Mechatronika II (BMEGEFOAMM2) Első gyakorlat Készítette: Raj Levente
Tartalom Bevezetés... 3 Jelölések... 3 101 Egységugrás bemenetre adott válaszfüggvény (időfüggvény) meghatározása... 4 Feladatleírás... 4 Implementáció... 5 102 Dinamikus rendszer Bode és Nyquist frekvenciafüggvényének meghatározása átviteli függvény alapján... 16 Feladatleírás... 16 Implementáció... 17 103 Dinamikus rendszer Bode és Nyquist frekvenciafüggvényének meghatározása szorzat (zérus-pólus-erősítés) alakú átviteli függvény alapján... 27 Feladatleírás... 27 Implementáció... 28 104 PID szabályzó tervezése modellek összekapcsolásával... 38 Feladatleírás... 38 Implementáció... 39 Irodalomjegyzék... 55 2
Bevezetés A gyakorlatok elvégzéséhez szükség van a LabVIEW grafikus programozási környezet alap szintű ismeretére. A LabVIEW grafikus programozási környezet részletes leírása megtalálható a [1] jelű irodalomban, elérhető online a http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412a/2010-0017_44_informatika_2/adatok.html linken. A gyakorlatok célja, hogy megismertesse az olvasóval a LabVIEW Control Design & Simulation Toolkit-et és gyakorlati példákon keresztül mutassa be a Toolkit használatát. A Toolkit részletes leírása megtalálható [2] jelű irodalomban, elérhető online a http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412a/2011-0042_szamitogepes_szimulacio/adatok.html linken. A gyakorlatok során szoftverarchitektúrákkal nem foglalkozunk, csak szimulációs-, és szabályzó algoritmusokkal és azok implementálásával. Jelölések >> A >> szimbólum egymásba ágyazott menü opciók választását és párbeszédpanelek elemeinek kiválasztását és megnyomását jelenti. Félkövér Félkövérrel szedett szövegrészletek menü elemeket, párbeszédpanelek elemeit jelentik, amiket egér kattintással ki kell választani. Dőlt Dőlt szöveg szedés változókat, hivatkozásokat, vagy felhasználói adatbevitelt jelentenek. Félkövér és dőlt + Félkövér és dőlt Billentyűkombinációk, például: Ctrl+N. 3
101 Egységugrás bemenetre adott válaszfüggvény (időfüggvény) meghatározása Feladatleírás Szimulációs programkód létrehozása, ami egy adott átviteli függvény szimulációját végzi és kiszámolja az átviteli függvényre jellemző egységugrás-válasz függvényt, valamint az időtartománybeli dinamikai tulajdonságokat (felfutási idő, beállási idő, túllövés, statikus erősítés stb.) (1 ábra) 1. ábra Egységugrás bemenetre adott válaszfüggvény (időfüggvény) meghatározása. 4
Implementáció Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 1. Hozzon létre egy új VI-t! a. Indítsa el a LabVIEW fejlesztői környezetet! b. Válassza a File>>New VI menüpontot, vagy a Ctrl+N billentyűkombinációval. c. Mentse el a VI-t tetszőleges néven! 2. Készítse el a kezelő felületet! a. Válassza ki a front panelen, jobb egérgomb kattintása után, a Controls palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Create Model >> Transfer Function kontrolt és helyezze el a front panelen. (2 ábra.) 2. ábra Transfer Function kontrol kiválasztása és elhelyezése. 5
A Transfer Function kontrol elhelyezésével létrejött több kontrol és egy indikátor is: Model Name, szöveg adattípus, itt adható meg az átviteli függvény jele. Az itt megadott változót a Control Design nem használja fel semmire, csak dekorációs célt szolgál, Sampling Time (s), numerikus adattípus, 0 érték esetén folytonos idejű modellt hoz létre, Numerator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény számlálójának együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Denominator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény nevezője együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Resulting Model, kép adattípus, itt jelenik meg az átviteli függvény grafikusan Polynomial Order, az átviteli függvény számlálójának és nevezőjének együtthatóinak értelmezési sorrendje állítható vele. Egyidejűleg a Transfer Function kontrol front panelen történő elhelyezésével a blokk diagramon is automatikusan létrejöttek a modell létrehozásához szükséges objektumok (3. ábra). A létrehozott átviteli függvényt a blokk diagramon a LabVIEW egy felirattal és nyíllal jelzi. A flat sequence később eltávolítható, ha nincs rá szükség. 3. ábra Transfer Function kontrol 6
3. Helyezze el a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Time Response >> CD Step Response.vi-t, valamint a Control & Simulation >> Control Design >> Time Response >> CD Parametric Time Response.vi-t és helyezze el ezeket a blokk diagramon. (4. ábra) 4. ábra A CD Step Response.vi és a CD Parametric Time Response.vi. 7
4. Kösse össze a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Kösse rá a létrehozott modell vezetékét a CD Step Response.vi és a CD Parametric Time Response.vi bal felső sarkaiban található modell bemenetre és a rendszerhibát továbbító zöld színű error vezetéket a két vi bal alsó sarkaiban található hiba bemenetre! (5. ábra) Amennyiben nem módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, akkor a VI-ok automatikusan felismerik a modell bemenetre kötött modell típusát és a modell típusának megfelelő implementációt választják. 5. ábra A CD Step Response.vi és a CD Parametric Time Response.vi vezetékezése. 8
Amennyiben módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, vagy törött a vezeték a szimulációs VI-ok és a létrehozott modell között, akkor állítsa vissza a polimorfikus VI választó segítségével a VI-okat Automatic állapotba. (6. ábra) 6. ábra Polimorfikus VI legördülő menü. 9
5. Készítse el a szimulációt végző elemek szimulációs paramétereit! a. Hozzon létre egy kontrolt a CD Step Response.vi Time Range bemenetére a Time Range bemeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Control opciót. (7. ábra) b. Kösse rá az előző pontban létrehozott Time Range kontrolt a CD Parametric Time Response.vi Time Range bemenetére is! 7. ábra Szimulációs paraméterek elkészítése. 10
c. A létrehozott Time Range kontrol egy klaszter adattípus, ami három lebegőpontos számot tartalmaz: t0: a szimuláció kezdeti ideje, dt: a szimuláció lépésköze, tf: a szimuláció végső időpontja. Mindhárom változó értéke másodpercben értendő. Alapértékük -1, ami azt jelenti, hogy a szimulációs VI-ok automatikusan határozzák meg ezeket a paramétereket. (8. ábra) 8. ábra Time Range kontrol. 11
6. Szimulációs eredmények megjelenítése a. Hozzon létre indikátort a CD Step Response.vi jobb fölső sarkában található Step Response Graph kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. b. Hozzon létre indikátort a CD Parametric Time Response.vi jobb oldalon, föntről a második helyen található Time Response Parametric Data kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. (9. ábra) 9. ábra Indikátorok létrehozása szimulációs eredmények megjelenítésére. 12
c. Az előző pontban létrehozott indikátorok a front panelen is megjelennek. (10. ábra) Step Response Graph tartalmazza grafikusan a szimulációs eredményeket. Time Response Parametric Data tartalmazza a rendszerre jellemző időtartománybeli dinamikai tulajdonságokat. 10. ábra Szimulációs eredmények megjelenítése. 13
A Time Response Parametric Data szintén egy klaszter adattípus, ami a következő sorrendben tartalmazza az időtartománybeli dinamikai tulajdonságokat: beállási idő, túllövés, statikus erősítés Rise Time (s): felfutási idő másodpercben, Overshoot (%): a túllövés százalékos értéke a végértékhez képest, Peak Time (s): a csúcsérték eléréséhez szükséges idő másodpercben, Steady-State Gain: állandósult állapotbeli (statikus) erősítés, Settling Time (s): beállási idő másodpercben, Peak Value: csúcsérték 7. Hibakezelés a. A szimuláció futtatásakor felléphetnek rendszerhibák ezek alapszintű kezelése a program leállítása és a felhasználó értesítése. (11. ábra) b. Válassza ki és helyezze el a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Programming >> Dialog & User Interface >> Merge Errors elemet. c. Kösse a Merge Errors két bemenetére a CD Step Response.vi és a CD Parametric Time Response.vi jobb alsó sarkaiban található Error kimenetét! d. Hozzon létre hiba indikátort, a Merge Errors kimenetén jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. 8. Futassa az elkészített szimulációs programot a paraméterek változtatása mellett! a. Vizsgáljon több, különböző paraméterekkel rendelkező átviteli függvényt! b. Figyelje meg a szimulációs paraméterek (kezdeti idő, lépésköz) változtatásának hatását is! 14
11. ábra Hibakezelés. 15
102 Dinamikus rendszer Bode és Nyquist frekvenciafüggvényének meghatározása átviteli függvény alapján Feladatleírás Szimulációs programkód létrehozása, ami egy adott átviteli függvény szimulációját végzi és kiszámolja az átviteli függvényre jellemző frekvencia tartománybeli dinamikai tulajdonságokat, a Bode-, és Nyquist diagramokat. (12. ábra) 12. ábra Dinamikus rendszer Bode-, és Nyquist diagramjainak meghatározása átviteli függvény alapján. 16
Implementáció Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 1. Hozzon létre egy új VI-t! a. Indítsa el a LabVIEW fejlesztői környezetet! b. Válassza a File>>New VI menüpontot, vagy a Ctrl+N billentyűkombinációval. c. Mentse el a VI-t tetszőleges néven! 2. Készítse el a kezelő felületet! a. Válassza ki a front panelen, jobb egérgomb kattintása után, a Controls palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Create Model >> Transfer Function kontrolt és helyezze el a front panelen. (13. ábra) 13. ábra Transfer Function kontrol kiválasztása és elhelyezése. 17
A Transfer Function kontrol elhelyezésével létrejött több kontrol és egy indikátor is: Model Name, szöveg adattípus, itt adható meg az átviteli függvény jele. Az itt megadott változót a Control Design nem használja fel semmire, csak dekorációs célt szolgál, Sampling Time (s), numerikus adattípus, 0 érték esetén folytonos idejű modellt hoz létre, Numerator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény számlálójának együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Denominator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény nevezője együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Resulting Model, kép adattípus, itt jelenik meg az átviteli függvény grafikusan Polynomial Order, az átviteli függvény számlálójának és nevezőjének együtthatóinak értelmezési sorrendje állítható vele. Egyidejűleg a Transfer Function kontrol front panelen történő elhelyezésével a blokk diagramon is automatikusan létrejöttek a modell létrehozásához szükséges objektumok (14. ábra). A létrehozott átviteli függvényt a blokk diagramon a LabVIEW egy felirattal és nyíllal jelzi. A flat sequence később eltávolítható, ha nincs rá szükség. 14. ábra Transfer Function kontrol. 18
3. Helyezze el a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Frequency Response >> CD Bode.vi-t, valamint a Control & Simulation >> Control Design >> Frequency Response >> CD Nyquist.vi-t és helyezze el ezeket a blokk diagramon. (15. ábra) 15. ábra A CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi. 19
4. Kösse össze a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Kösse rá a létrehozott modell vezetékét a CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi bal felső sarkaiban található modell bemenetre és a rendszerhibát továbbító zöld színű error vezetéket a két VI bal alsó sarkaiban található hiba bemenetre! (16. ábra) Amennyiben nem módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, akkor a VI-ok automatikusan felismerik a modell bemenetre kötött modell típusát és a modell típusának megfelelő implementációt választják. 16. ábra A CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi vezetékezése. Amennyiben módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, vagy törött a vezeték a szimulációs VI-ok és a létrehozott modell között, akkor állítsa vissza a polimorfikus VI választó segítségével a VI-okat Automatic állapotba. (17. ábra) 17. ábra Polimorfikus VI legördülő menü. 20
5. Készítse el a szimulációt végző elemek szimulációs paramétereit! a. Hozzon létre egy kontrolt CD Bode.vi Frequency Range bemenetére a Frequency Range bemeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Control opciót. (18. ábra) b. Kösse rá az előző pontban létrehozott Frequency Range kontrolt a CD Nyquist.vi Frequency Range bemenetére is! 18. ábra Szimulációs paraméterek elkészítése. 21
c. A létrehozott Frequency Range kontrol egy klaszter adattípus, ami négy számot tartalmaz: (19. ábra) Initial frequency: a szimuláció kezdeti frekvenciája. Alapértéke -1, ami azt jelenti, hogy a szimulációs VI-ok automatikusan határozzák meg ezt a paramétert. Final frequency: a szimuláció végső frekvenciája. Alapértéke -1, ami azt jelenti, hogy a szimulációs VI-ok automatikusan határozzák meg ezt a paramétert. Minimum number of points: a frekvencia-pontok minimális száma. Frequency Unit: a frekvencia tengely mértékegysége. Lehet Hz, vagy rad/s 19. ábra A Frequency Range kontrol. 22
6. Szimulációs eredmények megjelenítése a. Hozzon létre indikátort a CD Bode.vi jobb fölső sarkában található Bode Magnitude és Bode Phase kimenetekre, a kimeneteken jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. b. Hozzon létre indikátort a CD Nyquist.vi jobb fölső sarkában található Nyquist Plot kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. (20. ábra) 20. ábra Indikátorok létrehozása szimulációs eredmények megjelenítésére. 23
c. Az előző pontban létrehozott indikátorok a front panelen is megjelennek. Bode Magnitude és Bode Phase grafikonok tartalmazzák grafikusan a rendszerre jellemző Bode-diagramot. Nyquist Plot tartalmazza a rendszerre jellemző Nyquist- diagramot. 21. ábra Szimulációs eredmények megjelenítése. 24
7. Hibakezelés a. A szimuláció futtatásakor felléphetnek rendszerhibák ezek alapszintű kezelése a program leállítása és a felhasználó értesítése. (22. ábra) b. Válassza ki és helyezze el a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Programming >> Dialog & User Interface >> Merge Errors elemet. c. Kösse a Merge Errors két bemenetére a CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi jobb alsó sarkaiban található Error kimenetét! d. Hozzon létre hiba indikátort, a Merge Errors kimenetén jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. 8. Futassa az elkészített szimulációs programot a paraméterek változtatása mellett! e. Vizsgáljon több, különböző paraméterekkel rendelkező átviteli függvényt! f. Figyelje meg a szimulációs paraméterek (frekvencia-pontok minimális száma) változtatásának hatását is! 25
22. ábra Hibakezelés. 26
103 Dinamikus rendszer Bode és Nyquist frekvenciafüggvényének meghatározása szorzat (zérus-póluserősítés) alakú átviteli függvény alapján Feladatleírás Szimulációs programkód létrehozása, ami egy adott, szorzat (zérus-pólus-erősítés) alakú átviteli függvény szimulációját végzi és kiszámolja az átviteli függvényre jellemző frekvencia tartománybeli dinamikai tulajdonságokat, a Bode-, és Nyquist diagramokat. (23. ábra) 23. ábra Dinamikus rendszer Bode és Nyquist frekvenciafüggvényének meghatározása szorzat (zérus-pólus-erősítés) alakú átviteli függvény alapján. 27
Implementáció Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 1. Hozzon létre egy új VI-t! a. Indítsa el a LabVIEW fejlesztői környezetet! b. Válassza a File>>New VI menüpontot, vagy a Ctrl+N billentyűkombinációval. c. Mentse el a VI-t tetszőleges néven! 2. Készítse el a kezelő felületet! a. Válassza ki a front panelen, jobb egérgomb kattintása után, a Controls palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Create Model >> ZPK (Zérus-Pólus-Erősítés) kontrolt és helyezze el a front panelen. (24. ábra) 24. ábra ZPK kontrol kiválasztása és elhelyezése. 28
A ZPK kontrol elhelyezésével létrejött több kontrol és egy indikátor is: Model Name, szöveg adattípus, itt adható meg az átviteli függvény jele. Az itt megadott változót a Control Design nem használja fel semmire, csak dekorációs célt szolgál, Sampling Time (s), numerikus adattípus, 0 érték esetén folytonos idejű modellt hoz létre, Gain, numerikus adattípus, az átviteli függvény erősítése, Zeros, komplex numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény számlálójának gyökeit tartalmazza, Poles, komplex numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény nevezőjének gyökeit tartalmazza, Resulting ZPK Model, kép adattípus, itt jelenik meg az átviteli függvény grafikusan, Complete Complex Conjugate? (F), logikai adattípus, annak megadására. hogy az átviteli függvény tartalmaz-e komplex konjugált gyökpárt, Format Display for ZPK, enumerated adattípus, lehetőségei: Standard, Engineering, Time Constant, a Resulting ZPK Model megadási módja állítható vele. Egyidejűleg a ZPK kontrol front panelen történő elhelyezésével a blokk diagramon is automatikusan létrejöttek a modell létrehozásához szükséges objektumok (25. ábra). A létrehozott átviteli függvényt a blokk diagramon a LabVIEW egy felirattal és nyíllal jelzi. A flat sequence később eltávolítható, ha nincs rá szükség. 25. ábra A ZPK kontrol. 29
3. Helyezze el a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Frequency Response >> CD Bode.vi-t, valamint a Control & Simulation >> Control Design >> Frequency Response >> CD Nyquist.vi-t és helyezze el ezeket a blokk diagramon. (26. ábra) 26. ábra A CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi. 30
4. Kösse össze a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! a. Kösse rá a létrehozott modell vezetékét a CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi bal felső sarkaiban található modell bemenetre és a rendszerhibát továbbító zöld színű error vezetéket a két VI bal alsó sarkaiban található hiba bemenetre! (27. ábra) Amennyiben nem módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, akkor a VI-ok automatikusan felismerik a modell bemenetre kötött modell típusát és a modell típusának megfelelő implementációt választják. 27. ábra A CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi vezetékezése. Amennyiben módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, vagy törött a vezeték a szimulációs VI-ok és a létrehozott modell között, akkor állítsa vissza a polimorfikus VI választó segítségével a VI-okat Automatic állapotba. (28. ábra) 28. ábra Polimorfikus VI legördülő menü. 31
5. Készítse el a szimulációt végző elemek szimulációs paramétereit! a. Hozzon létre egy kontrolt CD Bode.vi Frequency Range bemenetére a Frequency Range bemeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Control opciót. (29. ábra) b. Kösse rá az előző pontban létrehozott Frequency Range kontrolt a CD Nyquist.vi Frequency Range bemenetére is! 29. ábra Szimulációs paraméterek elkészítése. 32
c. A létrehozott Frequency Range kontrol egy klaszter adattípus, ami négy számot tartalmaz: (30. ábra) Initial frequency: a szimuláció kezdeti frekvenciája. Alapértéke -1, ami azt jelenti, hogy a szimulációs VI-ok automatikusan határozzák meg ezt a paramétert. Final frequency: a szimuláció végső frekvenciája. Alapértéke -1, ami azt jelenti, hogy a szimulációs VI-ok automatikusan határozzák meg ezt a paramétert. Minimum number of points: a frekvencia-pontok minimális száma. Frequency Unit: a frekvencia tengely mértékegysége. Lehet Hz, vagy rad/s 30. ábra A Frequency Range kontrol. 33
6. Szimulációs eredmények megjelenítése a. Hozzon létre indikátort a CD Bode.vi jobb fölső sarkában található Bode Magnitude és Bode Phase kimenetekre, a kimeneteken jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. b. Hozzon létre indikátort a CD Nyquist.vi jobb fölső sarkában található Nyquist Plot kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. (31. ábra) 31. ábra Indikátorok létrehozása szimulációs eredmények megjelenítésére. 34
c. Az előző pontban létrehozott indikátorok a front panelen is megjelennek. (32. ábra) Bode Magnitude és Bode Phase grafikonok tartalmazzák grafikusan a rendszerre jellemző Bode-diagramot. Nyquist Plot tartalmazza a rendszerre jellemző Nyquist- diagramot. 32. ábra Szimulációs eredmények megjelenítése. 35
7. Hibakezelés a. A szimuláció futtatásakor felléphetnek rendszerhibák ezek alapszintű kezelése a program leállítása és a felhasználó értesítése. (33. ábra) b. Válassza ki és helyezze el a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Programming >> Dialog & User Interface >> Merge Errors elemet. c. Kösse a Merge Errors két bemenetére a CD Bode.vi és a CD Nyquist.vi jobb alsó sarkaiban található Error kimenetét! d. Hozzon létre hiba indikátort, a Merge Errors kimenetén jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. 8. Futassa az elkészített szimulációs programot a paraméterek változtatása mellett! a. Vizsgáljon több, különböző zérus-pólus-erősítés értékekkel rendelkező átviteli függvényt! b. Figyelje meg a szimulációs paraméterek (frekvencia-pontok minimális száma) változtatásának hatását is! 36
33. ábra Hibakezelés. 37
104 PID szabályzó tervezése modellek összekapcsolásával Feladatleírás Szimulációs programkód létrehozása, ami egy adott átviteli függvény, mint szakasz, szabályozásának szimulációját végzi és kiszámolja a szakaszra és a zárt szabályzási körre jellemző időtartománybeli dinamikai tulajdonságokat, frekvencia tartománybeli dinamikai tulajdonságokat és a Zérus-Pólus térképet. (34. ábra) 34. ábra PID szabályzó tervezése modellek összekapcsolásával. 38
Implementáció Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 1. Hozzon létre egy új VI-t! a. Indítsa el a LabVIEW fejlesztői környezetet! b. Válassza a File>>New VI menüpontot, vagy a Ctrl+N billentyűkombinációval. c. Mentse el a VI-t tetszőleges néven! 2. Készítse el a kezelő felületet! a. Válassza ki a front panelen, jobb egérgomb kattintása után, a Controls palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Create Model >> Transfer Function kontrolt és helyezze el a front panelen. (35. ábra) 35. ábra Transfer Function kontrol kiválasztása és elhelyezése. 39
A Transfer Function kontrol elhelyezésével létrejött több kontrol és egy indikátor is: Model Name, szöveg adattípus, itt adható meg az átviteli függvény jele. Az itt megadott változót a Control Design nem használja fel semmire, csak dekorációs célt szolgál, Sampling Time (s), numerikus adattípus, 0 érték esetén folytonos idejű modellt hoz létre, Numerator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény számlálójának együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Denominator, numerikus tömb adattípus, az átviteli függvény nevezője együtthatóit tartalmazzák a Polynomial Order logikai változótól függően Laplace-operátor fokszámának csökkenő, vagy növekvő sorrendben Resulting Model, kép adattípus, itt jelenik meg az átviteli függvény grafikusan Polynomial Order, az átviteli függvény számlálójának és nevezőjének együtthatóinak értelmezési sorrendje állítható vele. Egyidejűleg a Transfer Function kontrol front panelen történő elhelyezésével a blokk diagramon is automatikusan létrejöttek a modell létrehozásához szükséges objektumok (36. ábra). A létrehozott átviteli függvényt a blokk diagramon a LabVIEW egy felirattal és nyíllal jelzi. A flat sequence később eltávolítható, ha nincs rá szükség. 36. ábra Transfer Function kontrol. 40
b. Válassza ki a front panelen, jobb egérgomb kattintása után, a Controls palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Create Model >> PID Model kontrolt és helyezze el a front panelen. 37. ábra PID Model kontrol kiválasztása és elhelyezése. 41
A PID Model kontrol elhelyezésével létrejött több kontrol és egy indikátor is: PID Topology, Text & Picture Ring adattípus, itt adható meg a tervezendő PID szabályozó topológiája, a különböző topológiák eltérő módon értelmezik a szabályzó paramétereket: o PID Academic, o PID Parallel, o PID Series Proportional Gain (Kc), numerikus adattípus, arányos tag, mindhárom topológia esetén ugyan úgy értelmezett. Integral Coefficient, numerikus adattípus, PID Parallel esetén az integráló tag együtthatója. Derivative Coefficient, numerikus adattípus, PID Parallel esetén a differenciáló tag együtthatója. Alpha, numerikus adattípus, a közelítő differenciáló tag tárolós tulajdonságához tartozó időállandó együtthatója. Értéke általában 0,01-0,1, szükség esetén eltérő is lehet. Resulting Transfer Function, kép adattípus, itt jelenik meg az átviteli függvény grafikusan. Egyidejűleg a PID Model kontrol front panelen történő elhelyezésével a blokk diagramon is automatikusan létrejöttek a modell létrehozásához szükséges objektumok (38. ábra). A létrehozott átviteli függvényt a blokk diagramon a LabVIEW egy felirattal és nyíllal jelzi. A flat sequence később eltávolítható, ha nincs rá szükség. 42
38. ábra Transfer Function kontrol és PID Model kontrol. 3. Helyezze el a modellek összekapcsolását végző elemeket a blokk diagramon! a. Válassza ki és helyezze el a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Programming >> Dialog & User Interface >> Merge Errors elemet. b. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Model Interconnection >> CD Series.vi-t, amivel az átviteli függvényt (szakasz) és a PID szabályzót sorosan köti össze a program. c. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Model Interconnection >> CD Unit Feedback.vi-t, amivel az átviteli függvényt (szakasz) és a PID szabályzót sorosan köti össze a program és egyszeres negatív visszacsatolást hoz létre. (39. ábra) 43
39. ábra Az átviteli függvény (szakasz) és a PID szabályzó soros összekötése. 44
4. Kösse össze a modellek összekapcsolását végző elemet a blokk diagramon! (40. ábra) a. Kösse a Merge Errors két bemenetére a szakasz modell hiba vezetékét és a PID szabályzó modell hiba vezetékét! b. Kösse a Merge Errors kimenetét a CD Series.vi bal alsó sarkában található hiba bemenetre! c. Kösse a CD Series.vi jobb alsó sarkában található hiba kimenetét a CD Unit Feedback.vi bal alsó sarkában található hiba bemenetre! d. Kösse rá a létrehozott szakasz modell vezetékét a CD Series.vi bal felső sarkában található Model 1 bemenetre és a CD Unit Feedback.vi bal felső sarok alatt található Model 2 bemenetre! e. Kösse a PID szabályzó modell vezetékét a CD Series.vi bal felső sarok alatt található Model 2 bemenetre és a CD Unit Feedback.vi bal felső sarkában található Model 1 bemenetre! i. Amennyiben nem módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, akkor a VI-ok automatikusan felismerik a modell bemenetre kötött modell típusát és a modell típusának megfelelő implementációt választják. ii. Amennyiben módosította a VI-ok polimorfikus legördülő menüjét, vagy törött a vezeték a szimulációs VI-ok és a létrehozott modellek valamelyike között, akkor állítsa vissza a polimorfikus VI választó segítségével a VI-okat Automatic állapotba. 40. ábra A CD Series.vi és CD Unit Feedback.vi bekötése. 45
5. Helyezze el a szimulációt végző elemeket a blokk diagramon! (41. ábra) a. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Time Response >> CD Step Response.vi-t és helyezze el azt összesen 2 példányban a blokk diagramon. i. Ismételje az előző lépést még egyszer, vagy másolja (Ctrl+C) ki és illessze be (Ctrl+V) még egyszer a CD Step Response.vi-t b. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Time Response >> CD Parametric Time Response.vi-t és helyezze el azt a blokk diagramon. c. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Frequency Response >> CD Bode.vi-t és helyezze el azt összesen 3 példányban a blokk diagramon. i. Ismételje az előző lépést még kétszer, vagy másolja (Ctrl+C) ki és illessze be (Ctrl+V) még kétszer a CD Bode.vi-t d. Válassza ki a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Control & Simulation >> Control Design >> Dynamic Characteristics >> CD Pole-Zero Map.vi-t és helyezze el azt a blokk diagramon. e. Rendezze az elemeket egymás alá! 46
41. ábra Szimulációt végző elemek elhelyezése. 47
6. Kösse össze a szimulációt végző elemet a blokk diagramon! (42. ábra) a. A szakasz modell vezetékezése: i. Kösse az első CD Step Response.vi bal felső sarkában található modell bemenetre! ii. Kösse az első CD Bode.vi bal felső sarkában található modell bemenetre! b. Kösse a CD Series.vi a jobb felső sarkában található Series Model kimenetet (felnyitott kör modell) a második CD Bode.vi bal felső sarkában található modell bemenetre! c. A szabályozott szakasz vezetékezése: kösse a CD Unit Feedback.vi jobb felső sarkában található Closed-Loop Model kimenetet: i. a CD Parametric Time Response.vi bal felső sarkaiban található modell bemenetre, ii. a második CD Step Response.vi bal felső sarkában található modell bemenetre, iii. a harmadik CD Bode.vi bal felső sarkában található modell bemenetre, iv. a CD Pole-Zero Map.vi bal felső sarkában található modell bemenetre! d. Kösse a CD Unit Feedback.vi jobb alsó sarkában található Error kimenetet az összes szimulációs elem bal alsó sarkában található Error bemenetre! 48
42. ábra A szimulációt végző elemek összekötése. 7. Készítse el a szimulációt végző elemek szimulációs paramétereit! a. Hozzon létre egy kontrolt a CD Step Response.vi Time Range bemenetére a Time Range bemeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Control opciót. i. Kösse rá az előbb létrehozott kontrolt az összes CD Step Response.vi, valamint a CD Parametric Time Response.vi Time Range bemenetére! 8. Szimulációs eredmények megjelenítése a. Hozzon létre indikátort az első CD Step Response.vi jobb fölső sarkában található Step Response Graph kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. i. Kattintson az előbb létrehozott Step Response Graph vezetékére bal egér gombbal és válassza az Insert >> Array Palette >> Build Array elemet! (43. ábra) 49
43. ábra Build Array beszúrása. ii. Állítsa a Build Array elemet két bemenetűvé a Build Array elem közepén lévő állítóval! (44. ábra) 44. ábra A Build Array elem méretének növelése. 50
iii. Kösse rá a Build Array elem alsó bemenetére a második CD Step Response.vi jobb fölső sarkában található Step Response Graph kimenetét! iv. Állítsa a Build Array elemet a bemeneteinek összefűzése üzemmódba, jobb egér gombot kattintva a Build Array elemen válassza a Concatenate Inputs opciót! b. Hozzon létre indikátort a CD Parametric Time Response.vi jobb oldalon, föntről a második helyen található Time Response Parametric Data kimenetére, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót! c. Hozzon létre indikátort az első CD Bode.vi jobb fölső sarkában található Bode Magnitude és Bode Phase kimenetekre, a kimeneteken jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót! i. Kattintson az előbb létrehozott Bode Magnitude vezetékére bal egér gombbal és válassza az Insert >> Array Palette >> Build Array elemet! ii. Állítsa a Build Array elemet három bemenetűvé a Build Array elem közepén lévő állítóval! iii. Kösse rá a Build Array elem második és harmadik bemenetére a másik két CD Bode.vi jobb fölső sarkában található Bode Magnitude kimenetét! iv. Állítsa a Build Array elemet a bemeneteinek összefűzése üzemmódba, jobb egér gombot kattintva a Build Array elemen válassza a Concatenate Inputs opciót! (45. ábra) 51
45. ábra Bode Magnitude vezetékezése. v. Ismételje az előző négy lépést a Bode Phase kimenetre! d. Hozzon létre indikátort a CD Pole-Zero Map.vi jobb fölső sarkában található Pole-Zero Map kimenetre, a kimeneten jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót! 9. Hibakezelés a. A szimuláció futtatásakor felléphetnek rendszerhibák ezek alapszintű kezelése a program leállítása és a felhasználó értesítése. (46. ábra) b. Válassza ki és helyezze el a blokk diagramon, jobb egérgomb kattintása után, a Functions palettáról a Programming >> Dialog & User Interface >> Merge Errors elemet. i. Állítsa át a Merge Errors elemet 7 bemenetűvé a Merge Errors elem közepén lévő állítóval! c. Kösse a Merge Errors bemeneteire a szimulációt végző elemek jobb alsó sarkaiban található Error kimeneteket! d. Hozzon létre hiba indikátort, a Merge Errors kimenetén jobb egérgomb kattintása után válassza a Create >> Indicator opciót. 52
46. ábra Hibakezelés. 10. Kezelő felület kialakítása (47. ábra) a. Rendezze el a front panelen a létrehozott kontrolokat és indikátorokat, hogy jól átlátható legyen! b. A Step Response Graph esetén kapcsolja be a grafikonok feliratozását a gráfon jobb egér gombot kattintva válassza a Visible Items > Plot Legend opciót. i. Állítsa a Plot Legend-et kettő felirat méretűre az elem közepén lévő állítóval! ii. A megjelenített grafikonok föntről lefelé: 1. Szakasz 2. Szabályozott szakasz c. A Bode Magnitude és Bode Phase grafikonok esetén kapcsolja be a grafikonok feliratozását a gráfon jobb egér gombot kattintva válassza a Visible Items > Plot Legend opciót. i. Állítsa a Plot Legend-et három felirat méretűre az elem közepén lévő állítóval! 53
ii. A megjelenített grafikonok föntről lefelé: 1. Szakasz 2. Felnyitott kör 3. Szabályozott szakasz Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 47. ábra PID szabályzó tervezése modellek összekapcsolásával. 54
11. Futassa az elkészített szimulációs programot a paraméterek változtatása mellett! a. Vizsgáljon több, különböző átviteli függvényt és szabályzó beállítást! b. Figyelje meg a szimulációs paraméterek változtatásának hatását is! Irodalomjegyzék [1] P. Dr. Aradi, J. Gräff és G. Dr. Lipovszki, Informatika II., EDUTUS Főiskola, 2012. [2] P. Dr. Aradi, J. Gräff és G. Dr. Lipovszki, Számítógépes szimuláció, Magyarország: BME-MOGI, 2014. 55