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Cuatro. Para sistema controlador-actuador multiobjetivo
Todo el sistema de robot de piano incluye múltiples subestructuras móviles, como dos manos móviles y 10 dedos giratorios y estirables. Por lo tanto, el control del robot significa el control coordinado de múltiples actuadores. El controlador host es responsable de la interfaz hombre-máquina de la entrada de la puntuación del trabajo y la programación de acciones. Aunque el controlador principal asume la función principal de control del movimiento del robot, en realidad no realiza el control de circuito cerrado de los motores de accionamiento ni de los dedos de la mano. El controlador de destino no interactúa con la implementación real del control de bucle cerrado de cada motor de accionamiento. En la figura se muestra un robot piano de planta de control realista. 6.
En este sistema, dos manos (o palmas) comparten el mismo estator y diez dedos impulsados por motores lineales accionados por 10 servomotores separados. Para que esté bien coordinado, cada movimiento del robot piano debe controlarse y sincronizarse con precisión. De hecho, cualquier acción o nota tocada por un robot piano se combina con el trabajo de muchos accionamientos (o motores). Además, algunos ejecutores trabajan al mismo tiempo y otros trabajan en el orden correcto. Se planean esquemas de control paralelo o control distribuido para superar los requisitos del control de actuadores múltiples. Esto se hace implementando un controlador local o controlador de destino en la placa central FPGA (módulo de 8 chips Cyclone III EP3C25Q240C de Altera), llamado sistema de control paralelo basado en el controlador FPGA. Programe la placa FPGA con varios circuitos de procesamiento de datos y controladores locales, incluidos receptores de datos, decodificadores de códigos de control, calculadoras de posición y velocidad, escalas ópticas (o codificadores lineales), controladores de motores lineales y controladores de servomotores. Un módulo de chip si el número de puertas. aún no ha terminado. Basados en controladores FPGA, cada controlador local funciona de forma independiente, aunque estos controladores están programados en la misma placa FPGA. Para ilustrar el diseño de un controlador local, por ejemplo, en la figura 1 se muestra un diagrama de control de un motor con volante a la derecha (motor lineal). 7.
El controlador principal coloca los comandos de posición y ángulo en el bus de datos, que se utiliza para impulsar el motor en todo el sistema. Para algunas convenciones, estos comandos de posición y ángulo se programan en lugar de proporcionar información verdadera de posición y ángulo codificada en el puerto paralelo o bus de datos para reducir la carga de transferencia de datos y simplificar el controlador host. El controlador de nivel inferior debería captar y descifrar sus propios comandos de control. Por lo tanto, el sincronizador y el decodificador están diseñados para recibir correctamente comandos desde el controlador host al controlador de destino.
En el diagrama que se muestra en la Figura 7, el decodificador de posición recibe algunas cadenas de señales de reloj (A, B y Z) generadas por una regla óptica (o codificador incremental lineal) y decodifica la información de posición del motor lineal. . La señal de sincronización de un codificador incremental lineal (sincronización del eje Z), a diferencia de un codificador incremental giratorio, no se envía periódicamente, especialmente para el control de posición. No se puede ignorar otro fenómeno: el problema de la deriva. Dado que la señal de sincronización Z no se puede obtener del codificador incremental, el decodificador de posición se desviará. Este fenómeno de deriva produce sobrepasos intensos del reloj A o del reloj B en los sistemas de control de posición, especialmente en los controles de motores lineales. En el decodificador posicional de la figura, este problema se solucionará. 7.
Del mismo modo, el motor con volante a la izquierda tiene el mismo esquema de control. Los parámetros del motor manual (motor lineal Shangyin LMCB5) se muestran en la Tabla 3.
Para evitar movimientos motores lineales frecuentes, se pueden girar los dedos horizontalmente para golpear las teclas del piano. Para una posición fija de la mano, cada dedo golpea de 2 a 4 teclas. Este diseño equilibra el movimiento de la mano y los dedos que impulsan el motor. Además, los movimientos al tocar el piano y la rotación de los dedos son más antropomórficos. Se realiza mediante un motor accionado por los dedos y un servomotor. El motor tiene su propio circuito de control y accionamiento de circuito cerrado. Se controla ajustando el ciclo de trabajo de la onda PWM. El controlador objetivo del motor accionado por dedo calcula el ángulo de rotación y genera la onda de trabajo correspondiente. El diagrama de bloques está representado en la figura. 8.
Dado que el comando de ángulo del controlador principal no es solo un código codificado para el ángulo de rotación, el controlador de destino debe decodificar y calcular el ángulo de rotación real del servomotor. Observe el teclado del piano en la figura. 9. El teclado tiene teclas blancas y negras. Las teclas blancas están dispuestas en fila a intervalos uniformes, pero las teclas negras sí. Hará que el ángulo de rotación del servomotor sea proporcional al código de ángulo dependiendo de dónde descanse el motor lineal (mano).
Por lo tanto, en el controlador de destino se establece una tabla de mapeo con respecto a la relación entre el código de ángulo, el ángulo de rotación y la posición de permanencia del motor lineal. Por lo tanto, el ángulo de rotación real se calcula buscando el código de ángulo en la tabla y haciendo referencia a la posición de reposo del motor lineal.
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CINCO ONTROLADORES
En esta sección, analizaremos el diseño del controlador, lo que significa encontrar un controlador de ganancia de control adecuado. Como se mencionó anteriormente, el control del motor accionado por dedo genera el comando de ángulo de la onda del ciclo de trabajo PWM. Tiene ajuste de ganancia de control del motor sin dedos. Para motores manuales y motores lineales, debemos buscar un diagrama de ganancia de control apropiado. 7. Seleccione un controlador PI como controlador de posición y velocidad para el motor lineal en la figura. 7. Mediante simulación, podemos obtener la ganancia de control proporcional K p y la ganancia de control integral K i. Se omiten los detalles de la derivación teórica. El diagrama de simulación de Matlab/Simulink se muestra en la figura. 10. Sea K P = 32,8382, K I = 1499,6 para el bucle de control de velocidad y K P = 22, K = 0,5 para el bucle de control de posición. Sustituyendo la simulación de los parámetros del motor lineal, los resultados de la simulación se muestran en la Tabla 3, y la respuesta al paso del control de posición y el comando de posicionamiento de 20 cm se muestra en la figura. 11.
Seis. Implementación y experimentos
De acuerdo con los métodos de diseño anteriores, incluidos los métodos de control, los procedimientos de procesamiento de datos y los circuitos de hardware, se implementan el controlador principal y el controlador local. Como se mencionó anteriormente, la ganancia de control está relacionada con el diseño analógico. Sin embargo, la Figura 10 es una simulación de tiempo continuo. El controlador implementado es un controlador digital. De ahí la ecuación de tiempo discreto de un controlador PI o el controlador analógico de un sistema digital. Programado únicamente por FPGA. Utilizando la operación de transformación Z, los resultados de la simulación se pueden digitalizar en dígitos. Además, ignoramos los detalles y las matemáticas complejas que intervienen en el proceso de desarrollo de cada diseño de controlador y subsistema. Al implementar el sistema, se puede verificar el sistema de diseño y el hardware del controlador en el circuito. Diagrama de la trama a continuación. Figura 12 y fig. 13 es un sistema de control de posición de motor lineal que recopila y traza resultados de medición de operaciones reales a través de la tecnología Matlab/RTWT. La Tabla 4 muestra los resultados de la medición del movimiento de la mano (movimiento del motor lineal) controlado por la posición de 5 ~ 50 cm (intervalo de tiempo de 2 teclas ~ intervalo de tiempo de 10 teclas). La Tabla 5 muestra la repetibilidad correspondiente para el control de posición del motor lineal con una repetibilidad de 5 a 50 cm. La Tabla 6 muestra los resultados de la medición de la rotación del dedo (rotación del servomotor) para un comando de rotación de 5? 24 grados. La Tabla 7 muestra la repetibilidad de la rotación del dedo (rotación del servomotor) para un comando de rotación de 5 a 24 grados.
Siete. ? ONCLUSIÓN
En este artículo, se propone una estructura de control jerárquica con un controlador host (PC) y un controlador local (FPGA) para lograr el control paralelo de un robot piano antropomórfico con dos dedos. El sistema consta de tres subsistemas, el controlador principal, el controlador de destino (o controlador local) y la planta (o dispositivo físico) para el control real. La PC se utiliza para realizar la programación, el comando y el código de control de las acciones del robot de las que el controlador principal es responsable ante el controlador de destino. Está programado con una interfaz interactiva hombre-máquina y algoritmos inteligentes para generar códigos de control de música. Dada una partitura musical, el algoritmo inteligente generará una serie de posiciones óptimas que ordenan los movimientos de las manos y los dedos para ordenar de manera óptima al robot que toque. La serie está programada para protección contra choques y movimiento mínimo de la mano y los dedos del robot personificado. . En lugar de diseñar un controlador local para realizar el control de circuito cerrado real de cada motor de accionamiento mecánico, incluido el accionamiento con dos manos y el accionamiento con diez dedos. Para conseguir una buena coordinación, hemos analizado el rendimiento y el tiempo de respuesta de cada actuador. Esta información es muy importante para que el controlador principal del robot piano programe y dirija cada actuador. Finalmente, la estructura de control jerárquico se implementa completamente para demostrar nuestro concepto de diseño.
Utilicé una herramienta de traducción para traducirlo porque yo tampoco podía entenderlo.