ترجمه مقاله سیستم شناور مغناطیسی در آموزش مهندسی کنترل

 سیستم شناور ( levitation ) مغناطیسی در آموزش مهندسی کنترل

Magnetic levitation system in control engineering education

 

1 . مقدمه :

سیستم شناوری مغناطیسی قابل حمل ( MagLev ) ، که تصویر آن در Fig.1  مشخص است ، یک طرح آزمایشگاهی است که  بیشتر به منظور آزمایش های کنترلی طراحی شده است . جسم معلق این شناور مغناطیسی تک محوری ، یک  گوی استیل تو خالی است با قطر 25mm و جرم 20g . این تجهیز جهت پشتیبانی از یادگیری کنترل اتوماتیک در دانشکده مهندسی الکترونیک Nis  ، خریداری شده است .

The complete purchase of MagLev System 33-006 [1] was enabled by WUS–Austria [2] under the Grant CEP No.115/2002.

 

بخاطر طبیعت غیر خطی و ناپایدار آن ، این سیستم شناوری جالب یک طرح بسیار چالش برانگیز است   .[3]-[5]

طرح کلی این مقاله به این صورت است که : در بخش 2 ما یک معرفی اجمالی از سیستم شناوری مغناطیسی ارایه شده بیان می کنیم ، مثل کنترل آن در دو حالت آنالوگ و دیجیتال ؛ بخش 3 اشاره دارد به بعضی مسایل چالش برانگیز و جالب در زمینه شناخت و کنترل سیستم شناوری مغناطیسی ، تا زمینه ساز تحقیقات آتی در مورد این تجهیزات باشد . بخش 4 شامل بازنگری برخی گام های اولیه در طراحی و تاسیس یک آزمایشگاه از راه دور کنترل اتوماتیک در دانشکده مهندسی الکترونیک در Nis است ، جایی که سیستم MagLev یکی از آزمایشات پیشنهاد شده است .

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

 

2. سیستم شناوری مغناطیسی آموزشی

2.1. تشریح سیستم

هدفی کنترلی سیستم ارایه شده در Fig.1  شناورکردن جسم استیل از طریق خنثی کردن نیروی جاذبه گرانشی بکمک میدان الکترومغناطیسی است . کنترل اعمال شده ، ولتاژ است که از طریق درایوری که داخل واحد (the unit )  قرار داده شده است تبدیل به جریان می شود . جریان از بین آهنربای الکتریکی عبور داده می شود که خود آن ( آهنربای الکتریکی ) باعث ایجاد میدان مغناطیسی مشابهی در اطرافش می شود . گوی ( ساچمه ) در راستای محور عمودی آهنربای الکتریکی قرار داده می شود . موقعیت اندازه گیری شده ، از طریق  فرستنده های infrared و detector  ها بگونه ای که اشعه infrared در راستای گوی باشد ، قابل تشخیص است . سنسورنوریinfrared در آن محدوده ای که مورد نیاز است فرض می شود که خطی عمل میکند . بمنظور اجتناب از مشکل جبران فاز (phase    compensation) که بعلت اندوکتانس بالای آهنربای الکتریکی ایجاد می شود ، درایو فعال برای آهنربای الکتریکی ، جریان است . یعنی ، ولتاژ کنترلی بصورت خطی از طریق مدار داخلی سیستم MagLev  به جریان تبدیل می شود .

 

 

Fig1  . شکل شناوری پایدار دو گوی فلزی

 

با استفاده از قوانین اساسی دینامیک ، رفتار فرومغناطیسی گوی با معادله الکترومکانیکی زیر داده می شود :

m d²xdt²  = mg+fx,i,                                                (1)

 

بطوریکه f(x,i)  نیروی کنترلی مغناطیسی است بصورت زیر :

 

                                  (2)                                              fx,i= -k  i²x²  

در روابط فوق m جرم گوی شناور ، g شتاب گرانشی ، x فاصله گوی تا آهنربای الکتریکی ، و i جریان سیم پیچ است  علاوه بر آن ، k ثابتی است که به اندوکتانس متقابل گوی و ضرایب تزویج بستگی دارد .

توجه شود که هر دو راه کارهای کنترلی آنالوگ و دیجیتال می تواند عملی و اجرا شود .

 

All this results in a visually attractive system with convenient time constants suitable for testing user-defined control strategies.

 

2.2 . سیستم کنترلی شناور مغناطیسی در حالت آنالوگ  Stand-alone

 

به یاد آورید که تجهیزات بیان شده دارای منبع تغذیه داخلی می باشد و در حالت آنالوگ بدون نیاز به هیچ نرم افزار کنترلی کامپیوتری قادر به عملکرد stand-alone است . همانطور که در Fig.2  نمایش داده شده است ، جهت اجرای آزمایش در حالت آنالوگ ، لازم است که سوکت های مناسب که در تابلو محفظه قرار دارد و با Comntrol output و Drive input  نوشته شده است وصل شود .

همچنین ، پس از قرار دادن R و RC بصورت صحیح ، این امکان وجود دارد که گین کنترلر آنالوگ را همانند اجزای جبران کننده سریعا تغییر داد .

 

 

Fig2 . تابلو جلویی سیستم شناور مغناطیسی

 

 

Fig3 . شماتیک شبکه lead

 

کاملا آشکار است که شبکه lead با افزایش پهنای باند و کاهش بالازدگی گذرا عموما جهت تغییر و تنظیم پاسخ دینامیک بکار می . مرسوم ترین روش استفاده از یک operation amplifier  است که مثال آن در Fig3 نمایش داده شده است .

این نوع جبرانسازی دقیقا در حالت کنترلی آنالوگ شناور عنوان شده بکار میرود . به محض اینکه پایداری و پاسخ زمانی بررسی شد ، پهنای باند جبرانساز lead ممکن است تغییر کند . تابع تبدیل مدار Fig3 به راحتی بصورت زیر است :

                                   

(3)                                                  W_d(s) = -RFR1R1+R2Cs+1R2Cs+1

اگر مقادیر واقعی R و RC را قرار دهیم ، RF=R1=22kΩ , R2=100Ω  و C=1 µF ، تابع تبدیل بصورت زیر خواهد بود :

                                   (4)                             W_d(s) = 221

بنابراین ، سیستم برای یک حلقه کنترلی فیدبکدار تناسبی مشتقی (PD) که گین تناسبی آن با مقاومت و گین مشتقی آن با RC تنظیم می شود ، پیکربندی می شود . توجه شود که برخی کنترلرهای آنالوگ که خود کاربر تعریف می کند نیز می تواند تست شود .

برای نشان دادن راندمان جبرانساز lead  ساختار بیان شده (4) ..

the set-point transient response of the control system with the considered unstable object is recorded and shown in Fig. 4.

 

همچنین ، موقعیت گوی با استفاده از کنترل set- point قابل تنظیم است ، بگونه ای که پایداری سیستم با کنترل گین ممکن است تغییر داده شود . به این صورت که ، با تغییر تدریجی کنترل set-point ، یک ناحیه کنترلی بعنوان بیشترین فاصله تعریف شود ، طوری که گوی همچنان تحت کنترل بماند .

 

 

Fig.4 . set-point (1) و سیگنال اندازه گیری شده (2)  بعنوان توابعی از زمان

 

 

Fig.5 . تصویر سیستم شناور مغناطیسی بیان شده

 

2.3 . سیستم کنترل شناورمغناطیسی در حالت دیجیتال

در حالت دیجیتال ، سیستم MagLev با نرم افزار MTLAB/Simulink کار میکند . واحد شناور مغناطیسی (Magnetic Levitation) و ماژول رابط (Interface Module) ( مشخص شده با اعداد 1 و 2 در Fig.5 ) ، باید با ارتباطات lead  به هم وصل شوند .

The Advantech PCI1711 Card (component 3 in Fig. 5) is also inserted into a computer PCI slot, and connected with the Feedback SCSI Adapter box (component 4 in Fig. 5) using the SCSI cable.

 

برای اجرای الگوریتم های کنترلی و ارتباط بین PC و سخت افزار سیستم MagLev ، FeedbackSoftware for Simulink  تهیه شده است . بنابراین ، سیستم در محیط MATLAB کار می کند که به پارامترهای سیستم این اجازه را می دهد که تعیین شده و سیستم مدل شود .

گام های لازم برای بدست آوردن فایل اجرایی از یک مدل کنترلی در Fig.6  نمایش داده شده است . باید گفت ، علاوه بر MATLAB/Simulink and Control Toolbox ، کنترلر دیجیتالی  نصب شده بر روی PC  از Microsoft Visual C++ Professional  استفاده می کند ، همچنین ازبعضی ابزارهای نرم افزاری Mathworks Inc مثل Real Time Workshop (RTW) و Real Time Windows Target(RTWT) بهره می گیرد . بنابراین ، MATLAB بعنوان محیط کاربردی که سایر محصولات Mathworks در آن اجرا میشوند عمل میکند و نیز toolbox های طراحی کنترلی state-of-the-art وسیعی را بدست میدهد . Simulink  یک محیط گرافیکی ساختار یافته ی user-friendly  را جهت اجرای control low  فراهم می کند . اثر متقابل MATLAB  و Simulink باعث ترجمه و تفسیر و تحلیل مفید شبیه سازی و نتایج آزمایش می شود ، تا development cycle کوتاه تر شود .

 

Fig. 6 Integrated set of tools for control system design and experimental validation

 

بنابراین ، MATLAB/Simulink   و Real-Time Workshop (RTW) برای توسعه الگوریتم کنترلی ، شبیه سازی ، و تولید کد قابل اجرای سریع بکار می روند . کنترلر دیجیتال با پارامترهای مشخص جهت اجرای سخت افزار می تواتد بکار رود و نتایج اجرای کنترل واقعی می تواند قابل مشاهده بوده و تحلیل شود . الگوریتم های کنترلی مختلفی که توسط دانش آموزان تهیه شده است ، ممکن است براحتی اجرا و تست شود . علاوه بر آن ، در زمینه آزمایش های آزمایشگاه web-based  ( تحت وب ) ، هدف نهایی ارایه امکانات ممکن برای دانش آموزان جهت ساخت آزمایش خودشان از خانه است  [5].

برای اثبات کارایی کنترلرPD استاندارد فرم :

u= K_p(x_d-x) + K_dddt (x_d-x) + GravityBias ,                 (5)

 همچنین به منظور تاکید مفید بودن مجموعه ابزارهای بهم پیوسته داده شده در Fig.6 ، آزمایش با سیستم MagLev در محیط MATLAB انجام شده است و نتایج بدست آمده در Fig.7  نشان داده شده است . توجه شود که مقادیر بکار رفته در الگوریتم کنترلی اجرایی (5) می تواند در زمان واقعی با وارد کردن مقادیر جدید در مدل Simulink  تغییر داده شود . نیز، موقعیت مطلوب برای گوی فلزی x_d را می توان در زمان واقعی تنظیم شود . کیفیت پاسخ گذرای داده شده در Fig.7  با مقادیر پارامترهای زیر is matched :

K_p = 6 , K_d = 0.3 ,   و GravityBias = 0.4  

 

Fig. 7 Simulink® model with experimental results

 

3. چندین مساله باز (open problems)

این بخش بحث مختصری راجع به سه مساله ای که تاکنون حل نشده است بیان می دارد که مربوط می شود به سوالات شناسایی و کنترل سیستم شناور مغناطیسی معرفی شده  تحت شرایط واقعی .

3.1 . تعیین ویژگی های سنسور موقعیت و درایور جریان

سنسور موقعیت گوی در Fig.1  سنسور نوری infrared  است و از آنجاییکه سرعت پاسخ آن بسیار سریع تر از سایر اجزای سیستم است ، می توان آنرا استاتیک در نظر گرفت . ویژگی های استاتیکی آن غیرخطی است  ، بخصوص در نواحی مرزی . با این حال ، سنسورنوری infrared فرض شده است که در ناحیه موردنیاز دارای عملکرد خطی است  با ولتاژ V ، که  V با فاصله X بصورت زیر رابطه دارد :

V  = γX+ V  ,     γ>0 ,                                (6)

جایی که V  نماینده مجموعه مقادیر ثابتی است بگونه ای که < 2 V V  . همچنین ، جریان سیم پیچ I  با یک حلقه کنترل داخلی تنظیم می شود [1] و بصورت خطی با ولتاژ ورودی U  بصورت زیر رابطه دارد :

I= ρ U+ I   ,    ρ>0 ,                                  (7)

طوری که ثابت I  جریان موردنیاز برای نگه داشتن V= V  است . توجه شود ، که نتایج نسبی مختلفی در[6]  گزارش شده است .

 

 

3.2 . تعیین مدل سیستم شناور

تعیین رابطه بین نیرو / جریان / جابجایی در تجهیز موردنظر داده شده در Fig.5  با استفاده از روش تحلیلی بسیار مشکل است . بعلاوه اینکه ، عبارت تحلیلی تقریبی بدست آمده fx,i  برای اهداف آزمایشی بیشتر ، بسیار پیچیده است [3] . با این حال ، ویژگی های نیروی مغناطیسی مکن است از نظر آزمایشی بعنوان تابعی از جریان اعمالی I  و موقعیت گوی X  در نظر گرفته شود ( تنظیم شود ) (calibrated ) . شایان ذکر است ، آزمایش می تواند شامل قرارگیری گوی فلزی شناور روی یک پایه غیرمغناطیسی دقیقا زیر آهنربای الکتریکی قرار گیرد .این  نوع خاص xyz-stage (برخی راه کارها در Fig.8(a)-(c) نشان داده شده است ) باید دارای قابلیت ، برای مثال ، 1mm موقعیت یابی افزایشی و تشخیص حداقل جریان لازم برای  برچیدن گوی در ارتفاعات مختلف را داشته باشد . پس مدل رابطه نبرو / فاصله می تواند بوسیله  کوچکترین مربعات مناسب تعیین شود . توجه شود ، که اعتبار چنین منحنی بدست آمده به ناحیه خاصی محدود می شود   X_max X_{min ≤X ≤}  . در حال حاضر ، در آزمایشگاه کنترل اتوماتیک دانشکده مهندسی الکترونیک Nis  ، موضوع  قراردادن از راه دور گوی استیل در محور عمودی آهنربای الکتریکی همچنان به قدر کافی شناختته نشده است . لذا، این یکی از مشکلات اساسی در کنترل از راه دور سیستم MagLev  تحت گسترش آزمایشگاه web-based دانشکده است ، که به منظور پشتیباتی از یادگیری کنترل اتوماتیک تاسیس شده بود . تاکنون ، همانطور که در Fig.8  نمایش داده شده است ، این انتظار می رود که گوی توسط تکنسین آزمایشگاه در محور عمودی آهنربای الکتریکی قرار داده شود .

   

(a)                            (b)                                 (c)                                  (d)

 

            Fig. 8 Some solutions of the body rest: (a) The Institute of Automation and Computer

Control at the Ruhr-University of Bochum [7]; (b) The Automatic Control Telelab (ACT)

at the University of Siena [8]; (c) The Department of Mechanical Engineering at the

Polytechnic University NY; (d) The Department of Automatic Control at the Faculty of

Electronic Engineering Niš

 

 

 

 

 

3.3 . شناوری : پایدار یا ناپایدار

طی آزمایشات بیشماری ، این مشاهده شد که ، در صورت شناوری پایدار، tile استیل نازکی بگونه ای در محور عمودی آهنربای الکتریکی قرار داده می شود ، Fig.9(b) .

This problem is offered with the intention of generating an analytical confirmation of this kind of thin tile behavior in the magnetic field of the considered equipment.

 

به یاد آورید که میدان مغناطیسی در اطراف آهنربای الکتریکی یک دو قطبی مغناطیسی در گوی ایجاد می کند که باعث می شود خود گوی هم مغناطیسی شود . ما فرض می کنیم که گوی در قسمت خطی منحنی مغناطیس کنندگی ، آهنربا شده است ومنحنی به اشباع نرسیده است . نیروی وارد بر گوی متشکل از نیروی جاذبه و نیروی مغناطیسی است که بر دوقطبی اعمال می شود . همانطور که در Fig.10 نشان داده شده است ، محل دوقطبی در گوی مانند این است که هر قطب در مرکز جرم همان نیم کره قرار دارد . واضح است ، نیروهای وارد بر گوی بخاطر میدان مغناطیسی  در قطب شمال جاذبه است و در قطب جنوب دافعه است .  قدرت نیروی مغناطیسی اعمالی باید در قسمت بالای گوی بیشتر از پایین آن باشد . به عبارت دیگر ، خطوط شار باید وقتی که فاصله از آهنربای الکتریکی افزایش پیدا میکند ، بصورت افقی واگرا شود .

 

                                                                                  (b)                                      (a)

            Fig. 9 A steel tile in electromagnet vicinity:                                                           Fig. 10 Scheme of the

              (a) unstable equilibrium; (b) stable equilibrium                                     sphere levitation

 

4. کنترل از راه دور سیستم MAGLEV در آزمایشگاه آموزش مهندسی کنترل

بخوبی شناخته شده است که یادگیری موثر در زمینه مهندسی نیازمند آمیزه ای از نتایج تئوری و عملی است .آزمایشات و تجارب آزمایشگاهی نقش مهمی را در آموزش مهندسی کنترل دارد ، چون یک آزمایشگاه مجهز ارتباط خاصی را بین دانش مورد نیاز در کلاس درس و نیازهای صنعت اتوماسیون مدرن ایفا می کند . با این حال ، آزمایشگاه های معمولی از لحاظ مکانی و زمانی محدود بوده و هزینه های اجرایی بالایی دارند . تکنولوژی های جدید که طی دو دهه اخیر گسترش یافته اند باعث شده اند تا آزمایشگاه های عملی با آزمایشگاه های مجازی و از راه دور تجهیز شوند . به دنبال ساخت اولین آزمایشگاه remote ( از راه دور )  در سال 1992 بوسیله مرکز نوآوری در یاد گیری Stanford (http://scil.stanford.edu) ، روش های بسیار مختلفی برای توسعه آزمایشگاه های remote بخصوص در زمینه آموزش مهندسی کنترل و روباتیک معرفی شد . آزمایشگاه های remote این شانس را به دانش آموزان میدهد که از هر مکانی بتوانند با سیستم های واقعی کار کنند .

برخی نتایج مربوط به توسعه اولیه آزمایشگاه remote کنترل اتوماتیک در دانشکده مهندسی الکترونیک Nis ، که به دانش آموزان اجازه میدهد تا براحتی با مجموعه ای از فرایندهای فیزیکی از طریق اینترنت سروکار داشته باشند ، در این مقاله آورده شده است . شکل 10 تصویری از homepage آزمایشگاه ACEL را بهمراه آزمایشهایی که تاکنون صورت گرفته است نشان می دهد . بعلت احتمال وجود سایر روش های نو و ساده در یکپارچه سازی برای آزمایش های کنترلی ، تعداد آزمایش ها می تواند افزایش یابد . برای اجرای آزمایش از راه دور در آزمایشگاه  ACEL ، “LabVEIW Run Time Engine” و یک وب browser استاندارد باید روی کامپیوتر دور که هدف دسترسی است ، نصب شود .

 

Fig. 10 Layout of the page http://www.elfak.ni.ac.yu/~milica

 

در Fig.11  یک صفحه وب که در محیط LabVIEW برای مانیتورینگ و کنترل از راه دور تجهیزات شناور مغناطیسی در حالت آنالوگ stand-alone ، ساخته شده است ، نشان داده شده است . با استفاده از دکمه ‘start’ در قسمت بالا وسط از پنجره جلویی ، عمل شروع می شود . وقتی رویه اولیه تکمیل شد و پس از سیگنال صدا ، انتظار میرود که تکنسین آزمایشگاه گوی را در محور عمودی آهنربای الکتریکی قرار دهد ، Fig. 8(d) . وقتی آزمایش ها به اتمام رسید ، کاربر راه دور می تواند بعضی اطلاعات سیگنال های مرتبط را در قایل های داده ای ASCII ذخیره کند ، همچنین تصاویری از پنجره درخواست (application window) را با فرمت JPEG . [5] .

 

Fig. 11 Layout of classical web browser window for conducting remote experiments

5. نتیجه گیری                                                                                           

بعنوان کمک آموزشی ، سیستم شناور مغناطیسی ماده استیل ، اجرای بسیاری از روش های اساسی و پیشرفته در هر دو زمینه  مطالعه تئوریک و تحقیق عملی  کنترل سیستم غیرخطی و ناپایدار را ممکن می سازد . امیدواریم که راهکار هر مساله ای که در این مقاله ذکر شده است ، مورد علاقه شدید انجمن مهندسی کنترل واقع گردد . افزون بر این ، جهت پشتیبانی از یادگیری کنترل اتوماتیک در دانشکده مهندسی الکترونیک ، دانشگاه Nis ، یک آزمایشگاه web-based ایجاد شده است . کاربر راه دور قادر است تا تجهیز شناور مغناطیسی را در حالت آنالوگ stand-alone از طریق یک واسط کاربری گرافیکی که بصورت جامع طراحی شده است و روی کامپیوتر client اجرا می شود ، کنترل کند . راهکار کنونی بر اساس معماری ای است که براحتی می تواند با آزمایش های کنترلی مختلفی سازگار شود .