pełny tekst/full text - Uniwersytet Zielonogórski

pełny tekst/full text - Uniwersytet Zielonogórski

dr inż. Piotr Gawłowicz
mgr Marcin Chciuk
mgr inż. Paweł Bachman
Uniwersytet Zielonogórski
ALGORYTMY STEROWANIA NAPĘDEM
ELEKTROHYDRAULICZNYM PRZY POMOCY WAHADŁOWEGO
DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZĄ MR
W UKŁADZIE Z SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM
W artykule opisano układ sterowania serwonapędu elektrohydraulicznego z
dodatkowym siłowym sprzężeniem zwrotnym. Przedstawiono budowę i zasadę
działania hamulca z cieczą magnetoreologiczną i zależność momentu hamującego
od prądu. Końcowa część artykułu zawiera wyniki badań doświadczalnych
procesu sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym za pomocą dżojstika
dotykowego z cieczą magnetoreologiczną przy pomocy dwóch różnych
algorytmów sterowania.
ALGORITHMS OF CONTROL ELECTROHYDRAULIC DRIVE BY SWINGING
MOTION HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETHORHEOLOGICAL FLUID AND
FORCE FEEDBACK
The article describes control system of electrohydraulic servo drive with
additional force feedback. The structure of magnetorheological rotary brake and
the research of relation between torque and current are presented. The last
section forms results based on the research electrohydraulic servo drive’s control
system with magnetorheological haptic joystick by two different control
algorithms.
1. WSTĘP
Sterowanie w napędach elektrohydraulicznych stosowanych w różnego rodzaju maszynach
często odbywa się w pętli położeniowego sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie to realizowane
jest w sposób elektryczny lub poprzez operatora, który swoim wzrokiem obserwuje położenie
tłoczyska. W tym drugim przypadku problem może pojawić się, gdy sterownie odbywa się w
warunkach niedostatecznej widoczności lub w przypadku jej braku. Gdy operator nie może
obserwować ruchomej części roboczej sterowanego urządzenia przerwana jest pętla
położeniowego sprzężenia zwrotnego (rys. 1), co powoduje brak możliwości precyzyjnego
sterowania. Rozwiązaniem, w tym wypadku, mogłoby być dodatkowe siłowe sprzężenie
zwrotne wraz z odpowiednio zmodyfikowanym dżojstikiem, umożliwiającym operatorowi
odczuwanie siły przekazywanej ze sterowanego urządzenia (dżojstik dotykowy – ang. haptic
joystick). Urządzenia dotykowe znane są już od lat i wykorzystywane są do przekazywania
wrażeń związanych z dotykiem, np. pochodzących z wirtualnej rzeczywistości lub gier
komputerowych [1]. Stosowane są też w robotach chirurgicznych [1], a także w układach
sterowania samolotów. Istnieje kilka firm produkujących takie urządzenia, m.in.
Immersion [5], SensAble [7], Force Dimension [4], które mają w swojej ofercie kilkanaście
różnych rodzajów tego typu urządzeń [1].
1
Położenie
zadane
Dźwignia
Potencjometr
Ręka
Mózg
Urządzenie
Ruch części
roboczej
Dżojstik
Człowiek
Dźwignia
Hamulec MR
Czujnik siły
Siłowe sprzężenie zwrotne
Sprzężenie zwrotne
z udziałem wzroku
Wzrok
Przerwanie
sprzężenia
Rys. 1. Schemat koncepcji sterowania urządzeniami w układzie z dodatkowym siłowym
sprzężeniem zwrotnym
2. BUDOWA I BADANIA DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO
W budowie dżojstika dotykowego wykorzystano właściwości cieczy magnetoreologicznej [6], której szczególną cechą jest wzrost jej lepkosprężystych właściwości wraz ze
wzrostem działającego na nią pola magnetycznego. Jeżeli ciecz ta umieszczona jest w polu
magnetycznym zawieszone w niej cząsteczki ferromagnetyczne zaczynają zachowywać się
jak „miniaturowe magnesy”, układając się wzdłuż linii sił pola magnetycznego i stanowią
przeszkodę dla przepływu nośnika [3]. Wykorzystując to zjawisko zaprojektowano i
wykonano obrotowy hamulec magnetoreologiczny, którego przekrój i widok pokazane są na
rysunku 2.
a)
łożysko
uszczelnienie
cewka
przewody elektryczne
b)
szczelina z cieczą MR
linie pola
elektromagnetycznego
korpus (stal)
wirnik (stal)
pokrywa
Rys. 2. Przekrój (a) i widok (b) hamulca MR
Charakterystyki hamulca przedstawiono na rys. 3. Pierwsza z nich (rys. 3a) pokazuje
zależność momentu hamującego od prądu płynącego przez cewkę hamulca, a druga (rys. 3b)
dynamikę działania hamulca dla różnych wartości natężenia prądu płynącego przez jego
cewkę.
2
a)
b)
4
3
0,40 A
0,30 A
0,20 A
0,15 A
0,10 A
M [Nm]
2
M [Nm]
[Nm]
M
M [Nm]
3
2
1
0,05 A
1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0
II [A]
[A]
0
500
1000
t t[ms]
[ms]
Rys. 3. Charakterystyki hamulca MR: a) M=f(I); b) M=f(t) dla różnych prądów
Na bazie opisanego hamulca wykonano dżojstik, w którym na czas badań w dźwigni
umieszczono czujnik siły (rys. 4). Do pomiaru położenia kątowego dżojstika służy
potencjometr obrotowy.
Fj
Czujnik siły
Hamulec
MR
Potencjometr
pomiar położenia
Rys. 4. Widok dżojstika dotykowego (Fj – siła hamująca dżojstika)
Następnie wykonano badania siły hamującej (Fj) dżojstika, dla różnych prądów płynących
przez cewkę hamulca magnetoreologicznego. Wyniki tych pomiarów pokazane są na rys. 5.
3
[N]
FFj [N]
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
II [A]
[A]
Rys. 5. Charakterystyka dżojstika Fj=f(I) (Fj – siła hamująca dżojstika, I – prąd hamulca MR)
3. STEROWANIE NAPĘDEM ELEKTROHYDRAULICZNYM W UKŁADZIE
Z DODATKOWYM SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM I DŻOJSTIKIEM
DOTYKOWYM Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ
Na podstawie badań symulacyjnych opisanych w publikacji [2] zauważono, że przy ściskaniu
przez siłownik obiektu sprężystego, siła hamująca na dżojstiku wzrasta wraz ze wzrostem siły
oporu na siłowniku oraz, że po uderzeniu siłownika w przeszkodę siła na siłowniku
gwałtownie wzrasta, powodując wzrost siły hamującej dżojstika, co dla operatora
Zawór
Siłownik Czujnik siły Liniowy hamulec MR
Sterowanie
obciążeniem
ys
Fs
Położenie siłownika
Sterowanie zaworu
Siła siłownika
PC 2
PC 1
Pomiar
Matlab
Simulink
karta zaworu hydraulicznego
Analog
Input
silownik
10
Analog Input4
Advantech
PCI-1716 [auto]
Analog
Input
KP
dzojstik
Analog
Output
Analog Output
Advantech
PCI-1716 [auto]
2
Kd
Analog Input1
Advantech
PCI-1716 [auto]
cewki hamulca MR
Analog
Input
DasyLab
Analog Input2
Advantech
PCI-1716 [auto]
czujnik sily silownik
-10
KHMR
Analog
Output
Analog Output1
Advantech
PCI-1716 [auto]
ys Fs
Fs
DaqBoard
3001
PCI 1716
αj
ys
αj
Fj
Prąd HMR
Siła dżojstika
Pozycja dżojstika
Stopień
mocy
OPA549
Rys. 6. Schemat blokowy układu sterująco – pomiarowego
4
mogłoby stanowić sygnał, do zatrzymania. Aby potwierdzić wyniki badań symulacyjnych
zaprojektowano układ pomiarowy, w którym jako obciążenie siłownika zastosowano
liniowy hamulec magnetoreologiczny z możliwością regulacji siły oporu. Do sterowania
użyto komputer PC z kartą sterującą Advantech PCI 1716 i programem Matlab/Simulink
z systemem czasu rzeczywistego (Real Time Workshop). Do pomiarów wykorzystano drugi
komputer z kartą pomiarową DaqBoard 3000 i programem DasyLab. Schemat blokowy tego
układu pokazano na rysunku 6. Widok stanowiska badawczego przedstawia rys. 7. Operator
siedzący przed komputerem nie miał możliwości obserwowania ruchu siłownika. W związku
z tym, że sterowanie obciążeniem odbywało się poprzez ręczne włączenie odpowiedniego
napięcia cewki liniowego hamulca magnetoreologicznego, podczas badań nie było
możliwości sprawdzenia działania układu z obciążeniem sprężystym.
Indukcyjny
pomiar
położenia
Siłownik
hydrauliczny
PC 2
PC 1
Dżojstik
Obciążenie regulowane
Liniowy hamulec MR
Czujnik siły
Rys. 7. Widok stanowiska pomiarowego
Przebadano przypadek, w którym tłoczysko siłownika uderza w przeszkodę. Schemat układu
sterowania wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys. 8.
dzojstik
Analog
Input
Analog Input
-K-
5
Gain
Gain1
Adv antech
PCI-1716 [auto]
Analog
Output
Analog Output
Adv antech
PCI-1716 [auto]
silownik
Analog
Input
Analog Input1
Adv antech
PCI-1716 [auto]
silasilo
Analog
Input
|u|
.8
Analog Input2
Abs
Gain2
Analog
Output
Analog Output1
Adv antech
PCI-1716 [auto]
Adv antech
PCI-1716 [auto]
Rys. 8. Schemat układu sterowania wykonany w programie Simulink
5
Na rys. 9a pokazano charakterystyki położenia i siły dżojstika oraz siłownika w czasie
z włączonym siłowym sprzężeniem zwrotnym. Linia oznaczona literą x pokazuje moment
zatrzymania dżojstika w chwili, gdy operator wyczuł większy opór dżojstika po uderzeniu
siłownika w przeszkodę. Na wykresie widać, że dżojstik i siłownik zatrzymały się niemal w
tym samym czasie. Rysunek 9b pokazuje wyniki pomiarów bez dodatkowego siłowego
sprzężenia zwrotnego. Przez cały czas pomiaru siła Fj równa była sile oporów własnych
dżojstika. Na tym wykresie widać, że dżojstik zatrzymał się dopiero w chwili oznaczonej
literą y, czyli około 0,5 sekundy po zatrzymaniu siłownika (linia x). Operator nie wyczuł
momentu uderzenia siłownika w przeszkodę. Zatrzymał dżojstik dopiero po zaobserwowaniu
innych symptomów spowodowanych wzrostem ciśnienia w układzie hydraulicznym po
zatrzymaniu się siłownika (wzrost natężenia dźwięku i wibracji). Różnica czasu zatrzymania
dżojstika w obu badanych przypadkach jest niewielka, gdyż ruch roboczy tłoczyska odbywał
się zaledwie w zakresie do 60 mm, a operator siedział blisko całego urządzenia i z pewnym
prawdopodobieństwem mógł się domyślić, kiedy siłownik może się zatrzymać. Można
przypuszczać, że gdyby zakres ruchu i prędkość siłownika były większe, a stanowisko
sterowania byłoby bardziej oddalone od napędu, różnice te też byłyby większe.
a)
60
α j []
40
ys [mm]
20
0
-20
0
2
4
Fj [N]
6
Fs [kN]
-40
-60
x
t [s]
b)
α j []
60
40
20
ys [mm]
0
-20 0
2
4F
-40
j
[N]
6
Fs [kN]
-60
t [s]
x
y
Rys. 9. Przebiegi czasowe siły i położenia siłownika oraz dżojstika a) przy włączonym
siłowym sprzężeniu zwrotnym, b) bez dodatkowego sprzężenia siłowego (Fs – siła siłownika,
Fj – siła dżojstika, ys – położenie siłownika, αj – położenie dżojstika)
Następnie zaprojektowano i przebadano algorytm, w którym pomijane są opory
magnetoreologicznego hamulca obciążającego przy wyłączonym napięciu cewki tego
hamulca. Zastosowanie tego algorytmu umożliwia zwiększenie zakresu odczuwanych przez
operatora sił występujących na dźwigni dżojstika. Schemat układu sterowania pokazany jest
na rys. 10. Doświadczalnie ustalono, że siła oporu hamulca MR użytego jako obciążenie
6
siłownika, przy wyłączonym napięciu wynosi 0,8 kN i w momencie ruchu siłownika jest ona
odejmowana od wartości zmierzonej przy pomocy czujnika siły.
dzojstik
Analog
Input
Analog Input
-K-
5
Gain
Gain1
Analog
Output
Analog Output
Adv antech
PCI-1716 [auto]
Adv antech
PCI-1716 [auto]
silownik
Analog
Input
Analog Input1
Adv antech
PCI-1716 [auto]
silasilo
.8
Analog
Input
|u|
Analog Input2
Abs
Constant1
Switch
Adv antech
PCI-1716 [auto]
Analog
Output
.8
Gain2
Analog Output1
Adv antech
PCI-1716 [auto]
0
Constant
Rys. 10. Schemat układu sterowania z pominięciem oporów MR hamulca obciążającego bez
włączonego napięcia wykonany w programie Simulink
Rys. 11 pokazuje charakterystyki wykonane podczas sterowania z wykorzystaniem wyżej
opisanego algorytmu. Wyniki podobne są do przedstawionych na rys. 9a, z tym, że siła
odczuwana na dżojstiku podczas ruchu siłownika hydraulicznego z wyłączonym napięciem
magnetoreologicznego hamulca obciążającego jest nieco mniejsza i odpowiada sile oporów
własnych dżojstika (jak w przypadku z wyłączonym sprzężeniem zwrotnym rys. 9b).
60
α j []
40
ys [mm]
20
0
-20 0
2
4
6
Fj [N]
-40
-60
t [s]
x
Fs [kN]
Rys. 11. Przebiegi czasowe siły i położenia siłownika i dżojstika dla układu sterowania z
pominięciem oporów obciążającego hamulca MR bez włączonego napięcia
4. PODSUMOWANIE
Na podstawie przytoczonych w artykule wyników badań można wywnioskować, że podczas
pracy napędu elektrohydraulicznego w warunkach ograniczonej widoczności, dżojstik
dotykowy i siłowe sprzężenie zwrotne mogą poprawić jakość sterowania położeniem
tłoczyska. Stosując dżojstik dotykowy można zarówno wykrywać przeszkody stałe, jak
i zmianę siły nacisku na przedmioty sprężyste. Praca w pętli z dodatkowym siłowym
sprzężeniem zwrotnym może też zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia urządzeń
7
hydraulicznych, nie dopuszczając do nagłych wzrostów ciśnienia w układzie podczas zderzeń
hydraulicznego elementu roboczego z przeszkodą. Może też zapobiec zniszczeniu innych
przedmiotów znajdujących się w polu pracy napędu, w które mógłby on ewentualnie uderzyć.
LITERATURA
[1] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urządzeniach
dotykowych, Seminarium naukowo-techniczne - TECHNICON '05: Targi Nauki
i Techniki, Gdańsk 2005.
[2] Bachman, P.; Milecki, A.: MR haptic joystick in control of virtual servo drive, 11th
International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological
Suspensions, Dresden 2008.
[3] Milecki A., Ławniczak A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w
technice, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.
[4] http://www.forcedimension.com
[5] http://www.immersion.com
[6] http://www.lord.com
[7] http://www.sensable.com
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego KBN p.t.: "Konstrukcja i badania
urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym
sprzężeniem zwrotnym" nr 4 T07B 002 29
8