Představujeme vám unikátní výukový fyzikální model trojitého inverzního kyvadla pro demonstraci pokročilých metod automatického řízení, používaných pro systémy uvedené skupiny. Tento model reprezentuje sofistikovanou pomůcku pro výuku a výzkum v oblasti kybernetiky.
Pro svou náročnost jak v oblasti matematického modelování a návrhu algoritmů řízení, tak v oblasti návrhu mechanické konstrukce a instrumentace při realizaci skutečného fyzikálního modelu, je schopnost řešit tuto úlohu vědeckou komunitou někdy označována jako měřítko dovedností (benchmark) v oblasti automatického řízení.
Inverzní kyvadla jsou předmětem intenzivního výzkumu v oblasti robotiky a jsou mimořádně zajímavá i z teoretického hlediska – patří totiž do skupiny nestabilních, silně nelineárních, podaktuovaných a neminimálně fázových systémů, pro jejichž řízení je zapotřebí pokročilých algoritmů kybernetiky. Za tímto účelem se využívají pokročilé algoritmy tzv. moderní teorie řízení, konkrétně z oblasti optimálního řízení, které jsou součástí výuky ve studijním programu Řídicí a informační systémy. Na prezentovaném fyzikálním modelu lze najít řadu dílčích zajímavých témat na úrovni od bakalářských prací až po disertační práce. Model umožňuje uživateli výzkum a vývoj svých vlastních algoritmů řízení. S matematickým i fyzikálním modelem lze pracovat na několika úrovních, od simulace v systému Matlab&Simulink až po realizaci řídicích algoritmů v řídicím systému REXYGEN běžících v reálném čase na vestavěném zařízení. Typickým výsledkem výzkumných prací je pak výšvih soustavy ramen z dolní do horní polohy a stabilizace ve vzpřímené poloze.
Klasická úloha s fyzikálním modelem inverzního kyvadla je velmi rozšířená. Nejčastěji se setkáváme s jednoramenným kyvadlem, méně rozšířen je model dvojitého kyvadla. Prezentovaný unikátní model trojitého inverzního kyvadla se však vymyká běžným úlohám svou složitostí a náročností algoritmů řízení. Prezentované trojité kyvadlo vidíte na uvedeném obrázku. Všechny klouby jsou volně otočné, bez aktuátorů. Vzpřímená poloha všech tří ramen je dosažena jen působením definovaného lineárního posuvu vozíku doleva a doprava.
Unikátní vlastnosti modelu:
-modularita: mechanické přepínání konfigurace mezi jednoduchým, dvojitým a trojitým kyvadlem
– řízení pomocí průmyslového počítače REX AIC (Advanced Industrial Computer) navrženého
speciálně pro tento účel, případně pro obdobné úlohy vyžadující velmi nízkou periodu vzorkování
– runtime jádro řídicího systému REXYGEN běží se vzorkovací frekvencí 1 KHz
– servo měnič pro ovládání pohybu vozíku je řízen přes EtherCAT
– bezdrátový přenos dat ze senzorů natočení jednotlivých ramen (perioda 700 mikrosekund)
– data z bezdrátového přijímače jsou zpracovávána pomocí FPGA
