Введение к работе
Актуальность темы. Значительное расширение области применения автономных подводных роботов (АПР) приводит к необходимости выполнения тій все более сложных технологических операций в водной среде, осуществления точного движения по заданным пространственным траекториям в широком диапазоне скоростей, с одновременным изменением как линейных, так и угловых координат, а также точного и быстрого подхода к объектам работ.
В этих условиях на качество функционирования АПР отрицательно влияет рад специфических факторов, к которым относятся прежде всего неопределенность и изменение в процессе работы аппарата его массо-инерционных и гидродинамических характеристик (особенно для аппаратов неправильной формы), сильное взаимовлияние между степенями подвижности, воздействие на АПР со стороны работающего манипулятора, влияние инерционности движителей на динамику подводного робота в целом.
Воздействие указанных факторов, как правило, приводит к значительному снижению точности движения подводного робота по заданной траектории и предъявляет повышенные требования к системе управления (СУ) АПР. К настоящему времени разработано большое количество разнообразных методов синтеза СУ подводными аппаратами. К числу наиболее перспективных следует отнести применение адаптивных или "робастных" систем, способных компенсировать влияние неопределенностей на качество работы объекта управления (ОУ). Однако созданные системы управления имеют ряд недостатков (в частности, низкое быстродействие) и зачастую оказываются слишком сложными и дорогостоящими, что сдерживает их практическое применение.
В связи с этим является актуальной рассматриваемая в диссертации проблема синтеза адаптивной системы с переменной структурой (СПС), которая позволит гарантировать высокое качество управления движением подводного робота, обеспечивая инвариантность ко всем изменяющимся параметрам АПР и влиянию внешней среды.
Цель диссертации: синтезировать систему управления автономным подводным роботом, инвариантную к изменению параметров ОУ, взаимовлиянию между каналами управления и воздействию вязкой среды, разработав на единой методологической основе совокупность управляющих устройств, позволяющих достаточно простыми средствами обеспечить высокую точность и быстродействие всей системы в целом.
Методика исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, в том числе теории адаптивных систем и систем с переменной структурой; теории движения подводных аппаратов; численные методы исследовании сложных динамических систем.
Научная новизна работы заключается в создании единого комплексного метода синтеза адаптивной системы управления, обеспечивающей заданное высокое качество функционирования АПР и не требующей точного определения параметров его модели и измерения внешних воздействий.
Как показали результаты исследований, предложенный новый подход к формированию управляющего сигнала в СПС, нелинейного относительно ошибки системы, позволил компенсировать влияние вязкой среды на качество работы системы управления в целом.
Разработанный метод нелинейной адаптивной коррекции движителей АПР, основанный на применении сигнальной самонастройки по эталонной модели, позволил застабшшзировать параметры движительного комплекса на номинальном уровне независимо от режимов его работы.
Синтезированный адаптивный закон управления в классе СПС позволил существенно повысить быстродействие уже созданной системы за счет более полного использования запаса мощности движителей (без идентификации текущего состояния объекта управления).
В работе получены ограничения на коэффициенты синтезированных регуляторов и предложена методика расчета системы управления, работоспособной и эффективной в различных режимах эксплуатации.
Практическая ценность и реализация результатов диссертации. Применение разработанной системы для управления подводными аппаратами позволяет увеличить точность выполнения ими заданных операций (независимо от влияния вязкой жидкости) и значительно повысить производительность АПР в большинстве режимов эксплуатации.
Проведенные исследования включались в основные направления научно-исследовательских работ ДВГТУ. Они выполнялись в рамках госбюджетных тем 52-91-53 "Разработка высококачественных систем управления и кинематических схем подводных аппаратов и манипуляторов" (1991-1995 гг.), 52-91-Г "Разработка и исследование систем промышленной автоматики, робототехники" (1991-1995 гг.), 52-93-1 ДВР "Разработка теоретических основ проектирования и создания промышленного образца высокоманевренного многоцелевого малогабаритного подводного манипуляционного комплекса для обследования гидротехнических сооружений" (1993-1995 гг.), 53.1.3.96
"Разработка и исследование систем управления роботами и манипуляторами" (1996-1997 гг.). Отдельные научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе ДВГТУ в курсах "Теория автоматического управления" и "Системы управления роботов".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: The 7th International Conference on Advanced Robotics (Catalonia, Spain, 1995); Дальневосточная научно-практическая конференция: Проблемы транспорта Дальнего Востока (Владивосток, 1995); XXXIV Юбилейная научно-техническая конференция ДВГТУ (Владивосток, 1994), XXXV научно-техническая конференция ДВГТУ (Владивосток, 1995).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 115 страниц машинописного текста, 23 рисунка и 1 таблицу. Список литературы включает 117 наименований.