Rotačné inverzné kyvadlo FPM-210/211


  Miestnosť:
     Laboratórium mechatronických systémov (V142)

  Správca modelu:
     Ing. Slávka Jadlovská, PhD.
     Ing. Dominik Vošček
     Ing. Lukáš Koska

  Výrobca:
     REX Controls (Plzeň, Česká republika)

 

Stručná charakteristika laboratórneho modelu

  • nestabilný mechatronický systém určený pro výuku a demonštráciu algoritmov automatického riadenia
  • pomocou otočného ramena ovládaného motorom možno vynútiť alebo potlačiť pohyb voľne otočného kyvadla a dosiahnuť požadovaný cieľ riadenia
  • jadrom modelu je riadiaci systém REX, ktorý spracúva signály zo senzorov, realizuje riadiace algoritmy pomocou zabudovanej knižnice funkčných blokov a ovláda motor
  • kompatibilita systému REX s programovým prostredím MATLAB/Simulink umožňuje testovať navrhnutý riadiaci algoritmus v simulačnom prostredí s využitím matematicko-fyzikálneho modelu

  • Galéria

    144 144


    Riadiaci systém REX

    • otvorený a škálovateľný systém vhodný pro vnorené (embedded) riadenie; spája riadenie v reálnom čase s vývojovým prostredím pre operátorské ovládanie riadiaceho systému
    • základné zložky vývojového prostredia (vyššej vrstvy) sú:
      • RexDraw – zabudovaný grafický editor, ktorý umožňuje navrhovať funkčné blokové schémy riadiaceho systému REX v tvare .mdl súborov; možno ho nahradiť Simulinkom so zabudovanou knižnicou RexLib
      • RexComp – kompilátor, ktorý na základe hlavného súboru projektu aplikácie vo formáte .mdl generuje binárny .rex súbor systému REX
      • RexView – diagnostický nástroj, ktorý poskytuje detailné, hierarchicky usporiadané informácie o premenných v rámci blokov a trendoch vývoja pri behu v reálnom čase
      • nástroje na vizualizáciu – pripojené na riadiaci systém prostredníctvom OPC rozhrania
    • Štruktúru cieľového prostredia (nižšiu vrstvu) tvorí:
      • RexCore – riadiace jadro systému; vstupno-výstupné ovládače sú implementované ako samostatné .dll súbory kvôli modularite
    • vývojové nástroje systému REX boli pôvodne vyvinuté pro operačný systém Windows a priemyselné PC s operačným systémom pevného reálneho času (hard real-time) PharLap ETS cez rozhranie PCI (I/O karty Advantech)
    • REX bol neskôr (2009) prepracovaný na báze komunikačného protokolu Ethernet Powerlink; vyvinutý bol ovládač EplDrv a systém REX bol prenesený na platformu Alix s operačným systémom Linux a nadstavbou Xenomai pre real-time aplikácie, čím sa riadiace jadro oddelilo od vstupno-výstupných modulov

    • Obr.1 Štruktúra riadiaceho systému REX


      Reálny model rotačného inverzného kyvadla FPM-210/211

      • jeden z prvých modelov firmy REX Controls založený na modifikovanej architektúre systému REX na báze Linuxu
      • model je zložený z ramena otáčavého vo vodorovnej rovine a k nemu pripojeného kyvadla, ktoré sa môže voľne otáčať v rovine kolmej na vodorovné rameno
      • ovládanie otočenia vodorovného ramena je zabezpečené pomocou servopohonu na báze striedavého brushless synchrónneho motora s oddelenou planetárnou prevodovkou
      • nadradenou vrstvou (rozhraním človek-stroj) pre systém je panelové PC s dotykovou obrazovkou pripojené k rozvádzaču
      • servopohon získava informáciu o hodnote riadiaceho signálu cez komunikačný protokol Ethernet Powerlink
      • informácia o polohe natočenia ramena a kyvadla (získaná z IRC, resp. absolútneho kapacitného snímača) sa digitalizuje v A/D prevodníku v rámci vzdialeného I/O zariadenia a preposiela sa do riadiaceho jadra RexCore, ktoré pracuje na platforme ALIX pod OS Linux s nadstavbou Xenomai
      • REX realizuje riadiaci algoritmus použitím dvojsúborovej konfigurácie:
        • exec.mdl – hlavný (výkonný) súbor konfigurácie - definuje cieľovú platformu, pre ktorú sa bude konfigurácia prekladať, periódu vzorkovania algoritmu (tick), vstupno-výstupné ovládače a jednotlivé úlohy riadiaceho algoritmu
        • xxx.mdl – súbor, ktorý predstavuje vlastný riadiaci algoritmus modelovaný pomocou blokov knižnice RexLib; každý nový riadiaci algoritmus je pred spustením potrebné prekompilovať na .rex súbor
      • k dispozícii je vizualizácia vytvorená v jazyku Java na báze open-source knižnice Java3D: pohyblivý 3D model na obrazovke v reálnom čase kopíruje pozíciu reálneho modelu a umožňuje pohľad z ľubovoľného uhla

      Obr.2 Štruktúra systému rotačného kyvadla FPM-210/211

      • Užívateľ si vyberá z dvoch dostupných režimov práce:
        • demonštračný režim - obsahuje preddefinovanú postupnosť riadiacich algoritmov (výšvih kyvadla z dolnej do hornej polohy, stabilizácia v hornom aj dolnom rovnovážnom stave a sledovanie danej polohy ramena
        • režim riadený užívateľom - umožňuje používateľovi zvoliť si požadované natočenie ramena a druh riadenia

      Matematicko - fyzikálny model rotačného inverzného kyvadla FPM-210/211

      • Riadiace vstupy

        • požadovaná rýchlosť otáčania ramena
      • Snímané výstupy

        • aktuálna poloha natočenia ramena - α
        • aktuálna poloha natočenia kyvadla - β
        • aktuálna rýchlosť otáčania ramena - α'
      • Štruktúra modelu

        • použitý matematicko-fyzikálny model je tvorený 2 rovnicami:
        • vnútorný rýchlostný regulátor servopohonu aproximovaný pomocou systému prvého rádu, ktorého vstupom je požadovaná rýchlosť otáčania ramena
        • pohybová rovnica kyvadla daná ako nelineárna závislosť výchylky kyvadla od zrýchlenia ramena

        Obr.3 Schéma mechanického prevedenia modelu rotačného kyvadla

        • všetky subsystémy, ktorých názov začína na Simulation_, prekladač RexComp ignoruje, t.j. možno využiť rovnaký algoritmus (jeden súbor) pre simuláciu, ako aj pre vygenerovanie konfiguračného súboru .rex pro cieľovú platformu

        Využitie reálneho modelu a simulačných modelov lineárnych (klasických) a rotačných kyvadiel v pedagogickom procese

        Využitie reálneho modelu a simulačných modelov lineárnych (klasických) a rotačných kyvadiel v rámci výskumnej činnosti

        • dizertačné práce

        • JADLOVSKÁ, Slávka: Modelovanie a optimálne riadenie nelineárnych podaktuovaných dynamických systémov
          (školiteľ: prof. Ing. Ján Sarnovský, CSc.) - 2015
        • publikácie

        • 2012
            JADLOVSKÁ, S. – SARNOVSKÝ, J.: Nonlinear Control Design for Inverted Pendulum Systems Based on State-Dependent Riccati Equation Approach. Proceedings of the 5th International Conference on Applied Electrical Engineering and Informatics – AEI 2012, 26. august – 2. september 2012, Kiel, Nemecko, ISBN 978-80-553-1030-5 (AFC).  
            JADLOVSKÁ, S.: Swing-up and Stabilizing Control of Classical and Rotary Inverted Pendulum Systems. Proceedings of the 12th Scientific Conference of Young Researchers – SCYR 2012, 15. máj 2012, Herľany, Slovenská republika, pp. 38-41, ISBN: 978-80-553-0943-9 (AFD).    
            JADLOVSKÁ, S. – SARNOVSKÝ, J.: A Complex Overview of the Rotary Single Inverted Pendulum System. Proceedings of the 9th International Conference - ELEKTRO 2012, 21.-22. máj 2012, Žilina - Rajecké Teplice, Slovenská republika, pp. 305-310, ISBN: 978-1-4673-1178-6 (AFD).    
            JADLOVSKÁ, S. – SARNOVSKÝ, J.: Classical Double Inverted Pendulum - a Complex Overview of a System. Proceedings of the IEEE 10th Jubilee International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics – SAMI 2012, 26.-28. január 2012, Herľany, Slovenská republika, pp. 103-108, ISBN: 978-1-4577-0195-5 (AFD).    
        • 2011
            JADLOVSKÁ, S. – SARNOVSKÝ, J.: An Extended Simulink Library for Inverted Pendula Modeling and Simulation. 19th Annual Conference Proceedings of the International Scientific Conference - Technical Computing Prague 2011, 8. november 2011, Kongresové centrum ČVUT Praha, Česká republika, ISBN 978-80-7080-794-1 (AFC).    
            JADLOVSKÁ, S. – SARNOVSKÝ, J.: Matlab-Based Tools for Analysis and Control of Inverted Pendula Systems. Electrical Engineering and Informatics 2: Proceeding of the Faculty of Electrical Engineering and Informatics of the Technical University of Košice. - Košice, FEI TU, 2011. pp. 403-408, ISBN 978-80-553-0611-7 (AED).  
        • 2010
            JADLOVSKÁ, S. – JADLOVSKÁ, A.: Inverted Pendula Simulation and Modeling – a Generalized Approach. Proceedings of the 9th International Scientific – Technical Conference on Process Control – ŘÍP 2010, 7.-10. jún 2010, Univerzita Pardubice, Česká republika, ISBN 978-80-7399-951-3 (AFC).  
        • 2009
            JADLOVSKÁ, S. – JADLOVSKÁ, A.: A Simulink Library for Inverted Pendula Modeling and Simulation. 17th Annual Conference Proceedings of the International Scientific Conference - Technical Computing Prague 2009, 19. november 2009, Kongresové centrum ČVUT Praha, Česká republika, pp. 45, ISBN 978-80-7080-733-0 (AFC).    
    144 

Profil

Infraštruktúra

Laboratóriá

Členovia

Predmety

Modely



Výskum

CERN

Galéria

Partneri


144