Постановка задачи позиционирования. Модернизация экспериментального стенда
В статье [1] приведены описание и результаты экспериментального исследования равномерности перемещения рабочего органа робототехнической системы с пневмоприводом на основе обычных пневмоцилиндров, выпускаемых фирмой Festo. Обычными в [1] назывались пневмоцилиндры, у которых конструктивно не предусмотрен датчик текущего положения штока и отсутствует возможность управления скоростью перемещения штока. Другим классом задач управления пневмоприводом, представляющих интерес с точки зрения использования в робототехнике, являются задачи точного позиционирования рабочего органа и его удержания в заданном положении при наличии возмущающих воздействий. Для решения подобных задач фирмой Festo выпускается линейка пневмоцилиндров-позиционеров (далее ПП), оснащённых аналоговым датчиком положения штока и используемых в совокупности с пропорциональным пневмораспределителем, который обеспечивает управление текущей скоростью перемещения штока [2].В Специальном конструкторско-технологическом бюро прикладной робототехники МГТУ им. Н.Э. Баумана (СКТБ ПР) была выполнена работа по экспериментальной отработке алгоритмов управления ПП. Для проведения экспериментов был использован соответствующим образом модернизированный стенд [1]. В состав модернизированного стенда входили:
- ПП CRDNGI-125-150-CC (диаметр цилиндра 125 мм, ход поршня 150 мм, рис. 1);
- пропорциональный пневмораспределитель MPYE-5-1/8-LF-010-B (рис. 2);
- технологический пульт управления с ручным задатчиком положения штока ПП (рис. 3);
- IBM PC совместимый программируемый контроллер ADAM-5510E. В отличие от стенда, использованного в [1], в слотах контроллера были установлены 8-канальный модуль аналогового ввода ADAM-5017 и 4-канальный модуль аналогового вывода ADAM-5024 (рис. 4).
В ряде экспериментов вместо модуля ADAM-5017 использовался модуль ADAM-5017P. Во флэш-памяти контроллера ADAM-5510E записано прикладное программное обеспечение (набор исполняемых модулей) для управления работой ПП. В остальном оснащение стенда аналогично [1]: - компьютер-ноутбук (далее - компьютер) с установленными утилитами для программирования контроллера ADAM-5510E, соединённый с контроллером по интерфейсу RS-232;
- блок подготовки воздуха со встроенным фильтром MSB6-1/2:B1:J4:F11-WP;
- пневмолиния, состоящая из воздушного компрессора, магистральных трубопроводов и присоединительной арматуры;
- блоки питания с выходами 5 В постоянного тока (питание датчика обратной связи ПП) и 24 В постоянного тока (питание контроллера ADAM-5510E и пропорционального пневмораспределителя MPYE-5-1/8-LF-010-B);
- монтажная плита для установки и фиксации ПП;
- монтажный комплект для ПП;
- пневмошланги различных диаметров;
- соединительные кабели, клеммники.
Структурная схема экспериментов
Вспомогательные задачи
Для отработки алгоритма управления ПП необходимо решить ряд вспомогательных задач.- Определить чувствительность пневмопривода, то есть экспериментально найти значение ΔUmin - минимальную величину смещения золотника, при котором шток ПП начинает движение.
- Получить таблицу соответствия значений расстояния, на которое выдвинут шток, и показаний датчика положения штока S8.
- Разработать и реализовать алгоритм управления перемещением штока, позволяющий выдвинуть шток ПП в заданное положение.
- Определить, с какой точностью шток приходит в указанное положение, а также границы зоны вокруг заданного положения штока, внутри которой должна быть установлена минимальная скорость движения штока ПП, чтобы шток точно останавливался в нужном месте без перебега и перерегулирования.
Необходимо также выполнить следующие действия.
- Экспериментально определить границы зон регулирования (в виде соответствующих показаний датчика S8) и оптимальное значение скорости штока в каждой из зон.
- Разработать и реализовать алгоритм управления ПП в режиме слежения2.
- Обеспечить работу ПП от ручного задатчика R8 технологического пульта управления. Напряжение с выходов R8 интерпретируется управляющей программой как задание требуемого положения штока в долях от его полного хода (рис. 3). Считывая в реальном времени показания датчика положения штока S8, управляющая программа должна перемещать шток ПП в положение, задаваемое R8, в соответствии с описанным алгоритмом регулирования скорости по ступенчатому закону. При достижении штоком заданного положения управляющая программа должна автоматически переходить в режим слежения.
- Определить абсолютное и относительное изменение мгновенной скорости перемещения штока в зависимости от времени его перемещения.
- Определить скорость считывания и частоту обновления данных модулями аналогового ввода ADAM-5017 и ADAM-5017P. Точность отработки штоком ПП заданного положения непосредственно зависит от скорости считывания показаний датчика S8 (и показаний ручного задатчика R8) модулем аналогового ввода ADAM-5017 (или ADAM-5017P) и их последующей обработки контроллером.
Прикладное программное обеспечение контроллера ADAM-5510E для управления ПП
Для экспериментального решения перечисленных задач в СКТБ ПР было разработано прикладное программное обеспечение, в состав которого входят управляющие программы SENSDRIV, TABLEPOS, POSITION, FOLLOWUP, HANDRIVE, TABTIMER. Исходные тексты программ написаны на языке C++ для компилятора Turbo C 3.0 и операционной системы ROM DOS 6.0 контроллера ADAM-5510E, исполняемые модули записаны во флэш-память контроллера. По интерфейсу RS-232 команда на запуск каждой из программ с соответствующими параметрами, набранная в командной строке на компьютере, передаётся в контроллер. Окончание ввода команды с параметрами определяется по нажатию клавиши Enter в конце вводимой строки. Повторное нажатие клавиши Enter приостанавливает выполнение программы для ввода новых значений параметров. При нажатии клавиши Esc выполняется выход из программы, при этом шток останавливается (на входы катушки Y80 подаётся напряжение +5 В с учётом дрейфа нуля3). С контроллера на экран компьютера выводятся результаты работы программы. Программы реализуют следующие функции управления движением штока ПП.- SENSDRIV предназначена для экспериментального определения чувствительности привода. Параметром при запуске программы является величина смещения золотника (со знаком плюс или минус). Шток начинает движение с заданной скоростью сразу по окончании ввода параметра и продолжает его до тех пор, пока на клавиатуре не будет повторно нажата клавиша Enter. Скорость движения штока будет изменена, если после его остановки с клавиатуры вводится новое значение смещения золотника.
- TABLEPOS предназначена для построения таблицы соответствия значений расстояния, на которое выдвинут шток ПП, и показаний датчика S8 положения штока. Параметрами, задаваемыми при запуске программы, являются смещение золотника (со знаком плюс или минус) и временно́й интервал в миллисекундах, в течение которого будет поддерживаться заданная скорость. Шток начинает движение с заданной скоростью сразу по окончании ввода параметров и останавливается по истечении заданного интервала времени. Далее можно установить новые значения параметров, после чего цикл перемещения штока повторится.
- POSITION предназначена для экспериментального определения значений параметров, необходимых для позиционирования штока ПП в заданное положение. При запуске программы задаются следующие параметры:
- скорость движения штока в виде смещения золотника;
- значение показания датчика S8, которое должно быть достигнуто в результате перемещения штока;
- Величина окрестности около требуемого значения показаний датчика S8, внутри которой должно оказаться текущее значение показаний датчика S8 в результате перемещения штока.
Сравнивая текущее значение показаний датчика S8 в момент начала движения и требуемое значение, программа определяет направление движения штока с заданной скоростью. Шток должен быть остановлен, когда текущее значение показаний датчика S8 окажется внутри заданной окрестности около требуемого значения. - FOLLOWUP позволяет задать значение показания датчика S8, которое должно быть достигнуто в результате позиционирования. Программа запускается без параметров и после старта ожидает ввода с клавиатуры требуемого показания датчика. По знаку и величине рассогласования значений текущего и требуемого показаний в программе определяется направление движения штока и выбирается величина начального смещения золотника. Абсолютная величина этого смещения может составлять 1000 мВ, что соответствует максимальной маршевой скорости движения штока, 800, 700 мВ и т.д. с шагом 100 мВ, вплоть до 300 мВ. В качестве величины зоны точной остановки штока в заданном положении принято значение 10 мВ. В процессе движения штока к заданному положению происходит постоянное считывание текущего значения показания датчика S8 и реализуется ступенчатое изменение скорости штока с шагом 100 мВ в зависимости от величины и знака рассогласования с требуемым значением показания S8. Движение штока прекращается после того, как значение текущего показания датчика S8 окажется в окрестности ±10 мВ от заданного значения. После завершения процесса позиционирования управляющая программа переходит в режим слежения, позволяющий удерживать шток ПП в заданном положении при наличии внешней возмущающей нагрузки. Алгоритм режима слежения по сути представляет собой алгоритм позиционирования4 со ступенчатым (700, 500, 300 мВ) изменением смещения золотника в зависимости от величины и знака рассогласования между значениями текущего и требуемого показаний датчика положения штока в 200, 100, 50 мВ соответственно5. Это рассогласование возникает в результате изменения положения штока при воздействии на него внешней возмущающей нагрузки. Движение штока прекращается, когда это рассогласование благодаря режиму слежения становится меньше 10 мВ.
- HANDRIVE реализует позиционирование штока ПП в положение, задаваемое ручным задатчиком R8 технологического пульта управления. Программа запускается без параметров и после старта выполняет считывание с входов модуля ADAM-5017 текущего показания S8 и значения показания, задаваемого R8. Это значение должно быть приведено к диапазону показаний S8, соответствующему полному ходу штока ПП. В зависимости от величины и знака рассогласования значений текущего показания S8 и приведённого значения показания R8 выбирается величина начальной скорости и направление перемещения штока. Далее реализуется ступенчатое изменение скорости штока (от 1000 до 300 мВ с шагом в 100 мВ) и корректировка направления его движения в соответствии с текущим значением и знаком этого рассогласования. Движение штока прекращается после того, как величина рассогласования становится меньше 10 мВ. После этого программа переходит в режим слежения. Этот режим аналогичен режиму слежения программы FOLLOWUP за исключением следующего: при изменении положения ручного задатчика R8 происходит возврат в режим позиционирования для перемещения штока в новое положение, соответствующее новому значению показания R8, тем самым реализуется режим позиционирования штока при динамически изменяющемся задании положения для позиционирования.
- TABTIMER позволяет записать во флэш-ПЗУ контроллера ADAM-5510E файл SENSDATA, содержащий данные циклического считывания показаний датчика S8 при движении штока ПП из текущего положения в одно из предельных положений - полностью выдвинут или полностью втянут. Вместе с результатами циклического считывания в файл данных записываются метки точного времени, полученные с помощью системного таймера контроллера ADAM-5510E. Результаты экспериментов позволяют рассчитать функцию изменения во времени линейной скорости перемещения штока ПП при фиксированном значении смещения золотника, а также оценить возможности модулей ADAM-5017 и ADAM-5017P по скорости считывания и частоте обновления показаний, полученных с датчика S8. Эти параметры непосредственно влияют на точность отработки заданного положения в режиме позиционирования и в режиме слежения.
Результаты экспериментов. Выводы
Посредством программы SENSDRIV была экспериментально определена чувствительность пневмопривода: ΔUmin = ± 500 мВ. Существование такого минимального порогового значения расхода воздуха, при котором начинается движение штока из состояния покоя, может быть объяснено наличием перетеканий через зазор между поршнем и поверхностью скольжения пневмоцилиндра, приводящих к скачкообразным изменениям скорости перемещения штока при малых расходах воздуха, подаваемого в полость нагнетания [1]. Минимальное пороговое значение расхода воздуха через золотник, соответствующее началу движения штока ПП, является оценкой сверху величины этих перетеканий.3Явление дрейфа нуля было обнаружено непосредственно в ходе экспериментов и состоит в следующем. В зависимости от положения штока, а также направления и скорости его предшествующего движения, значение напряжения, которое должно быть подано для полной остановки штока, может отличаться от +5 В. Экспериментально было установлено, что величина этой поправки составляет не более 60 мВ по абсолютной величине и всегда отрицательна. Можно предположить, что причинами дрейфа нуля являются, во-первых, инерционность механической системы поршень–шток, во-вторых, особенности истечения воздушной струи при малых сечениях сопла, когда золотник почти перекрывает отверстие истечения, в-третьих, несимметричность механических характеристик пружин, входящих в конструкцию пропорционального пневмораспределителя и воздействующих на золотник при его перемещениях. Для вычисления поправки эмпирическим путём была определена ступенчатая функция и написана специальная подпрограмма, которая использовалась во всех программах эксперимента для компенсации дрейфа нуля при остановке штока. Следует отметить, что для разных экземпляров пропорционального пневмораспределителя величина поправки и эмпирическая функция для её вычисления, скорее всего, будут отличаться.
5Представленные значения параметров ступенчатого регулирования скорости при позиционировании штока в заданное положение и в режиме слежения были определены экспериментально, в результате многократных прогонов программы FOLLOWUP с различными параметрами и различными возмущающими воздействиями на шток.
Литература
- Гамазов Н. Экспериментальное исследование работы пневмопривода. Часть 1 // Современные технологии автоматизации. - 2014. - № 3.
- Линейные позиционеры DLPI/DNCI/DNGI/CRDNGI с электропневматическим управлением [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://festo.kiev.ua/files/DNGI_RU.pdf.
- ADAM-5000 Series I/O Module : User's Manual [Электронный ресурс] // Режим доступа:http://asutp.prosoft.ru/cms/f/426816.pdf.