Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время задачи управления многостепенными
взаимосвязанными нелинейными электромеханическими объектами с протяжнной
геометрией и упругими деформациями, обеспечивающие повышение эффективности
функционирования мехатронных промышленных комплексов и подвижных объектов,
занимают одно из передовых мест по числу применений для высокотехнологичных и
прецизионных установок в промышленности. К таким мехатронным комплексам как
объектам управления относятся конструкции высокоточных металлорежущих станков,
экстремальных роботов-манипуляторов, быстроходных наземных и морских подвижных
объектов, высокоманевренных летательных аппаратов и т.д. Одним из путей решения этих
задач является совершенствование конструкции на этапе проектирования. Однако этот
путь ограничен современным уровнем технологии изготовления механических
конструкций, дорогостоящими материалами и неприемлемым возрастанием трудозатрат и
габаритов. Кроме того, при функционировании механизмов в экстремальных условиях
(большие ускорения, резкие перепады температуры, влажности, давления и т. п.) на
ухудшение их работы начинают оказывать влияние факторы, принципиально
неустранимые конструктивным путм. В таких условиях приобретает все большую
актуальность другой путь улучшения функционирования, связанный с со-
вершенствованием их средств управления.
Адаптивный подход к управлению динамическими объектами является актуальным и развивается в трудах многих отечественных и зарубежных учных, таких как Андриевский Б.Р., Бобцов А.А., Борцов Ю.А., Буков В.Н., Воронов А.А., Вукобратович М.А., Громыко В.Д., Гелиг А.Х., Дыда А.А., Емельянов С.В., Еремин Е.Л., Земляков С.Д., Красовский А.А., Кирчански Н., Коровин С.К., Леонов Г.А., Лохин В.М., Манько С.В., Мирошник И.В., Никифоров В.О., Овсепян Ф.А., Потапов А. М., Поляхов Н.Д., Петров Б.Н., Полушин И.Г., Романов М.П., Рутковский В.Ю., Срагович В.Г., Солодовников В.В., Санковский Е.А., Слукин Н.М., Тимофеев А.В., Терехов В.М., Тюкин И.А., Томасов В.С., Уткин В.И., Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Цыпкин Я.З., Шумский В.М., Шрамко Л.С., Якубович В.А., Ядыгин И.Б., Annaswany A.M., Carrol R., Ercberger H., Fu K., Goldberg D., Gonsales R., Hiza J., Holland J.H., Hollerbach J. M., Koditschek D, Koivo A. J., Lee C. S. G., Lindorff D., Li W., Ljung T., Li K., Landau T.D., Miikkulainen R., Naraendra K.S., Ortega R., Slotine J.-J.E., Spong M. W., Stanley K.O., Stocich D., Valavani L.S. и многих других.
Таким образом, задачи, связанные с разработкой высокоэффективных
электромеханических систем автоматического управления классом нелинейных многостепенных взаимосвязанных объектов с многорезонансными нелинейными упругими деформациями, априорно неопределнным и сложным описанием, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами и внешними возмущениями, являются актуальными и представляет научный и практический интерес.
Цель диссертационной работы: Разработка адаптивных электромеханических систем управления манипуляционными роботами с целью повышения динамической точности их пространственного движения в условиях неопределнности математического описания и неполноты измерений переменных состояния.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Построить математические модели жсткого и упругого трхстепенного
манипуляционного робота без учта и с учтом электромагнитной инерции исполнительных электродвигателей.
-
Разработать и исследовать адаптивные электромеханические системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления упругим трхстепенным манипуляционным роботом без учта и с учтом электромагнитной инерции исполнительных электродвигателей.
-
Разработать адаптивные электромеханические системы управления жстким трхстепенным манипуляционным роботом, построенные на основе метода вычисленного момента (метода Li-Slotine) и метода мажорирующих функций, и провести их сравнительное исследование.
-
Разработать и исследовать комбинированные (составные) адаптивные электромеханические системы управления упруго-жстким трхстепенным манипуляционным роботом.
Методы исследования. При выполнении поставленных задач в диссертации использованы методы современной теории систем автоматического управления, беспоисковые методы адаптивного управления, методы теории генетических алгоритмов, компьютерные методы исследования на базе стандартных программных продуктов, моделирование в среде Matlab-Simulink.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Программа автоматизированного построения математических моделей и математические модели нелинейной взаимосвязанной динамики упруго-жсткого электромеханического трхстепенного манипуляционного робота.
-
Адаптивная электромеханическая система управления упругими деформациями трхстепенного манипуляционного робота, построенная на основе мажорирующих функций с применением генетических алгоритмов и адаптивного наблюдателя состояния, а также результаты е исследований.
-
Адаптивные электромеханические системы управления жстким трхстепенным манипуляционным роботом, построенные на основе метода вычисленного момента (метода Li-Slotine) и на основе метода мажорирующих функций, и результаты их исследований.
-
Комбинированные (составные) адаптивные электромеханические системы управления упругими деформациями и жстким скелетом трехстепенного манипуляционного робота, построенные методом мажорирующих функций (для обоих объектов) и методом вычисленного момента (только для жсткого скелета), и исследование их устойчивости (робастности) к функционально-параметрическим возмущениям.
Научная новизна:
1. Впервые, насколько известно соискателю, в задаче по адаптивному
управлению динамикой жстких манипуляционных роботов точным методам (метод
скоростного градиента (А.Л. Фрадков)) и вычисленного момента (Li-Slotine),
предполагающим точное знание всех подробностей описания нелинейных
дифференциальных уравнений с точностью до неизвестных постоянных параметров, представленных в форме Коши или Лагранжа, противопоставляется приближенный метод мажорирующих функций (В.В. Путов), позволяющий избежать громоздких выкладок, свойственных указанным выше точным методам, и предполагающий только знание приближенных скалярных оценочных функций бесконечного роста по всем переменным состояния, мажорирующих неизвестные функции бесконечного роста неизвестных правых частей нелинейных дифференциальных уравнений Коши, описывающих объект управления.
-
В диссертации разрабатываются адаптивные электромеханические системы управления жстким скелетом трхстепенного манипуляционного робота типовой конструкции методом вычисленного момента и методом мажорирующих функций, и впервые проводится сравнительное исследование эффективности обеих адаптивных систем по критерию динамической точности «развязывания» ими нелинейной взаимосвязанности степеней подвижности в пространственном траекторном движении схвата с переменным грузом.
-
Впервые, насколько известно соискателю, в задаче управления трхстепенным манипуляционным роботом типовой конструкции изложена доведнная до конечных нелинейных соотношений модифицированная процедура параметризации требуемых методом Li-Slotine громоздких нелинейных, вдобавок, осложннных встроенным подчиннным управлением, построений нелинейных матриц инерции и центробежных и кориолисовых сил, вектора гравитационных сил, постоянного вектора неизвестных массоинерционных параметров, подлежащего оценке искомым адаптивным алгоритмом, и нелинейной матрицы – регрессора, определяющей сам метод. Проведнное в диссертации сравнительное исследование адаптивных электромеханических систем управления, построенных методами вычисленного момента и мажорирующих функций, показали сравнимую эффективность динамического развязывания даже с некоторым преимуществом приближенного метода (в рамках произвольного выбора параметров усилений алгоритмов настройки обеих адаптивных систем).
-
Впервые в диссертации ставится задача построения адаптивной электромеханической системы управления динамикой многостепенного манипулятора с одновременным учтом многомассовых в общем случае (и двухмассовых в сквозном примере трхстепенного манипулятора) упругих подобъектов степеней подвижности манипулятора.
-
Избранная в диссертации стратегия решения задач подавления упругих деформаций звеньев и развязывания динамики степеней подвижности манипулятора путм декомпозиции его математической модели на упругую и жсткую подсистемы, также обладает несомненной новизной и позволяет ввести унификацию в построение комбинированных (составных) адаптивных электромеханических систем управления упруго-жстким манипулятором, разработав пять унифицированных блоков (подсистем) адаптивного управления:
- две адаптивные электромеханические подсистемы управления многомассовыми (в
частности, двухмассовыми, или однорезонансными) упругими деформациями,
построенные методом мажорирующих функций с учтом электромагнитной инерции
(индуктивности) электроприводов или без е учта;
адаптивную электромеханическую (построенную без учта электромагнитной инерции) подсистему управления жстким скелетом манипулятора, построенную методом вычисленного момента, модифицированным в силу усложняющих его применение встроенных в уравнения Лагранжа жсткого скелета алгебраических уравнений подчиннного управления (с контурными П-регуляторами);
две адаптивные электромеханические (построенные без учта или с учтом электромагнитной инерции) подсистемы управления жстким скелетом манипулятора, построенные методом мажорирующих функций.
6. Разработанный в диссертации новый блочный подход к построению
адаптивного управления упруго-жстким манипулятором, базирующийся на
декомпозиции динамики робота на два подобъекта (упругий и жсткий) и разработке
унифицированных блоков адаптивных электромеханических подсистем управления ими, позволил создавать комбинированные (составные) адаптивные электромеханические системы управления динамикой упруго-жсткого манипулятора, состоящие из сочетаний адаптивных блоков в обоих подобъектах (или из сочетаний адаптивных и неадаптивных блоков в подобъектах).
В диссертации приведены компьютерные исследования четырех вариантов комбинированных (составных) адаптивных электромеханических систем управления упруго-жстким манипулятором, подтвердившие их эффективность в решении задачи принудительного подавления упругих колебаний и динамического развязывания нелинейной взаимосвязанности степеней подвижности манипуляционного робота.
Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов:
Обоснованность полученных в работе основных научных результатов
обуславливается корректным применением указанных выше методов исследования.
Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обусловливается корректным использованием методов построения адаптивных систем и методов их исследования, основанных на применении современных компьютерных средств и программных комплексов, апробацией основных научных результатов на научно-технических конференциях, опубликованием статей и докладов, содержащих результаты работы, в научных реферируемых изданиях.
Значимость полученных результатов для науки и практики. Теоретическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработана точная математическая модель нелинейной взаимосвязанной динамики переносного движения трхстепенного манипуляционного робота типовой конструкции, позволяющая применять и исследовать точные беспоисковые методы адаптивного управления.
-
Проведены исследования эффективности адаптивной электромеханической системы управления упругими деформациями манипуляционного робота при одновременном учте возмущающего влияния неуправляемой нелинейной взаимосвязанной динамики несущего жсткого скелета манипуляционного робота.
-
Разработана и исследована адаптивная электромеханическая система управления жстким манипуляционным роботом, построенная на основе адаптивного метода вычисленного момента (метода Li-Slotine).
-
На основе метода мажорирующих функций, опирающегося на обобщнную приближенную математическую модель многостепенного взаимосвязанного нелинейного механического объекта, построена и исследована адаптивная электромеханическая система управления взаимосвязанной динамикой жсткого манипуляционного робота.
-
Проведены исследования комбинированных адаптивных систем, объединяющих построенную методом мажорирующих функций адаптивную электромеханическую систему управления упругими деформациями манипуляционного робота с неадаптивной системой и адаптивной системой управления нелинейной взаимосвязанной динамикой жсткого несущего скелета манипуляционного робота, построенной двумя методами: точным методом вычисленного момента и приближенным методом мажорирующих функций.
Практическая полезность работы:
1. Разработана программа автоматизированного вывода уравнений
математических моделей нелинейной взаимосвязанной динамики многостепенных механических объектов, записанных в явной форме уравнений Лагранжа II рода.
-
Разработки унифицированных блоков составных адаптивных электромеханических систем управления многомассовыми упругими деформациями и нелинейным взаимосвязанным жстким скелетом манипуляционного робота типовой конструкции послужат основой создания полезных в инженерном проектировании, простых, лаконичных и легко поддающихся компьютеризации методик расчта семейства реализуемых адаптивных электромеханических систем управления динамикой манипуляционных роботов, требующих весьма ограниченного объма априорных сведений (особенно, при использовании метода мажорирующих функций).
-
Разработаны, отлажены на базе пакета Matlab и подготовлены к микропроцессорной реализации построенные на основе метода мажорирующих функций унифицированные блоки адаптивных электромеханических систем управления жсткой и упругой взаимосвязанной динамикой класса трхстепенных манипуляционных роботов типовых конструкций, полезные в качестве научного фундамента для проведения НИР, НИОКР и последующего внедрения в конкретные изделия.
Реализация результатов работы. Теоретические положения и практические
результаты диссертационной работы использованы в 5 НИР и НИОКР, выполненных
научным коллективом кафедры при участии автора в течение 2014-2016 г.г., источниками
финансирования которых являлись внебюджетные средства федерального
государственного унитарного предприятия «Крыловский государственный научный центр». Результаты исследования используются также в учебном процессе при подготовке магистрантов по направлению «Управление в технических системах».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции Proceedings of International conference on nonlinear problems in aviation and aerospace WORLD CONGRESS 2016 (Франция, г. Ля-Рошель), на XX и XXI международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2017, SCM-2018) и на трх региональных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт Петербург, Россия, в 2016, 2017 и 2018 г.г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, среди которых 5 статей, опубликованных в рецензируемых изданиях, входящих в перечень журналов, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи опубликованы в зарубежных изданиях, индексируемых в базе Scopus, 8 публикаций опубликованы в других изданиях и материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами. Материал диссертации изложен на 189 страницах машинописного текста, включает 67 рисунков и содержит список литературы из 66 наименований.