尽管是标准的机器设计流程,但是在整个设计流程的后期,通过“猜测而后检查”的方式来确定、解决问题,相较于在设计初期就发现并解决问题,费用会大幅的攀升。“猜测而后检查”的机器设计流程不仅昂贵,而且是令人沮丧和不必要的。系统仿真的发展以及高性价比、现成仿真工具的引入,已经能避免机器设计中犯这些代价昂贵的错误。
一般情况下控制工程网版权所有,总是在机器设备建造的最后一步、需要进行调试的时候,才会初次要求控制工程师介入。事实上,在整个设计周期中,这已经发生的太晚了,这几乎就是 “猜测而后检查”机器建造方式的全美诠释。这是不争的事实:调试是机器建造中最重要的一步控制工程网版权所有,因为它决定了机器性能实现的程度。然而,为了实现预期的性能,机器的设计应当没有机械共振,或者即使共振存在,也远远超出预期的控制范围。如果完工的机器上存在共振,那么控制工程师必须通过调整过程增益、增加数字滤波,将其“调试出去”。
尽管利用滤波可以稳定系统,但是较大的共振还是会限制系统的工作范围,即使使用的滤波器工作良好。每个共振以及相应的滤波器会消耗一部分系统的性能,所有的共振及其滤波加起来,就会对机器最终性能造成显著的影响。如果在设计的初期(最理想的情况是在任何设备开始建造前),就能够咨询控制工程师,就可以避免很多能导致性能降低的共振,从而提高机器的整体性能。
习惯,费用,标准
不幸的是,对大多数人来讲,很难使控制问题概念化。即使最简单的系统,如在轴上安装有调速轮的马达,也可能会产生共振(经常比较大,但是频率比较高)。高频振动比较容易解决,一般不会对性能造成显著的影响。增加一个皮带,系统的共振就会降低,但降低程度会因机器而异。
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整合到产品环境中的仿真工具,已经存在很长时间了。但是相较于经常使用的“猜测而后检查”的设计过程,仿真工具仍然被大多数的机器设计人员所忽略。最近,硬件在环(HIL)已经开始获得一些进展,模糊了仿真和测试之间的界限。随着价格低廉,性能强大的仿真工具的引入CONTROL ENGINEERING China版权所有,没有理由继续将仿真工具排除在机器设计流程外。
HIL是用于描述开发和测试策略的词汇。在嵌入式系统开发中,经常用其进行设计和测试单个系统部件,该部件在工程设计阶段一般并不存在。大多数工程都会被分解成不同部分,比如,机械组、控制组、软件组就可以独立工作。通过使用HIL,每个团队就可以使用仿真环境来模拟其它团队正在工作的内容,专注于本团队的工作内容。这就使得更流水线化的开发流程成为可能,而且可以进行交叉确认,确保每个部件的功能都能满足预期要求;同时当某个团队发现问题时,可以增加反馈回路。在设计阶段发现问题,重新设计的费用,通常只有在机器建造完成后发现问题、再进行重新设计的一小部分。设计人员还可以对其进行试验,而不用担心损坏昂贵的机器。
支持硬件在环
很多公司都支持HIL。在机器中部署同样的控制系统部件,可以在HIL系统设计流程的初期使用,从而获得对系统性能更好的了解。比如,当更先进的工业控制器能仿真工厂时,伺服阀驱动就能够产生运动轨迹并闭合伺服驱动回路(在这种情况下,所有的设备都连接至伺服驱动,包括马达和机械设备)。
伺服驱动能产生运动轨迹、执行控制回路、提供电流信号指令至运行在控制器上的工厂仿真模型。电流指令从伺服控制的模拟量输出模块发出,传送至控制器架上的模拟量输入卡件。控制器以实时方式执行工厂仿真(这里包括机械、摩擦模型、反馈设备、噪音)。在工厂仿真模型中,控制系统产生反馈信号,连接至伺服驱动器的反馈端,完成闭环控制。
利用系统设计软件设计一个模型,来获取输入力矩(通过模拟量输入),从而创建一个工厂模型。这也许是单个或两个积分系统,取决于你所期望的仿真。就伺服驱动而言,仿真的是两个积分系统,其位置反馈被送回到驱动器。
更高级的用户也许会使用更复杂的摩擦模型或其它非线性行为,更加详细的去研究控制性能。新用户则会吃惊于,创建一个简单的模型真是太方便了。即使是控制模型如此的简单,以至于相对于控制性能都可以忽略不计了,但是对于系统设计的软件方面,获得的收益却是相当可观的。
组态,测试,使用
类似的建造,使得设计人员能够利用生产硬件和编写的产品软件进行通讯,即使物理机械设备根本就不存在。与生产硬件一起运行仿真软件,是确保系统满足预期性能的最好方式。HIL使得利用现存的硬件诊断工具成为可能。在这种情况下,可用软件来组态、测试、调节伺服驱动。利用现有诊断软件的能力,使其可以使用强大的工具来分析仿真。
如果用户利用软件来测量系统的频率响应,则有可能快速确定机械中的共振并调节驱动器。随后的测量,用于量化马达性能,来验证没有其它的非线性因素,比如摩擦,影响系统。利用软件强大的调节工具,用户能够很好的调节机器并可在机器建造前测试调节方案。
在设计流程中,必须花费时间来量化机器和应用所需求的性能。首先,应当对先前设备的历史数据有个概念。不要盲目、随意的进行改进性能的设计;要按需设计。其次,定义影响用户的实时性能参数,比如伺服波段和稳定时间,以避免毫无目的的追求“更好的性能”。一旦最初的调试参数确定,下一步用户就可以进行仿真运动,在虚拟的层面上查看数据。在设计阶段没有暴露出来的共振就开始显现。然而,在使用HIL实践时,用户能够在机器原型机建造之前,就可通过仿真对其进行审查——相对于在凌晨一点,顶着紧张的工期压力,在无尘室内,汗流浃背将其调试完成来讲,这的确是一个不错的替代方案。
仿真结果
仿真结果应能为用户提供一个好的概念:机器如何运行,还应显示机器是否能够满足运行要求。如果系统仍然没有满足性能目标www.cechina.cn,在仿真环境下进行修改也非常方便。
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所以,HIL如何改变“猜测而后检查”的机器设计流程?非常简单:利用同样先进的工具,像分析实际系统一样分析这些仿真,能够在机器建造完成前发现控制问题——可以节省大量的金钱和时间。