אופן הפעולה וההתנהגות של מנוע סרוו :DC ) (1ההתנגדות החשמלית של המנוע ) – (Rmתכונה חשמלית של מנוע .היא מתארת את תגובת המנוע למתח נתון וקובעת את כמות הזרם שיוכל לעבור דרך המנוע. ) (2קבוע המומנט הסיבוב של המנוע ) – (Ktמתאר את המומנט שהמנוע מייצר -בעל יחס ישיר לזרם העובר דרך המנוע .שים/י לב כי קבוע , Km ,back-emfשווה לקבוע המומנט הסיבוב של המנוע.Kt , ) (3מומנט האינרציה ) – (Jeqמומנט האינרציה של עומס הדיסק ושל ציר המנוע. שלושת הפרמטרים האלה של מודל חוג-פתוח יזוהו. שלב – 4בחר בלשונית שערוך פרמטרים ) ( "Parameter Estimation" tabאשר פותח את צלמית תת-היישום כפי שמוצג באיור .3 גרסה ● 02 :עמוד 5 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT איור :3צלמית יישום )) Parameter Estimation (viשערוך פרמטרים( שלב – 5הזרם עובר דרך עוגן המנוע ,המהירות של ציר המנוע ,ההתנגדות הסופית של המנוע וקבוע המומנט הסיבוב נמדדים באמצעות מד-המהירות )טאכומטר( וחיישן הזרם .הם מוצגים באמצעות השעונים השונים המוצגים באיור .3המתח הנכנס למנוע ,Vm ,נשלט באמצעות החוגה בחלק האמצעי-עליון של היישום .לוח המחוונים בחלקו הימני-עליון מכיל כפתור 'דגום' ) (Acquire Dataאשר עוצר את צלמית היישום כאשר נלחץ .בנוסף לכך ,הלוח מכיל מחוון 'זמן דגימה' ) ,(Acquisition Timeהמציג את משך זמן הסימולציה של צלמית היישום ,בקר שיכול לשנות את קצב הדגימה שבו הבקר האנלוגי דוגם ונורית המראה האם הבקר משמר קצב זמן-אמת .זמן-אמת נשמר כאשר צלמית היישום איננה מאבדת דגימות מהחיישנים. אם הנורית אדומה או מהבהבת ,משמעות הדבר היא שאין ליישום כח חישוב מספק כדי שצלמית היישום תעמוד בקצב של החיישנים .במקרה כזה ,האט את קצב הדגימה ואתחל את צלמית היישום על-ידי לחיצה על כפתור הדגימה כדי לסגור את צלמית היישום ובחירה בלשונית ) (tabהערכת פרמטרים ) (parameter estimationכדי לטעון את הצלמית מחדש. שלב – 6הגבר/י את המתח של המנוע במרווחים של 1Vהחל מ -5V -ועד ל .+5V -בכל מרווח, מדוד/מדדי את מהירות המנוע ,את הזרם העובר דרך המנוע ואת זרם ההשהיה .זרם ההשהייה נמדד כאשר העומס נשמר בצורה שלא מאפשר למנוע להסתובב יותר .תעד/י את ממצאיך בטבלה .3 גרסה ● 02 :עמוד 6 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT מתח מנוע )(V -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 זרם מנוע )(A מהירות מנוע )(rad/s זרם השהייה )(A טבלה :3מדידות שערוך הפרמטרים שלב – 7לחץ/י על מחוון Acquire Dataלאחר שכל המדידות הסתיימו על-מנת להמשיך עם המעבדה. שלב – 8מדידות אלה משמשות לזיהוי הפרמטרים הפיזיקליים של המנוע המסויים שברשותך. בהמשך ,המודל המתמטי שכעת מפותח ישמש לתכנון הבקר .וודא/י שאותה מערכת שמשמשת אותך לפיתוח המודל תשמש אותך בעת יישום מערכת הבקרה .כפי שנידון מוקדם יותר ,יש לזהות שלושה פרמטרים – ההתנגדות חשמלית ,קבוע המומנט הסיבוב של המנוע ומומנט האינרציה בהתאמה. שלב – 9זכור/זכרי כי המשוואות החשמליות של מנוע ה DC-הן: ][5 Vm (t ) − Rm Im(t ) − Eemf (t ) = 0 ][6 ) Eemf (t ) = Kmω m (t וגם כפי שמשוואה ] [6מתארת ,אם לא מאפשרים למנוע להסתובב )לדוגמא המנוע מושהה( ,אין מתח .back-emfאי-לכך ,אם Eemf=0 vכאשר , I=Istallמשוואה ] [5הופכת ל- ) Vm(t ) Istall (t ][7 = Rm שלב – 10ניתן להעריך את התנגדות המנוע על-ידי העתקת מדידות זרם ההשהיה מטבלה מס' 3 לטבלה מס' 5וחישוב Rmבכל מרווח מתח על-ידי שימוש בביטוי ב .[7]-ההערכה של התנגדות המנוע תמצא על-ידי חישוב הממוצע של עשרת החישובים. מתח מנוע )(V -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 זרם השהייה )(A התנגדות משוערכת )(Ω התנגדות ממוצעת: טבלה :4שערוך התנגדות חשמלית גרסה ● 02 :עמוד 7 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT שלב – 11הפרמטר השני של המודל שיש למצוא הוא קבוע מומנט הסיבובי של המנוע ,המסומן ב- .Ktבהינתן שביחידות ,Kt=Km (mks) SIשילוב המשוואת ] [5ו [6]-ופיתרונן עבור קבוע המומנט הסיבובי נותן: ) Vm(t ) − Rm Im(t ) ω m(t ][8 = Kt ניתן לחשב את קבוע המומנט הסיבוב בכל מרווח מתח באמצעות מהירות המנוע והזרם שהוקלט בטבלה מס' ,3בתוספת ההתנגדות החשמלית המשוערכת בטבלה מס' .4ההערכה הסופית של קבוע מומנט הסיבובי של המנוע נמצאת על-ידי חישוב הממוצע של עשרת קבועי המומנט .השלם את טבלה מס' .5 מתח מנוע )(V -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 מהירות המנוע )(rad/s זרם המנוע )(A קבוע המומנט המוערך )(N·m/a קבוע המומנט הממוצע: טבלה :5שערוך קבוע מומנט הסיבוב של המנוע שלב – 12הפרמטר האחרון שיש לחשב הוא מומנט האינרציה .במקרה של מודול ה ,QNET-ישנו עומס על הדיסק המחובר לציר המנוע .מומנט האינרציה של דיסק המסתובב סביב צירו הוא: ][9 mr 2 2 = Jl מומנט האינרציה של הדיסק בו נעשה שימוש במערכות QNETהוא 0.000015ק"ג מ .2ציר המנוע מוסיף גם הוא למומנט האינרציה של המערכת ושונה במקצת בכל מודול של .QNET המומנט המשוקלל ,Jeqיחושב על-ידי ויסות ) (fittingהמודל למערכת עצמה מאוחר יותר. שלב – 13לחץ על לשונית ) (tabמאפייני החוג-פתוח ) (Open-Loop Propertiesוצלמית היישום המוצגת באיור מס' 4אמורה להיטען. גרסה ● 02 :עמוד 8 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT איור :4מאפייני מערכת חוג-פתוח שלב – 14הזן את הערכים המשוערכים של Rm, Ktו .Jeq-התגובה אמורה להישתנות בהתאם. שלב – 15תגובת המרווח של המנוע היא התגובה של מהירות המנוע לשינוי מתח של .1Vדיאגרמת בודה ) (Bodeממפה את תגובת מהירות המנוע לתדר נתון .שים/י-לב כי העוצמה נמדדת בדציבלים )(dB ונחלשת בתדרים גבוהים יותר .נצל/י את ההזדמנות הזו על-מנת לחקור את המודל של המערכת בכך שתשנה/י את שלושת הפרמטרים של המודל ותצפה/י כיצד כל אחד מהם משנה את תגובת המרווח, דיאגרמת bodeופונקציית התמסורת .לדוגמא ,צפה/י כיצד peak timeו setting time-מתקצרים ככל שהאינרציה Jeqגוברת. שלב – 16לאחר שמאפייני החוג-הפתוח נחקרו ,וודא/י כי הפרמטרים מוחזרים למצב בו הם זוהו לראשונה .בחר/י בלשונית ויסות מודל ) (Model Fittingהטוען את צלמית היישום המופיע באיור מס' 5 והמשך/י עם המעבדה. גרסה ● 02 :עמוד 9 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT איור :5ויסות המודל שלב – 17כפי שמתואר באיור מס' ,5הסקופ )מסך המציג את האותות( מציג את הסימולציה של תגובת מהירות המנוע ,הנוצרת בעזרת המודל המתמטי שפותח ,ותגובת מהירות המנוע האמיתית ,הנמדדת על-ידי מד-המהירות .המנוע של QNETמופעל על ידי מחולל אותות. שלב – 18הכנס/י את ערכי Rmו Kt-המשוערכים אל תוך משתני המודל .בחר/י בכפתור ה-עדכן מודל ) (Update Modelושים/י-לב שהסימולציה בדיאגרמה משתנה מכיוון שהיא מדמה את המערכת בעזרת פרמטרים חדשים. שלב – 19שנה את פרמטר האינרציה Jeqעד שהתגובה הממודלת תחל להתאים לתגובה האמיתית .כפי שצוין מוקדם יותר ,האינרציה של עומס הדיסק ידועה אך האינרציה של ציר המנוע לא ידוע. זכור/י ללחוץ על כפתור ה Update Model-לאחר שינוי פרמטר של המודל על-מנת לראות את השינויים בסימולציה. שלב – 20בנוסף לכל ,ניתן לשנות את קבוע המומנט הסיבוב Ktואת קבוע התנגדות המנוע Rm על-מנת לכייל את המודל בצורה מדוייקת .ברגע שהסימולציה מתאימה לתגובה האמיתית, הקלט את Jeq, Ktו Rm-הסופיים שהתקבלו ולחץ על כפתור ה Acquire Data-כדי להתקדם לתכנון הבקר .הקלט את הפרמטרים הנ"ל לשימוש בפגישת המעבדה הבאה – מעבדת DCMCTמס' – 2בקרת מיקום. , גרסה ● 02 :עמוד 10 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT פרמטר ויסות למודל Rm Kt Jeq מדידה יחידה Ω N·m/A Kg·m2 טבלה :6פרמטרים לויסות המודל שלב – 21כעת יש לבחור את לשונית תכנון בקר) .(controller Designכפי שמוצג באיור מס' ,6 בלוק מודל המנוע ) (Motor Modelהינו פונקציית התמסורת המייצגת את מערכת החוג-הפתוח וקובית בקר ה PI-הוא מערכת הבקרה שיש לתכנן .שני הבלוקים נמצאים בלולאת משוב שלילית ,ובכך הופכים את המערכת למערכת בקרה חוג-סגור .כברירת מחדל ,אות הבדיקה הוא בקפיצות של .deg/s 100מערכת הבקרה אמורה להוציא מתח למנוע שיבטיח כי המנוע אכן ישיג את המהירות הרצויה. איור :6תכנון הבקר שלב – 22שני המחוונים הבקרה העגולים באיור מס' 6משנים את הגבר הפרופורציוני Kpואת ההגבר האינטגרלי ,Kiשל הבקר .תשנה/י את הההגברים Kpו Ki-כפי שמופייע בטבלה מס' 7 ותעד/י את השינויים בתגובת מדרגה ) (step responseואת השינויים ב-ביצועי הבקר ).(Controller performance גרסה ● 02 :עמוד 11 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT Steady-State )Error (% Setting Time )(s Max. Overshoot )(% Rise )Time (s Ki )(V/rad·s 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 Kp )(V/rad 0.00 0.03 0.05 0.08 0.10 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 טבלה :7ביצועי הבקר שלב – 23בכלליות ,האפיון והביצועים הנדרשים ממערכת בקרה משתנים בהתאם לצרכים של המערכת בכללותה והמגבלות הפיזיקליים של המערכת .מצא/י את הגברי הבקר KpוKi- שמתאימים לדרישות הבאות של מערכת ה DCMCT-בצורה המירבית: (1מקסימום זמן עליה ) (rise timeשל 0.15שנ'. (2תגובת-יתר ) (Overshootפחות מ.5% - (3זמן יצוב ) (Setting timeפחות מ 0.25 -שנ'. (4שגיבת מצב יציב ) (Steady-stateשל ) 0%לדוגמא ,מהירות מנוע נמדד צריך להתכנס למהירות פקודה(. שלב – 24לאחר שההגברי הבקרים משיגים תגובת חוג-סגור המתאימה לאפיון הדרוש ,הכנס/י את ערכי ה Kp -ו Ki-שמופיעים בשורה האחרונה של טבלה מס' ,7יחד עם תוצאות מאפייני זמן התגובה התואמים ).(response time-domains שלב – 25בחר/י את הלשונית מימוש הבקר ) (Controller Implementationעל-מנת לטעון את צלמית היישום המופיע באיור מס' .7על הבקר שתוכנן כעת להיות מיושם במערכת מנוע הDC- של .QNETהצג ביישום השמשת הבקר ,כפי שמופיע באיור מס' ,7מציב את מהירות המנוע המסומלצת מהמודל המתמטי ואת המהירות האמיתית בחוג-הסגור כפי שהיא נמדדת על-ידי מד-המהירות. גרסה ● 02 :עמוד 12 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT איור :7מימוש בקר ) PIפרופורציוני אינטגלי( שלב – 26וודא/י כי קבועי הפרופורציוני והאינטגרלי שתוכננו להתאים לדרישות ,מופיעים בלוח הגברי הבקר) (Controller Gainsהמוצג באיור מס' .7מחולל הפונקציות בלוח מהירות רצויה ) (Desired Speedמשמש ליצור את מהירות הבקרה ליחוס .קבע/י את אות המהירות הנשלטת לגל מרובע בעל אמפליטודה של 100מעלות לשנייה. ממש/י את הבקר עבור אותה המערכת ממנה פותח המודל .דבר זה יבטיח שהבקר לא מבוסס על מודל שעלול לא לייצג את המנוע שלך. שלב – 27אם תגובת החוג-הסגור האמיתית או המדומה כבר לא עונה לדרישות ,כוון את הבקר בלוח הגברי הבקר .הקלט את Kpו Ki-הסופיים שהשתמשתם ואת מאפייני ביצועי הבקרה המתקבלים של תגובת החוג-הסגור – Rise Time, Max. Overshoot, Setting Time, – Steady-State Errorבטבלה מס' .8 יחידות V/rad V/rad·s s % s deg/s ערך נמדד הגדרות Kp Ki Rise Time Max. Overshoot Setting Time Steady-State Error טבלה :8ביצועי החוג-הסגור האמיתיים שלב – 28שנה/י את האמפליטודה ,התדר ו/או סוג של אות הבקרה )סינוס ,שן-מסור וריבוע( ושים/י-לב לשינויים בהתנהגות התגובות. גרסה ● 02 :עמוד 13 מדריך מעבדת בקרת מהירות של DCMCT שלב – 29עצור את יישום הבקר על-ידי לחיצה על כפתור דגום מידע ) (Acquire Dataוזה יעביר אותך ללשונית מודל מתמטי ) .(Mathematical Modelכבה את מתג הכוח PROTOTYPING POWER BOARDואת מתג SYSTEM POWERבצד האחורי של יחידת ה .ELVIS-נתק את כבל )זרם-החילופין( ACשל המודול .לבסוף ,סיים את מפגש המעבדה על-ידי לחיצה על כפתור ה-עצור ) (Stopבצלמית היישום. גרסה ● 02 :עמוד 14
© Copyright 2024