23 УДК 004.942.519.876.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СРЕДЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ CoDeSys Инж. НОВИКОВ С. О. Белорусский национальный технический университет Возможности среды программирования CoDeSys для управления электроприводом постоянного тока. Большинство значимых программ- ных проектов для персональных компьютеров (ПК) сегодня реализуется с помощью объектно-ориентированного программирования (ООП). Хотя поначалу некоторые программисты скептически относились к ООП, уменьшение сроков разработки программного обеспечения (ПО) и просто- та повторного использования теперь уже никем не оспариваются. В системе программирования CoDeSys [1] полноценно реализованы фундаментальные особенности объектно-ориентированного программиро- вания: классы, интерфейсы, наследование, полиморфизм и динамическое связывание. Компания 3S расширила стандарт МЭК 61131-3 без его изме- нения, введя дополнительный набор ключевых слов. 23 ООП – это не стандартное расширение МЭК 61131-3. Но дело упроща- ется тем, что в стандарте уже заложен фундамент объекта. Это функцио- нальный блок. Даже в ранних версиях CoDeSys функциональные блоки включали в себя действия, аналогичные методам класса. Дооснащение блоков всеми свойствами объекта выглядит как абсолютно естественное их развитие. Новые ключевые слова построены на базе языка Java. Таким об- разом, знакомые с ООП программисты не встретят никаких затруднений при работе в CoDeSys. Помимо собственно программ, концепция объекта в CoDeSys примене- на и для других элементов проекта, как-то: графические элементы визуали- зации, элементы сетевой конфигурации и др. Проектирование структуры системы управления. Учитывая, что необходимо произвести моделирование работы системы управления (СУ) электроприводом постоянного тока (ЭПТ), т. е. фактически полунатурные испытания контроллера, без использования реального объекта управления, в этом случае модель структурной схемы СУЭПТ с пропорционально- интегрально-дифференциальным (ПИД)-регулятором в системе програм- мирования CoDeSys будет выглядеть, как показано на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема системы регулирования скорости ДПТ Пример реализации данной схемы в CoDeSys приведен на рис. 2. Рис. 2. Пример реализации схемы системы управления ЭПТ в CoDeSys Основная программа проектируемой системы написана на языке CFC стандарта МЭК 61131-3, а тексты функциональных блоков – на языке ST. vзадан ∑ Модель ДПТ ПИД- регулятор νд 24 В модуле «Модель ДПТ» описывается математическая модель ЭПТ с использованием следующей системы уравнений [2]: я я я я я д д я д c ; ; . diU i R L dt M k i dJ M M dt = + = ω = − Решая данную систему уравнений и заменяя дифференциал разностны- ми уравнениями в приращениях, получим следующую зависимость для вычисления скорости двигателя на n-м шаге дискретизации: д c 1 ( ) .n n М M t J− − ∆ ω = ω + В модуле «ПИД-регулятор» описывается в разностной форме ПИД за- кон управления [3] 1 1 2 ,n n p n i n d nY Y k k k− − −= + ε − ε + ε где Y – сигнал управления на n-м шаге; Yn–1 – то же на (n – 1)-м шаге; εn, εn– 1, εn-1 – величины рассогласований между действительной и желаемой вели- чинами скорости соответственно на n-, (n – 1)- и (n – 2)-м шагах. На вход этого блока также поданы: предельное задание по скорости vзад; коэффици- енты пропорциональный kp, интегральный ki и дифференциальный kd со- ответственно. Для каждого модуля все полученные значения строятся в виде графиков. Технические характеристики двигателя. Используем для проведения полунатурных испытаний двигатель постоянного тока независимого воз- буждения [4]. В номинальном режиме он имеет следующие технические данные: • мощность Pном – 0,75 кВт; • скорость вращения якоря Nном – 1000 об/мин; • номинальный момент – 7,35 Н⋅м; • ток якоря – 17,1 А; • напряжение – 60 В; • КПД – 72,9 %; • электромагнитная постоянная времени – 3,28 мс; • механическая постоянная времени –25 мс; • момент инерции – 0,0133 кг⋅м2; • сопротивление якоря Rя – 0,47 Ом. Задачей ПИД-регулятора является цель как можно быстрее вывести си- стему к заданному значению. Это достигается путем расчета коэффициен- тов ПИД-регулятора. На рис. 3 показывается влияние коэффициентов на характер поведения переходного процесса. 25 Из графиков следует, что при определенных значениях коэффициентов переходный процесс будет протекать плавно, максимально быстро выводя систему к заданному уровню. Рис. 3. Влияние коэффициентов ПИД-регулятора на характер поведения переходного процесса Компьютерное моделирование системы. ПО системы программиро- вания CoDeSys позволяет провести эмуляционное моделирование практи- чески для любой разрабатываемой СУ. Для этого в ней предусмотрены та- кие возможности, как анимационное построение разрабатываемой системы в графическом редакторе, осциллографирование наблюдаемых параметров и многое другое. Используя возможности программного осциллографа и системы эмуляции CoDeSys, промоделируем работу СУ ЭПТ и проанали- зируем ее по полученным графикам поведения. Прежде чем выполнить эмуляцию рассматриваемой СУ ЭПТ, производится расчет коэффициентов ПИД-регулятора для рассматриваемой системы, а затем с помощью полу- ченных коэффициентов проводится моделирование работы ПИД-регулято- ра СУ с ЭПТ. По результатам моделирования получены следующие осцил- лограммы трассировки наблюдаемых параметров (рис. 4). Кi = 2 Кp = 1; Кi = 1; Кd = 1 Кi = 0,5 1,5 1,0 0,54 0 26 Рис. 4. Пример трассировки наблюдаемых параметров работы ПИД-регулятора с ЭПТ Представленные на рис. 4 графики отражают поведение: 1) сигнала задания скорости vзадан; 2) сигнала действительной скорости vд; 3) сигнала рассогласования ε; 4) переходной характеристики на выходе ПИД-регулятора; 5) сигнала изменения нагрузки на валу двигателя. Отладка поведения СУ с ЭПТ производится с помощью изменения ко- эффициентов ПИД-регулятора с целью уменьшения времени переходного процесса, а также снижения амплитуды колебаний. CoDeSys позволяет вы- полнить эти действия достаточно оперативно и наглядно для разработчика. В качестве примера проиллюстрируем изменение интегрального коэффи- циента ПИД-регулятора (рис. 5 и 6). 27 Рис. 5. Пример реализации ПИД-регулятора с ЭПТ при уменьшении в 2 раза интегрального коэффициента Рис. 6. Пример реализации ПИД-регулятора с ЭПТ при увеличении в 2 раза интегрального коэффициента В Ы В О Д Представленные для анализа результаты наглядно демонстрируют воз- можности системы программирования CoDeSys для динамической разра- ботки ПО сложных технических систем, которые впоследствии необходи- мо использовать в программируемых логических контроллерах с различ- ными микропроцессорными платформами. СoDeSys предоставляет раз- работчику ПО все доступные языки программирования стандарта МЭК 61131 – CFC, FBD, LD, ST и IL. Кроме того, в данной системе имеется встроенный графический редактор, с помощью которого можно изобразить и наблюдать в действии будущую систему. Настройка программного обес- печения на конкретную микропроцессорную платформу выполняется в конфигураторе CoDeSys, при этом также настраивается система ввода- вывода информации через порты конкретного программируемого контрол- лера, использующего в качестве операционной системы систему програм- мирования CoDeSys. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. http://www.3s-software.com 2. П е т р о в, Р. П. Оптимальное управление электроприводом с учетом ограничения по нагреву / Р. П. Петров. – Л.: Энергия, 1971. – С. 6–8. 3. С п р а в о ч н и к по автоматизированному электроприводу / под ред. В. А. Елисеева и А. В. Шинявского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 616 с. 4. А л е к с е н к о, А. Г. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропро- цессорах / А. Г. Алексенко, А. А. Галицин, А. Д. Иванников. – М.: Радио и связь, 1984. – 259 с. Представлена кафедрой ПОВТ и АС Поступила 12.12.2008