نظام مؤازر للمحور الخطي

تختلف أنظمة المؤازرة الحالية اختلافًا كبيرًا عن تلك التي صُنعت قبل عشر سنوات فقط. فالمعالجات الأسرع وأجهزة التشفير ذات الدقة العالية تُمكّن المصنّعين من تطبيق تطورات مذهلة في تقنيات الضبط. ويُعدّ كلٌّ من التحكم التنبؤي بالنموذج وكبح الاهتزازات مثالين على هذه التطورات التي يُمكن تطبيقها بنجاح حتى في أنظمة المؤازرة المعقدة.

ضبط المؤازرة، فيما يتعلق بأنظمة المؤازرة الكهربائية، هو تعديل استجابة نظام التحكم الكهربائي لنظام ميكانيكي متصل به. يتكون نظام التحكم الكهربائي من وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو وحدة تحكم في الحركة، والتي ترسل إشارات إلى مضخم المؤازرة، مما يؤدي إلى تحريك محرك المؤازرة للنظام الميكانيكي.

يُعدّ المحرك المؤازر - وهو جهاز كهروميكانيكي - المكون الأساسي الذي يربط بين النظامين. ويمكن القيام بالكثير ضمن نظام التحكم الكهربائي للتنبؤ بسلوك النظام الميكانيكي.

في هذه المقالة، سنستكشف تقنيتين من تقنيات ضبط المؤازرة الحديثة - التحكم التنبؤي بالنموذج (MPC) وقمع الاهتزاز - واعتبارات مستوى التطبيق الخاصة بهما.

سرعة المعالج - أسرع من أي وقت مضى

أصبحت سرعة المعالجات المركزية العالية متاحة في كل مكان، ومضخمات المؤازرة ليست استثناءً. فقد شقت المعالجات المركزية، التي كانت باهظة الثمن في السابق، طريقها إلى تصميم مضخمات المؤازرة، مما أتاح استخدام خوارزميات ضبط أكثر تعقيدًا وفعالية. قبل عشر سنوات، كان من الشائع رؤية نطاق ترددي يبلغ 100 أو 200 هرتز في حلقة السرعة، بينما يمكن أن تتجاوز السرعات اليوم 1000 هرتز.

إضافةً إلى حلّ حلقات التحكم، تُمكّن المعالجات الأسرع مُضخّمات المؤازرة من إجراء تحليل فوري مُدمج لعزم الدوران والسرعة والموقع، وذلك لاكتشاف خصائص الآلة التي لم يكن من الممكن رصدها سابقًا. وبات بالإمكان الآن تطبيق نماذج رياضية معقدة بكفاءة عالية من حيث التكلفة داخل مُضخّم المؤازرة، للاستفادة من خوارزميات ضبط متقدمة تتجاوز بكثير ضبط PID القياسي.

علاوة على ذلك، يمكن للمعالج الأسرع معالجة البيانات من مُشفِّر ذي دقة أعلى، مع أن الدقة المحسّنة لا تُحسِّن أداء تحديد المواقع. عادةً ما يكون العامل المُحدِّد لتحديد المواقع هو النظام الميكانيكي نفسه، وليس المُشفِّر، ولكن المُشفِّر ذو الدقة الأعلى يُتيح لنظام التحكم رصد الحركات الدقيقة في النظام الميكانيكي التي لا يُمكن رصدها باستخدام مُشفِّر ذي دقة أقل. غالبًا ما تكون هذه الحركات الصغيرة ناتجة عن اهتزازات أو رنين، وإذا تم رصدها، فإنها تُوفِّر بيانات مهمة لفهم سلوك النظام الميكانيكي والتنبؤ به والتعويض عنه.

أساسيات التحكم التنبؤي بالنموذج

باختصار، تستخدم تقنية التحكم التنبؤي النموذجي ملف تعريف الأوامر السابقة للتنبؤ بعزم الدوران والسرعة المستقبليين. إذا كانت السرعة وعزم الدوران لحركة معينة معروفين تقريبًا، فلا داعي لفرض ملف تعريف الحركة بشكل أعمى عبر حلقات التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID)، التي تستجيب فقط للأخطاء. بدلًا من ذلك، تكمن الفكرة في تزويد حلقات التحكم المؤازر بالسرعة وعزم الدوران المتوقعين كمعلومات أمامية، والسماح لهذه الحلقات بالاستجابة لأي خطأ ضئيل متبقٍ.

لكي يعمل هذا النظام بشكل صحيح، يجب أن يمتلك المضخم نموذجًا رياضيًا صحيحًا للآلة، يعتمد على خصائص مثل القصور الذاتي والاحتكاك والصلابة. بعد ذلك، يمكن إدخال عزم الدوران وملف تعريف السرعة الخاصين بالنموذج في حلقات المؤازرة، لتحسين الأداء. تستخدم هذه النماذج دوالًا رياضية معقدة، ولكن بفضل المعالجات الأسرع في مضخمات المؤازرة، بدأ قطاع التحكم في الحركة يشهد تطبيقها.

على الرغم من مزاياها العديدة، فإنّ التحكم التنبؤي القائم على النموذج له عيب: فهو يُحسِن تحديد المواقع من نقطة إلى أخرى، لكن على حساب تأخير زمني أثناء الحركة. يُعدّ عنصر الوقت جزءًا لا يتجزأ من التحكم التنبؤي القائم على النموذج، لأنّ الحركة السابقة تُستخدم للتنبؤ بالاستجابة المستقبلية. وبسبب هذا التأخير، قد لا يتم اتباع ملف الأوامر المُحدد من وحدة التحكم بدقة؛ بل يتم توليد ملف مشابه يُنتج وقت تحديد موقع سريع في نهاية الحركة.

كبح الاهتزاز

من أهم مزايا التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) قدرته على نمذجة الاهتزازات منخفضة التردد في الآلة والتنبؤ بها وكبحها. قد تحدث الاهتزازات في الآلة بترددات تتراوح من بضعة هرتزات إلى آلاف الهرتزات. وتُعدّ الاهتزازات منخفضة التردد في نطاق الهرتزات (1 و10 هرتزات) - والتي غالباً ما تُلاحظ في بداية ونهاية الحركة - مشكلةً خاصة لأنها تقع ضمن نطاق تردد تشغيل الآلة.

تميل بعض تكوينات المعدات (مثل آلة ذات ذراع ماسك طويل ورفيع) إلى إظهار هذا التردد الرنيني المنخفض أكثر من غيرها. قد تكون هذه التصاميم المعرضة للاهتزاز ضرورية لطولها، ربما لإدخال قطعة عبر فتحة. كما أن الآلات الكبيرة معرضة للاهتزاز، والتي عادةً ما تُصنع من أجزاء كبيرة تتذبذب بترددات منخفضة. في هذه الأنواع من التطبيقات، يظهر التذبذب في موضع المحرك عند نهاية الحركة. تعمل تقنية كبح الاهتزاز في مضخم المؤازرة على تقليل تذبذب الآلة بشكل كبير.

التحكم التنبؤي النموذجي في نظام مؤازر ثنائي المحرك

يُعدّ تطبيق التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) على مشغل أحادي المحور أمرًا بسيطًا، ولا يُشكّل الانحراف عن المسار المطلوب بدقة أي أهمية في الحركة من نقطة إلى أخرى. مع ذلك، عندما يكون أحد محاور المؤازرة مرتبطًا ميكانيكيًا بآخر، فإن مسارات حركتهما تؤثر على بعضها البعض. يُعدّ مشغل لولبي كروي ثنائي المحرك مثالًا على هذا النوع من التكوينات.

يُعدّ هذا التكوين ثنائي المحرك مفيدًا في التطبيقات الكبيرة التي تتطلب عزم دوران كبير لتسريع دوّار المحرك، حيث يعجز محرك واحد أكبر حجمًا عن توفير عزم الدوران والتسارع المطلوبين. من وجهة نظر الضبط، يكمن العامل الحاسم في أن محركين مؤازرين كبيرين نسبيًا يقومان بتحديد موضع حمولة ثقيلة، ويعملان بأقصى عزم دوران وسرعة مُصنّفين تقريبًا. إذا فقد المحركان تزامنهما، فسيُهدر عزم دورانهما في التنافس على الموضع. أما إذا كانت مكاسب كلا المحركين المؤازرين متساوية، فإن تأخيرات التحكم التنبؤي بالنموذج ستكون متساوية أيضًا، وسيظل المحركان متزامنين.

تتمثل الخطوة الأولى في ضبط تطبيق كهذا في إزالة أحد المحركات فعليًا وضبط النظام كالمعتاد باستخدام محرك واحد فقط. يكفي محرك مؤازر واحد للتحكم المستقر في المحور، ولكنه لا يوفر عزم الدوران الكافي لتشغيل الملف التعريفي المطلوب. في هذه الحالة، يتم استخدام تسلسل الضبط التلقائي الخاص بالشركة المصنعة، والذي يضبط معامل القصور الذاتي ويُفعّل ميزة التحكم التنبؤي بالنموذج. ملاحظة: يجب في النهاية توزيع كسب النظام المُحقق باستخدام محرك واحد بالتساوي بين كلا المحركين. يُسهّل معامل القصور الذاتي هذه الخطوة لأنه يعمل كعامل قياس لكسب حلقة المؤازرة، ولذلك يتم ضبطه على نصف نتيجة الضبط الأصلية في كل مُضخّم. يمكن بعد ذلك نسخ باقي نتيجة الضبط من المحور الأول إلى المحور الثاني. يتمثل التعديل الأخير في إزالة مُكوّن التكامل من المحور الثاني، مع إسناد دور "مساعدة التسارع" للمحرك الثاني، وترك تصحيحات التكامل الصغيرة للمحرك الأول وحده.

تتضمن عملية ضبط هذا التطبيق مرحلتين. تتمثل المرحلة الأولى في ضبط كل محور على حدة باستخدام خاصية الضبط التلقائي التي يوفرها المصنّع كنقطة بداية، وتفعيل خاصية التحكم التنبؤي بالنموذج. كما يتم تطبيق خاصية كبح الاهتزاز. في نهاية هذه المرحلة، يتميز كل محور باستجابة سلسة ودقيقة مع أدنى حد من الاهتزاز.

في المرحلة الثانية، يتم تشغيل المحورين معًا، مع مراقبة الخطأ أثناء "التشغيل التجريبي" من منظور وحدة التحكم. بدءًا من ضبط قيم كسب التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) على أنها متساوية، ستحدد التجربة والخطأ أفضل إعدادات كسب MPC التي تحقق التوازن بين انخفاض خطأ الموضع، وتساوي خطأ الموضع، وسلاسة الحركة. الفكرة هي أنه إذا كان خطأ الموضع متساويًا، فسيتم تأخير كلا المحورين بنفس المقدار الزمني، وسيتم قطع القطعة بالأبعاد الصحيحة حتى لو كان خطأ الموضع مرتفعًا أثناء الحركة.