Интеллектуальные системы управления

Системы управления, построенные на основе регуляторов, имитирующих действия человека-оператора в условиях неопределенности характеристик объекта и внешней среды, называются интеллектуальными системами управления (intelligent control systems).

Главной особенностью современного этапа развития мехатронных модулей является интеллектуализация процессов управления их функциональными движениями. По сути речь идет о разработке принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена интеграция всех трех компонент -электромеханической, электронной и компьютерной. Техническая реализация интеллектуальных мехатронных модулей движения (ИММД) стала возможной благодаря бурному развитию в последние годы микропроцессорных систем, ориентированных на задачи управления движением. Постоянное совершенствование производственных технологий ведет к стабильному снижению стоимости аппаратных средств, что сделало их к настоящему времени рентабельными для практического внедрения.

Рассмотрим общую структуру однокоординатного мехатронного модуля. Устройство компьютерного управления (УКУ) имеет два входных информационных канала: интерфейс И1 связывает его с верхним уровнем управления и интерфейс И4 - с сенсорами и один выходной канал (интерфейс И2), через которой поступают управляющие команды на исполнительный привод. Соответственно можно выделить три направления интеллеклуализации мехатронных модулей движения, которые классифицируются в зависимости от интерфейсных точек интеграции :

I. Развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управляющий контроллер с компьютером верхнего уровня в единый аппаратно-программный управляющий комплекс (интерфейс И1).

II. Создание интеллектуальных силовых модулей управления путем интеграции управляющих контроллеров и силовых преобразователей (интерфейс И2).

III. Разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей, которые
дополнительно к обычным измерительным функциям осуществляют
компьютерную обработку и преобразование сигналов по гибким программам (интерфейс ИЗ). Рассмотрим тенденции и способы технической реализации УКУ в современных мехатронных модулях.

Контроллеры движения

Первое из указанных направлений заключается в создании нового поколения компьютерных устройств, позволяющих пользователю гибко и быстро решать весь комплекс задач управления движением модуля.

Укрупненно можно разделить задачу управления движениями мехатронных систем на две основные части: планирование движения и его исполнение во времени. Задачу планирования движения и автоматизированного формирования программы управления решает компьютер верхнего уровня , который получает целеуказание от человека-оператора. Функцию расчета и выдачи управляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре УКУ является обоснованным с точки зрения разделения решаемых подзадач управления.

Каждому из перечисленных этапов соответствуют определенные уровни в иерархической структуре системы управления. Современные контроллеры обычно реализуют управление с обратной связью по положению и/или скорости управляемого механического объекта, т.е. мехатронная система управления является замкнутой на исполнительном уровне. Принцип разомкнутого управления в настоящее время используется только в системах управления шаговыми двигателями. Такие двигатели применяются, например в графопостроителях, плоттерах, поворотных столах и других устройствах, которые не испытывают существенных возмущающих воздействий. В оборудовании автоматизированного машиностроения (металлорежущих станках, технологических роботах) обеспечить приемлемую точность движения можно только используя замкнутые системы управления.

Для реализации функциональных движений контроллеры имеют также дополнительные входы/выходы для связи с внешним оборудованием (рис.4). Как правило, это сигналы, дискретные по форме (I/O). Здесь уместно обратить внимание на очень широкое распространение в промышленных системах автоматики программируемых логических контроллеров (ПЛК). Главная задача ПЛК - это эффективные операции исключительно с дискретной информацией. Поэтому построение на базе ПЛК систем управления движением мехатронными модулями, и тем более мехатронными системами, логически нецелесообразно. Но при этом возможен обмен информацией между контроллерами управления движением и ПЛК через блок дискретных входов/выходов.

Наиболее распространены в настоящее время два метода формирования контроллером управляющих сигналов для силового преобразователя:

аналоговые командные сигналы;

модулированные управляющие сигналы.

Для формирования аналоговых управляющих сигналов необходим цифро-аналоговый преобразователь, который выдает электрические напряжения (обычно от -10В до +10В постоянного тока). С энергетической точки зрения выгодным считается метод широтно-импульсного управления силовыми ключами преобразователя.

При создании интеллектуального мехатронного модуля возможны два базовых варианта аппаратной архитектуры УКУ:

использование компьютера верхнего уровня и контроллера движения как отдельных устройств, соединенных стандартным интерфейсом (в этом случае контроллер является внешним блоком по отношению к компьютеру);

моноблочная структура, когда контроллер аппаратно устанавливается внутрь компьютера ("встраиваемый контроллер").

Рис. 4. Структура системы управления функциональными движениями.

Блок-схема УКУ с внешним контроллером движения приведена на рис. 5. Гибкость управления обеспечивается применением микропроцессора, исполняемая программа управления хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

а)

б)

Рис. 5. Устройство компьютерного управления с внешним контроллером движения: а) Блок-схема контроллера движения (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ШИМ – широтно-импульсный модулятор, ИП – источник питания); б) Типовой закон движения

Планирование функциональных движений осуществляется оператором на компьютере верхнего уровня с использованием пакетов прикладных программ. Компьютер выполняет также автоматическую генерацию команд для контроллера, которые поступают на исполнение через стандартный интерфейс (например, RS-232C). Эти команды задают желаемые законы изменения во времени положения, скорости и ускорения вала исполнительного двигателя. Типичным является трапецеидальный закон изменения скорости движения, включающий участки разгона, перемещения с постоянной скоростью и торможения с заданным ускорением (рис. 5, б).

Архитектура типа "встраиваемый контроллер" заключается в использовании персонального компьютера (PC) в качестве аппаратной платформы устройства управления движением. Это позволяет сочетать функции планирования и управления функциональными движениями мехатронными модулями и системами, сбора и обработки информационно-измерительных данных в аштаратно и программно едином устройстве. Важным с точки зрения пользователя достоинством такого подхода является интеграция стандартных операционных систем и программных средств (AutoCAD, Excel, Windows NT/95/3.1, С++ и т.п.) с системами программирования движений. Объединение управляющих компьютеров в сеть дает возможность создавать распределенные управляющие комплексы для задач автоматизации производственных ячеек, цехов и предприятий. При этом модульная архитектура на базе PC промышленного исполнения гарантирует эффективную защиту аппаратной части от тепловых, вибрационных и других воздействий производственной среды.

Технически встраиваемые контроллеры движения выпускаются в виде специальных плат (plug-in card), устанавливаемых в дополнительный слот PC . Обмен данными между контроллером и PC осуществляется через стандартную шину (обычно 32-битная) адреса и данных. Примерами типичных шин могут служить стандарты ISA, STD, VME и IBM-PC Bus. На плате контроллера также имеются необходимые разъемы для подключения силового преобразователя привода, датчиков обратной связи (аналоговых и цифровых), внешних устройств с дискретным входом/выходом. Примером серийно выпускаемого в настоящее время встроенного контроллера движения является модель PCl-FlexMotion-6C фирмы National Instruments (USA). Устройство позволяет одновременно управлять движением мехатронной системы по шести координатам с обратной связью и дополнительно по двум осям в шаговом режиме. В состав контроллера входят мощный многозадачный процессор Motorola real-tune 32-bit, цифровой сигнальный процессор (DSP-processor) фирмы Analog Device, многоканальные аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, интерфейсы для внутренних н внешних коммуникаций.

Контроллер позволяет реализовывать следующие виды управляемых движений:

позиционное управление;

перемещение по пространственным (3D) траекториям с линейной интерполяцией;

контурные движения с круговой и сплайновой интерполяцией;

копирующие движения.

Основные технические характеристики контроллера движения: период расчета управляющего сигнала (по одной оси) 62.5 мкс, диапазоны управления:

по скорости 0-5-16 Мега имп/с, по перемещению 0 -f- 2 147 483 647 имп, по ускорению 0 -f-134 217 728 имп/с2, максимальные ошибки управления:

позиционная ошибка ± 1 имп (для инкодера в обратной связи),

0.0049 В (для аналоговой обратной связи), скоростная ошибка 0.02%, дискретные входы/выходы 24 бит, 22 линии, аналого-цифровое преобразование 8 линий, 12 бит, 10 мкс, ± 10В, цифро-аналоговое преобразование 16 бит, ± 10 В, выход широтно-импульсного модулятора 0.5 + 32 Кгц.