ющая задавать траекторию движения объекта с помощью

94
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
ные положения предмета поочередно передаются ведущему контроллеру.
На базе реализованной системы управления
двумя манипуляторами был предложен подход
к решению задач позиционирования и перемещения объектов в пространстве по заданной
траектории. Разработана программа, позволяющая задавать траекторию движения объекта с
помощью аналитических зависимостей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Конюх, В. Л. Основы робототехники / В. Л. Конюх. –
М: Феникс. – 2008. – 281с.
2. Карнаухов, Н. Ф. Электромеханические и мехатронные системы / Н. Ф. Карнаухов. – Ростов н / Д : Феникс,
2008. – 320 с.
3. Техническое описание учебного модульного робота
УМР-2 [Электронный ресурс]. – 2008. – Режим доступа :
www.fcyb.mirea.ru/facult_struct /kafedri/kaf_pu/tech.pdf.
4. Справочник по микроконтроллерам семейства
AT91SAM7 [Электронный ресурс]. – 2008. – Режим доступа :
http://atmel.com /dyn/resources/prod_documents/doc6175.pdf.
УДК 62-529
А. В. Еременко, В. Н. Скакунов, А. С. Дьяков, А. С. Олейников
A. Yeryomenko, V. S kakunov, A. Diyakov, A. Oleynikov
ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ВИБРОПОДВЕС
С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЕМПФИРОВАНИЕМ
AIR VIBROSUSPENSION WITH MICROPROCESSOR'S CONTROL OF DAMPING
Волгоградский государственный технический университет
E-mail: [email protected]
В статье «Пневматический виброподвес с микропроцессорным управлением демпфированием» рассмотрены принципы построения системы управления демпфированием в рессоре с использованием микропроцессора. В работе приводится описание системы, а также – метода управления демпфированием, позволяющего использовать различные алгоритмы. На основе разработанной системы управления были проведены
эксперименты, показавшие эффективность предложенного метода.
Ключевые слова: система управления, демпфирование, пневматическая рессора, микропроцессор.
In article «Air vibrosuspension with microprocessor's control of damping» construction’s principles of control
systems for damping in the air spring using microprocessor are shown. Within the limits of article the description of
control system and management method for damping in the air spring are given. On the basis of the developed control system experiments, showed the effectiveness, were conducted.
Key words: control system, damping, air spring, microprocessor.
Конструкции современных средств виброзащиты включают в себя элементы активного
управления параметрами виброзащитного устройства. На базе существующей микропроцессорной техники возможно создание компактных
исполнительных устройств активной системы
виброзащиты, в которых будут реализованы достаточно сложные квазиоптимальные алгоритмы управления [2, 4].
В настоящей работе представлена реализация интеллектуального устройства управления жесткостью пневматической подвески
автотранспортного средства.
В разработанной пневматической подвеске
система управления демпфированием построена на микроконтроллере и включает датчик
давления, клапан и интерфейс сопряжения с
персональным компьютером. Микроконтроллер обеспечивает две основные функции: выборку данных с датчика давления с частотой
200 Гц, управление клапаном по заданному ал-
горитму с последующей передачей текущего
состояния виброзащитного устройства (давление и состояние клапана) на персональный
компьютер для визуализации и анализа результатов экспериментов. Параметры алгоритма
управления клапаном передаются от персонального компьютера.
Принципиальная схема системы управления
приведена на рис. 1. Ресурсов микроконтроллера Atmega8 (DD2) достаточно для решения задачи управления и обеспечения связи с персональным компьютером в реальном времени.
Программирование микроконтроллера осуществляется через разъем ХР2 для внутрисхемного программирования [3]. Питание на схему
подается от источника постоянного тока +12 В
через интегральный стабилизатор напряжения
КР142ЕН5 (DA1). Датчик давления PB1 SWEU10-PA обеспечивает напряжение от 0 до 5 В
в диапазоне давлений от –1 до +10 бар. Аналоговый выход датчика давления соединен с кана-
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
95
Рис. 1. Принципиальная схема системы управления
лом 0 АЦП микроконтроллера. Встроенный в
датчик PB1 компаратор с регулируемым уровнем срабатывания и гистерезисом подключен
к цифровому входу микроконтроллера RB2.
Разъем XP3 связывает нормально-закрытый
клапан с линией микроконтроллера RB0.
Связь с персональным компьютером осуществляется по интерфейсу RS-232С на скорости
19 200 Бод без аппаратного и программного
управления потоком и контроля четности.
Асинхронный интерфейс реализуется с помощью встроенного последовательного порта
микроконтроллера. Микросхема DD1, включенная по типовой схеме, обеспечивает согласование уровней микроконтроллера и интерфейса RS-232С по линиям передачи и приема.
Программа микроконтроллера написана на
языке C и состоит из следующих модулей: модуль оцифровки и накопления данных с датчика давления, модуль передачи цифровых данных о давлении и состоянии клапана на персональный компьютер и модуль управления кла-
паном по накопленным показаниям датчика
давления. Блок-схемы отдельных модулей программы приведены на рис. 2, 3.
Главный модуль программы (рис. 2) при
запуске настраивает периферийные узлы микроконтроллера, считывает параметры алгоритма управления клапаном из энергонезависимой памяти ЭСППЗУ и открывает клапан.
В рабочем режиме программа переходит в бесконечный цикл, в котором каждые 5мс производит оцифровку текущего значения давления;
добавляет его в очередь значений давления,
организованной по принципу FIFO. В очереди
автоматически пересчитывается математическое ожидание всех значений, а также – последних значений в очереди, число которых
устанавливается параметром LastCount алгоритма обработки. Таким образом, в очереди
реализуется фильтр скользящего среднего для
устранения высокочастотных выбросов. После
добавления нового значения в очередь вызывается модуль управления клапаном, который,
96
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
в зависимости от значений в очереди и своего
текущего состояния, в соответствии с принятым алгоритмом, открывает или закрывает
клапан. Кроме того, программа выполняет ко-
манды из персонального компьютера и устанавливает по ним новые значения параметров
алгоритма управления клапаном и сохраняет
их в ЭСППЗУ.
начало
Инициализация узлов
микроконтроллера
Открыть клапан
Загрузка параметров
алгоритма из ЭСППЗУ
Беск. цикл
Команда в
УСАПП?
Обработка команды:
установка одного
из параметров алгоритма
Задержка 5 мс
Оцифровка текущего
значения давления
Добавление текущего
значения давления в очередь
Управление
клапаном
Рис. 2. Модуль оцифровки и накопления данных с датчика давления
97
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
начало
Получение текущего
значения в очереди
Value
нет
Очередь
не наполнена?
да
Вычисление отклонения
Запоминаем
мат. ожидание
очереди в Average
Deviation =
|Value – Average|
В зависимости
от состояния State
конец
Давление вблизи
среднего
PressureNearAverage
Deviation >
MinDeviation?
нет
да
WaitTimer = 0
MaxDeviation = 0
State =
PressureGrowth
нет
WaitTimer++
Рост кривой
давления
PressureGrowth
Спад кривой
давления
PressureRecession
WaitTimer <
WaitInterval?
Давление
вблизи
среднего?
нет
да
да
MaxDeviation Deviation >
MinRecession
да
нет
Открыть клапан
State =
PressureNearAverage
Закрыть клапан
State =
PressureRecession
конец
Рис. 3. Модуль управления клапаном по накопленным показаниям датчика давления
98
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Предполагалось, что в реализуемых системой квазиоптимальных алгоритмах управления
будет содержаться ряд программно управляемых параметров. Исследование возможностей и
основных характеристик разработанной системы управления проводилось на испытательном
стенде с пневматической подвеской по алгоОценка
математического
ожидания
Average
ритму, в который включены отдельные, но
наиболее значимые параметры управления
виброзащитными устройствами.
Алгоритм работы модуля управления клапаном можно представить в виде конечного автомата, диаграмма состояний которого приведена на рис. 4.
Очередь заполнена
Давление вблизи
среднего PressureNearAverage
Deviation > MinDeviation
Давление вблизи среднего
Рост кривой
давления
PressureGrowth
Спад кривой
давления
PressureRecession
MaxDeviation - Deviation >
MinRecession
Рис. 4. Диаграмма состояний модуля управления клапаном
При запуске системы управления, пока очередь не наполнится, модуль оценивает математическое ожидание очереди – Average. После
наполнения очереди модуль переходит в состояние «Давление вблизи среднего». Если в
этом состоянии отклонение текущего значения
Value от среднего превысит порог MinDeviation, то автомат переходит в состояние «Рост
кривой давления». В данном состоянии сначала
выдерживается интервал WaitInterval, в течение
которого производится поиск максимального
отклонения MaxDeviation. После того, как фиксируется начало спада кривой давления, клапан
закрывается и автомат переходит в состояние
«Спад кривой давления». В этом состоянии автомат находится до пересечения кривой давления, после чего клапан вновь открывается и автомат возвращается в состояние «Давление
вблизи среднего».
Программа визуализации данных на персональном компьютере позволяет строить временные диаграммы давления и состояния клапана, а также изменять временную развертку построенной диаграммы. Внешний вид программы визуализации данных приведен на рис. 6.
На нем отображен график зависимости давления от времени (оцифрованный аналоговый
сигнал) и показан управляющий сигнал прямоугольной формы, определяющий состояние
клапана от времени (в нижнем положении –
клапан закрыт).
Рис. 5. Изменение параметров управления клапаном
Программа дает возможность сохранять записанные с устройства диаграммы в файлы на
диске персонального компьютера для последующего анализа, а также – открывать предварительно сохраненные файлы диаграмм для
просмотра. В программе также имеется возможность изменять следующие параметры алгоритма управления клапаном (рис. 5):
– интервал ожидания спада (WaitInterval);
– наименьшее отклонение от среднего
(MinDeviation);
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
– наименьший спад для закрывания клапана
(MinRecession);
– длина фильтра (LastCount).
99
Результаты испытаний системы управления
с различными параметрами алгоритма приведены на рис. 6–10.
Рис. 6. Результаты работы системы управления (WaitInterval = 10; MinDeviation = 10; MinRecession = 10; LastCount = 10)
Рис. 7. Результаты работы системы управления (WaitInterval = 100; MinDeviation = 5; MinRecession = 5; LastCount = 1)
Рис. 8. Результаты работы системы управления (WaitInterval = 50; MinDeviation = 5; MinRecession = 25; LastCount = 1)
100
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 9. Результаты работы системы управления (WaitInterval = 50; MinDeviation = 15; MinRecession = 5; LastCount = 1)
Рис. 10. Результаты работы системы управления (WaitInterval = 50; MinDeviation = 15; MinRecession = 5; LastCount = 50)
Таким образом, применение пневматических подвесок с микропроцессорным управлением демпфированием обладает широким диапазоном возможностей с точки зрения создания
различных алгоритмов регулирования в системах с разобщением рабочей и дополнительной
полостей [2]. Это связано с тем, что, не изменяя
конструкцию самой подвески, а, варьируя в
микропроцессоре сам алгоритм регулирования,
можно получить различные характеристики,
осуществляя разобщение и соединение полостей тем или иным способом, прописанным соответственно в системе управления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бесекерский, В. А. Микропроцессорные системы
автоматического управления / В. А. Бесекерский. – Л.:
Машиностроение, 1988. – 253 с.
2. Новиков, В. В. Пневморессора с регулируемым по
амплитуде и направлению воздушным демпфером / В. В. Новиков, А. С. Дьяков, В. А. Федоров // Автомобильная
промышленность. – 2007. – № 10. – C. 21–22.
3. Справочник по микроконтроллерам семейства
ATmega8 [Электронный ресурс]. – 2009. – Режим доступа: http: // www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2486.pdf.
4. Хамитов, Р. Н. Синтез системы управления импульсным электродинамическим клапаном пневмоамортизатора: справ. / Р. Н. Хамитов // Инженерный журнал. –
2008. – № 2. – С. 62–64.