Internet alapú kísérleti mérőrendszer fejlesztése és egyenáramú motoros mérési elrendezés szabályozása különböző csúszómód algoritmusokkal
Az évtized egyik legfontosabb irányzata az Ipar 4.0: a mindennapi gyártás folyamán megjelennek a kiber-fizikai rendszerek, az egymással interneten / egyéb hálózatokon keresztül kommunkálió robotok. Az oktatás során is fontos az új mérnök generációt a 21. század kihívásaira felkészíteni. Ebben a dolgozatban bemutatott informatikai rendszer ezt a célt szolgálja: lehetővé teszi, hogy egy évfolyamnyi hallgató használjon egy olyan szabályozástechnikai labort a hét minden napján, 24 órában, ahol saját maga írhatja meg és próbálhatja ki oktatói felügyelete nélkül, teljesen biztonságosan különböző szabályozók viselkedését. A rendszer lehetővé teszi a rendszer online felügyeletét egy webkamerán keresztül, illetve lehetőség van a futó programunknak futás időben parancsot kiadni socketen kereszül. Az internetes felületen a hallgató a saját fiókjába belépve, a tananyag önálló feldolgozását követően megírhatja a szabályozó programkódját. Ezt követően a programkód a mérési elrendezés felé továbbítódik. A kísérlet futását követően kiemelezheti az eredményeket az online diagram segítségével, illetve MATLAB programba letöltve lehet analizálni. A mérőrendszer dinamikusan bővíthető különböző mérési elrendezésekkel, illetve visszajelez az oktatóknak a hallgató által elvégzett munkáról.
Egy darab mérési elrendezés került implementálásra: a vizsgált mechanikai rendszer egy DC motorból, és annak tengelyéhez egy viszonylag merev tengelykapcsolóval csatolt hengeres tömegből áll. A tengely és tengelykapcsoló rugalmassága elhanyagolható, így a DC motor és a hengeres tömeg tehetetlenségi nyomatékai összegezhetők. Az egyszerűsített modell tehát egy egy energiatárolós (tömeg) lineáris rendszer. A beavatkozást a motor áramának, vagyis nyomatékának vezérlésével oldjuk meg, ami a tengelyen keresztül a tömeget gyorsítja. A szabályzás végcélja egy adott elfordulási szög, pozíció beállítása. A vizsgálat fő célja a különböző típusú csúszómód szabályozók kísérleti eredményekre alapozott összehasonlítása a vizsgált mechanikai rendszer pozíció szabályzásának megoldása során.
Az alkalmazott csúszómód szabályzó egy nem lineáris, robusztus szabályzórendszer, mely jól alkalmazható változó körülmények, nem lineáris rendszerek esetén is. Az alap gondolat: kényszerítsük az állapottrajektóriát az n dimenziós állapottért egy n-1 dimenziós, előre definiált hiperfelületére úgy, hogy a felület által kihasított térrészekben más-más, a trajektóriát a felület felé kényszerítő beavatkozó jelet definiálunk. Ha a trajektória a felületen, vagy annak közelében mozog, úgy a rendszert leíró differenciálegyenletek egyszerűsíthetők. Végső soron egy könnyen implementálható robusztus szabályozót kapunk, ami a bonyolult elméleti háttér ellenére is jól felhasználható. A rendszer problémája az úgynevezett csattogás, mely a definiált hiperfelület körüli lengéseket jeleneti. Ennek fő oka a nem modellezett dinamika és a beavatkozás időkésése illetve a digitális rendszer mintavételezése, a beavatkozás pontatlansága. Jelen rendszer esetén az állapottér a tengely elfordulása és annak deriváltja, a szögsebesség által kifeszített sík.
A különböző szabályozókat a következő módszerekkel vizsgáljuk: elméleti úton, egyenletek felírásával, szimuláció útján, konkrét mérési eredmények alapján. Az elméleti megközelítés mindössze az egyenletek felírásából, stabilitás vizsgálatból, optimális paraméterek elméleti becsléséből áll. A szimulációhoz egy általunk Mathematica szoftver segítségével írt egyszerű szimulátor áll rendelkezésre, ahol a megadott paraméterű rendszer egyenleteinek, megadott mintavételezési idő és beavatkozó jel melletti megoldása és megjelenítése a feladat. A kihívást itt a nem lineáris, szakaszos egyenletfelírás és megoldás jelenti. A szimulációban alkalmazott modell erősen leegyszerűsített.
Az eredmények kiértékelése során a szabályzó rendszer dinamikai tulajdonságait, beállási gyorsaságát, hibáját, stb... vizsgáljuk. Elsőként a kísérletileg mért eredményeket vetjük össze az elméleti úton levezetett ideális viselkedéssel illetve szimulációval. A cél továbbá a szabályzó robusztusságának igazolása. Másodsorban a szabályozók egymáshoz képesti teljesítményét hasonlítjuk össze főként a kísérleti eredményekre támaszkodva.
szerzők
-
Kovács Benjamin
Mechatronikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc) -
Tihanyi Dániel
Mechatronikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Korondi Péter
, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék