بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به موضوع طراحی و ساخت یک سامانه مکانیکی مشابه با یک بندباز واقعی پرداخته شده است. این بندباز به عنوان یک سامانه معیار و داراي رفتار غیرخطی براي انجام آزمایشهایی در ارتباط با مدلسازي، شبیهسازي و کنترل در آزمایشگاه کنترل دیجیتال دانشگاه علم و صنعت ایران ساخته شده و شامل بدنه بندباز و میله تعادل آن است که به بندباز لولا شده است و نیروي لازم براي حرکت را از یک موتور جریان مستقیم میگیرد. دو دستگاه انکودر نیز وظیفه سنجش زاویه بندباز و میله تعادل را بر عهده دارند.
هدف در این مسأله، پایداري یک پاندول عمودي توسط اعمال گشتاور پیچشی به میلهاي افقی، لولا شده به بالاي پاندول عمودي است. ماهیت غیر خطی این سیستم، ناپایداري بالاي آن و سایر پارامترهاي این سیستم، نوعی طراحی خاص و همزمان سیستمهاي مکانیکی، الکتریکی، نرم افزاري را میطلبد و این سامانه را به عنوان مجموعهاي کامل براي آزمایش و پیادهسازي انواع کنترلگرهاي غیرخطی مناسب ساخته است.
مقدمه
مجموعه بندباز که از خانواده آونگ معکوس محسوب میشود، یک مساله چالشی در مهندسی کنترل است. آونگ معکوس، خود مساله کلاسیک با کنترل غیرخطی است که تاکنون از دیدگاههاي طراحی، ایجاد و بهبود کنترلگر براي سیستمهاي غیرخطی مورد مطالعه قرار گرفته است.[11-1] در برخی از انواع آن، پایهي آونگ داراي حرکت انتقالی یا چرخشی است [2] و .[11-10] در کنترل آونگهاي معکوس، سعی بر آن است که یک مکانیزم چند لینکی که بهصورتس هاي مختلف به یکدیگر مفصل شدهاند را با استفاده از یک سیستم کنترلی در راستاي قائم پایدار نمود.
سیستمهاي آونگ معکوس در حال حاضر به عنوان وسایل آموزشی و آزمایشات پژوهشی مورد استفاده قرار میگیرند. مؤسسه کوانسر، تولید کننده وسایل آموزشی و تحقیقاتی در سال 2004 و نیز بسیاري از پژوهشگران اقدام به ساخت سیستمهاي آونگ معکوس خاص کردند تا تحقیقاتشان را پوشش دهند .[4-2] در سالهاي
2004 و 2005 محققان روشهایی را براي یافتن معادلات سیستم دینامیکی و نیز مشخصکردن خواص میرایی مکانیکی سیستمهاي خطی و نیز استخراج سرعت از دادههاي انکدر خطی ابداع کردند که از این روشها میتوان براي سیستمهاي آونگی استفاده نمود.
از ساختارهاي آونگ معکوس ساخته شده تاکنون میتوان به سیستمهاي تکلینکی با حرکت انتقالی یا دورانی و نیز به سیستم هاي دو لینکی سري و موازي با حرکت انتقالی یا دورانی اشاره کرد[1] و .[8] از دیدگاه تئوري، هر تعداد لینک میتوانند بر روي یک کالسکه و یا بر روي یک لینک دورانی نصب شده و با موفقیت همگی در حالت عمودي نگه داشته شوند .[12] تاکنون محققان از کنترلگرهاي خطی و غیرخطی متفاوتی در کنترل آونگهاي مختلف استفاده کردهاند .[11-1]
منطقی که سالهاست دانشمندان زیادي در سراسر دنیا بهطور مفصل و عمیق درباره آن مشغول به کار هستند منطق فازي است که بر اساس قوانین اگرĤنگاه کار میکند که از یک فرد خبره و متخصص بدست آمده و بهصورت مجموعه قوانین پایهگذاري شده است. [8-7] و .[11] با توجه به ماهیت غیرخطی و ناپایداري بالاي سیستم بندباز، این دستگاه، با هدف آزمایش منطق فازي ساخته شده است اما میس توان ایدههاي کنترلی مختلفی را روي آن پیاده سازي کرد.
معرفی سامانه مکاترونیکی بندباز
مجموعه بندباز، یک وسیلهي آزمایشگاهی است که براي انجام آزمایشهایی در ارتباط با مدلسازي، شبیهسازي و کنترل در آزمایشگاه کنترل دیجیتال دانشگاه علم و صنعت ایران ساخته شده است. ایده اصلی طرح از یک بندباز واقعی گرفته شده است. در این مجموعه، بدنهي بندباز به یک بازوي متحرك لولا شده است که به بازو قابلیت تحرك میدهد. در عین حال نحوه اتصال بدنه به پایه بهس گونهاي است که بدنه قابلیت چرخش زاویهاي در محدوده تعیین شده دارد. در این مجموعه، کارکرد بازو حفظ تعادل بدنه، حول نقطه تعادل سیستم است که در راستاي عمود قرار میگیرد. ورودي به سیستم بندباز ولتاژ موتور جریان مستقیم است که همان خروجی کنترلگر میباشد. وظیفه این موتور تهیه گشتاور لازم براي چرخش میله جهت حفظ تعادل بدنه سیستم بندباز است. در شکل 1 نماي شماتیک مجموعه نشان داده شده است.
سنسورهاي اندازه گیري
هدف از پیادهسازي کنترلگرهاي مختلف، پایدارساختن مجموعه در حالت دو لینک عمود بر هم است. بنابراین دستیابی به اندازه زاویه بین لینک بدنه بندباز و محور عمود ج θض و زاویه بین لینک میله و محور افقی جϕض مورد نیاز است. این دو لینک در شکل 2 نمایش داده شده است. براي اندازهگیري این زاویهها و نیز تعیین سرعت و جهت چرخش لینکها، به دو سنسور اندازهگیري دورانی زاویه نیاز است.
دقت، صحت، تکرار پذیري، رزولوشن، نوع خروجی - آنالوگ، دیجیتال - و سازگار بودن نوع خروجی، قابلیت اطمینان و آسانی کاربرد مهمترین پارامترهایی است که باید در انتخاب سنسور اندازهگیري زاویه مورد ملاحظه قرار گیرند. با توجه به پارامترهاي ذکر شده، در این پروژه از انکودر افزایشی استفاده شد. از ویژگیهاي این نوع سنسور زاویه میس توان به خروجی دیجیتال آن اشاره کرد که این نوع خروجی میتواند مستقیم به کامپیوتر منتقل گردد و این یکی از مهمترین مزیتهاي استفاده از انکودر براي هدف سنسور اندازهگیري زاویه است.
همانطور که در شکل 3 مشخص است، هر دو انکودر به همراه موتور بر روي پایهاي قرار گرفتهاند. یکی از انکودرها به کمک کوپلینگ و شفتی به قطر10 میلیمتر که از داخل شفت تو خالی دیگري به قطر داخلی 14 میلیمتر عبور کرده، زاویه بدنه بندباز و راستاي عمود ج θض را اندازه میگیرد. انکودر دوم نیز به کمک کوپلینگ و شفتی که به موتور متصل شده، زاویه میله بندباز و راستاي عمود بر بدنه بندباز جϕض را اندازه میگیرد.
