Введение к работе
Актуальность работы Робототехника - быстроразвивающееся и перспективное направление науки и техники Практической целью создания роботов явилась передача им тех видов деятельности, которые для человека являются трудоемкими, тяжелыми, монотонными, вредными От традиционных средств автоматизации робототехнические системы (PC) отличаются универсальностью, возможностью их быстрой переналадки, что позволяет создавать на базе универсального оборудования гибкие автоматизированные производства Круг задач, решаемых PC, постоянно расширяется, и, соответственно, возрастают требования к их функциональным возможностям и надёжности функционирования При разработке систем управления PC требуется учитывать такие особенности объекта управления, как нелинейность, многосвязность, нестационарность, неопределенность динамической модели, наличие внешних возмущений и др
В качестве объекта исследования в диссертации рассматриваются роботы—манипуляторы с электрическими исполнительными устройствами (ИУ) Одним из перспективных направлений в проектировании систем управления электромеханическими объектами является использование теории систем с переменной структурой, в которых на многообразии переключения возникает скользящий режим При работе в скользящем режиме система остается нечувствительной к параметрическим неопределенностям и внешним возмущениям, что позволяет обеспечить робастные свойства замкнутой системы Алгоритмы управления на скользящих режимах просты в реализации, так как не требуют наличия детализованной динамической модели и длительного машинного времени для осуществления вычислений Эти методы использовались для синтеза систем управления PC в работах В И Уткина, Ф Л Черно-усько, И М Ананьенского, Е С Пятницкого, В И Матюхина, В А Уткина, А Г Лукьянова, С А Красновой и др В ряде исследований полагалось, что динамикой ИУ можно пренебречь и формировать управляющие моменты в виде разрывных функций Отметим, что данные результаты непосредственно не реализуемы из-за физических ограничений на силы и моменты, развиваемые ИУ Существенный пробел в подавляющем большинстве исследований по управлению электромеханическими объектами связан с тем, что все фазовые переменные считаются доступными для измерений, т е задача наблюдения не ставится и не решается Понятно, что наличие полного комплекта измерительных устройств приводит к удорожанию и усложнению системы управления
Цель работы разработка процедур декомпозиционного синтеза обратной связи для решения задач слежения в электромеханических системах, обеспечивающих инвариантность к неопределенностям оператора объекта управления и внешним возмущениям широкого класса при неполных измерениях фазовых переменных. Основные задачи, решаемые в работе
1) обеспечение экспоненциальной сходимости к заданным траекториям обобщенных координат в предположении, что внешние возмущения и составляющие оператора объекта управления описываются гладкими, в общем
случае, неизвестными функциями, а для измерений доступны только обобщенные координаты,
обеспечение сходимости в заданную окрестность программных траекторий обобщенных координат в предположении, что внешние возмущения и составляющие оператора объекта управления описываются негладкими функциями, а для измерений доступны обобщенные координаты манипулятора и токи якорей электроприводов,
разработка прямых процедур синтеза обратной связи в задаче слежения за программными траекториями, заданными в пространстве рабочего органа манипулятора, в предположении, что для измерений доступны только выходные координаты рабочего органа
Методы исследования. Теоретические результаты работы обоснованы математически с использованием аппарата классической механики, линейной алгебры, математического анализа, методов современной теории управления блочного управления, разделения движений в классах систем с большими коэффициентами и разрывными управлениями, функционирующими в скользящем режиме, теории наблюдателей состояния, инвариантности и устойчивости Теоретические положения подтверждены результатами моделирования на ПК в среде MATLAB-SIMULINK, а также их практическим использованием в задачах управления роботами-манипуляторами
Научная новизна:
показано, что приведение математических моделей электромеханических систем к блочным формам управляемости относительно выходных переменных является основой для последующего декомпозиционного синтеза и задачи наблюдения, и задачи управления в одних и тех же преобразованных координатах, что существенно упрощает структуру регулятора,
разработаны методы обеспечения инвариантных свойств замкнутой системы относительно внешних возмущений и неопределенностей оператора объекта управления широкого класса,
на основе выходного отображения механической системы и измерений положения рабочего органа разработаны прямые процедуры синтеза обратной связи в задаче слежения за программными траекториями, заданными в терминах рабочего пространства, которые не требуют решения обратных задач кинематики и динамики в реальном времени,
для информационной поддержки базовых законов управления электромеханическими системами разработаны методы построения наблюдателей состояния различного типа, что позволяет сократить количество измерений, объем вычислений, выполняемых в реальном времени, и объем априорной информации об объекте управления и среде его функционирования
Практическая значимость заключается в том, что реализация результатов, полученных в диссертационной работе, приведет к достижению значительного технико-экономического эффекта в PC различного назначения, функционирующих в условиях функциональной неопределенности, действия внешних возмущений и при неполных измерениях фазовых переменных
Реализация результатов работы Разработанные процедуры синтеза
систем управления электромеханическими объектами, функционирующими в условиях неопределенности, приняты для использования при проектировании программного обеспечения для управления типовыми роботами-манипуляторами, в частности, в задаче управления рабочим органом двух-звенного плоскостного манипулятора, в ООО «Технокапитал»
Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти, ТГУ, 2006), на IX Международном семинаре им Е С Пятницкого «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» (Москва, ИПУ РАН, 2006), VII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП (Новосибирск, НГТУ, 2006), III международной конференции по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 2006), V международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, ПГУ, 2007), международных конференциях «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO (Москва, ИПУ РАН, 2007,2008), на семинарах ИПУ РАН
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ Структура работы Диссертационная работа изложена на (/^/страницах, состоит из введения, 4-х глав, заключения, содержит 56 рисунков, 3 таблицы, список литературы (71 наименование) и приложение, подтверждающее внедрение полученных результатов
