Введение к работе
Актуальность и постановка проблемы. Всестороннее исследование и освоеігае Мирового океана в настоящее время, безусловно, является одной из центральных проблем, стоящих перед современной наукой и практикой.
К наиболее перспективным научно - практическим направлениям, ориентированным на изучение и освоение потенциала Мирового океан, относится подводная робототехника. Подводные аппараты - роботы позволяют обеспечить выполнение инженерных, научно-исследовательских, поисковых, аварийно - спасательных и других видов работ в толще воды и вблизи дна.
Значительный вклад в развитие совремешгой подводной робототехники,
внесен российскими учеными М.Д.Агеевым, А.Н.Дмитриевым,
М.Б.Игнатьевым, И.Б.Иконниковым, Л.В.Киселевым, Е.Н.Пантовым, В.А.Челышевым, В.С.Ястребовым и другими, а также их зарубежными коллегами R.Cristi, T.I.Fossen, K.R.Goheen, A.J.Healey, E.RJefferys, F.A.Papoulias, J.J.E.Slotine, T.J.Tarn, D.R.Yoerger и др.
Среди подводных роботов (ПР) важным классом являются рабочие ПР, осуществляющие свое пространственное движение за счет собственных движителей и оснащенных, как правило, манипуляторами (ПМ), что позволяет им выполнять разнообразные виды подводных работ.
К числу основных систем подводного робота относится система
управления его пространственным движением, а также движением ПМ,
которая в современном представлении имеет иерархическую структуру,
содержащую несколько уровней. Создание системы управления подводного
робота и в первую очередь создание исполнительного контура, на
котором осуществляется управление исполнительными устройствами аппарата,
обеспечивающего в недетерминированных условиях фактическое
осуществление требуемого целенаправленного движения,
запрограммированного на более высоком иерархическом уровне, является одной из наиболее сложных и актуальных проблем подводной робототехники
Большинство методов, которые используются в настоящее время для синтеза систем управления ПР, ввиду значительной сложности дифференциальных уравнений, описывающих движение роботов, базируется на упрощенных математических моделях. Основные способы упрощения состоят в переходе к линеаризованным уравнениям и /или расщеплении системы уравнений на множество независимых подсистем уравнений невысокого ( обычно второго -третьего ) порядков. Такой подход вполне оправдан для некоторых режимов
движения или определенных классов ПР. Однако в общем случае выполнение роботом рабочих операций может потребовать движения по произвольно? пространственной траектории. Следствием этого является то, что системь управления ПР и ПМ, синтезированные традиционными методами пс упрощенным моделям, не обеспечивают высокой точности воспроизведенш запрограммироваїшьгх движений робота. Таким образом, актуальной является разработка и развитие методов синтеза систем и алгоритмов управления не основе более точных моделей ПР и ПМ, учитывающих нелинейный характер і многомерность уравнений движения подводных роботов.
Другая особенность подводных роботов как объектов управления состоит е их значительной параметрической и структурной неопределенности, которая е основном связана со сложным характером влияния внешней водной среды, Большинство используемых в настоящее время методов синтеза систем управления ПР и ПМ, предполагает, что параметры последних известны и постоянны, однако фактически они могут изменяться в довольно широком диапозоне. В следствие этого управление, синтезированное на основе номинальных значений параметров, часто не обеспечивает требуемой точности и других качественных показателей ПР и ПМ. Поэтому необходимым является разработка методов синтеза, гарантирующих высокую эффективность процессов управления подводными роботами в условиях существенной структурно - параметрической неопределенности.
Перспективными научными направлениями для синтеза управления ПР и
ПМ, являются адаптивный и робастный подходы. Их применение в сочетании
с принципами декомпозиции и децентрализации позволяет синтезировать
управление, которое обеспечивает высокое качество и точность осуществления
программного пространственного движения за счет либо приспосабливания
(адаптации) к изменяющимся условиям, либо грубости (нечувствительности,
робастности) по отношению к параметрической и структурной
неопределенности. В ряде работ предпринимались попытки применения методов адаптивного и робастного управления подводными роботами. Однако, как показал анализ, указанные методы использовались, как правило, для синтеза частных подсистем подводных роботов и опирались на неадекватные линеаризованные или слишком упрошенные нелинейные модели. В целом же применение адаптивного и робастного подходов при синтезе ПР и ПМ не носит систематического характера, хотя это привело бы к значительному улучшению качества процессов в системах управления и, следовательно, к повышению эффективности использования подводных роботов.
Таким образом, проблема состоит в разработке и дальнейшем развитии методов синтеза адаптивных и робастных систем управления исполнительными устройствами подводных роботов.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является решение научно - прикладной проблемы, заключающейся в обобщении, разработке и применении методов синтеза адаптивных и робастных систем и алгоритмов управления исполнительными устройствами подводных роботов и манипуляторов, эффективных в сложных условиях их функционирования.
В конечном итоге решение указанной проблемы должно привести к повышению функциональных возможностей ПР и ПМ, а также к улучшению их показателей качества (точности и быстродействия ).
Методы исследования. В процессе выполнения диссертации использовались методы исследования непрерывных систем в пространстве состояний, матричного и векторного исчисления, теории дифференциальных уравнений, главным образом, при получении достаточных условий устойчивости нелинейных динамических систем, теории адаптивных, разрывных и оптимальных систем, а также систем с переменной структурой. Кроме того, широко использовались методы численного моделировашя разрабатываемых алгоритмов и систем управления, а также методы компьютерной обработки экспериментальных данных, полученных во время морских и бассейновых испытаний систем подводных роботов, и экспериментальные исследования на реальном оборудовании.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:
-
Обоснованы, разработаны и развиты подходы к построению систем управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, которые обладают высокой эффективностью при наличии неопределенности, нелинейности и многомерности, определяемых особенностями условий функционирования подводных роботов.
-
Развиты методы синтеза нелинейных алгоритмов и систем управления на основе полной номинальной модели ПР, обеспечивающих предписанную динамику процессов для всех основных режимов его движения.
-
Разработаны адаптивные модификации нелинейных алгоритмов и систем управления ПР, обеспечиваюшие требуемую точность и заданное качество переходных процессов при существенной параметрической неопределенности в динамике подводного робота.
4. Разработаны методы синтеза робастных и робастно - адаптивных
алгоритмов и систем управления IIP и ПМ, обеспечивающих высокое
качество и грубость переходных процессов при параметрической
неопределенности и действии внешних сигнальных возмущений, а также
средства нелинейной и адаптивной коррекции исполнительных движителей ПР,
обеспечивающие близость их динамики к заданной эталонной.
5. На основе сочетания принципов систем с переменной структурой и
непрямой адаптации построены алгоритмы и системы децентрализованного
робастно - адаптивного управления исполнительными устройствами ПР и
ПМ, эффективные в условиях неопределенности параметров нагрузки при дискретном и непрерывном характере ее изменения. Разработаны и развиты методы параметрической идентификации.
6. Синтезированы робастно - адаптивные алгоритмы и системы децентрализованного ( с эталонным параметром скольжения ) управления исполнительными устройствами IIP и ПМ, в том числе субоптимальные по быстродействию систем, при наличии структурно - параметрической неопределенности.
Практическая ценность и реализация результатов. Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в разработке систем (алгоритмов ) управления, позволяющих улучшить точность, быстродействие и качество переходных процессов в системе управления ПР и ПМ. В результате это приводит к повышению эффективности выполнения работ подводными роботами, оснащенными манипуляторами. Применение разработанных адаптивных и робастных структур управления, принципиально ориентированных на имеющуюся в динамике ПР и ПМ структурно -параметрическую неопределенность, позволяет значительно сократить объем работ, связанных с проектированием, испытаниями и настройкой систем, и, следовательно, уменьшить стоимость и сроки разработки подводных роботов при улучшении качества их функционирования.
Проводимые исследования выполнялись в рамках основных научно -исследовательских работ Дальневосточного государственного технического университета в соответствии с целевой программой Минвуза СССР на 1978-1990 гг. по комплексной проблеме "Роботы и робототехнические системы" (приказ N 136 от 2.2.79 ); комплексной программой "Роботы" Минвуза РФ на 1980 - 1985 гг.; межвузовской целевой комплексной программой "Робототехнические системы и автоматизированные производства " на 1987-1990 гг. (задания N 02.04.09, 08.01.18, 08.01.19, 08.04.10); комплексными программами ПШТ СССР и АН СССР 0.16.09 и 0.16.10 на 1986 - 1990 гг. ( задания 27.01.П, 27.04.П ) ; межвузовской научно - технической программой "Робототехника для экстремальных условий" на 1996-1997 гг.; межвузовской научно - технической программой "Робототехнические системы" на 1998-2000 гг.
Внедрение результатов осуществлялось при непосредственном участии автора в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, а также работ по научно-техішческому сотрудничеству университета с другими предприятиями и организациями. В КБ "Дальнее" ( г.Владивосток ) при создании серии подводных аппаратов -роботов внедрены разработанные в диссертации методы синтеза адаптивных и робастных систем управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, а также алгоритмы идентификации различных подсистем реальных подводных роботов.. В НИИ радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных
ситуаций (г.Санкт-Петербург ) результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при разработке структуры и математическом моделировании системы управления подводного робота - носителя специализированной аппаратуры подводной лаборатории. В НИИ технологии и организации производства ( г.Иркутск ) внедрен электропривод для универсальных загрузочных устройств, построенный на основе предложенной адаптивной системы с переменной структурой.
Отдельные результаты, полученные в диссертационном исследовании,
используются также при подготовке научных кадров высшей квалификации в
рамках аспирантуры ДВГТУ и в учебном процессе на кафедрах
"Информационные системы управления" и "Автоматизации управления в
технических системах" в курсах "Основы теории управления", "Теория
автоматического управления", "Методы оптимизации систем",
"Электроприводы роботов", "Системы управления роботов".
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работ докладывались автором и получили одобрение на 12-м Всемирном конгрессе Международной федерации автоматического управления (IFАС) ( Сидней, 1993 ), 2-ой Европейской конференции по управлению (J ронингем, Нидерланды, 1993 ); Первой Азиатской конференции по управлению ( Токио, 1994 ), Международной конференции по океанотехнике "OCHANS'94" ( Брест, Франция, 1994 ), Симпозиуме 1FAC по проектированию робастных систем управления (Рио-де-Жанейро, 1994), 3-й Европейской конференции по управлению (Рим, 1995 ), 24-й Международном научном коллоквиуме ( Ильменау, ГДР, 1989 ), 5 -й Международной конференции по искусственному интеллекту и информационно управляющим системам роботов (Штребско Плесо, Чехословакия, 1989 ), 7-й Международной конференции по современной робототехнике ( Сент-Фелью , Испаїшя, 1995 ), 4-ой Международной конференции по интеллектуальным автономным системам ( Карлсруэ, Германия, 1995 ), 3-й Симпозиуме IFAC по проектированию нелинейных систем управления ( Тахо Сити, США, 1995 ), 4-й Международной конференции ШЕЕ по приложениям теории управления ( Нью-Йорк, 1995 ), Международной конференции "Мехатроника-96" , ( Гуимарес, Португалия, 1996 ) а также на 4-й Всесоюзаконферекции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоенния Мирового океана" ( Владивосток, 1983 ), 3-м и 4-м Всесоюзн. совещаниях по робототехническим системам (Воронеж, 1984, Киев, 1987. ), Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования Мирового океана " ( Геленджик, 1987 ), Республ.научн.-техн. конференции " Роботизация и гибкие автоматизированные производства" (Черновцы, 1986 ) Всесоюзном научн.-практ. семинаре "Опыт использования распределенных систем управления технологическими процессами и производством " ( Новокузнецк, 1986 ), Всесоюзн. совещании-семинаре
"Проблемы оптимизации и управления динамическими системами в машино-и приборостроении " ( Владивосток, 1987), X Всесоюзной научн.-техн. конференции по проблемам автоматизированного электропривода ( Воронеж, 1987 ), Дальневосточной научно - практич. конференции " Проблемы транспорта Дальнего Востока " ( Владивосток, 1995) и других конференциях и семинарах.
Публикации и личный вклад автора. Всего по проблематике диссертационного исследования автором опубликовано в изданиях, соответствующих требованиям ВАК РФ, 68 работ, в том числе 22 авторских свидетельства ( патента ) на изобретения..
В работах [3-7,10-14,19-22,24-29,32,35,36] автору диссертации принадлежат постановка задачи и методы ее решения, [8,9,23,30,31,37-39,41-43] написаны совместно, в [40] автором выполнен синтез закона управления.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы, включающего 200 наименований, и приложений. Основное содержание работы изложено на 286 страницах машинописного текста. Работа содержит рисунков и таблицы.
