Politechnika Krakowska
M3 - Instytut Konstrukcji Maszyn
Wydział Mechaniczny
SPRAWOZDANIE
Informacje o przedmiocie
Przedmiot Rodzaj
laboratorium
Sterowanie i automatyzacja maszyn
Nr Temat projektu Termin oddania
17.06.2011
Sterowanie mechanizmem ramienia
Oddano:
2
Informacje o autorach
Grupa Nr tematu Rok akad. Autorzy:
1. Chojnacki Mateusz
13A4 25 2010/11
Osoba prowadzÄ…ca Ocena Podpis
dr inż. Janusz Pobędza
Uwagi
1. Temat projektu
Temat numer  25
Zrealizować proces sterowania mechanizmu ramienia z pozycjonowaniem
siłownika hydraulicznego a następujących położeniach:
·ð 100, 300, 500, 300, 100 [mm]
Projekt powinien obejmować:
·ð opracowanie bloku sterujÄ…cego w Simulinku ( z uwzglÄ™dnieniem żądanej
charakterystyki pracy siłownika, regulatora, zapisu wyników do pliku)
·ð uruchomienie algorytmu sterowania na stanowisku z rejestracjÄ…
parametrów
·ð opracowanie wyników w formie sprawozdania (schemat ukÅ‚adu
mechanicznego, hydraulicznego, elektrycznego, ilustracja podstawowych
bloków z Simulinka, wyniki w formie wykresów, wnioski)
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową oraz sposobem pracy
ramienia koparki. Ćwiczenie miało nam pokazać że tego typu sprzętem
możemy starować zarówno bezpośrednio z kabiny operatora za pomocą
dżojstików jak również sterowanie może być zrealizowane przy pomocy
odpowiedniego programu, jakim w naszym przypadku był Simulink.
Praca tego typu sprzętu, wykorzystuje pracę układu hydraulicznego, który
zamienia energię czynnika roboczego (np. oleju) na ruch postępowy dwóch
siłowników sterujących wysięgnikiem i ramieniem w naszym przypadku. W
dzisiejszych czasach w technice budowlanej tego typu urzÄ…dzenia stosuje siÄ™ na
dużą skale i praktycznie nikt nie wyobraża sobie budowy drogi, osiedla,
stadionu bez użycia tego typu maszyn.
3. Zadania do zrealizowania
Naszym zadaniem było przy użyciu programu wykonanego w Matlab
Simulink zrealizować układ sterowania, który będzie wykonywał sterowanie
pozycją siłownika hydraulicznego ramienia we wcześniej zadanych pozycjach.
W moim przypadku pozycje zadane siłownika to: 100, 300, 500, 300, 100 [mm]
Praca sterowaniem położenia siłownika mogła być realizowana za pomocą
wspomnianego powyżej programu wykonanego w nakładce Matlaba 
Simulinku.
Ze względu na możliwość uszkodzenia obiektu, badanego po przez ruch
ramienia gdy wysięgnik nie jest na odpowiedniej pozycji, w naszym ćwiczeniu
rozpatrujemy tylko ruch ramienia i tym ogniwem sterujemy.
4. Schemat kinematyczny układu
Poniżej przedstawiono schemat kinematyczny rozpatrywanego przez nas układu
Siłownik ramienia
Wysięgnik
RamiÄ™
Siłownik wysięgnika
Podstawa
Rys. 1 Schemat kinematyczny układu
Układ nasz składał się z wysięgnika wraz z siłownikiem sterującym pracą
wysięgnika oraz ramieniem wraz z siłownikiem ramienia. Parametry
siłowników to:
·ð siÅ‚ownik wysiÄ™gnika Å‚100/60x1060/664.5
·ð siÅ‚ownik ramienia Å‚90/55x1020/675.5
Do siłownika ramienia i wysięgnika przymocowane były również en kodery
odczytujące aktualne położenia siłowników oraz ich prędkość. Wartości z en
koderów sczytywane były do komputera i wyświetlane na ekranie operatorskim.
Schemat układu elektrycznego przedstawiono na Rys. 3
5. Schemat układu hydraulicznego
Poniżej przedstawiono schemat układu hydraulicznego. Elementy wchodzące w
skład układu hydraulicznego to:
1- silnik elektryczny
2  pompa PV046_UPG firmy Parker
3  rozdzielacz D3FP firmy Parker
4  siłownik wysięgnika ł100/60x1060/664.5
5  siłownik ramienia ł90/55x1020/675.5
Rys.2 Schemat układu hydraulicznego
Część zaznaczona na czerwono to część układu hydraulicznego odpowiedzialna
za sterowanie hydrauliczne ogniwem ramienia.
6. Schemat układu pomiarowego (elektroniczny)
Schemat układu pomiarowego przedstawiono poniżej
Rys. 3 Schemat układu pomiarowego
Dzięki układowi pomiarowemu możemy zmierzyć takie parametry jak:
·ð xs  wysuniÄ™cie siÅ‚ownika ramienia [m]
·ð vs  prÄ™dkość siÅ‚ownika ramienia [m/s]
·ð pPs  ciÅ›nienie na wyjÅ›ciu pompy
·ð ps1, ps2  ciÅ›nienia na wejÅ›ciu i wyjÅ›ciu siÅ‚ownika
·ð xb - wysuniÄ™cie siÅ‚ownika wysiÄ™gnika [m]
·ð vb- prÄ™dkość siÅ‚ownika wysiÄ™gnika[m/s]
7. Program sterowania z regulatorem PID zrealizowany w Matlab
Simulink
Poniżej przedstawiono program służący do realizacji sterowania położeniem siłownika
ramienia. Siłownik może być sterowany ręcznie przez operatora za pomocą dżojstiku 
wystarczy przełącznik przełącznik w programie lub też sterowanie może być realizowane
przez sygnał zadany w programie. By otrzymać pożądane wykresy sygnał musiał być
regulowany przez regulator PID.
Rys. 4 Program główny
Zadane w projekcie wartości położenia siłownika zrealizowane były przez
blok  Blok sygnału zadanego któr składał się z bloków Step. W każdym z
bloków Step ustawiona została wartość jaką ma uzyskać siłownik. W przypadku
przejścia z większej wartości na mniejszą czyli w moim przypadku z 500 [mm]
na 300 [mm] w bloku Step zadane przemieszczenie musiało być z minusem tj. 
200 [mm]. W każdym z bloków ustawiony został czas. Dla przejść o dużym
skoku czas ten musi być większy niż w przypadku skoków o mniejszej wartości.
W moim przypadku tego typu problem nie występował i w każdym z bloków
Step ustawiono czas równy 4 [s] odpowiednio dla pierwszego bloku 4[s], dla
drugiego 8 [s], dla trzeciego 12 [s], dla czwartego 16 [s], dla piÄ…tego 20 [s].
Bloki odpowiedzialne za generowanie sygnału zadanego użyte w bloku
 Blok sygnału zadanego przedstawiono poniżej:
Rys. 5 Blok sygnału zadanego
Ważnym aspektem jest również dobór parametrów regulatora PID
(Proporcjonalny, I-całkujący, D  różniczkujący). W moim przypadku wartości
poszczególnych członów regulatora PID wyniosły: P = 8 ; I = 0.5 ; D = 1.5.
Dobór parametrów jest bardzo istotnym elementem wykonania doświadczenia.
Odpowiednie dobranie regulatora pozwala na uzyskanie w czasie sterowania
zadanych przez układ sterowania położeń siłownika, czyli otrzymania
pożądanych przemieszczeń w moim przypadku. W momencie, gdy regulator
PID jest z
le dobrany, siłownik nie osiąga wartości zadanych, gdyż po prostu
czas ruchu jest zbyt duży by te wartości mógł osiągnąć lub też obserwujemy
przeregulowanie, czyli osiągniecie większej wartości niż wartość zadana. Na
Rys. 6 przedstawiono układ regulatora PID należący do bloku  Regulator PID
Rys. 5 Regulator PID
8. Otrzymane przebiegi oraz wnioski
Jako pierwszy przedstawię wykres sygnału zadanego:
Wyk. 1 Sygnał zadany
Kolejny wykres przedstawia porównanie sygnału zadanego z sygnałem
otrzymanym
Wyk. 2 Porównanie sygnału zadanego z otrzymanym
Jak widzimy z powyższego wykresu zadane przez nas wartości przemieszczenia
siłownika ramienia zostały osiągnięte. Nie otrzymujemy idealnego
odwzorowania sygnału zadanego zwłaszcza w dziedzinie czasu. Wynika to z
opóz
nień jakie generuje układ pomiarowy jak również z tego, że siłownik nie
powinien nagle zmieniać swoje położenie gdyż jest to szkodliwe dla układu jak i
trudne do zrealizowania.
Wykres poniżej przedstawia wartości przemieszczeń odczytane z z en koderów
Wyk. 3 Wykres przemieszczeń zarejestrowany przez enkodery
Z wykresu możemy odczytać, że en koder zamontowany na wysięgniku nie
zarejestrował przemieszczeń. jedynie w początkowej fazie ruch wystąpiły
niewielkie drgania wywołane ruchem ramienia. Oznacza to że układ pracuje
prawidłowo
Kolejnym wykresem jest wykres prędkości wysięgnika i ramienia
Wyk. 4 Wykres prędkości ramienia i wysięgnika
Podobnie jak w przypadku wykresu przemieszczeń, przebieg prędkości dla
wysięgnika jest równy zero, gdyż nie odnotowaliśmy żadnego przemieszczenia
wykonanego przez to ogniwo.
Na kolejnym wykresie zestawione zostały ciśnienia na wyjściu pompy jak
również ciśnienia na wyjściu i wejściu siłownika:
Wyk. 5 Wykres ciśnień
Z wykresu możemy odczytać, że w momentach gdy na pompie obserwowaliśmy
spadek ciśnienia, ciśnienie wzrastało na wejściu i wyjściu siłownika. Ciśnienie
na wyjściu siłownika jest wyższe, wynika to z tego że siłownik potrzebował
większej mocy do podniesienia ramienia niż do jego opuszczania co jest
oczywiste i wynika z sił grawitacji i masy ramienia.
Na ostatnim wykresie przedstawione zostały przebiegi sygnału przemieszczenia
zadanego, przemieszczenia otrzymanego oraz sygnału pochodzącego z
regulatora
Wyk. 6 Wykres zbiorczy sygnału zadanego, otrzymanego i sygnału z regulatora PID
W momencie wykonywania ruchu przez siłownik regulator PID generuje sygnał
mający na celu stabilizacje ruchu siłownika. W momencie gdy ruch odbywa się
w drugą stronę przebieg pochodzący z regulatora jest odwrócony względem osi
X.
Reasumując możemy stwierdzić, że zastosowanie regulatora PID i
odpowiedni dobór parametrów poszczególnych członów regulatora, znacznie
poprawia charakterystykę pracy układu. Regulator PID wykorzystuje
sprzężenie zwrotne, które pozwala na regulację sygnału rzeczywistego. Widać
to na otrzymanych wykresach. Dzięki zastosowaniu regulatora PID
otrzymaliśmy żądane przebiegi sygnału zadanego, co w przypadku braku tego
typu regulacji było by trudne, czasochłonne a co za tym idzie kosztowne w
realizacji.