Изучение микропроцессорного программируемого контроллера для управления ПР

Тема: Изучение микропроцессорного программируемого контроллера для  управления ПР

 

Программируемые контроллеры (ПK), построенные  на базе микропроцессоров (МП) или микроЭВМ, относятся к новому поколению  специализированных устройств контроля и управления роботизированными комплексами Станок с ЧПУ - робот. Принцип действия ПК заключается в последовательном приеме значений входных сигналов от объекта, вычисления значения выходных управляющих сигналов по программе, соответствующей алгоритму управления объектом, и выдаче вычисленных значений выходных сигналов на объект [1].

Программируемые контроллеры имеют  ряд особенностей, обуславливающих  их применение в системах управления промышленными роботами (ПР) для  обслуживания металлообрабатывающих  станков с ЧПУ. Контроллер непосредственно связан с управляемым объектом через устройство ввода-вывода, при этом между ПК объектом управления нет промежуточных устройств, выполняющих какие-либо функции. Работа ПК осуществляется в соответствии с программой хранимой в памяти контроллера. Изменение этой программы происходит относительно редко и возможно перепрограммирование памяти программ ПК при изменении технологического процесса работы ПР. Особенностью ПК является возможность отладки программ, вводимых в память контроллера с помощью загрузчика. Кроме того, возможна параметрическая настройка ПК с пульта оператора. Кроме того, ПК представляет специализированный набор команд, состав которых сориентирован на конкретное применение контроллера; при этом программы по объему меньше, чем написанные на универсальном языке.

Таким образом, ПК занимает промежуточное  положение между управляющими вычислительными  машинами и локальными специализированными  системами управления.

Па рисунке 1 показана структурная  схема ПК для управления ИР с высокомоментными приводами постоянного тока, где 1 – центральный процессор; 2 - ОЗУ; 3 - ППЗУ; 4 - адаптер сопряжения; 5 - шина адреса, 6 - шина данных; 7 - общая шина; 8, 9, 10 - декодеры; 11 - мультиплексор аналоговый; 12 - мультиплексор цифровой; 13-ЦАП; 14-АЦП; 15-демультиплексор, 16 - нуль-органы, 17 - сигнал прерывания.

Рис. 1

ПК содержит собственно микропроцессорную и периферийную части. Компоненты структурной схемы, такие как 1, 2, 3, 5, 6, 13, 14 могут быть реализованы в виде однокристальной  микроЭВМ. Микропроцессорная часть может быть выполнена на базе микропроцессорного комплекта серии К580 или с применением микроЭВМ типа 8051, 80552, микроконтроллера С812.  Периферийная часть ПК представляет собой систему ввода - вывода цифровой и аналоговой информации, и содержит мультиплексор аналоговых сигналов, АЦП и ЦАП, мультиплексор цифровой для ввода цифровых сигналов (логические сигналы технологических команд, коэффициенты регулирования и др.), декодеры, нуль-органы для выработки сигналов прерывания для запуска подпрограммы прямого цифрового управления тиристорными преобразователями (ТП) электроприводов ПР, демультиплексоры для передачи управляющих сигналов на приводы ПР.

 

Программы, выполняемые ПР, по уровню приоритета можно подразделить на две  категории: программы, выполняемые по запросу на прерывание или начальной установки и фоновые программы, выполняемые во время, свободное от выполнения программы с более высоким приоритетом. К фоновым программам относятся программы обработки сигналов технологических команд управления ПР, самоконтроля и диагностики, обработки сигналов загрузчика, контроля вводимых величин и их ограничения; подпрограммы адаптации и самонастройки.

 

К программам первой категории относятся  подпрограмма начальной установки  и подпрограмма обработки сигналов прерываний от нуль-органов. Присвоение этим программам более высокого приоритета по отношению к фоновым программам, обусловлено необходимостью исключения потерь сигналов с нуль-органов с более высокими требованиями к быстродействию реализации основного закона регулирований.

 

К фоновым программам не предъявляется  высоких требований по быстроте выполнения, поэтому они могут прерываться  запросами на прерывание практически  в любой фазе их выполнения.

 

Разрядная сетка ПК рассчитывается таким образом, чтобы величина результирующей ошибки на выходе контроллера не превышала заданного значения. Число разрядов R, требуемых для представления числовых данных в предположении, что значение младшего разряда не превосходит среднеквадратичного значения ошибки результата, определяется с помощью следующей зависимости:

                 

                                                                                      (1)                                                                                                                                                                                                                      

 

где E(х) - целая часть  х, округленного в меньшую сторону; |y|max -максимальное значение модуля входного аргумента или результата вычислений; δ - допустимое значение среднеквадратичной ошибки результата.

 

Так, при δ = 0,5 и диапазоне  изменения результатов вычислений

 

                                                                                                                  (2)

 

из выражения (1) находим  число разрядов процессора ПР:

 

                                                        (3)

 

Чтобы пренебречь дискретностью сигналов управления, необходимо выполнить условие известной теоремы Котельникова о передаче непрерывных сообщений его дискретными выборками. При этом должно выполняться условие [2]:

 

                                                                                                                            (4)

где                     ; T - интервал дискретности; ωС - граничная частота, определяемая шириной спектра воздействия на систему и, главным образом, полосой фильтров, используемых в замкнутой системе регулирования. В качестве граничной частоты ωС может быть выбрана частота среза передаточной функции непрерывной части разомкнутой системы Wpaз(P) с передаточной функцией.

 

                                                                                               (5)                                         

 

 

где Wоб(P) и Wос(P) - соответственно передаточные функции объекта управления и звена обратной связи.

 

Максимальное число  контуров регулирования N, которое. может  обслужить ПР при прямом цифровом управлении, определяется быстродействием его процессора, длительностью интервала дискретности Т, временем t, затрачиваемым процессором на обслуживание каждого контура

 

                                                                                                                            (6)

 

где q - время выполнения операций, не относящихся к управлений отдельными контурами.

 

Из неравенства (6) следует, что количество обслуживаемых контуров Может быть увеличено с увеличением  Т. При неизменном количестве контуров увеличение Т разгружает процессор ПК, высвобождая часть его мощности для выполнения других задач.

 

Для переходных процессов  управления многими контурами регулирования  ПР характерны участки, весьма различные  по интенсивности изменений регулируемой величины. Учитывая эту особенность в ПК может быть применен переменный до длительности, интервал дискретности, изменяющийся в функции интенсивности переходных процессов в контуре, причем на этапах медленного протекания процесса величина Т может в несколько раз возрастать. Плавное изменение величины Т требует сложных устройств и дополнительно загружает процессор ПК. Поэтому целесообразнее применение ступенчатого перехода от Tmin до некоторого Tmax и наоборот. Возможно также использование другого метода повышения экономии, времени расчёта управляющих воздействий, при котором интервал дискретности сохраняется неизменным, а расчёт управляющих воздействий выполняется по более сложным, либо по упрощённым алгоритмам, в зависимости от динамического состояния системы.

 

Так, например, при расчете  управляющих воздействий для  получения приближенных значений произведений некоторой переменной s с коэффициентом aj можно воспользоваться операцией  сдвига: при двоичном представлении  чисел в процессоре каждый сдвиг, числа на один разряд влево соответствует умножению этого числа на число 2. Таким путем любые коэффициенты, заданные как двоичные числя с фиксированной запятой, в форме

                                                                           (7)                                               

 

можно заменить приближенными  коэффициентами

 

                                                                                                                                    (8)                                                                                                                                                                                                        Это соответствует округлению до 2 в следующей степени; что достигается сдвигом на один разряд умножаемой переменной.

 

Описанный прием аппроксимации  применим и к двоичным числам, представленным с плавающей запятой, но только каждая степень перемножения заменяется суммированием.

 

Предложенная структурная схема  ПК и методы повышения эффективности его работы были использованы при построении системы управления промышленным роботом, работающим в сферической системе координат.