דף עזר המתאר ניסוי דומה לזה שתבצעו

Transcription

דף עזר המתאר ניסוי דומה לזה שתבצעו
:(Quanser) ‫ של קוונזר‬NI-ELVIS ‫סדרת מאמני‬
Quanser NI-ELVIS Trainer (QNET)
:1 '‫ מס‬QNET ‫ניסוי‬
‫בקרת מהירות מנוע ז"י‬
DC ‫ערכת לימוד לבקרת מנוע‬
DC Motor Control Trainer (DCMCT)
‫מדריך לסטודנט‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫תוכן העניינים‬
‫‪1.‬‬
‫מטרות המעבדה ‪2 ..............................................................................................................‬‬
‫‪2.‬‬
‫סימוכין ‪2 ..........................................................................................................................‬‬
‫‪3.‬‬
‫תצוגת הסביבה המבוקרת ע"י מודול הבקרה ‪2 .......................................................... DCMCT‬‬
‫‪ .3.1‬מינוח רכיבים ‪2 ...............................................................................................................‬‬
‫‪ .3.2‬תיאור הסביבה המבוקרת ע"י ה‪3 ..................................................................... DCMCT -‬‬
‫‪4.‬‬
‫מטלה טרום‪-‬מעבדה ‪3 .........................................................................................................‬‬
‫‪ .4.1‬תרגיל‪ :‬בניית מודל פתוח‪-‬לולאה ‪4 .....................................................................................‬‬
‫‪5.‬‬
‫פגישת מעבדה ‪4............................................................................................................‬‬
‫‪ 5.1.‬הגדרת חומרת המערכת ‪4 ..............................................................................................‬‬
‫‪ 5.2.‬מהלך המעבדה ‪4 ..........................................................................................................‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪1‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫‪ .1‬מטרות המעבדה‬
‫מטרת הניסוי הזה הינה לתכנן מערכת בקרה בחוג‪-‬סגור )‪ (closed-loop‬המווסתת את מהירות מנוע‬
‫זרם‪-‬ישר )ז"י = ‪ .(DC‬המודל המתמטי של מנוע ‪ DC‬נסקר והפרמטרים הפיזיקליים שלו מזוהים‪ .‬לאחר‬
‫וידוי נכונותו‪ ,‬המודל משמש לתכנון בקר פרופורציוני‪-‬אינטגרלי )‪.(PI‬‬
‫‪ .2‬סימוכין‬
‫]‪ [1‬מדריך למשתמש עבור ה‪.NI-ELVIS-‬‬
‫]‪ [2‬מדריך למשתמש עבור ה‪.DCMCT-‬‬
‫‪ .3‬תצוגת הסביבה המבוקרת ע"י מודול הבקרה ‪DCMCT‬‬
‫‪.3.1‬‬
‫מינוח רכיבים‬
‫לטובת מינוח מהיר‪ ,‬טבלה מס' ‪ ,1‬למטה‪ ,‬מספקת רשימה של המרכיבים העיקריים של ערכת הלימוד‬
‫לבקרת מנוע ‪ .(DCMCT) DC‬כל רכיב מאותר ומזוהה באמצעות מספר זיהוי ייחודי )‪ (unique ID‬על‬
‫הסביבה המבוקרת‪ ,‬להלן ה‪ Plant-‬של ה‪ ,DCMT-‬כפי שמופיע באיור מס' ‪.1‬‬
‫מס' זיהוי )‪(ID#‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫תיאור‬
‫מנוע ‪DC‬‬
‫מקודד )אינקודר( מנוע‬
‫מס' זיהוי )‪(ID#‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫תיאור‬
‫מארז מנוע ‪DC‬‬
‫עומס דיסק‬
‫טבלה ‪ :1‬מינוח רכיבי ה‪DCMCT-‬‬
‫]‪ - Plant [1‬הינו מונח מעולם המכניקה והמכונות המתאר את החלק של המערכת וסביבת העבודה‬
‫הפיזיקאלית המבוקרת על ידי הבקר‪ .‬המונח בא מעולם הדימויים של מפעל שמבוקר‬
‫איור ‪ :1‬רכיבי ה‪DCMCT-‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪2‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫‪.3.2‬‬
‫תיאור הסביבה המבוקרת ע"י ה‪DCMCT -‬‬
‫מערכת ה‪ DCMCT-‬מורכבת ממנוע ‪ DC‬בעל מנוע סרוו המניע עומס דיסק‪ .‬המגבר המצוי על הלוח‪,‬‬
‫אשר מניע את המנוע‪ ,‬מקבל אספקת מתח ממקור עצמאי של ‪ .± 24v DC‬מקור המנוע הינו מתח בעל‬
‫טווח של ‪ .± 24v‬למנוע יש אינקודר המודד את מיקומו‪ ,‬טכומטר דיגיטלי המודד את מהירותו וחיישן זרם‬
‫המודד את הזרם המעשי המוזן למנוע‪.‬‬
‫ההנחה היא כי מערכת ה‪ QNET-‬מוגדרת כראוי כפי שמוכתב בסימוכין ]‪.[1‬‬
‫‪ .4‬מטלה טרום‪-‬מעבדה‬
‫עליך לקרוא‪ ,‬להבין ולבצע חלק זה לפני שאת‪/‬ה מבצע‪/‬ת את המעבדה‪.‬‬
‫מטרת ניסוי זה היא להציג מושגים של בקרה על‪-‬ידי חקירת המאפיינים וההתנהגויות של מנוע סרוו ‪.DC‬‬
‫אי‪-‬לכך‪ ,‬קיימת חשיבות רבה בהכרת המאפיינים הפיזיקליים של המנוע‪.‬‬
‫למנוע ה‪ DC-‬יש מאפיינים חשמליים ומכניים כאחד‪ .‬עבור הפרמטרים השונים המוגדרים בטבלה מס' ‪,2‬‬
‫המשוואות החשמליות המתארות את תגובת חוג‪-‬פתוח של מנוע ה‪ DC-‬הן‪:‬‬
‫]‪[1‬‬
‫‪Vm (t ) − Rm Im(t ) − Eemf (t ) = 0‬‬
‫]‪[2‬‬
‫) ‪Eemf (t ) = Kmω m (t‬‬
‫וגם‬
‫המשוואות המכניות המתארות את המומנט של המנוע הן‪:‬‬
‫‪d‬‬
‫)) ‪ω m(t‬‬
‫‪dt‬‬
‫]‪[1‬‬
‫]‪[2‬‬
‫( ‪Tm(t ) = Jeq‬‬
‫וגם‬
‫ו‪Tm(t ) = Kt Im(t ) -‬‬
‫סימון‬
‫תיאור‬
‫‪Vm‬‬
‫מתח סופי של המנוע )‪(terminal‬‬
‫יחידות‬
‫‪V‬‬
‫‪Rm‬‬
‫התנגדות סופית של המנוע )‪(terminal resistance‬‬
‫‪Ω‬‬
‫‪Im‬‬
‫זרם העוגן )‪(armature‬‬
‫‪A‬‬
‫‪Kt‬‬
‫קבוע מומנט סיבוב )‪(torque‬‬
‫‪N·m/A‬‬
‫‪Km‬‬
‫קבוע ‪ back-emf‬של המנוע *‬
‫)‪V/(rad/s‬‬
‫‪ωm‬‬
‫מהירות זוויתית של ציר המנוע‬
‫‪rad/s‬‬
‫‪Tm‬‬
‫‪Jeq‬‬
‫מומנט סיבוב של המנוע‬
‫מומנט האינרציה של עוגן והעומס של המנוע‬
‫‪N·m‬‬
‫‪Kg·m2‬‬
‫טבלה ‪ :2‬מינוח רכיבי ה‪DCMCT-‬‬
‫* ‪ back-electromotive force‬הינו הפרש המתח בין מתח העוגן לשדה המגנטי מסביב למנוע‪.‬‬
‫כאשר הסימולים ‪ Tm , Jeq , ω m, Kt , Km, Im‬מתוארים בטבלה מס' ‪.2‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪3‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫‪.4.1‬‬
‫תרגיל‪ :‬מידול חוג‪-‬פתוח‬
‫גזור את פונקציית התמסורת בחוג‪-‬פתוח‪,‬‬
‫) ‪Vm ( s‬‬
‫) ‪ , ω m ( s‬המייצגת את מהירות מנוע ה‪ DC-‬על‪-‬ידי‬
‫שימוש במשוואת ]‪.[4] ,[3] ,[2] ,[1‬‬
‫‪ .5‬פגישת מעבדה‬
‫‪.5.1‬‬
‫הגדרת חומרת המערכת‬
‫פגישת המעבדה הזאת מבוצעת באמצעות מערכת ה‪ NI-ELVIS-‬המצויידת בלוח ‪QNET-DCMCT‬‬
‫וקובץ צלמית יישום הבקרה של ‪ .Qnet_DCMCT_Lab_01_Speed_Control.vi - Quanser‬אנא‬
‫פנה‪/‬י להמדריך בסימוכין ]‪ [2‬עבור הוראות האתחול והחיווט הדרושים לצורך ביצוע מעבדת הבקרה‬
‫הנ"ל‪ .‬המדריך בסימוכין ]‪ [2‬מספקת גם‪-‬כן את המאפיינים ותיאור של הרכיבים העיקריים המרכיבים‬
‫את המערכת שלך‪.‬‬
‫לפני תחילת המעבדה‪ ,‬וודא‪/‬י כי המערכת מוגדרת כדלקמן‪:‬‬
‫ מודול ה‪ DCMCT-‬של ‪ QNET‬מחובר ל‪.ELVIS-‬‬‫ מתג התקשורת של ה‪ ELVIS-‬נמצא במצב מעקף )‪.(Bypass‬‬‫ מודול ה‪ DCMCT-‬מחובר לספק חשמל ה‪.DC-‬‬‫‪ 4 -‬נורות ה‪ ,+B,+15V,-15V,+5V :LED-‬המצויות על מודול ה‪ QNET-‬נמצאות במצב דלוק‪.‬‬
‫‪.5.2‬‬
‫מהלך המעבדה‬
‫החלקים הבאים מתאימים לטאבים )‪ (tabs‬של היישום‪ ,‬המוצג באיור ‪ .2‬אנא עקוב‪/‬עקבי אחר‬
‫השלבים הבאים‪:‬‬
‫שלב ‪ – 1‬קרא את חלק ‪ 5.1‬ועבור על מדריך ההתקנה בסימוכין ]‪.[2‬‬
‫שלב ‪ – 2‬הרץ את היישום ‪ QNET_DCMCT_Lab_01_Speed_Control.vi‬המוצג באיור ‪ .2‬יישום‬
‫בקרת המהירות המופיע באיור ‪ 2‬הוא התוכנית ברמה העליונה‪ ,‬אשר תדריך אותך במהלך‬
‫המעבדה‪.‬‬
‫** צלמית = ‪VI‬‬
‫צלמית היישום הינה היררכיה אחת מיני רבות של יישום שלם ומלא בתוכנת המידול והתכנות ‪LabVIEW‬‬
‫של חברת ‪ .National Instruments‬בהיררכיה העליונה קיימת הצלמית הראשית‪.‬‬
‫קייימות צלמיות הקרויות ‪ ,sub-VI‬שהינם צלמיות לכל דבר‪ ,‬רק נמצאות בהיררכיה מתחת‬
‫לראשית‪/‬עליונה‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪4‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫איור ‪ :2‬קובץ יישום ‪ VI‬של מבט על למעבדת בקרת מהירות של ‪QNET-DCMCT‬‬
‫שלב ‪ – 3‬כפי שהתגלה בתרגיל טרום‪-‬המעבדה‪ ,‬קיימים שלושה מאפיינים הקובעים את אופן הפעולה‬
‫וההתנהגות של מנוע סרוו ‪:DC‬‬
‫)‪ (1‬ההתנגדות החשמלית של המנוע )‪ – (Rm‬תכונה חשמלית של מנוע‪ .‬היא מתארת את תגובת‬
‫המנוע למתח נתון וקובעת את כמות הזרם שיוכל לעבור דרך המנוע‪.‬‬
‫)‪ (2‬קבוע המומנט הסיבוב של המנוע )‪ – (Kt‬מתאר את המומנט שהמנוע מייצר ‪ -‬בעל יחס ישיר‬
‫לזרם העובר דרך המנוע‪ .‬שים‪/‬י לב כי קבוע ‪ , Km ,back-emf‬שווה לקבוע המומנט הסיבוב‬
‫של המנוע‪.Kt ,‬‬
‫)‪ (3‬מומנט האינרציה )‪ – (Jeq‬מומנט האינרציה של עומס הדיסק ושל ציר המנוע‪.‬‬
‫שלושת הפרמטרים האלה של מודל חוג‪-‬פתוח יזוהו‪.‬‬
‫שלב ‪ – 4‬בחר בלשונית שערוך פרמטרים ) ‪ ( "Parameter Estimation" tab‬אשר פותח את‬
‫צלמית תת‪-‬היישום כפי שמוצג באיור ‪.3‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪5‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫איור ‪ :3‬צלמית יישום )‪) Parameter Estimation (vi‬שערוך פרמטרים(‬
‫שלב ‪ – 5‬הזרם עובר דרך עוגן המנוע‪ ,‬המהירות של ציר המנוע‪ ,‬ההתנגדות הסופית של‬
‫המנוע וקבוע המומנט הסיבוב נמדדים באמצעות מד‪-‬המהירות )טאכומטר( וחיישן הזרם‪ .‬הם‬
‫מוצגים באמצעות השעונים השונים המוצגים באיור ‪ .3‬המתח הנכנס למנוע‪ ,Vm ,‬נשלט‬
‫באמצעות החוגה בחלק האמצעי‪-‬עליון של היישום‪ .‬לוח המחוונים בחלקו הימני‪-‬עליון מכיל כפתור‬
‫'דגום' )‪ (Acquire Data‬אשר עוצר את צלמית היישום כאשר נלחץ‪ .‬בנוסף לכך‪ ,‬הלוח מכיל מחוון‬
‫'זמן דגימה' )‪ ,(Acquisition Time‬המציג את משך זמן הסימולציה של צלמית היישום‪ ,‬בקר‬
‫שיכול לשנות את קצב הדגימה שבו הבקר האנלוגי דוגם ונורית המראה האם הבקר משמר קצב‬
‫זמן‪-‬אמת‪ .‬זמן‪-‬אמת נשמר כאשר צלמית היישום איננה מאבדת דגימות מהחיישנים‪.‬‬
‫אם הנורית אדומה או מהבהבת‪ ,‬משמעות הדבר היא שאין ליישום כח חישוב מספק כדי‬
‫שצלמית היישום תעמוד בקצב של החיישנים‪ .‬במקרה כזה‪ ,‬האט את קצב הדגימה ואתחל את‬
‫צלמית היישום על‪-‬ידי לחיצה על כפתור הדגימה כדי לסגור את צלמית היישום ובחירה בלשונית‬
‫)‪ (tab‬הערכת פרמטרים )‪ (parameter estimation‬כדי לטעון את הצלמית מחדש‪.‬‬
‫שלב ‪ – 6‬הגבר‪/‬י את המתח של המנוע במרווחים של ‪ 1V‬החל מ‪ -5V -‬ועד ל‪ .+5V -‬בכל מרווח‪,‬‬
‫מדוד‪/‬מדדי את מהירות המנוע‪ ,‬את הזרם העובר דרך המנוע ואת זרם ההשהיה‪ .‬זרם ההשהייה‬
‫נמדד כאשר העומס נשמר בצורה שלא מאפשר למנוע להסתובב יותר‪ .‬תעד‪/‬י את ממצאיך‬
‫בטבלה ‪.3‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪6‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫מתח מנוע )‪(V‬‬
‫‪-5‬‬
‫‪-4‬‬
‫‪-3‬‬
‫‪-2‬‬
‫‪-1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪5‬‬
‫זרם מנוע )‪(A‬‬
‫מהירות מנוע )‪(rad/s‬‬
‫זרם השהייה )‪(A‬‬
‫טבלה ‪ :3‬מדידות שערוך הפרמטרים‬
‫שלב ‪ – 7‬לחץ‪/‬י על מחוון ‪ Acquire Data‬לאחר שכל המדידות הסתיימו על‪-‬מנת להמשיך עם‬
‫המעבדה‪.‬‬
‫שלב ‪ – 8‬מדידות אלה משמשות לזיהוי הפרמטרים הפיזיקליים של המנוע המסויים שברשותך‪.‬‬
‫בהמשך‪ ,‬המודל המתמטי שכעת מפותח ישמש לתכנון הבקר‪ .‬וודא‪/‬י שאותה מערכת שמשמשת‬
‫אותך לפיתוח המודל תשמש אותך בעת יישום מערכת הבקרה‪ .‬כפי שנידון מוקדם יותר‪ ,‬יש‬
‫לזהות שלושה פרמטרים – ההתנגדות חשמלית‪ ,‬קבוע המומנט הסיבוב של המנוע ומומנט‬
‫האינרציה בהתאמה‪.‬‬
‫שלב ‪ – 9‬זכור‪/‬זכרי כי המשוואות החשמליות של מנוע ה‪ DC-‬הן‪:‬‬
‫]‪[5‬‬
‫‪Vm (t ) − Rm Im(t ) − Eemf (t ) = 0‬‬
‫]‪[6‬‬
‫) ‪Eemf (t ) = Kmω m (t‬‬
‫וגם‬
‫כפי שמשוואה ]‪ [6‬מתארת‪ ,‬אם לא מאפשרים למנוע להסתובב )לדוגמא המנוע מושהה(‪ ,‬אין‬
‫מתח ‪ .back-emf‬אי‪-‬לכך‪ ,‬אם ‪ Eemf=0 v‬כאשר ‪ , I=Istall‬משוואה ]‪ [5‬הופכת ל‪-‬‬
‫) ‪Vm(t‬‬
‫) ‪Istall (t‬‬
‫]‪[7‬‬
‫= ‪Rm‬‬
‫שלב ‪ – 10‬ניתן להעריך את התנגדות המנוע על‪-‬ידי העתקת מדידות זרם ההשהיה מטבלה מס' ‪3‬‬
‫לטבלה מס' ‪ 5‬וחישוב ‪ Rm‬בכל מרווח מתח על‪-‬ידי שימוש בביטוי ב‪ .[7]-‬ההערכה של התנגדות‬
‫המנוע תמצא על‪-‬ידי חישוב הממוצע של עשרת החישובים‪.‬‬
‫מתח מנוע )‪(V‬‬
‫‪-5‬‬
‫‪-4‬‬
‫‪-3‬‬
‫‪-2‬‬
‫‪-1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪5‬‬
‫זרם השהייה )‪(A‬‬
‫התנגדות משוערכת )‪(Ω‬‬
‫התנגדות ממוצעת‪:‬‬
‫טבלה ‪ :4‬שערוך התנגדות חשמלית‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪7‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫שלב ‪ – 11‬הפרמטר השני של המודל שיש למצוא הוא קבוע מומנט הסיבובי של המנוע‪ ,‬המסומן ב‪-‬‬
‫‪ .Kt‬בהינתן שביחידות ‪ ,Kt=Km (mks) SI‬שילוב המשוואת ]‪ [5‬ו‪ [6]-‬ופיתרונן עבור קבוע המומנט‬
‫הסיבובי נותן‪:‬‬
‫) ‪Vm(t ) − Rm Im(t‬‬
‫) ‪ω m(t‬‬
‫]‪[8‬‬
‫= ‪Kt‬‬
‫ניתן לחשב את קבוע המומנט הסיבוב בכל מרווח מתח באמצעות מהירות המנוע והזרם שהוקלט‬
‫בטבלה מס' ‪ ,3‬בתוספת ההתנגדות החשמלית המשוערכת בטבלה מס' ‪ .4‬ההערכה הסופית של‬
‫קבוע מומנט הסיבובי של המנוע נמצאת על‪-‬ידי חישוב הממוצע של עשרת קבועי המומנט‪ .‬השלם‬
‫את טבלה מס' ‪.5‬‬
‫מתח מנוע‬
‫)‪(V‬‬
‫‪-5‬‬
‫‪-4‬‬
‫‪-3‬‬
‫‪-2‬‬
‫‪-1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪5‬‬
‫מהירות המנוע‬
‫)‪(rad/s‬‬
‫זרם המנוע‬
‫)‪(A‬‬
‫קבוע המומנט‬
‫המוערך )‪(N·m/a‬‬
‫קבוע המומנט הממוצע‪:‬‬
‫טבלה ‪ :5‬שערוך קבוע מומנט הסיבוב של המנוע‬
‫שלב ‪ – 12‬הפרמטר האחרון שיש לחשב הוא מומנט האינרציה‪ .‬במקרה של מודול ה‪ ,QNET-‬ישנו‬
‫עומס על הדיסק המחובר לציר המנוע‪ .‬מומנט האינרציה של דיסק המסתובב סביב צירו הוא‪:‬‬
‫]‪[9‬‬
‫‪mr 2‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪Jl‬‬
‫מומנט האינרציה של הדיסק בו נעשה שימוש במערכות ‪ QNET‬הוא ‪ 0.000015‬ק"ג מ‪ .2‬ציר‬
‫המנוע מוסיף גם הוא למומנט האינרציה של המערכת ושונה במקצת בכל מודול של ‪.QNET‬‬
‫המומנט המשוקלל ‪ ,Jeq‬יחושב על‪-‬ידי ויסות )‪ (fitting‬המודל למערכת עצמה מאוחר יותר‪.‬‬
‫שלב ‪ – 13‬לחץ על לשונית )‪ (tab‬מאפייני החוג‪-‬פתוח )‪ (Open-Loop Properties‬וצלמית היישום‬
‫המוצגת באיור מס' ‪ 4‬אמורה להיטען‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪8‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫איור ‪ :4‬מאפייני מערכת חוג‪-‬פתוח‬
‫שלב ‪ – 14‬הזן את הערכים המשוערכים של ‪ Rm, Kt‬ו‪ .Jeq-‬התגובה אמורה להישתנות בהתאם‪.‬‬
‫שלב ‪ – 15‬תגובת המרווח של המנוע היא התגובה של מהירות המנוע לשינוי מתח של ‪.1V‬דיאגרמת‬
‫בודה )‪ (Bode‬ממפה את תגובת מהירות המנוע לתדר נתון‪ .‬שים‪/‬י‪-‬לב כי העוצמה נמדדת בדציבלים )‪(dB‬‬
‫ונחלשת בתדרים גבוהים יותר‪ .‬נצל‪/‬י את ההזדמנות הזו על‪-‬מנת לחקור את המודל של המערכת בכך‬
‫שתשנה‪/‬י את שלושת הפרמטרים של המודל ותצפה‪/‬י כיצד כל אחד מהם משנה את תגובת המרווח‪,‬‬
‫דיאגרמת ‪ bode‬ופונקציית התמסורת‪ .‬לדוגמא‪ ,‬צפה‪/‬י כיצד ‪ peak time‬ו‪ setting time-‬מתקצרים ככל‬
‫שהאינרציה ‪ Jeq‬גוברת‪.‬‬
‫שלב ‪ – 16‬לאחר שמאפייני החוג‪-‬הפתוח נחקרו‪ ,‬וודא‪/‬י כי הפרמטרים מוחזרים למצב בו הם זוהו‬
‫לראשונה‪ .‬בחר‪/‬י בלשונית ויסות מודל )‪ (Model Fitting‬הטוען את צלמית היישום המופיע באיור מס' ‪5‬‬
‫והמשך‪/‬י עם המעבדה‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪9‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫איור ‪ :5‬ויסות המודל‬
‫שלב ‪ – 17‬כפי שמתואר באיור מס' ‪ ,5‬הסקופ )מסך המציג את האותות( מציג את הסימולציה של‬
‫תגובת מהירות המנוע‪ ,‬הנוצרת בעזרת המודל המתמטי שפותח‪ ,‬ותגובת מהירות המנוע‬
‫האמיתית‪ ,‬הנמדדת על‪-‬ידי מד‪-‬המהירות‪ .‬המנוע של ‪ QNET‬מופעל על ידי מחולל אותות‪.‬‬
‫שלב ‪ – 18‬הכנס‪/‬י את ערכי ‪ Rm‬ו‪ Kt-‬המשוערכים אל תוך משתני המודל‪ .‬בחר‪/‬י בכפתור ה‪-‬עדכן‬
‫מודל )‪ (Update Model‬ושים‪/‬י‪-‬לב שהסימולציה בדיאגרמה משתנה מכיוון שהיא מדמה את‬
‫המערכת בעזרת פרמטרים חדשים‪.‬‬
‫שלב ‪ – 19‬שנה את פרמטר האינרציה ‪ Jeq‬עד שהתגובה הממודלת תחל להתאים לתגובה‬
‫האמיתית‪ .‬כפי שצוין מוקדם יותר‪ ,‬האינרציה של עומס הדיסק ידועה אך האינרציה של ציר‬
‫המנוע לא ידוע‪.‬‬
‫זכור‪/‬י ללחוץ על כפתור ה‪ Update Model-‬לאחר שינוי פרמטר של המודל על‪-‬מנת לראות‬
‫את השינויים בסימולציה‪.‬‬
‫שלב ‪ – 20‬בנוסף לכל‪ ,‬ניתן לשנות את קבוע המומנט הסיבוב ‪ Kt‬ואת קבוע התנגדות המנוע ‪Rm‬‬
‫על‪-‬מנת לכייל את המודל בצורה מדוייקת‪ .‬ברגע שהסימולציה מתאימה לתגובה האמיתית‪,‬‬
‫הקלט את ‪ Jeq, Kt‬ו‪ Rm-‬הסופיים שהתקבלו ולחץ על כפתור ה‪ Acquire Data-‬כדי להתקדם‬
‫לתכנון הבקר‪ .‬הקלט את הפרמטרים הנ"ל לשימוש בפגישת המעבדה הבאה – מעבדת‬
‫‪ DCMCT‬מס' ‪ – 2‬בקרת מיקום‪.‬‬
‫‪,‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪10‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫פרמטר ויסות למודל‬
‫‪Rm‬‬
‫‪Kt‬‬
‫‪Jeq‬‬
‫מדידה‬
‫יחידה‬
‫‪Ω‬‬
‫‪N·m/A‬‬
‫‪Kg·m2‬‬
‫טבלה ‪ :6‬פרמטרים לויסות המודל‬
‫שלב ‪ – 21‬כעת יש לבחור את לשונית תכנון בקר)‪ .(controller Design‬כפי שמוצג באיור מס' ‪,6‬‬
‫בלוק מודל המנוע )‪ (Motor Model‬הינו פונקציית התמסורת המייצגת את מערכת החוג‪-‬הפתוח‬
‫וקובית בקר ה‪ PI-‬הוא מערכת הבקרה שיש לתכנן‪ .‬שני הבלוקים נמצאים בלולאת משוב‬
‫שלילית‪ ,‬ובכך הופכים את המערכת למערכת בקרה חוג‪-‬סגור‪ .‬כברירת מחדל‪ ,‬אות הבדיקה הוא‬
‫בקפיצות של ‪ .deg/s 100‬מערכת הבקרה אמורה להוציא מתח למנוע שיבטיח כי המנוע אכן‬
‫ישיג את המהירות הרצויה‪.‬‬
‫איור ‪ :6‬תכנון הבקר‬
‫שלב ‪ – 22‬שני המחוונים הבקרה העגולים באיור מס' ‪ 6‬משנים את הגבר הפרופורציוני ‪ Kp‬ואת‬
‫ההגבר האינטגרלי ‪ ,Ki‬של הבקר‪ .‬תשנה‪/‬י את הההגברים ‪ Kp‬ו‪ Ki-‬כפי שמופייע בטבלה מס' ‪7‬‬
‫ותעד‪/‬י את השינויים בתגובת מדרגה )‪ (step response‬ואת השינויים ב‪-‬ביצועי הבקר‬
‫)‪.(Controller performance‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪11‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫‪Steady-State‬‬
‫)‪Error (%‬‬
‫‪Setting Time‬‬
‫)‪(s‬‬
‫‪Max. Overshoot‬‬
‫)‪(%‬‬
‫‪Rise‬‬
‫)‪Time (s‬‬
‫‪Ki‬‬
‫)‪(V/rad·s‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.00‬‬
‫‪0.25‬‬
‫‪0.50‬‬
‫‪0.75‬‬
‫‪1.00‬‬
‫‪Kp‬‬
‫)‪(V/rad‬‬
‫‪0.00‬‬
‫‪0.03‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.08‬‬
‫‪0.10‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.05‬‬
‫‪0.05‬‬
‫טבלה ‪ :7‬ביצועי הבקר‬
‫שלב ‪ – 23‬בכלליות‪ ,‬האפיון והביצועים הנדרשים ממערכת בקרה משתנים בהתאם לצרכים של‬
‫המערכת בכללותה והמגבלות הפיזיקליים של המערכת‪ .‬מצא‪/‬י את הגברי הבקר ‪ Kp‬ו‪Ki-‬‬
‫שמתאימים לדרישות הבאות של מערכת ה‪ DCMCT-‬בצורה המירבית‪:‬‬
‫‪ (1‬מקסימום זמן עליה )‪ (rise time‬של ‪ 0.15‬שנ'‪.‬‬
‫‪ (2‬תגובת‪-‬יתר )‪ (Overshoot‬פחות מ‪.5% -‬‬
‫‪ (3‬זמן יצוב )‪ (Setting time‬פחות מ‪ 0.25 -‬שנ'‪.‬‬
‫‪ (4‬שגיבת מצב יציב )‪ (Steady-state‬של ‪) 0%‬לדוגמא‪ ,‬מהירות מנוע נמדד צריך להתכנס‬
‫למהירות פקודה(‪.‬‬
‫שלב ‪ – 24‬לאחר שההגברי הבקרים משיגים תגובת חוג‪-‬סגור המתאימה לאפיון הדרוש‪ ,‬הכנס‪/‬י את‬
‫ערכי ה‪ Kp -‬ו‪ Ki-‬שמופיעים בשורה האחרונה של טבלה מס' ‪ ,7‬יחד עם תוצאות מאפייני זמן‬
‫התגובה התואמים )‪.(response time-domains‬‬
‫שלב ‪ – 25‬בחר‪/‬י את הלשונית מימוש הבקר )‪ (Controller Implementation‬על‪-‬מנת לטעון את‬
‫צלמית היישום המופיע באיור מס' ‪ .7‬על הבקר שתוכנן כעת להיות מיושם במערכת מנוע ה‪DC-‬‬
‫של ‪ .QNET‬הצג ביישום השמשת הבקר‪ ,‬כפי שמופיע באיור מס' ‪ ,7‬מציב את מהירות המנוע‬
‫המסומלצת מהמודל המתמטי ואת המהירות האמיתית בחוג‪-‬הסגור כפי שהיא נמדדת על‪-‬ידי‬
‫מד‪-‬המהירות‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪12‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫איור ‪ :7‬מימוש בקר ‪) PI‬פרופורציוני אינטגלי(‬
‫שלב ‪ – 26‬וודא‪/‬י כי קבועי הפרופורציוני והאינטגרלי שתוכננו להתאים לדרישות‪ ,‬מופיעים בלוח‬
‫הגברי הבקר)‪ (Controller Gains‬המוצג באיור מס' ‪ .7‬מחולל הפונקציות בלוח מהירות רצויה‬
‫)‪ (Desired Speed‬משמש ליצור את מהירות הבקרה ליחוס‪ .‬קבע‪/‬י את אות המהירות הנשלטת‬
‫לגל מרובע בעל אמפליטודה של ‪ 100‬מעלות לשנייה‪.‬‬
‫ממש‪/‬י את הבקר עבור אותה המערכת ממנה פותח המודל‪ .‬דבר זה יבטיח שהבקר לא‬
‫מבוסס על מודל שעלול לא לייצג את המנוע שלך‪.‬‬
‫שלב ‪ – 27‬אם תגובת החוג‪-‬הסגור האמיתית או המדומה כבר לא עונה לדרישות‪ ,‬כוון את הבקר‬
‫בלוח הגברי הבקר‪ .‬הקלט את ‪ Kp‬ו‪ Ki-‬הסופיים שהשתמשתם ואת מאפייני ביצועי הבקרה‬
‫המתקבלים של תגובת החוג‪-‬הסגור – ‪Rise Time, Max. Overshoot, Setting Time,‬‬
‫‪ – Steady-State Error‬בטבלה מס' ‪.8‬‬
‫יחידות‬
‫‪V/rad‬‬
‫‪V/rad·s‬‬
‫‪s‬‬
‫‪%‬‬
‫‪s‬‬
‫‪deg/s‬‬
‫ערך נמדד‬
‫הגדרות‬
‫‪Kp‬‬
‫‪Ki‬‬
‫‪Rise Time‬‬
‫‪Max. Overshoot‬‬
‫‪Setting Time‬‬
‫‪Steady-State Error‬‬
‫טבלה ‪ :8‬ביצועי החוג‪-‬הסגור האמיתיים‬
‫שלב ‪ – 28‬שנה‪/‬י את האמפליטודה‪ ,‬התדר ו‪/‬או סוג של אות הבקרה )סינוס‪ ,‬שן‪-‬מסור וריבוע(‬
‫ושים‪/‬י‪-‬לב לשינויים בהתנהגות התגובות‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪13‬‬
‫מדריך מעבדת בקרת מהירות של ‪DCMCT‬‬
‫שלב ‪ – 29‬עצור את יישום הבקר על‪-‬ידי לחיצה על כפתור דגום מידע )‪ (Acquire Data‬וזה יעביר‬
‫אותך ללשונית מודל מתמטי )‪ .(Mathematical Model‬כבה את מתג הכוח ‪PROTOTYPING‬‬
‫‪ POWER BOARD‬ואת מתג ‪ SYSTEM POWER‬בצד האחורי של יחידת ה‪ .ELVIS-‬נתק‬
‫את כבל )זרם‪-‬החילופין( ‪ AC‬של המודול‪ .‬לבסוף‪ ,‬סיים את מפגש המעבדה על‪-‬ידי לחיצה על‬
‫כפתור ה‪-‬עצור )‪ (Stop‬בצלמית היישום‪.‬‬
‫גרסה‪ ● 02 :‬עמוד ‪14‬‬