Система управления положением кресла водителя (стр. 2 из 6)
2 Математическая модель
При выполнении данной работы должна быть получена система управления, взаимодействующая с человеком. Эта система должна получать сигналы от пользователя (водителя), которые после обработки идут на исполнительные механизмы. Так же должны анализироваться сигналы, поступающие с датчиков, на систему, которые либо накладывают ограничения на работу системы, либо полностью определяют ее. Так как в проекте решаются две относительно не связанные задачи – изменение пространственного положения кресла и изменение его формы, всю систему можно разбить на две составляющие подсистемы. Управление обоими частями должно осуществляться одним элементом, в качестве которого выступает микроконтроллер. Микроконтроллер также связывает панель управления с системой.
При работе на любую систему поступает ряд воздействий, часть из которых предусмотрена самой системой, как правило, контролируема и называется вектором входных воздействий, а часть является неконтролируемой, оказывая в основном вредные воздействия, с которыми необходимо бороться, такие воздействия называются возмущающими или помехой. Сама система, обработав входные воздействия, с учетом возмущения, формирует на выходе некоторый выходной сигнал.
При рассмотрении данной системы входным воздействием является сигнал, поступающий с панели управления. Этот сигнал представляет собой единичный скачок.
На выходе системы стоит двигатель, который осуществляет изменение пространственного положения сиденья, следовательно, именно с него наблюдается выходное воздействие, оказываемое на сиденье. Данное воздействие представляет собой угол поворота двигателя, который в случае спинки передается непосредственно на сиденье, либо преобразуется в поступательное движение подушки или подголовника.
Возмущающих воздействий в системе, как правило, много. Однако в данной системе можно выделить одно, наиболее значимое воздействие, оказываемое человеком, а именно его массой. Это воздействие представляет собой момент сопротивления создаваемый на валу двигателя, что может привести к замедлению скорости последнего вплоть до полной остановки.
2.1 Математическая модель двигателя постоянного тока (ДПТ)
Структурная схема двигателя постоянного тока представлена на рис. 3
Рис. 3 Структурная схема ДПТ
На рис. 3 использованы следующие обозначения:
Д – двигатель
Мс – момент сопротивления, приложенный к валу двигателя
ωД - скорость вращения вала двигателя
ω – скорость вращения вала с учетом момента сопротивления
Расчётная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) представлена на рис. 4.
Рис. 4 Расчётная схема ДПТ
На рис. 4 использованы следующие обозначения:
- Lя – полная индуктивность цепи якоря ДПТ НВ, Гн;
- Rя – полное активное сопротивление цепи якоря, Ом;
- Е – ЭДС вращения якоря, В;
-
– ток в цепи якоря, А;- w – механическая угловая скорость, рад/с;
- Lн – полная индуктивность в цепи якоря тормоза, Гн;
-
– полное активное сопротивление цепи нагрузки, Ом.G – источник постоянного напряжения
Kн – коэффициент нагрузки
Фд – магнитный поток
Из литературы известно, что математическая модель ДПТ НВ имеет следующий вид:
| (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) |
где, U – напряжение цепи якоря ДПТ НВ, В;
– электромагнитный коэффициент двигателя;М, Мс – соответственно момент развиваемый двигателем и момент статического сопротивления, развиваемый тормозом на валу двигателя,
;J – момент инерции,
;Хн – полное сопротивление цепи нагрузки, Ом.
Подставляя уравнения (2.2) и (2.3) в уравнение (2.4) получаем:
(2.5)
где,
– электромагнитный коэффициент тормоза двигателя.Продифференцируем данное уравнение и подставим его в уравнение (2.1):
(2.6)Приведём данное уравнение к стандартному виду
следовательно: | (2.7) |
,
где,
откуда
| (2.8) (2.9) |
.
Учитывая что 
<< 
, тогда
.
Из выражения (2.9) можно сделать вывод, что при увеличении момента сопротивления тормоза путём уменьшения Хн, колебательный процесс, характерный для двигателя, работающего без нагрузки, вырождается в апериодический.
Рассчитаем параметры двигателя. Для этого перепишем уравнение (2.7), считая, что момент сопротивления на валу двигателя равен нулю, т.е. Хн равно бесконечности.
. (2.10)Произведём замену
, 
. 
. (2.11) | (2.12) |
Тогда передаточная функция двигателя имеет вид:
2.2 Алгоритм функционирования системы
Вся система работает следующим образом: пользователь нажимает на панели управления кнопку, отвечающую за то действие, которое ему необходимо, и на микроконтроллер поступает сигнал. До тех пор пока нажата одна любая кнопка, микроконтроллер не воспринимает сигналов от остальных кнопок. Для начала, предположим, что желаемая операция является изменение пространственного положения кресла. В этом случае микроконтроллер определяет, какой привод запрашивается. Затем производится проверка сигналов с датчиков с целью определить не находится ли двигатель в крайнем положение с той стороны, в которую будет осуществляться движение. Если это подтверждается, то дальнейших действий не осуществляется. Если же есть возможность движения для двигателя, то микроконтроллер устанавливает разрешающий сигнал на выходе. Так же микроконтроллером устанавливается направление движения двигателя, и какой двигатель будет задействован. Движение осуществляется до тех пор, пока нажата кнопка на панели управления.
Рассмотрим случай, когда была нажата кнопка для изменения формы сидения. Микроконтроллер устанавливает разрешающий сигнал на работу системы. После этого аппаратно сравниваются сигналы с пар датчиков нагрузки. На основе сравнения осуществляется движение приводов. В первую очередь сравниваются сигналы с датчиков 2 и 3, если они не равны, то включаются соответствующие приводы, двигающиеся в противоположные стороны, причем привод, давление, на датчик которого было больше, движется в отрицательном или обратном направлении, а другой привод движется в положительном и или прямом направлении. Положительное и отрицательное направления выбраны условно, положительное направление – это направление движения к человеку. Через некоторое, заранее заданное время, теоретически достаточное для установления приводов в относительное равновесие, т.е. уравновешивания давление между датчиками, микроконтроллер посылает сигнал, и система переключается на следующую пару датчиков. Следующей парой являются датчики 2 и 4. В этом случае, после сравнения, в движение приводится только привод, соответствующий датчику 4, с целью подстройки его под датчик 2.
Дальше по такому же принципу производится сравнение сигналов с оставшихся двух датчиков, расположенных на спинке сиденья.
После того как спинка настроена, осуществляется подстройка подушки сиденья. Настройка осуществляется так же, как в случае с датчиками 2 и 3.
3 Разработка структурной схемы
Система управления креслом водителя, разрабатываемая в данном проекте, как было сказано ранее, осуществляет действия в двух направлениях: изменение пространственного положения кресла, изменение его формы. При выполнении поставленных задач на управляющие элементы (двигатели) поступают различные задающие воздействия. Эта особенность приводит к необходимости реализации системы, включающей в себя два канала управления, один из которых отвечает за пространственное положение сиденья, другой за форму.