автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромеханические и мехатронные элементы и устройства в системах управления для роботизированной автоматизации технологических процессов

На правах рукописи

Мельников Николай Викторович

Электромеханические и мехатронные элементы и устройства в системах управления для роботизированной автоматизации технологических процессов

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном университете сервиса Министерства образования и науки Российской Федерации.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор РОМАНОВ Михаил Петрович

Доктор технических наук, профессор РУБЦОВ Виктор Петрович

Доктор технических наук, профессор КОСИНСКИЙ Анатолий Васильевич

Ведущая организация: НИИТавтопром

Защита состоится «А/ »/^<^£/2004 года в часов на

заседании диссертационного сочла Д.212.131.03 Московского

государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, доцент

О.А.Тягунов

Актуальность работы. В широком классе автоматических систем особое место занимают устройства и системы управления для роботизированных технологических процессов, автоматизация которых предъявляет к ним специфические требования и создает особые условия функционирования. Следует заметить, что "поле" роботизации технологических процессов расширяется не только в промышленных отраслях, но и в сфере быта, которая, наряду с решением чисто технических задач, требует учета специфичности психологических "взаимоотношений" "умных" технических устройств и человека, часто не обладающего необходимым уровнем технической грамотности.

В настоящее время, по крайней мере, в высокоразвитых странах для решения задачи удовлетворения потребностей человека в производственной эффективности и бытовой комфортности значительное внимание уделяется развитию робототехники - одной из самых высокоинтеллектуальных областей человеческих знаний и достижений. Естественно, чтобы роботизированная автоматизация была эффективной, необходимо развивать технологии, создающие элементную базу, технические параметры и характеристики которой должны быть такими, чтобы на ее основе был возможен синтез управляющих технологических систем с требуемыми показателями и свойствами. Задача эта комплексная, в каждой отрасли специфичная и успешность ее решения существенно зависит от инновационной политики в стране.

Несмотря на весьма негативные особенности развития нашей страны примерно за последние 15 лет XX века, тем не менее следует отметить заметный вклад ученых России в развитие теоретических и практических основ построения эффективных систем управления для робототехнической отрасли. Вот некоторые из них: Е.П.Попов, И.М.Макаров, К.В.Фролов, И.И.Артоболевский, Д.А.Поспелов, П.Н.Белянин, Д.Е.Охоцимский, ФЛ.Черноусько, Ф.М.Кулаков, В.М.Лохин, В.С.Кулешов, НАЛакота, Е.И.Юревич, В.АЛопота, А.СЮщенко, Б.А.Ивоботенко, Г.В.Коренев, А.И.Корендясев, А.Е.Кобринский, П.Д.Крутько, В.В.Макаров, В.С.Медведев, МП.Романов, Ю.В.Подураев, А.В.Тимофеев, А.Н.Тимофеев, В.С.Ястребов и другие.

Основываясь на их работах, следует сделать вывод о том, что методы создания систем управления для роботизированной автоматизации своей универсальностью и многоцелевым назначением принципиально отличаются от методов построения традиционных автоматических систем. Роботизация технологических процессов базируется на создании, прежде всего, гибко управляемых многофункциональных технологических комплексов совокупности взаимосвязанных устройств и систем управления реального времени, качественное функционирование которых требует учета многочисленных особенностей объекта регулирования в условиях ограничений внешней среды. Каждому типу события в системе должно быть поставлено соответствующее ситуационное управляющее решение,

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

предполагающее изменение алгоритма управления в соответствии с меняющейся ситуацией. Более того, характерной особенностью современных интеллектуальных систем является реализация механизмов хранения и обработки знаний с целью выполнения "функциональных обязанностей" в условиях не строгой технологической детерминированности внешней среды. Для роботизированных систем управления эти факторы особенно значимы. Учитывая вышеотмеченные особенности, важными техническими задачами, возникающими при создании особенно мобильных роботизированных систем, является повышение требований, прежде всего, к надежности и гибкости управления. В свою очередь решение этой задачи жестко связано с возможностями используемой элементной базы.

Основой большинства реализаций современных систем роботизированных технологических процессов, являются управляемые электромеханические системы (ЭМС). Для качественного управления такими системами требуются современные управляющие технологии, к которым, базируясь на исследованиях и разработках ряда вышеупомянутых ученых, можно отнести:

• методы и средства управления на основе создания экспертных систем;

• методы и средства нечеткого управления;

• методы и средства нейросетевого управления;

• методы и средства с использованием в управлении особенностей организации ассоциативной памяти.

Краткий анализ, проведенный в работе, позволяет сделать достаточно очевидный вывод: для построения эффективных управляющих систем требуются соответствующие методы, основанные на современных технологиях и технических средствах, требуется разработка адекватных математических моделей, способных эффективно работать одновременно с различными типами переменных в условиях особенностей ограничений и неопределенностей. Однако, при всей значимости иерархических информационных уровней, красивости, гладкости, "умозрительной" правильности и возможной "паттерности" решений на "высших" уровнях системы, наиболее важным является нижний (исполнительный) уровень, поскольку именно на нем разработчика, наладчика и эксплуатационщика часто подстерегают трудно формализуемые "овраги неожиданности" и никакие "сверхумные" алгоритмы верхних уровней управления не смогут заставить выполнять целеуказательные команды, если их физическая реализация на силовом энергетическом уровне невозможна.

Именно поэтому основное внимание в работе уделяется исследованиям свойств исполнительных электромеханических и мехатронных (электромеханика + электроника) управляющих систем и устройств. При анализе возможностей исполнительных систем управления и их синтезе с необходимыми техническими показателями доминантное место занимают вопросы обеспечения устойчивости, поскольку именно это свойство, прежде всего, обеспечивает надежность роботизированных устройств, особенно в

условиях автономного функционирования и неопределенностей внешней среды. Если не обеспечено данное эксплуатационное свойство системы, то нет смысла анализировать иные технические показатели. Именно поэтому значительное внимание в работе уделяется также исследованиям особенностей аппаратно-программных интерфейсов микропроцессорных систем управления, поскольку они существенно влияют на надежность и эксплуатационно-наладочные свойства создаваемых систем.

Весьма перспективными объектами для использования в системах управления роботизированной автоматизации оказались электромеханические модули без кинематических преобразователей вида движения. На рубеже конца 70-х и первой половины 80-х годов прошлого столетия СССР занимал ведущее положение, о чем свидетельствовали разработки и перспективные планы развития этого направления в России (Московский энергетический институт - МЭИ, з-д Машиноаппарат, г.Москва), в Белоруссии (конструкторское бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ, г.Минск), в Латвии (з-д "Эллар", г.Рига). Еще в конце 70-х годов XX века профессором Ивоботенко Б.А. (МЭИ) была предложена концепция организации сервиса рабочего пространства посредством использования таких модулей. Концепция была ориентирована, прежде всего, на создание элементов и систем управления для гибких автоматизированных производств (ГАП) с одновременным преодолением "узких мест", обусловленных использованием в традиционной "классической" робототехнике сложных в кинематическом отношении манипуляторов антропоморфного типа. Однако, в связи с затянувшимся временем дезинтеграционных реформ в России развитие данного направления замедлилось, например, по отношению к образованному в 1992 году белорусско-германскому научно - производственному совместному предприятию СП "Рухсервомотор".

Вместе с тем, современные мировые тенденции совершенствования высоких технологий, особенно электроники - ключевом звене развития управляющих элементов и систем, позволили ведущим корпорациям (Motorola, Siemens, ST Microelectronics, International Rectifier и др.) создать интеллектуальные элементы-модули, что кардинально изменило технологические возможности синтеза систем управления силовых преобразователей и улучшило их эксплуатационные свойства. Все это позволяет переходить к созданию электромеханических модулей со встроенными электронными вычислительными устройствами (такие модули принято называть мехатронными) и синтезу на их основе интегрированных мехатронных систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов. В сочетании с активным развитием управляющих сетевых технологий и уникальными возможностями таких модулей, эти тенденции выдвигают данную проблематику вновь в разряд актуальных, но на новом витке диалектического развития, поскольку открываются широкие возможности реализации ранее сформулированных подходов по формированию систем управления для более рациональной организации

б

инфраструктуры сервисного технологического пространства в отраслях промышленности и сфере быта.

Целью диссертационной работы является:

• разработка теоретических и методологических основ создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью построения новых и модернизации существующих управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.

Для достижения вышеуказанной цели в диссертационной работе для исследования и защиты поставлены следующие основные задачи:

• провести сравнительный анализ рабочих зон сервиса и функциональных возможностей кинематических схем традиционных манипуляторов и манипуляторов на основе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью уменьшения избыточности рабочих зон сервиса и упрощения кинематических схем традиционных манипуляторов, с целью выбора базовой модели манипулятора на основе модулей без кинематических преобразователей вида движения и ее основного положения в поле гравитации с соответствующей организацией систем координат;

• разработать кинематическую модель планарного основания и получить оценочные аналитические зависимости для анализа взаимовлияния манипуляционного робота на подвижное основание, выполняемое в виде планарной электромеханической системы (ПЭМС*);

• разработать методику выбора рациональной модификации электромеханического модуля для системы управления планарного основания манипулятора;

• разработать способы, устройства и алгоритмы управления ПЭМС с учетом магнитовоздушной опоры, оптимизировать конструкции ПЭММ, обеспечивающие по отношению к аналогам повышенную надежность функционирования манипуляционных роботов в условиях действия на ПЭМС внешних разворачивающих моментов и неидеальной жесткости опоры между якорем и индуктором;

* - с учетом современных тенденций к интеграции на подвижный якорь сенсорики с электронными устройствами для связи с управляющим микроконтроллером систему следует называть мехатронной = (электромеханика+электроника), однако, в работе принято единое исторически сложившееся обозначение - ПЭМС Планерная электромеханическая система (без сенсорики на якоре) и электромехатронная (электротехника+механика+электроника) система (с сенсорикой), поскольку в настоящее время интеграция касается, в основном, информационной части системы

• разработать математические модели ПЭМС с учетом специфики влияния манипулятора на подвижное основание для исследования основных динамических режимов, уделив основное внимание исследованиям устойчивости; адекватность моделей подтвердить экспериментальными исследованиями;

• на основании анализа результатов исследований основных режимов ПЭМС в условиях возмущений со стороны манипулятора, разработать способы рационального синхронно-синфазного управления ПЭМС, проанализировать их эффективность и выработать рекомендации для использования в автоматических системах;

• разработать методику синтеза нечеткого управления координатой планарной электромеханической системы;

• разработать принципы координированного управления ПЭМС для реализации рациональных технологических циклов;

• провести анализ основных свойств и характерных особенностей управляющих интерфейсов электромеханических и мехатронных систем управления различного назначения, модернизировав их с учетом особенностей возможных способов измерения регулируемых координат, возможных способов ШИМ управления, путем реализации этих особенностей в управляющих аппаратно-программных элементах и устройствах, повышающих эффективность систем управления для автоматизированных технологических процессов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались как общепринятые и полученные в работе аналитические зависимости с количественными оценками, так и математическое моделирование с экспериментальными исследованиями. Математические исследования динамических процессов ПЭМС проводились посредством анализа системы нелинейных дифференциальных уравнений, включая широко распространенный пакет 81ши1тк платформенно-независимой среды Ма1ЬаЪ. При получении регрессионных моделей для анализа и синтеза ПЭМС исследовательское моделирование проводилось с использованием стандартных вероятностных приемов статистической обработки результатов в соответствии с методологией теории планирования эксперимента. При анализе проблем координированного иерархического управления ПЭМС для формирования рациональных траекторий и алгоритмов производственных циклов использовались элементы теории гибридных динамических систем. Реализация управляющих алгоритмов микропроцессорного управления проведена с использованием языков ассемблера соответствующих процессоров.

Обоснованность и достоверность теоретических выводов и практических рекомендаций определяется объективностью физических основ и теоретических предпосылок; использованием математического описания объекта при строго обоснованных допущениях; теоретическими

исследованиями на моделях средствами вычислительной техники с использованием паспортных и экспериментальных данных об исследуемом объекте и экспериментальным подтверждением теоретических результатов на макете базовой модели манипулятора промышленного изготовления. Результаты обработаны с использованием статистических методов оценок. Поскольку законы распределения измеряемых параметров были неизвестными, то проверка их "нормальности" осуществлялась по критериям согласия. Экспериментальные исследования предложенных способов измерения скорости проведены на лабораторном стенде и при создании высокоскоростного автоматизированного комплекса с модернизированным преобразователем частоты ЭКТ-2Р.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

• Разработаны теоретические и методологические основы создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения.

• В качестве базовой модели принята модель, состоящая из двух модулей: планарного и линейно-поворотного, установленного по оси, ортогональной плоскости перемещений подвижного основания и проходящей через его центр масс.

• Предложены принципы организации сервисного рабочего пространства. За базовое принято положение манипулятора на подвижном основании, при котором вектор, совпадающий с осью, ортогональной плоскости перемещений основания и проходящей через его центр масс, коллинеарен и противоположен вектору поля гравитации. Получены аналитические зависимости, корректирующие управление планарным основанием, если его положение в поле гравитации отличается от базового. Для уменьшения избыточности рабочей зоны сервиса ее сечение плоскостью параллельной магнитовоздушному зазору подвижного основания манипулятора целесообразно описывать уравнением эллипса и, исходя из этого, определять требуемые параметры манипулятора и подвижного основания.

• Предложены принципы организации систем отсчета для кинематических структур манипуляторов на планарном основании. Для анализа взаимовлияния манипулятора на планарное основание вместо объемной кинематической модели разработана плоскостная модель и получены аналитические зависимости, с помощью которых определяются возмущающие воздействия на подвижное основание.

• Предложена методика выбора рациональной модификации планарного электромеханического модуля для системы управления основания манипулятора по следующим критериям: эффективности способов возбуждения электромагнитной системы; минимальной тяговой силы; максимально-допустимого разворачивающего момента.

• Предложены способы управления ПЭМС: с "полной" фиксацией якоря на плите индуктора; с "комбинированной" фиксацией якоря на плите индуктора; с "частичной" фиксацией якоря на плите индуктора; с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором.

• Предложен вариант конструкции ПЭММ, в которой сжатый воздух магнитовоздушной опоры одновременно с созданием необходимого рабочего зазора используется для дополнительного охлаждения.

• Предложен рациональный алгоритм управления динамическими режимами пуска и торможения электромеханической системы с использованием сигналов ускорения.

• Разработано математическое описания ПЭМС, реализованное в соответствующих моделях для анализа условий ее функционирования в качестве подвижного основания манипулятора.

• Предложены способы синхронно-синфазного управления ПЭМС: изменение амплитуд токов в фазах каждого ЛШД при одинаковых управляющих воздействиях электрической программной координаты движения поля у; изменение управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у и неизменных амплитудах токов в фазах; одновременное изменение и амплитуд токов в фазах и управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у.

• Разработаны методология нечеткого управления координатой ПЭМС на примере синтеза ПИД регулятора и принципы координированного управления при формировании алгоритмов и рациональных траекторий движения якоря для реализации технологических циклов манипуляционного робота.

• Предложен алгоритм сетевого взаимодействия микроконтроллеров степеней подвижности манипулятора через управляющий микроконтроллер верхнего уровня иерархической системы управления.

• Предложены способы цифрового измерения скорости, проанализированы особенности их реализаций в управлении электромеханическими системами, получены аналитические и графические зависимости для их сравнительной оценки по точности и быстродействию.

• Предложены способы организации интерфейсов управления преобразователями частоты, которые, благодаря уменьшению потерь в коммутирующих контурах, повышают энергетическую эффективность и расширяют диапазон рабочих частот электромеханических систем управления.

Практическая значимость работы заключается:

• В разработке теоретических моделей и методик сравнительного анализа и рационального выбора электромеханических элементов для синтеза устройств и систем управления роботизированной автоматизации технологических процессов с целью построения новых и модернизации существующих

управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.

• В реализации способа управления планарной системой с "полной" фиксацией якоря на плите индуктора в виде устройства (А.С№-1474768).

• В реализации способа управления планарной системой с "комбинированной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора в виде устройств (А.С№№-1601732,1833097,1683167).

• В реализации способа управления планарной системой с "частичной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора в виде устройства (А.С №1601733).

• В реализации способа повышения надежного функционирования планарной системы с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором в виде устройства (А.С№№-1539953).

• В реализации конструкций ПЭММ с повышенной устойчивостью к развороту якоря в виде устройств конструкций (А.С№№-1398040,1762372).

• В реализации конструкции ПЭММ, в котором сжатый воздух магнитовоздушной опоры одновременно используется для охлаждения и дополнительного повышения эффективности опоры, в виде устройства конструкции (А.С№-1365280).

• В реализации предложенных способов синхронно-синфазного управления ПЭМС в разработке системы S1 ив разработках планарных систем белорусско-германским СП "Рухсервомотор".

• В модернизации роботизированной установки 14КМ-17-007 для зондового контроля интегральных микросхем и плат путем реализации алгоритма управления с использованием датчика ускорения.

• В модернизациях управляющих интерфейсов в системах управления автономных инверторов напряжения преобразователей частоты, которые, благодаря уменьшению потерь в коммутирующих контурах, повышают энергетическую эффективность и расширяют диапазон рабочих частот (А.С.№-1707718 И А.0№-1561 180).

• В разработках (на базе процессоров К1801ВМ1, К1801ВМ2, Intel8085, Intel8086, однокристальных микроконтроллеров MSC51) аппаратно-программных модулей микропроцессорных систем регулирования с двухзвенными преобразователями частоты на полууправляемых ключах-тиристорах и с преобразователями частоты на IGBT - модулях.

• В реализациях способа ШИМ управления с байтовой передачей данных в сочетании с предложенными способами цифрового измерения скорости при создании частотно-регулируемых автоматизированных установок и комплексов высокоскоростных технологий промышленного и бытового назначения.

• В использовании способа определения жесткости упругих элементов контрольной машины RTD - detection ОАО МЭЛЗ.

• В использовании материалов диссертационной работы для учебно-методического обеспечения курсов, прочитанных автором в МЭИ и читаемых в МГУсервисаи КИУЭС.

Основные результаты получены при выполнении:

• научно-исследовательских работ по комплексной проблеме "Роботы и робототехнические системы" в соответствии с координационным планом МинВуза СССР и Академии наук (ИМАШ АН СССР, раздел 16; рубрика 1.11.42., проект "Мир"; соисполнители: МЭИ (ТУ), конструкторское бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ (г.Минск), з-д Эллар (г.Рига), МГТУ им.Баумана);

• научно-исследовательских работ по договорам МЭИ (ТУ) с ВНИИ ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ (г.Санкт-Петербург) и ФГУП «КБ ХИММАШ им. А.М.Исаева» (г. Королев);

• научно-исследовательских работ кафедры автоматизации производства и управления МГУ сервиса по следующим темам: "Микропроцессоризация оборудования и технологий бытового назначения" (утверждена Ученым Советом 24.11.1995 г.) и "Разработка и исследование современных средств управления бытовой техникой и технологиями" (утверждена Ученым Советом 30.01.2003 г.);

• исследований по проблематике гранта совместно с научно-исследовательским центром "Прикладной информатики и электроники" Франции (ЬОГ2Р) - центра разработки моделей и технических средств управления сложными техническими системами, включая сетевые телекоммуникационные структуры, системы и средства выработки управляющих решений (Приказы МГУ сервиса №-2082/4 от 28.12.01, №-630/4 от 14.04.03, №-56/4 от 26.01.04).

Апробация работы. Ретроспектива научно-технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров, на которых обсуждались результаты диссертационной работы:

• 2-я Всесоюзная школа-семинар молодых ученых и специалистов по робототехнике (г.Кострома, 1980г.);

• 2-я Всесоюзная межвузовская научно-техническая конференция по робототехническим системам (г.Киев, 1980 г.);

• Всесоюзный симпозиум по автоматизированному линейному и магнито-гидродинамическому электроприводу. Секция "Линейный электропривод" (г.Таллин, 1981г.);

• Всесоюзный научный семинар по проблемам робототехники под научным руководством Е.П.Попова (МГТУ им.Баумана, г.Москва, 1983г.);

• Всесоюзное совещание по робототехническим системам (г.Воронеж, 1984г.);

• Всесоюзная научно-техническая конференция по автоматизированному электроприводу (г.Суздаль, 1991г.);

• 1-я Международная конференция по электромеханике и электротехнологии (г.Суздаль,1994г.);

• 2-я Международная научно-практическая конференция, "Наука - индустрия сервиса" (МГУ сервиса, г.Москва, 1999г.);

• 2-я Международная научно-практическая конференция "Современные средства управления бытовой техникой" (МГУ сервиса, г.Москва, 2000г.);

• 3-я Международная научно-практическая конференция "Современные средства управления бытовой техникой" (МГУ сервиса, г.Москва, 2001г.);

• 3-я Международная (XIV-Всероссийская) научно-техническая конференция по автоматизированному электроприводу (г.Н.Новгород, 2001г.);

• 3-я Международная конференция "Индустрия сервиса в XXI веке", секция "Современная бытовая техника, управляющие системы и телекоммуникации" (Сопредседатели: Н.В.Мельников, А.В.Максимов, Кремлевский Дворец Съездов, г.Москва, 2001г.);

• 7-я Международная научно-практическая конференция "Наука - индустрия сервиса" (МГУ сервиса, г.Москва, 2002г.);

• 4-я Международная конференция "Индустрия сервиса в XXI веке", секция "Информационные технологии" (МГУ сервиса, г.Москва, 2002г.);

• 4-я Международная научно-техническая конференция "Современные средства управления бытовой техникой" (МГУ сервиса, г.Москва, 2002г.);

• 8-я Международная научно-практическая конференция "Наука - сервису", (ИИТ МГУ сервиса, г.Москва, апрель 2003 г.);

• ^я Межвузовская научно-практическая конференция "Информационные технологии в XXI веке" (ИИТ МГУ сервиса, г.Москва, декабрь 2003 г.);

• заседание кафедры автоматизации производства и управления (МГУ сервиса, г.Москва, 2003 г.);

• заседание НТС НИИТавтопрома (г.Москва,2003г.);

• совместное заседание кафедры "Информационных технологий и управляющих систем" и семинара "Управляющие технологии - современные методы и средства автоматизации" (Королевский институт управления, экономики и социологии - КИУЭС, 2003 г.).

• заседание кафедры проблем управления (МИРЭА, г.Москва, 2004г.).

Публикации. Результаты более чем двадцатилетней работы автора по данной проблематике отражены в двух монографиях, трех учебных пособиях и электротехническом справочнике (МЭИ, 2002 г.) в 27 докладах на научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в 23 статьях и в 12 авторских свидетельствах.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 357 страницах компьютерного текста, в том числе содержит 201 иллюстрацию, 21 таблицу, список литературы из 201 наименования и 26 приложений.

Основное содержание работы

Во введении проанализировано состояние вопроса, обоснована актуальность исследуемой проблематики, сформулирована цель и поставлены основные задачи для ее достижения.

В первой главе "Робототехника автоматизированного сервиса отраслей промышленности и сферы быта" рассмотрены и проанализированы основные проблемы и тенденции в автоматизации промышленности и быта со спецификой использования достижений робототехники. Рассмотрены и проанализированы: рабочие зоны сервиса манипуляционных роботов с неподвижной стойкой и на подвижном основании, выполненном на базе ПЭМС, функциональные возможности вариантов кинематических схем манипуляторов и выделена базовая модель манипулятора на подвижном основании. Получены аналитические зависимости для сравнительной оценки энергетической эффективности возможных траекторий при выполнении манипулятором на подвижном основании в региональной рабочей зоне транспортирующих операций. Предложены принципы организации сервисного технологического пространства в поле гравитации. Основное внимание в анализе иерархических структур систем управления уделено исполнительному уровню.

Методы роботизированной автоматизации существенно отличаются от методов построения традиционных средств автоматизации своей универсальностью и многоцелевым назначением. Для повышения эффективности автоматизации переходят к разработке мобильных устройств и к созданию на их основе технологических комплексов и систем. Мобильность манипулятора и расширение рабочей зоны обслуживания (зоны сервиса) обеспечивается его интеграцией на подвижное основание: однокоординатное или двухкоординатное. Традиционные подвижные основания, технологические циклы движения которых требуют преимущественно двухкоординатных движений, представляют громоздкие конструкции со сложными кинематическими связями и присущими "прелестями": трущиеся узлы, люфты, упругости, наличие которых негативно сказывается, например, на качестве и эффективности сборочных операций в технологических процессах, требующих от технических средств высокой точности и постоянства метрологических характеристик и параметров.

Весьма перспективными элементами электромеханических и мехатронных систем, особенно для использования в классе роботов сборочного типа, оказались электромеханические модули без кинематических преобразователей вида движения. В качестве примера на рис.1 представлен планарный электромеханический модуль (ПЭММ), подвижный якорь которого перевернут в Вашу сторону. По физической природе планарный шаговый модуль - модуль синхронного типа, обладающий особыми свойствами: при прекращении подачи управляющих импульсов, переключающих бегущее электромагнитное поле в зазоре между якорем и

индуктором, он способен "запоминать" текущее положение, что позволяет таким системам, в зоне синхронизирующей устойчивости, решать позиционные задачи без специальных датчиков положения. Для

робототехнических систем это свойство, наряду со свойством практической безфрикционности

перемещений якоря относительно индуктора, является эффективным.

РисЛ.ПЭММ Более того, благодаря известным методам и современным возможностям реализации электрического дробления конструктивного шага(0,48 -ь2.00)мм, такой модуль придает подвижному основанию манипуляционного робота (МР) особые свойства по воспроизведению траекторий практически любой сложности и точности. Это, в отличие от "традиционных обязанностей" подвижного основания (участия в глобальных перемещениях), позволяет по-иному взглянуть на его роль в региональной и локальной рабочих зонах сервиса: считать две степени подвижности основания равноправными по отношению к степеням подвижности кинематической схемы манипуляционного робота. Такая возможность позволяет упростить кинематическую схему МР, что особенно целесообразно при интегрированной роботизации технологических процессов.

Так на рис.2 представлена расчетная схема сечения рабочей зоны регионального сервиса "под человека".

Рис.2.Расчетная схема зоны регионального сервиса "под человека" Где: К,М - полуоси эллипса; 1 - рабочая зона, в которой человек манипулирует деталями, например, при сборке узла конструкции; 2 - зона сервиса манипулятора с использованием ПЭМС; 3 - зона сервиса манипулятора без ПЭМС.

Анализ технологических процессов, в которых активным участником является человек-сборщик, показывает, что оптимальным сечением рабочей зоны является эллипс, поскольку человек выполняет сборочные операции в зоне нормального зрения и антропометрических возможностей своих рук,

причем транспортирующие операции стремится выполнять с максимальной скоростью и на расстояние вытянутой руки. Длину руки МР можно определить, исходя из системы уравнений:

(1)

Решая ее относительно Я га(п, получим

Л„„ -

К-М-(К+М-2ЛГМ) К2+М2

(2)

Для обеспечения нужной рабочей зоны при длине руки определим

минимально необходимые перемещения по осям основания:

Х—.Г —

_ 2 к{кг

К*+Мг

п

= 2м{мг-к-м + к^2к-м)

(3)

к2+м2

Если длина руки Ятш, при необходимом числе степеней подвижности манипулятора, конструктивно трудно реализуема, то ее увеличивают, а необходимые координатные перемещения ПЭМС соответственно уменьшают. Зная необходимые перемещения по осям и удельные показатели ПЭММ, рассчитываются все основные параметры.

Возможность упрощения кинематических схем традиционных МР проиллюстрируем на рис.За и рис.36, а - манипулятор с нулевым радиусом (длиной) руки (базовая модель); б - манипулятор со звеном качания в вертикальной плоскости. 1,2 - соответственно индуктор и якорь; 3 - ЭММ; 4 -захват; 5,6 - степени подвижности ЭММ; 7 - звено качания в вертикальной плоскости; \(/ - угол возможных перемещений звена 7 от начального (\|/„) до конечного положений.

Рис.3 .Простейшие манипуляторы с использованием электромеханического модуля (ЭММ) с двумя степенями подвижности Используя определение Кобринского относительно коэффициента сервиса в точке, и проведя необходимые аналитические выкладки для схемы на рис.Зб, можно построить следующие зависимости (см. рис.4).

Рис.4. Зависимости = ^(R) при Z = const И = f2(Z) при R = const

Условием равенства угла сервиса в точке является

R-Z = ^jRmll-Zcmtt

Из полученного условия следует, что при длине звена качания

(5)

^{л/^аия -г—

для расширения функциональных возможностей манипулятора наиболее выгодно использовать звено качания в вертикальной плоскости. При выполнении условия

более выгодно изменять координату 2. Один из примеров разработки базовой модели манипулятора приведен на рис.5.

Рис.5.3Б - манипулятор разработки СП "Рухсервомотор"

Манипулятором обеспечиваются независимые линейные перемещения вдоль декартовых координат, вращательные реверсивные движения относительно вертикальной оси, возможно позиционирование в любом месте плиты - индуктора. Применение подобных электромеханических роботизированных систем возможно в сборочных операциях, в микроэлектронике и приборостроении, в установках зондового контроля печатных плат, в составе различных технологических комплексов и систем.

При создании новых гибко управляемых производств с использованием электромеханических и мехатронных модулей возможны различные компоновки рабочего сервисного пространства (рис.6).

!

)//л У,

Рис.б.Возможная организация сервисного пространства Для коррекции управляющих сигналов в случаях, когда компоновка отличается от базового положения на рис.3, в диссертационной работе получены корректирующие зависимости:

где: соответственно тяговые силы и синхронизирующий момент,

М^ - масса манипулятора и ускорение свободного падения; а - угол наклона якоря - основания; 9(0- угол между осью ОХ и проекцией силы тяжести на плоскость основания; гф- радиус-вектор центра масс манипулятора в системе координат XYZ, связанной с центром масс основания; 4/(1)- угол между радиус-вектором г(1) и осью OZ; <р(0- угол между осью ОХ и проекцией радиус-вектора г(1) на плоскость основания.

Манипуляторы представляют собой сложные многозвенные механизмы, из уравнения кинематики которых следует, что рабочее сервисное

пространство X имеет размерность 3, а количество обобщенных регулируемых координат д часто больше 6+7, что означает неоднозначность решения обратной кинематической задачи. Поэтому в работе, с целью рациональной организации технологических перемещений захвата манипуляционного робота в региональной рабочей зоне сервиса, получены сравнительные оценочные выражения по критерию энергетической эффективности подвижного основания и поворота "колонны" робота, которые целесообразно учитывать в управляющих алгоритмах при формировании траектории захвата. Давно известно, что структура управления манипуляционного робота иерархическая (стратегический, тактический, исполнительный уровни). На рис.7 представлена обобщенная типовая блок-схема степени подвижности манипуляционного робота. Где: 1 - объект регулирования; 2 -микроконтроллер; 3 - устройство сопряжения и управляемый преобразователь энергии; 4 - устройство сопряжения в контуре обратной связи исполнительного уровня. На каждом периоде дискретности управления

Рх = М^-япа-совОД,

Мг = М-^гф-Бта-зту^п^О-срО)],

(7)

(8) (9)

Рис.7.Обобщенная блок-схема исполнительного уровня

в мшдюконтроллер 2 поступают задающие управляющие воздействия У|В...УкВ от предыдущего(такгического) уровня, нормированные и гальванически развязанные сигналы Х^.-.Х;/ от датчиков исполнительного уровня Х|...Хм и нормированные с и г н а^-^о т сенсорных датчиков тактического и стратегического уровней. С помощью сигналов . осуществляется соответствующая коррекция сигналов У/.^Ук*. Далее управляющие сигналы У^-.-Ук*, проходя через устройство сопряжения 3, формируют необходимые сигналы У^-.Ук, которые реализуются электромеханическим преобразователем энергии в виде требуемых действий робота.

Вторая глава "Элементы механики и особенности расчета возмущающих воздействий в системе управления планарным основанием манипулятора" посвящена рассмотрению и анализу элементов механики, выбору рационального математического аппарата, выбору кинематической модели для расчета возмущающих воздействий манипуляционного робота на подвижное основание в виде ПЭМС.

Для управления роботом необходим пересчет координат цели, как правило, заданных в декартовых координатах, в обобщенные координаты степеней подвижности манипулятора. Предложены принципы организации систем отсчета для двух кинематических структур: базовой модели (рис.8)

Рис.8.Базовая модель манипулятора

и модели со звеном качания в вертикальной плоскости. Для определения координат степеней подвижности манипуляционного робота и полюса захвата предложены однородные координаты, как наиболее применяемые. Для упрощения анализа взаимовлияния манипуляционного робота на планарное основание вместо объемной модели ПЭМС предложена плоскостная кинематическая модель и получены оценочные аналитические зависимости

для определения возмущающих воздействий на подвижное основание.

В третьей главе "Концепция выбора рациональной модификации исполнительного модуля планарной системы управления" основное внимание уделяется вопросам выбора рациональной модификации ПЭМС для основания манипуляционного робота (рис.9).

Рис.9.Модификации планарных модулей В ней приводится методика сравнительного анализа и выбора наилучшей модификации ПЭММ. В качестве основных критериев используются следующие:

выбор по эффективности способов возбуждения электромагнитной системы; выбор по критерию минимальной тяговой силы;

выбор по критерию максимально-допустимого разворачивающего момента. Проведена оценка влияния на эти критерии выбора ПЭММ специфики нагрузок манипулятора в условиях неидеальной жесткости магнитовоздушной опоры и ограниченности ресурсов синхронизирующей устойчивости ПЭМС. Разработан алгоритм выбора планарного электромеханического преобразователя энергии с учетом влияния со стороны манипулятора и оптимизации сочетания основных параметров системы, исходя из запаса энергетических ресурсов ПЭМС, которыми она располагает для устойчивого функционирования манипуляционного робота. Алгоритм реализован в платформенно-независимой среде МаНаЪ с использованием пакета 81шиЦпк. Особо отмечено, что работа планарного модуля в условиях действия внешних разворачивающих моментов со стороны манипулятора (или иных "активных" объектов) весьма критична, поскольку энергетические ресурсы

синхронизирующей устойчивости ПЭМС ограничены, что и отражено на рис. 10.

1,2 - соответственно ускоряющие и тормозящие силы, а соответственно координата подвижного якоря и координата движущегося электромагнитного поля.

Динамическая ошибка однозначно связана с запасом потенциальной энергии в системе:

/ 1 -ЯГ/ ; г X е-х

I Г-^ Г-Х г1— 1 У*^ ! /

Рис.10.Зависимость синхронизирующей силы Б от динамической ошибки у -х

При |у - х| = л и Р(х)= Рт„51п(х), имеем: = (т2/л)Ртш(.

Исходя из баланса энергий (потенциальной и кинетической), максимальная скорость равна

где: - соответственно масса основания и относительная масса

манипулятора.

Ширина зон синхронизирующей устойчивости подвижного основания зависит не только от величины возмущения, но и знака. Ограничительные факторы ресурсов устойчивости ПЭМС должны учитываться многоуровневой системой управления манипуляционного робота при анализе управляющих заданий для степеней подвижности манипулятора. Выявлена возможность существенного повышения ресурсов ПЭМС, предоставляемых МР, посредством управляемого регулирования каналами магнитовоздушной опоры.

Четвертая глава "Способы управления и устройства для повышения надежности планарных электромеханических систем" практически целиком построена на основе изобретений автора, посвященных решению ключевой проблемы в ПЭМС: обеспечению устойчивости и надежности

функционирования в условиях действия внешних разворачивающих моментов и неидеальной жесткости магнитовоздушной опоры между якорем и индуктором ПЭММ. Предложены: способ управления и устройство для реализации полной фиксации якоря на плите индуктора при недопустимых внешних воздействиях; способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря; способ управления и устройство с частичной фиксацией якоря; способ управления планарной системой посредством активного выравнивания зазора между якорем и индуктором ПЭММ. Предложен ряд конструктивных решений планарных ЭММ, в которых обеспечивается меньшая вероятность потери устойчивости системы, построенной на базе таких модулей. Кроме этого, дополнительно создаются положительные эффекты: улучшается охлаждение якоря и снижаются требования к пневмосети. Конструктивные решения ПЭММ также защищены авторскими свидетельствами. В главе рассмотрен способ управления динамическими режимами с повышенной устойчивостью якоря ПЭМС к развороту, который реализуется в одном из вариантов замкнутой системы регулирования с использованием датчиков ускорения (рис.11).

Рис.11.Блок-схема системы управления с использованием датчиков ускорения

На рис.11 соответственно изображены: 1 - планарный модуль х,у-ШД; 2 - блок формирования фазных напряжений; 3 - программное устройство; 4 -вычислитель, в котором определяется сигнал на программную коррекцию основного движения; 5,6 - усилители сигналов от датчиков ускорения; 7 -дифференциальный усилитель, выход которого соединен с вычислителями 4 и 8. Выход вычислителя 8 соединяется со вторым входом блока сравнения 9.10 и 11 соответственно управляемый клапан и усилитель. Вход усилителя соединяется через логический элемент И 12 с программным устройством 3 и выходом блока сравнения 9. Первый вход блока сравнения 9 соединяется с выходом вычислителя В, определяющего допустимый разворачивающий момент. Сам вычислитель состоит из трех блоков: 13, 14 и 15. В блоках 13 и 14 определяются допустимые разворачивающие моменты, которые могут быть

восприняты соответственно координатами X и У. Блок 15 - сумматор, а 9 -блок сравнения, выход которого через формирователь импульсов 16 и логический элемент ИЛИ 17 соединяется с программным устройством.

Пятая глава "Математические модели и исследование основных управляющих режимов планарной электромеханической системы" посвящена разработке математических моделей ПЭМС и исследованиям ее основных режимов. Математическое описание планарной системы основания манипулятора в условиях действия на пленарный модуль асимметричных инерционных нагрузок и активных сил может быть представлено в синхронных - осях обобщенной электрической машины в виде следующей упрощенной системы дифференциальных уравнений:

(12)

Здесь:

'¿>'ч—токи по осям и! И С); .9 - относительная постоянная времени фазы; 5-коэффициенты внутреннего демпфирования и вязкого трения; /с — относительные силы сопротивления; - амплитуда относительного воздействия; г - безразмерное в р е мр; - соответственно координаты

электромагнитного поля и якоря; АМ(/)—относительная масса.

На основании анализа специфики взаимовлияния манипулятора на ПЭМС предложено разделять управление "плечами координаты", исходя из условий обеспечения синхронно-синфазного движения. Автором в 1981 году предложены следующие способы синхронно-синфазного управления: изменение амплитуд токов в фазах каждого плеча координаты ПЭМС при одинаковых управляющих воздействиях электрической программной координаты движения поля

изменение управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля и неизменных амплитудах токов в фазах; одновременное изменение и амплитуд токов в фазах и управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля

Использование первого способа ограничено, т.к. электромеханический преобразователь энергии системы проектируется на номинальный ток, значение которого выбирается таким, чтобы создать в стали магнитную индукцию, соответствующую рабочей точке кривой намагничивания. Поэтому увеличение тока приводит к перегреву ЭМП при незначительном (~10+15%) росте тяговых сил. Уменьшение же тока снижает тяговые силы, ухудшая использование стали ЭМП и динамическую добротность системы.

Второй способ требует реализации более сложных алгоритмов синхронно-синфазного управления. Однако, в условиях постоянного совершенствования программных средств управления, особенно микроконтроллерного, этот способ следует считать перспективным.

Реализация управления по третьему способу позволяет обеспечить рациональное управление координатой ПЭМС в большем диапазоне возмущающих воздействий манипулятора, чем в двух предыдущих способах, однако, требуется время-токовая защита.

Предложенные автором способы синхронно-синфазного управления активно используются белорусско-германским СП "Рухсервомотор" в современных разработках, например, в технологических установках зондового контроля печатных плат.

В главе представлены математические модели ПЭМС в преобразованных d,q - координатах с питанием от источника напряжения, поскольку любой источник питания со свойствами "источника тока" становится "неидеальным" в режимах, при которых форсирующие возможности источника питания становятся недостаточными. Но в отличие от известных автору моделей, вместо реализации электрической программной координаты движения поля у формируется скорость ее изменения - dy/dt. Задание dy/dl формируется в виде импульсной последовательности необходимой частоты и амплитуды, делая математическую модель "более физичной" системе управления. Выбор частоты определяется нужным режимом работы системы, а реализация алгоритма непосредственного получения функций sin и cos позволяет избавиться от задания у-функции. В рамках принятых допущений, которые подразумевают управление, исключающее возможные аномальные режимы, включая и насыщение, в системе, представлен вариант методологической разработки модели ПЭМС в физических координатах. Модель прозрачна и доступна для углубления описания электромеханических процессов, что упрощает и расширяет ее диагностические возможности для анализа реальной системы по сравнению, например, с формализованной и "упакованной" записью модели системы в терминах пространства состояний.

Анализ моделирования показал, что надежность функционирования МР существенно зависит от устойчивости подвижного основания. Было установлено, что ПЭМС основания манипулятора в режиме целых шагов неустойчива. Одним из способов обеспечения устойчивости ПЭМС основания является выбор параметров. В результате проведенного анализа установлены

области параметрической устойчивости. Исследования в области частот, соответствующих режимам приемистости и скоростям локально-доводочных перемещений манипуляционного робота, выявили, что для улучшения динамических показателей ПЭМС необходимо дозировать ввод/вывод энергии системы путем программирования процессов разгона/торможения.

Проведено моделирование ПЭМС манипулятора с использованием элементов теории планирования эксперимента и стандартных приемов статистической обработки результатов: = 1,715 - 0,1215 - 0,221(5-0,264/, - ОД 21/? - 0,0035 ■ 5+0,003,9 ■ /с - 0,003,9-/?+0,0Ш- /с

(13)

г. = 3,631-0,1215-0,241г+0,063/е- 0,151/3+0,1715.5+0,0065-/с-0,0065-/?+0,0565 /с + 0ДШ-/?-0,071/с/?+0,01&9-<У-/с-0,0155 <5-Д+0,0145/(/?-0,081£-/с/?+0,0135-г-/;/?

(14)

г„ =3,012- 0,0035 + 0,06И - 0,201/,-0.0Щ-0,0135-^+0,0135-Л -0Д315-/?-0,3615-/с -0,1725• +ОД 74/7 • /с + ОД 605 5-/с-0,ОШ-5-Д+а,0145-Д-/с+0,09И-Д-/е+ОД125^ /с

(15)

В результате проверки адекватности аппроксимирующих полиномов (13), (14), (15) и оценки значимости их коэффициентов получены конечные регрессионные модели, которые рекомендуются для оценочного анализа соответственно максимума скорости, времени пуска и торможения:

,„=3,012^20^ - 0,1315^- 0,361<У ■ /с -0,1725 ■/?+ОД 74/3-/с +0,1605 + ^

В шестой главе "Современные методы исследований и особенности развития управляющих структур электромеханических и мехатронных систем" рассмотрены и проанализированы современные методы и тенденции в управлении, которые эффективны сегодня, а в условиях интенсивного развития информационных технологий станут более эффективными завтра. Так в шестой главе проведен начальный методологический анализ: • Эффективности стратегии нечеткого управления ПЭМС по сравнению с классическим на примере синтеза ПИД регулятора. Анализ показал, что

«жесткость» настройки коэффициентов «смягчается». Это делает систему более робастной, уменьшая негативное, в большинстве своем, влияние различных возмущений и ограничений.

Принципов формирования рациональных траекторий и управляющих алгоритмов планарного основания манипуляционного робота с «условно непрерывной» динамикой на нижнем уровне и «дискретной» логикой принятия решения на верхнем.

Влияния ограничений и некоторых особенностей сетевого взаимодействия микроконтроллеров степеней подвижности манипулятора через микроконтроллер тактического уровня управления.

Некоторых особенностей, проблем и перспектив разработок систем управления для автоматизации сферы быта.

Предложен вариант типовой структуры электромеханического робототехнического комплекса (рис.12). Структура рассматривается как сетевая с особенностями организации информационных коммуникаций в условиях ограничений. Технологическая функциональность (качество сервиса) j - робота, в конечном итоге, определяется функциональными возможностями его степеней подвижности 1, типовая структура которой представлена на рис. 12 в "развернутом" виде, соответствующем рис.7.

Рис.12. Иерархическая структура системы управления робототехническим комплексом

Следует обратить внимание на особенности динамического управления процессами, организации параллельных клиент/серверных коммуникаций, на особенности ввода ситуационной информации и формирования вывода рациональных управляющих решений в условиях ограничений сетевых структур. 6 и 7 это микроконтроллеры "своих" уровней: 6-тактического (микроконтроллер-master, координирующий параллельную работу slave-микроконтроллеров степеней подвижности манипуляционного робота), а 7-стратегического (микроконтроллер-master, координирующий параллельную работу slave-микроконтроллеров тактического уровня). "Взаимоотношения" slave-микроконтроллеров через микроконтроллер-master позволяют использовать ресурсы микроконтроллера "простаивающей" степени подвижности для "оказания помощи" микроконтроллеру, наиболее загруженному в текущем технологическом цикле.

Достижения в автоматизации промышленных отраслей (компании: Siemens, Omron, Heidenham, Schneider, Fagor, Marposs, Reninshaw, Рухсервомотор, КоСПА и др) естественным образом позволяют переходить к использованию элементов автоматизации и в сферу быта человека (компании: Merten, Schneider, Prosoft, Флит, Атанор, Микрос Инжиниринг и др). Современные темпы развития, особенно электронной элементной базы, позволяют утверждать, что "интеллект" создаваемых бытовых устройств и современные коммуникационные возможности линий связи уже в обозримом будущем в корне изменят условия формирования среды обитания человека. В качестве примера на рис. 13 представлен возможный вариант "кухни будущего".

Рис.13 Внешний вид кухни «будущего» Многовариантность технических решений в условиях многофакторности ограничений (в т.ч. и психологических) ставят перед интеллектом разработчика задачу креативного выбора рациональной элементной базы и соответствующих управляющих технологий.

В седьмой главе "Анализ результатов экспериментальных исследований основных управляющих режимов планарной электромеханической системы" представлены результаты экспериментальных исследований основных режимов и параметров ПЭМС, полученные на макете промышленного изготовления базовой модели манипулятора. Экспериментальные данные обработаны с использованием статистических методов оценок. Поскольку законы распределения измеряемых параметров были неизвестными, то проверка их нормальности осуществлялась по критериям согласия, основанным на сравнении выборочной асимметрии и эксцесса с их дисперсиями.

Экспериментальные исследования (рис.14) доказали адекватность исследований на математических моделях в главе 5.

Рис.14.Условные схемы экспериментов

Так, например, они показали, что система на частоте электромеханического резонанса неработоспособна, скорость приемистости, определенная на модели, составляет X „ = 0,077 м/с, а ее экспериментальное значение - X м = 0,078 м/с.

Анализ в заключительной восьмой главе "Особенности интерфейсов в электромеханических и мехатронных системах исполнительного уровня управления" показывает, что важными факторами надежности электромеханических и мехатронных устройств и систем, создаваемых на

основе различного типа электрических машин: планарных шаговых (особой разновидности синхронных машин), асинхронных, коллекторных постоянного тока и т.п., - являются устройства аппаратно-программного интерфейса. Ими обеспечиваются необходимые протоколы обмена между микроконтроллером и управляемым преобразователем энергии, между сенсорными датчиками и микроконтроллером, "общение" одного уровня иерархии с другим. При всех тенденциях к унифицированности управляющих структур, для каждой из них, в зависимости от особенностей объекта управления, характерны индивидуальные тонкости и особенности, которые во многом и определяют качество и надежность функционирования системы в целом. Например, характерной особенностью реализации интерфейса в относительно несложных микроконтроллерных системах управления (например, с асинхронными машинами - АМ или с шаговыми - ШД), является то, что часто используется узкоформатная (8-разрядная) шина данных. Это ограничение в системе управления ставит проблему одновременного получения в реальном времени необходимой точности регулирования по частоте и напряжению. Предложенный вариант аппаратно-программного "смягчения" этого ограничения приведен на рис.15. В устройство сопряжения прямого канала управления входят: буферные регистры адреса и данных (БА и БД), дешифраторы адресов ДША ЗУ и устройств ввода/вывода ДША УВВ и соответственно блоки развязок БРВ, цифроаналоговых преобразователей БЦАП и модуляторов БМ, выходные сигналы которых передаются на ключевые элементы силового преобразователя энергии - ПЧ. Шина данных микроконтроллера типа К1816ВЕ51 - 8-разрядная, что затрудняет получение в реальном времени достаточной точности регулирования по частоте и напряжению. Ограниченность МК по шине данных частично снимается в блоке ЦАП, состоящего из трех каналов. Первые два формируют управляющие синусоиды для фаз А и В, третий регулирует опорное

Рис.15.Структурная блок-схема микропроцессорной системы управления

напряжение первых двух ЦАП. Это позволяет изменять напряжение с дискретностью 1/256 амплитуды, которой для большинства систем

достаточно. В состав БЦАП входит источник опорного напряжения для третьего ЦАП. Синусоидальный сигнал получен аппаратно на операционном усилителе алгебраическим суммированием сигналов фаз А и В. Сигналы, полученные в БЦАП, поступают в блок модулятора БМ, состоящего из трех каналов. Выходные импульсы модулятора через специальные драйверы и ключевые элементы ПЧ поступают к фазам асинхронного электромеханического преобразователя. Изложенный принцип ШИМ управления успешно использован в разработках: МЭИ, ООО "Элфорс" и МГУП Мослифт.

В главе представлены простые эффективные способы измерения скорости с учетом особенностей управления микропроцессорных систем. Пример реализации интерфейса одного из них представлен на рис 16.

Рис. 16.Схема реализации интерфейса Нулевой канал таймера используется в качестве делителя частоты f от датчика скорости. При этом появляется возможность гибкой перестройки таймера на более точный режим измерения в зависимости от величины скорости. Это позволяет расширить диапазон измерений скорости с неизменной погрешностью. Нулевой канал таймера программируется на третий режим работы (генератор меандра), а первый и второй каналы программируются, как в первом способе - на четвертый режим (одиночный программно формируемый строб). Скорость вращения может быть определена согласно выражению

ЪО-кч

В работе приведена возможностью сравнительной величине ошибки измерения. формулы представлены в табл.1.

(19)

аппаратно-программная реализация с оценки способов по быстродействию и Соответствующие расчетные оценочные

Таблица 1

Параметр Первый способ Второй способ Третий способ

Время измерения, с Т = а/кп Т=а№п

Абсолютная погрешность, об/мин Д=к-п2/а-Ь Д = а£,/к-Р Д=к-п2/а£,Р

Относительная погрешность, % 5=кп100/а£, 5=аТо-100/кпР 6=кп100/а-5,Р

где: к - коэффициент датчика скорости;

X - число в счетчике таймера; Но - опорная частота;

коэффициент преобразования минут с секунды; Р- коэффициент деления таймера;

измеряемая частота вращения (в об/мин).

В главе представлен вариант реализации аппаратно-программного интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом испытания БИС (для ВНИИ ЭЛЕКТРОНСГАНДАРТ). Межпроцессорный взаимообмен организован по методу прямого доступа к памяти, а функциональное разделение управляющих функций процессоров позволило уменьшить время дискретности и улучшить качество управления по отношению к однопроцессорному варианту.

В главе приведены результаты анализа особенностей организации управляющих интерфейсов в системах управления ПЧ-АД на полууправляемых ключах. Анализ позволил организовать более рациональное по отношению к прототипу управление системой ПЧ-АД. Технические решения, закрепленные авторскими свидетельствами на изобретения, позволяют создавать более эффективные системы управления технологическими процессами. Например, модернизация системы управления ПЧ-АД высокоскоростного автоматизированного комплекса ФГУП КБ ХИММАШ им.А.М.Исаева позволила примерно в три раза сократить сроки испытаний выпускаемой продукции.

В заключении - выводах диссертации обобщены основные результаты работы. В приложениях приведены справочные материалы, примеры некоторых разработанных программ, технические характеристики ряда интерфейсов и акты об использовании результатов диссертационной работы в отраслях промышленности, сфере быта и в учебном процессе.

Заключение - выводы по диссертации;

1.Разработаны теоретические и методологические основы создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью построения новых и модернизации существующих управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.

2.В качестве базовой модели принята кинематическая модель, состоящая из двух модулей: планарного и линейно-поворотного, установленного по оси, ортогональной плоскости перемещений подвижного основания и проходящей через его центр масс.

Показано, что базовая модель со звеном качания в вертикальной плоскости, при уникальных возможностях планарного основания, способна

обеспечить в наиболее важных рабочих зонах сервис, сопоставимый с возможностями классических роботов "Версатран" и "Юнимейт", имеющих более сложные кинематические схемы.

3.Предложены принципы организации сервисного рабочего пространства. За базовое принято положение манипулятора на подвижном основании, при котором вектор, совпадающий с осью, ортогональной плоскости перемещений основания и проходящей через его центр масс, коллинеарен и противоположен вектору поля гравитации; получены аналитические зависимости, корректирующие управление планарным основанием, если его положение в поле гравитации отличается от базового.

Для уменьшения избыточности рабочей зоны сервиса ее сечения плоскостью параллельной магнитовоздушному зазору подвижного основания манипулятора целесообразно описывать уравнением эллипса и, исходя из этого, определять требуемые параметры манипулятора и подвижного основания.

4.Предложены принципы организации систем отсчета для двух кинематических структур: базовой модели и модели со звеном качания в вертикальной плоскости. Для определения координат степеней подвижности манипуляционного робота и полюса захвата целесообразно использовать однородные координаты, как наиболее применяемые.

Для упрощения анализа взаимовлияния манипулятора на планарное основание вместо объемной кинематической модели предложена плоскостная модель и получены аналитические зависимости, с помощью которых определяются возмущающие воздействия на подвижное основание.

5.Предложена методика выбора рациональной модификации планарного электромеханического модуля для системы управления основания манипулятора по следующим критериям:

• эффективности способов возбуждения электромагнитной системы;

• минимальной тяговой силы;

• максимально-допустимого разворачивающего момента.

6. Показано, что планарный индукторный модуль с возбуждением от постоянных магнитов обладает наибольшей динамической добротностью при минимальном потреблении тока в статическом режиме и минимальных искажениях пространственной статической характеристики тяговой силы.

На основе критерия минимальной тяговой силы установлено, что в диапазоне перемещений измеряемых в долях ширины активной

зубцовой зоны якоря модификация с одной "расщепленной" координатой имеет минимальную тяговую силу и в указанном диапазоне наиболее рациональна по энергетической эффективности.

Установлено, что в диапазоне перемещений X = 0 + 0,35 наибольшим синхронизирующим моментом обладает модификация с якорем, имеющим "лепестковую" форму. В диапазоне наименьший допустимый

разворачивающий момент имеет модификация с "расщепленной" координатой. При перемещениях основания наилучшей

устойчивостью к разворачивающим воздействиям обладает конструкция с двумя разнесенными координатами.

7.Предложены способы управления, устройства их реализующие, модифицированные конструкции ПЭММ и управляющие алгоритмы, обеспечивающие повышение надежности функционирования ПЭМС в условиях действия внешних разворачивающих моментов:

• способ управления с "полной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А.С.№.1474768);

• способ управления с "комбинированной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А. С№-1601732,1833097,1683167);

• способ управления с "частичной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А.С№-1601733);

• способ управления с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором (А.С№-1539953);

• варианты конструкций ПЭММ (А.С.№-1398040,1762372) с повышенной устойчивостью к разворачивающим в горизонтальной плоскости усилиям;

• вариант конструкции ПЭММ (А.С№-1365280), в которой сжатый воздух магнитовоздушной опоры одновременно с созданием необходимого рабочего зазора используется для дополнительного охлаждения, улучшая тепловой режим и "смягчая" требования к пневмосети;

• алгоритм управления динамическими режимами пуска и торможения ПЭМС; система управления реализована путем замыкания обратной связи по ускорению, а управляющую частоту, при питании системы от источника со свойствами источника тока, необходимо изменять в моменты прохождения кривой ускорения через нулевое значение.

8.Разработано математическое описания ПЭМС, реализованное в соответствующих моделях для анализа условий функционирования ПЭМС в качестве подвижного основания манипулятора. Предложено разделять координаты ПЭМС на два линейных шаговых двигателя и управлять каждым из условий синхронно-синфазного движения. Для реализации синхронно-синфазного движения предложены три способа управления:

• изменение амплитуд токов в фазах каждого ЛШД при одинаковых управляющих воздействиях электрической программной координаты движения поля у;

• изменение управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у и неизменных амплитудах токов в фазах;

• одновременное изменение и амплитуд токов в фазах и управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у.

Эффективность раздельного управления подтверждается результатами моделирования, универсальной модульной системой 81 и современными разработками белорусско-германского СП "Рухсервомотор".

9.Разработана методология синтеза ПИД регулятора для нечеткого управления координатой ПЭМС. Показано, что организация управления с комбинированным нечетким ПИД регулятором дает лучшие результаты по

динамике переходного процесса в сравнении с классическим управлением. Кроме этого, «жесткость» настройки коэффициентов системы управления «смягчается», что делает ее более робастной, уменьшая негативное влияние возмущений и ограничений.

Ю.Разработаны принципы координированного иерархичного управления ПЭМС для формирования рациональных траекторий и алгоритмов движения якоря при реализации технологических циклов основания манипуляционного робота для следующих условий: последовательность прохождения технологических узлов произвольна; временные ограничения на посещение узла отсутствуют;

время пребывания в каждом узле регулируемое, но стремится к минимальному;

внешние возмущения, действующие на подвижный якорь, по условию устойчивого движения - допустимы;

сервисное поле индуктора не создает пространственных ограничений якорю.

11.Результаты экспериментальных исследований основных режимов и параметров планарной электромеханической системы получены на макете промышленного изготовления базовой модели манипулятора и обработаны с использованием статистических методов оценок. Экспериментальные исследования показали эффективность системы и доказали адекватность математических моделей при исследовании основных динамических режимов.

12.Предложены способы цифрового измерения скорости; проанализированы особенности их реализаций в управлении электромеханическими системами; получены аналитические и графические зависимости для сравнительной оценки по быстродействию и точности. Тенденции к унификации организации обратных связей в современных цифровых системах управления позволяют рекомендовать предложенные способы для измерения не только скорости, но и других управляемых координат, мгновенное значение которых может быть преобразовано в частоту последовательности импульсов.

13. Показано, что характерной особенностью реализации интерфейса относительно несложных систем является узкоформатная (8-разрядная) шина данных. Предложен вариант "смягчения" ограничения за счет особой организации блока ЦАП, состоящего из трех каналов. Первые два формируют управляющие синусоиды для фаз А и В (для фазы С сигнал формируется аппарата»), а третий канал регулирует опорное напряжение первых двух ЦАП.

Принцип получения синусоидальных ШИМ сигналов успешно опробован при формировании синусоиды с дискретностью по амплитуде, равной 1/256, а по временной координате - с дискретностью 1/48 на периоде 0,02с при скалярном управлении преобразователем частоты в разработке опытного образца системы управления лифта и в системах регулирования водоснабжения зданий.

14.Предложен вариант реализации интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом для испытания

БИС; межпроцессорный взаимооб*

к памяти. Функциональное разделение управляющих функций процессоров позволило уменьшить время дискретности системы и улучшить качество управления технологическим процессом по отношению к однопроцессорному варианту.

15.Модернизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (А.С. №-1707718) обеспечила независимость основного процесса коммутации фазы от коммутации рабочих ключей других фаз. Это позволило ограничить максимально допустимое время подзарядки коммутирующих конденсаторов и исключить дополнительный контур тока, уменьшая потери. Модернизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (А.С.№-15б1180) исключила дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора в течение основного этапа коммутации и накопления энергии в нем не происходит. В результате вышеуказанных решений расширяется диапазон рабочих частот и повышается энергетическая эффективность электромеханических систем.

16. Использованы следующие результаты диссертационной работы:

• методика выбора рациональных модификаций планарных модулей для объектов манипуляционного типа - в разработках белорусско-германского СП "Рухсервомотор" (акт-приложение П9.1);

• способы раздельного синхронно-синфазного управления плечами координаты планарной системы - в разработках универсальной модульной системы S1 и технологических установок зондового контроля печатных плат белорусско-германского СП "Рухсервомотор"(акт-приложение П9.1);

• алгоритм управления динамическими режимами пуска и торможения по сигналам ускорения - в приводе главного движения обрабатывающего центра модели W.402.CNC (центр автоматизированного оборудования и компьютерных технологий, ОАО МЭЛЗ - акт-приложение П9.3); в системе ШУВ 3-НП регулирования скорости электрошпинделя (ООО "Элфорс" - акт-приложение П9.4);

• способ ШИМ управления системы ПЧ-АД - в разработках систем регулирования водоснабжения зданий (000 "Элфорс"- акт-приложение П9.4; ГУЛ ДЕЗ "Соколиная гора", г.Москвы - акт-приложение П9.6); при разработке МГУП "Мослифт" опытного образца системы управления частотно-регулируемого электропривода лифта со скоростью 1,6 м/с и грузоподъемностью 400 кг (акт-приложение П9.5);

• способ измерения скорости на основе интервального таймера - в системе ШУВ 3-НП (000 "Элфорс" - акт-приложение П9.4); в разработке опытного образца системы управления частотно-регулируемого электропривода лифта со скоростью 1,6 м/с и грузоподъемностью 400 кг (МГУП "Мослифт" - акт-приложение П9.5);

• способ экспериментального определения жесткости упругих элементов механизма - в приводе главного движения контрольной машины RTD -detection на линии по производству стеклотары (центр автоматизированного

оборудования и компьютерных технологий, ОАО МЭЛЗ - акт-приложение П9.3);

• модернизация управляющих интерфейсов и алгоритмов системы управления ПЧ-АД - в разработке высокоскоростного автоматизированного комплекса для испытания насосов (ФГУП КБ ХИММАШ им. А.М.Исаева - акт-приложение П9.2).

• методика сравнительного выбора ПЭММ, разработанные математические модели, способы и устройства управления ПЭМС, способы измерения регулируемых координат ЭМС, разработанные интерфейсы и микропроцессорные алгоритмы управления, результаты теоретических и экспериментальных исследований - в учебно-методическом обеспечении курсов, прочитанных автором в МЭИ, читаемых в МГУ сервиса и КИУЭС (акты-приложения - П9.7, П9.8).

Содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1.Мельников Н.В. Электромеханические системы в автоматизации и робототехнике//Монография. - ИИТ МГУ сервиса, 2003, - 320с.

2.Мельников Н.В. Информационные технологии и робототехника -важнейшие факторы автоматизации систем сервиса//4-я Международная конференция "Индустрия сервиса в XXI веке", М.: ИИТ МГУ сервиса,2002, с.19-22.

3.Мельников Н.В. Особенности автоматизации с использованием роботов и вопросы эффективности сервиса манипуляторов на подвижном основании//Мехатроника. 2001 .№-9,с.45-50.

4.Мельников Н.В., Феоктистов ВА Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических систем //Мехатроника, автоматизация, управление. 2002_№-6,с.2-8.

5.Мельников Н.В. Робототехника - важнейший фактор автоматизированного сервиса будущего //Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2002. №-1,с.18-23.

6.Мельников Н.В.Особенности манипуляторов на основе планарного шагового электропривода //Мехатроника.2002.№-3,с.14-17.

7.Мельников Н.В.,Гониашвили Э.С. Принципы построения манипуляторов на основе плоского шагового электродвигателя7/"Труды Моск. энерг. ин-т", 1979, вып.440, с.64-75.

8.Мельников Н.В. Новая элементная база прецизионных роботовУ/Сборник трудов Всесоюзного научного семинара по проблемам робототехники под научным руководством Е.П.Попова."Труды Моск.высш.техн.училища им.НЗ. Баумана", 1983, №-404, с.110-115.

9.Мельников Н.В. Исследование новых многокоординатных систем шагового электропривода для роботов и манипуляторов: Автореферат канд. дисс- М.: МЭИ,1981.-20с.

Ю.Мельников Н.В. Планарный электромеханический модуль как элемент организации сервисного пространства.//З-я Международная научно-практическая конференция: "Современные средства управления бытовой техникой", - МГУС, 2001, с.15-16.

П.Ивоботенко Б.А., Мельников Н.В. Вопросы проектирования электропривода подвижного основания манипулятора. - Труды МЭИ, 1981, вып.2, с. 3-12.

П.Мельников Н.В., Феоктистов В.А., Толстенко А.Н. Автоматизация и стратегия нечеткого управления планарных электромеханических систем//Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сб.трудов, МГУ сервиса, 2002,с. 185-188.

13.Мельников Н.В.Элементы механики и особенности манипуляторов на основе планарного электромеханического модуля //Вестник МЭИ, 2002, №-1, с.32-35.

14.Мельников Н.В. Особенности выбора планарного электромеханического преобразователя энергии для робототехнических устройств/ЯТрименение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сб.трудов, МГУ сервиса, 2002,с. 146-157.

15.Мельников Н.В., Мелкумов Г.А. Выбор оптимальной модификации плоского шагового электродвигателя и расчет ее основных параметров. Деп. рук. в Информэлектро № 2-д/81,6с.

16.Мельников Н.В. Сравнительный анализ анализ устойчивости подвижных оснований манипулятора, выполненных на основе двухкоординатного шагового электропривода. Деп. рук. в Информэлектро № 1-д/81,7с. П.Мельников Н.В. Исследование линейного двухкоординатного шагового электропривода подвижного основания манипулятора. Всесоюзный симпозиум по автоматизированному линейному и магнито-гидродинамическому электроприводу. Секция "Линейный электропривод", Таллин, 1981,с.24-25.

18.Мельников Н.В.Влияние сервисных воздействий манипулятора на аэростатическую опору планарного электромеханического модуля//Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сб.трудов, МГУ сервиса,2002,с.134-145.

19.Мельников Н.В., Толстенко А.Н. Концепция автоматизированного выбора оптимальной конструкции планарной электромеханической системы//Сборник научных трудов 3-й Международной конференции "Индустрия сервиса в XXI веке", секция "Современная бытовая техника, управляющие системы и телекоммуникации" (Сопредседатели: Н.В.Мельников, А.В.Максимов). - М.,МГУ сервиса, 2001., с.33-34.

20.Мельников Н.В. А.С. №-1474768 СССР МКИ Н02Р8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем // Открытия. Изобретения. 1989.-№-15.

21.Мельников Н.В. А.С. №-1601732 СССР МКИ Н02Р8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем // Открытия.

Изобретения. 199О.-№-39.

22.Мельников Н.В. А.С. №-1833097 СССР МКИ Н02Р8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем // Открытия. Изобретения. 1991 .-№-17.

23.Мельников Н.В. А.С. №-1601733 СССР МКИ Н02Р8/00. - Планарный шаговый электропривод// Открытия. Изобретения. 1990.- №-39.

24.Мельников Н.В. А.С. №-1539953 СССР МКИ Н02Р8/00. - Способ управления планарным шаговым электродвигателем на воздушной опоре.// Открытия. Изобретения. 1990.-№-4.

25.Мельников Н.В. А.С. №-1398040 СССР МКИ Н02Р8/00. -Двухкоординатный шаговый электродвигатель. // Открытия. Изобретения. 1988.-№-19.

26.Мельников Н.В. А.С. №-1762372 СССР МКИ Н02Р8/00. -Двухкоординатный шаговый электродвигатель. // Открытия. Изобретения. 1992.-№-34.

27.Мельников Н.В. А.С. №-1365280 СССР МКИ Н02Р8/00. - Планарный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988.- №-1.

28.Мелыгаков Н.В. А.С№-1683167 СССР МКИ Н0Р8/00 - Планарный шаговый электропривод.// Открытия. Изобретения. 1989.- №-37.

29.Мельников Н.В., Игнатенко А.В.Планарные электромеханические системы: автоматизация, устойчивость и математические модели//Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сб.трудов, МГУ сервиса, 2002,с. 174-184.

30.Мельников Н.В., Енин Д.Н. Управление пленарной электромеханической системой с частичной фиксацией//Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука - индустрия сервиса" - М..МГУ сервиса, 2002 г.,с.29-32.

31.Мельников Н.В., Игнатенко А.В. Управление планарной электромеханической системой в условиях возмущений и неидеальности аэростатической опоры/Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука - индустрия сервиса" - М.,МГУ сервиса, 2002 г.,с.33-35.

32.Мельников Н.В. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Диагностика и эксплуатация микропроцессорных систем"// Учебное пособие, М.,МГУ сервиса,2000,96с..

33.Мельников Н.В. Математическая модель и способы • управления электромеханической системой с планарным модулем/Материалы 3-й Международной конференции "Современные средства управления бытовой техникой" - М.:МГУ сервиса, 2001, с.19-20.

34.Мельников Н.В., Жигарев СВ. Математическая модель планарной электромеханической системы //Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сб.трудов, МГУ сервиса, 2002,с.166-173.

35. Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Проблемы ограничений в управлении/Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука - индустрия сервиса" - М.,МГУ сервиса, 2002 г.,с.26-28.

36.Мельников Н.В.,Верединский С.А.,Тихомиров Е.ЮПроблемы удаленного управления планарной электромеханической системой//Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука - индустрия сервиса" - М.,МГУ сервиса, 2002 г.,с.117-123.

37.Мельников Н.В.,Верединский С.А.,Тихомиров Е.Ю. Анализ проблем "интеллектуального дома" на примере разработки элементов программного сетевого управления планарной электромеханической системой//Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сблрудов, МГУ сервиса,2002,с.158-165.

38.Мельников Н.В. Электропривод устройств бытовой техники//Вестник МЭИ, 2000, №-2, с.104-107.

39.Мельников Н.В., Удалова Н.Е. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Технические средства микропроцессорных систем'7/Учебное пособие, М.,МГУ сервисаД999,60с.

40.Мельников Н.В., Беляев А.В. Особенности разработки микропроцессорной системы регулирования частотного асинхронного электропривода//Вестник МЭИ, 1995, №-2, с.63-66.

41.Мельников Н.В. Электроприводы в бытовой технике //Приводная техника, 1999, №-2, с.7-11.

42.Мельников Н.В., Пушманн Т., Лезер С. Способы измерения скорости в микропроцессорной системе электропривода //Вестник МЭИ, 1994, №-2, с.25-26.

43.Мельников Н.В. Электроприводы устройств бытовой техники. Проблемы и перспективы//Труды Ш Международной (XIV-Всероссийской) научно-технич.конф. по автоматизиров. электроприводу. Н.Новгород, сент.2001,2с.

44.Мельников Н.В. Методические указания "Измерение скорости в микропроцессорной системе электропривода" по курсам "Программирование МПС" и "Системы управления электроприводов"//Изд-во МЭИ,1995,17с.

45.Мельников Н.В. А.С. №-823929 СССР МКИ О 01 М 5/00. - Способ определения жесткости упругих элементов исполнительного механизма.// Открытия. Изобретения.1981.-№15.

46.Кудрявцев А.В.,Мельников Н.В. ^Никольский А.А. А.С. №-1561180 СССР МКИ Н 02 М 7/515. - Трехфазный автономный инвертор напряжения.// Открытия. Изобретения. 1990.-№-16.

47.Кирюхин В.М., Кудрявцев А.В.,Мельников Н.В.,Никольский А.А.

А.С№-1707718 СССР МКИ Н 02 М 7/515. -Автономный инвертор напряженияУ/Открытия. Изобретения. 1992.-№-3.

48.Мельников Н.В.,Лезер С. Особенности разработки микропроцессорной системы управления//1-я Межд.конфло электромеханике и электротехнологии, г.Суздаль, 1994, с.97-98.

49.Кудрявцев А.В.,Мельников Н.В.,Никольский А.А.,Щукин Г.А.

Синхронная ШИМ в высокоскоростном электроприводе// Всесоюзная научно-техн. конференция, Суздаль, 1991, с.113-114.

50.Мельников Н.В. Шаговый электропривод в сборочно роботизированном

комплексе автоматической линии// Всесоюзное совещание по робототехн. системам, Воронеж, 1984, с.117-118.

51.Мельников Н.В. Проблемы и принципы тестирования микропроцессорных систем //2-я Межд. научно-практ. конференция, МГУ сервиса, 1999 ,с.57-58.

52.Мельников Н.В. Эмуляция микропроцессорных систем бытовых устройств//5-я Межд. Научно-технич.конференция,

МГУ сервиса, 2000, с.101-104.

53.Мельников Н.В. Логический анализ как одно из средств отладки микропроцессорных систем//5-я Межд. Научно-технич.Конференция, МГУ сервиса, 2000, с. 104-106.

54.Мельников Н.В. Модели диагностирования элементов бытовых устройств.//5-я Межд. Научно-технич.конференция, МГУ сервиса, 2000, с.106-109.

55.Мельников Н.В., Мартынов С.А. Проблемы диагностирования электромеханической системы ведущего вала видеомагнитофона//3-я Межд.Научно-практ. конференция "Современные средства управления бытовой техникой", МГУ сервиса, 2001, с.70-71.

56.Мельников Н.В. Робототехника - важнейший фактор автоматизации систем будущего//1У-я Межд. Науч.-техн. конференция "Современные средства управления бытовой техникой", МГУ сервиса,2002,с.З-14.

57.Мельников Н.В. Информационные технологии в системах автоматизации//8-я Международная научно - практическая конференция "Наука - сервису", М.: ИИТ, апр. 2003, с.69-72.

58.Электротехнический справочник "Использование электрической энергии//Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. редА.И.Попов), т.4, 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ,2002.- 696с.

59.Мельников Н.В., Феоктистов ВА Проблемы ограничений в управлении системами сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2002, №-4(5),с.26-33.

60.Мельников Н.В. Элементы микропроцессорных систем бытовых устройств. Технические средства и методы отладки//Учебное пособие. - ИИТ МГУ сервиса,2002,104с.

61.Мельников Н.В. Автоматизация, информатизация и сервис //Сборник научных трудов 3-й Международной конференции "Индустрия сервиса в XXI веке", секция "Современная бытовая техника, управляющие системы и телекоммуникации" (Сопредседатели: НБ.Мельников, А.В.Максимов). -М.,МГУ сервиса, 2001., с. 19-20.

62.Мельников Н.В.,ЕНИН Д.Н. Перспективы и проблемы использования CAN интерфейса в технических системах //Сборник научных трудов 3-й Международной конференции "Индустрия сервиса в XXI веке", секция "Современная бытовая техника, управляющие системы и телекоммуникации". (Сопредседатели: Н.В.Мельников, А.В.Максимов) - М., МГУ сервиса, 2001..С.25-28.

63Жельников Н.В. Информационные технологии в системах автоматизации и робототехнике/ТМехатроника. 2003 №-8, с.52-54.

64.Мельников Н.В., Смирнов А.В. Компактность и технологичность - новые составляющие нашей жизни//Материалы У-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.81-86.

65.Мельников Н.В., Верединский С.А., Тихомиров Е.Ю. Актуальность, проблемы и особенности создания электронного интеллектуального дома//Материалы У-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.211-216.

66.Мельников Н.В., Илларионов Д.Н. Анализ проблем и особенностей разработки бытовых информационных систем управления//Материалы У-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.218-221.

67.Мельников Н.В., Феоктистов В.А., Жанаки С. Разработка алгоритмов формирования оптимальных траекторий планарной электромеханической системы в условиях иерархичности управления//Материалы У-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.229-233.

68.Мельников Н.В., Чевгун С.Н. Разработка и анализ математической модели планарной системы робототехнического комплекса//Материалы У-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.268-273.

69.Мельников Н.В., Сафонов Ю.М. Электропривод роботов//Под ред. БА.Ивоботенко. "Электропривод и автоматизация промышленных установок" (Итоги науки и техники), ВИНИТИ, М.,1983,т.8,80 с.

70.Мельников Н.В. Информационные технологии и робототехника -важнейшие факторы автоматизации систем сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2003, №-3(8),с.9-13.

Мельников Николай Викторович

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И МЕХАТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА В СИСТЕМАХ УПРАВЛНИЯ ДЛЯ РОБОТИЗИРОВАННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Отпечатано с оригинала-макета автора

Лицензия ИД №04205 от 06.03.2001 г.

Сдано в производство 24.06.2004 Тираж 100

Объем 2,0 пл. Формат 60x84/16 Изд_№115 Заказ 115

Московский государственный университет сервиса 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, 99

©МГУС,2004

#1978?

РНБ Русский фонд

2005-4 17282

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.Робототехника автоматизированного сервиса отраслей промышленности и сферы быта

1.1.Проблемы автоматизации. Анализ рабочих зон сервиса.

1.2.Кинематика манипуляторов.

1.3.Функциональные возможности.

1.^Формирование сервисного пространства.

1,5.Энсргетическая эффективность.

1 .б.Структуры систем управления робототехническими комплексами и установками на основе ПЭМС.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2.Элементы механики и особенности расчета возмущающих воздействий в системе управления планарным основанием манипулятора

2.1.Системы координат.

2.2.Возмущающие воздействия на основание манипулятора.

2.3.Оценочный расчет возмущающих воздействий.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3.Концепция выбора рациональной модификации исполнительного модуля планарной системы управления

3.1.Определение основных параметров ПЭММ.

3.2.Выбор ПЭММ по способам возбуждения электромагнитной системы.

3.3.Выбор ПЭММ по критерию минимальной тяговой силы.

3.4.Выбор ПЭММ по критерию максимально-допустимого разворачивающего момента.

3.5.Влияние сервисных воздействий манипулятора на магнитовоздушиую опору планариого электромеханического модуля.'.

3.6.Алгоритм выбора планарного ЭМП системы управления основания манипулятора. Выводы по главе

ГЛАВА 4.Способы управления и устройства для повышения надежности планарных электромеханических систем

4.1.Способ управления и устройства с полной фиксацией якоря

ПЭМС.

4.2.Способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря

ПЭМС.

4.3.Способ управления и устройство с частичной фиксацией якоря ПЭМС.

4.4.Способ управления ПЭМС с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором.

4.5.Вариаиты конструкций ПЭММ с повышенной надежностью к продавливанию магнитовоздушной опоры.

4.6.Планарная система управления с использованием датчиков ускорения.

Выводы по главе.

ГЛАВА 5.Математические модели и исследование основных управляющих режимов планарной электромеханической системы

5.1.Математическое описание планарной системы управления основания манипулятора.

5.2.Исследование планарной ЭМС управления в условиях возмущений манипулятора.

5.3.Обобщенные математические модели ПЭМС с особым представлением управляющей программной координаты движения поля.

5.3.1 .Проверка адекватности полиномов и оценка значимости коэффициентов регрессий.

5.4.Математическая модель ПЭМС в реальных координатах.

Выводы по главе.

ГЛАВА 6. Современные методы исследований и особенности развития управляющих структур электромеханических и мехатронных систем

6.1.Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических и мехатронных систем.

6.1.1.Параметрический синтез ПИД регулятора.

6.1.2.Алгоритм генерирования управляющих правил.

6.1.3.Установка весового параметра а.

6.1.4.Логический вывод управляющего воздействия.

6.1.5.Упрощение управляющих правил.'.

6.1.6.Моделирование нечеткого алгоритма управления.

6.2.Принципы формирования оптимальных траекторий и алгоритмов управления планарной электромеханической системой.

6.2.1.Проблемы координирования управления ПЭМС.

6.2.2.Комбинированное управление ГДС.

6.2.3.Использование метода «ветвей и границ».

6.2.4. Метод разреженной «прямой коллокации».

6.2.5.Пример оптимизации технологических маршрутов.

6.3.Проблемы ограничений и некоторые особенности сетевого управления.

6.3.1 .Робототехнический комплекс - сетевая структура исполнительного уровня управления.

6.3.1.1. AS - интерфейс.

6.3.1.2. CAN - интерфейс.

6.3.1.3.0собепности управления в робототехническом комплексе.

6.3.1.4.0собенности управления в сфере быта.

Выводы по главе.

ГЛАВА 7. Анализ результатов экспериментальных исследований основных управляющих режимов планарной электромеханической системы

7.1.Макет базовой модели манипулятора и схемы экспериментальных исследований.

7.2.Статистическая оценка результатов экспериментов.

7.3.Анализ качества динамических процессов и оценка адекватности математической модели ПЭМС.

Выводы по главе

ГЛАВА 8. Особенности интерфейсов в электромеханических и мехатронных системах исполнительного уровня управления

8.1.Примеры способов цифрового измерения скорости и особенности их реализации в управлении ЭМС.

8.1.1.Способы цифрового измерения скорости.

8.1.2.Программно-аппаратные особенности организации интерфейсов для измерений скорости в системах управления.

8.1.3.Особенности интерфейсов цифро-аналогового преобразования.

8.2.0собенности организации интерфейсов при реализации управления ЭМС с асинхронной машиной.

8.2.1. О современных тенденциях в управлении асинхронными ЭМС.

8.2.2.Особенности организации интерфейсов в системах управления ПЧ-АД на полностью управляемых ключах.

8.2.3.Особенности интерфейсов в системе управления стенда для испытания насосов.

8.2.4.Особенности организации интерфейсов в двухпроцессорной электромеханической системе управления для высокоскоростных технологий.

Выводы по главе.

Стремление человека к эффективности и комфортности труда - естественно. Для удовлетворения этих потребностей человек постоянно разрабатывает и создает различные элементы, устройства и системы управления, используя их для автоматизации, прежде всего, монотонного, физически тяжелого и опасного труда во многих сферах деятельности. Многообразие сфер нашей жизнедеятельности, многообразие технологических процессов, эффективная реализация которых требует • их автоматизации, бесконечно. Основой автоматизации любого технологического процесса являются эффективные объектно-ориентированные системы управления и устройства. Качество реализации технологического процесса во многом и предопределяется именно качеством функционирования создаваемых устройств и систем управления.

В широком классе элементов производственной технологической автоматизации особое место занимают устройства и системы управления для роботизированных технологических процессов, автоматизация которых предъявляет к системам специфические требования и создает им особые условия функционирования. "Поле" роботизации технологических процессов расширяется не только в промышленных отраслях, но и в сфере быта, реализация автоматизации которой, наряду с решением чисто технических задач, требует учета психологических "взаимоотношений" "умных" технических устройств и человека, часто не обладающего необходимым уровнем информационно-технической грамотности.

В настоящее время, по крайней мере, в высокоразвитых странах для решения задачи удовлетворения потребностей человека в производственной эффективности и бытовой комфортности значительное внимание уделяется развитию робототехники - одной из самых высокоинтеллектуальных областей человеческих знаний и достижений. Практическая реализация роботизированной автоматизации должна быть эффективной, чего нельзя обеспечить без соответствующей современной элементной базы и создания на ее основе управляемых устройств и систем, реализующих новые технологии для улучшения элементной базы вновь.

Несомненно, важным фактором реализуемости таких устройств и систем управления является электроника, потому что именно электроника является основой компьютеров, современной интеллектуальной техники, телекоммуникационных систем связи и безопасности, именно электроника является глубинной основой интеллекта управляющих систем различного назначения [48,177]. Успешно осваиваемые человеком высокоэффективные "наносекундпые технологии" позволили создавать удивительные микрочипы, содержащие миллионы транзисторов внутри кристалла. Например, корпорация Intel уже создает микрочипы для Pentiuma - 4 с разрешением в 0,13 мкм, а ее постоянный конкурент - корпорация AMD недавно представила прототип своего тера-герцового КМОП-транзистора, затвор которого имеет длину 15 нм, в результате чего он способен выполнять 3,33 триллиона переключений за секунду. К концу текущего десятилетия AMD обещает переход на технологию производства процессоров с разрешением в 0,03 мкм. Динамика происходящих процессов и современные тенденции развития иллюстрируются на рис.В.1, опубликованном Е.И.Юревичсм и В.А.Лопотой в журнале "Мехатроника, автоматизация, управление", №-7 за 2002 год [49].

Тенденция очевидна, fcm более, что физиками активно проводятся исследовательские работы уже и по созданию квантовых компьютеров, практическая реализация которых, наряду с возникающими проблемами по решению вопросов обеспечения надежности и безопасности управления, электромагнитной совместимости и помехозащищенности устройств и систем, несомненно, откроет широкие возможности создания систем управления с принципиально иным решением организации информационно-управляющей части системы.

Рис.В.1.Динамика и тенденции развития элементной базы для создания систем управления

Все эти факторы кардинальным образом изменяет возможности человека при синтезе современных систем управления различного назначения: от простейших управляющих систем включения лампочек освещения, робототехнических устройств и комплексов в отраслях промышленности и сфере быта, сложнейших высокотехнологичных кластерных вычислительных систем и до орбитальных космических станций, доставивших более 30 лет назад на Луну мобильный робототехнический комплекс "Луноход". В настоящее время на Марс доставлен еще более совершенный робототехнический комплекс "Spirit" со спецификой локально-сетевого взаимодействия в реальном времени систем различного функционального назначения и особенностями удаленного управления ими с целью успешной автоматизированной реализации намеченных "технологических процессов" в условиях существенной неопределенности и множества ограничений.

Эволюция основных этапов и тенденций миниатюризации разрабатываемых элементов в робототехнике и автоматике, приведенная в [49], представлена на рис.В.2.

I механика электромеханика (механика + электротехника) мехатроника (электромеханика + электроника) мкм) 10' микромехатроника микромеханика + микроэлектроника) наномехатроника наномеханнка + наноэлектроника) технологии механического производства технологии механического, электротехнического и электронного производств критические технологии микросистемной техники и создания соответствующих материалов

Рис.В.2. Этапы развития общей тенденции миниатюризации технических устройств, применительно к робототехнике и автоматике: сверху Б-образных эволюционных кривых приведены названия этапов, а снизу - примеры соответствующих типов роботов

Для иллюстрации количественных тенденций на рис.В.З приведена гистограмма развития робототехнических устройств и систем примерно за последние 30 лет.

300000

250000 щ 200000 о 5 о о а о

Й 150000 tu х X с о

100000

50000

1972 01978

2000

Япония США 3^Европа Другие

Страны по годам; 1972; 197В; 2000

Рис.В.З. Примерная ретроспектива количественных тенденций в развитии робототехнических устройств и систем

Бесспорным лидером в этой интеллектуальной гонке ведущих стран является Япония. Так в \972 году подобных устройств и систем там насчитывалось примерно 1500 экземпляров, в 1978 году - уже около 7000, а к 2000 году их число возросло примерно до 284000. Япония превосходит в данном направлении и США и ведущие страны Западной Европы.

Следует заметить, что по "дореформенным планам рубежа 1985 года" |]50| страны Совета Экономической Взаимопомощи - СЭВ должны были выйти в количественном отношении на уровень производства робототехнических устройств и систем Японии, однако, в основном, в связи с развалом СССР этого fie произошло.

Тем не менее, следует отметить, что большой вклад в развитие теоретических и практических основ робототехнической отрасли и ее элементной базы со спецификой исследований и особенностями построения эффективных систем управления данного направления принадлежит многим ученым. Вот некоторые из них: Е.П.Попов, И.М.Макаров, К.В.Фролов, И.И.Лртоболевский, Д.А.Поспелов, П.Н.Беляиин, Д.Е.Охоцимский, Ф.Л.Черноусько, Ф.М.Кулаков, В.М.Лохин, В.С.Кулешов, Н.А.Лакота, Е.И.Юревич, В.А.Лопота, А.С.Ющенко, Б.А.Ивоботенко, Г.В.Коренев, А.И.Корендясев, А.Е.Кобринский, П.Д.Крутько, В.В.Макаров, В.С.Медведев, М.П.Романов, Ю.В.Подураев, А.В.Тимофеев, А.Н.Тимофеев, В.С.Ястребов - [1-5-28,30-5-35,37,39-43,56,58,67*71, 115,145] и другие.

Методы создания систем управления для роботизированной автоматизации своей универсальностью и многоцелевым назначением принципиально отличаются от методов построения традиционных автоматических систем. Роботизация технологических процессов базируется на создании, прежде всего, гибко управляемых многофункциональных технологических комплексов - совокупности взаимосвязанных устройств и систем управления реального времени, качественное функционирование которых требует учета многочисленных особенностей объекта регулирования в условиях ограничений внешней среды. Каждому типу события, согласно [41], должно быть поставлено соответствующее ситуационное управляющее решение. Упрощенная иллюстрация такого подхода и обобщенная структура современной системы управления приведены соответственно на рис.В.4 и рис.В.5 согласно [21].

Характерной особенностью интеллектуальной системы является реализация механизмов хранения и обработки знаний с целью выполнения "функциональных обязанностей" в условиях не строгой технологической детерминированности внешней среды. Для роботизированных систем управления эти факторы особенно значимы. Учитывая вышеотмеченные особенности, важными техническими задачами, возникающими при создании, особенно мобильных робототехнических систем, является повышение требований, прежде всего, к надежности и гибкости управления. В свою очередь решение этой задачи жестко связано с используемой элементной базой.

Основой большинства реализаций современных роботов, особенно на исполнительном уровне, являются управляемые электромеханические системы (ЭМС). Современные ЭМС, с позиций идеологии управления, представляют собой многоуровневые иерархии. Для получения высококачественного управления требуется использование современных управляющих технологий, к которым, согласно [2,21,22], можно отнести:

• методы и средства управления на основе создания экспертных систем [23,24;27,34,35];

• методы и средства нечеткого управления [25,26,36,37,38,115];

Рис.В.4.Иллюстрация ситуационного подхода к организации управления

Рис.В.5.Обобщенная структура системы интеллектуального управления

• методы и средства нейросетевого управления [27,28,29,40];

• методы и средства с использованием в управлении особенностей организации ассоциативной памяти [30,31,32,33].

На рис.В.6 и рис.В.7, согласно [23], представлены: обобщенная схема и структура экспертной системы (ЭС) управления.

Рис.В.6.Обобщенная схема экспертной системы управления

Рис.В.7.Структура экспертной системы Для эффективного решения технологических задач структурные элементы ЭС, согласно [23], должны выполнять следующие функции:

• представление знаний по конкретному объекту управления (для реализации этих функций используется механизм, называемый базой данных - БД);

• представление знаний в конкретной предметной области и управление ими (для реализации этих функций используется механизм, называемый базой знаний - БЗ);

• осуществление логического вывода на основании знаний, имеющихся в БЗ (этот механизм называется механизмом логических выводов - МЛВ);

• пользовательский интерфейс для правильной передачи ответов пользователю;

• получение знаний от эксперта, поддержка БЗ и дополнение ее при необходимости (механизм, реализующий эти функции, называется модулем приобретения знаний);

• вывод заключений, представление различных комментариев, прилагаемых к этим заключениям, и объяснение их мотивов (такой механизм называется модулем советов и объяснений).

Все большее распространение находят системы управления, основанные на технологии нейронных сетей, поскольку весьма важно свойство их "обучаемости" в условиях нестабильности технологических условий и параметров. Пример структуры нейросетевого управления приведен, согласно [29], па рис.В.8.

14

Рис.В.8.Структурная схема системы нейросетевого управления

Многослойная нейронная сеть прямого распространения (МНСПР) осуществляет нелинейное преобразование входного пространства в выходное, которое можно описать как задачу классификации вектора входного пространства. МНСПР включается в прямую цепь передачи задающего воздействия g(t) и используется для построения на ее основе регулятора, на вход которого подается сигнал ошибки e(t) и его производные S', количество которых определяется размерностью дифференциального уравнения, описывающего объект. Чаще всего МНСПР настраивается так, чтобы обеспечить оптимальный по быстродействию закон управления u(t) в условиях возмущений m(t), действующих на объект управления.

Несомненный интерес представляет разработка регуляторов, сочетающих достоинства технологий экспертных систем и нейросетевых структур. В качестве примера на рис.В.9. приведена, согласно [27], структура системы автоматического управления с "умным" экспертным регулятором (ЭР) и идентификатором на нейросетевых структурах (НС).

Рис.В.9.Структура системы управления с "умным" экспертным регулятором и идентификатором на нейросетевых структурах Синтез, основанный на симбиозе используемых в структуре технологий, открывает методологические основы построения "умных" обучающихся систем, обладающих высоким быстродействием и обеспечивающих направленный поиск оптимальных параметров, их сочетаний и флуктуаций, рациональных законов управления в условиях нестабильности и неполноты информации.

Получившая широкое распространение в вычислительной технике технология ассоциативной памяти (АП - это устройство хранения информации, которое позволяет восстанавливать ее на основе ассоциации, т.е. по заданному сочетанию признаков, свойственных искомой информации [31]), расширяет свое значение и в системах управления, поскольку она, наряду с простотой программно-аппаратной реализации, позволяет на основе ассоциативных связей проводить классификацию состояния системы на качественном уровне и формировать эффективное управление. В рамках этой технологии могут быть реализованы все уровни иерархического информационного управления. На рис.В.Ю., в качестве примера, приведена, согласно [30], блок-схема системы управления с контуром подстройки регулятора на базе ассоциативной памяти.

Рис.ВЛО.Блок-схема системы управления, построенная с использованием технологии АП

На вход рецепторной системы поступает вектор состояния объекта х3(1). Учет внешних возмущений происходит на этапе их оперативной идентификации АП, которая расценивает возмущения как изменение динамических характеристик объекта управления. Блок оценки качества управления реализует режим самообучение АП и формирует сигнал разрешения записи в АП. В процессе управления АП классифицирует входные векторы и формирует параметры регулятора.

Вышеприведенные примеры структур интеллектуальных систем управления требуют весьма полных и точных знаний об объекте, который может быть весьма строго описан математически лишь с какой-то доступной и достоверной точностью. Однако, в реальной действительности, особенно при управлении сложными динамическими объектами, достичь этого в полной мере удается далеко не всегда. Более того, весьма часто нет разумной необходимости проводить (особенно для систем реального времени!) "уже очевидные результаты расчета до конца", когда тенденция изменений управляющего воздействия ясна. В таких случаях "на помощь приходит" теория нечетких множеств, с помощью которой возможно формирование моделей объектов, технологических процессов на качественном понятийном уровне. Принцип несовместимости, выдвинутый Л.Заде [36], о том, что сложность системы и точность, с которой ее можно анализировать традиционными математическими методами, в первом приближении обратно пропорциональны. Кроме этого, следует согласиться с авторами [25] в том, что применение классических методов для управления сложными динамическими объектами существенно ограничивается трудностями формирования единого критерия, охватывающего различные, а в некоторых случаях и противоречащие друг другу требования, например, необходимо одновременно повышать быстродействие системы и минимизировать ее энергетические затраты. Более того, часто условия автономного функционирования систем специального назначения характеризуются априорной неопределенностью и непредсказуемостью изменений рабочей обстановки. В таких случаях логико-лингвистические модели, полученные в результате описаний в терминах теории нечетких множеств, являются конструктивной основой для разработки алгоритмов и систем управления динамических объектов, функционирующих в условиях неполной информации.

Формализация понятия нечеткого множества базируется на использовании так называемой функции принадлежности [36], принимающей значения в интервале [0,1]: А=(|.1а(х),х), хеХ, |1д(х)е[0,1], - где: А - определяемое нечеткое множество; X - исходная базовая шкала; рл(х)- функция принадлежности.

Важнейшими логическими операциями, из числа разрешенных над нечеткими множествами, является пересечение, объединение и дополнение (отрицание). Их графическая интерпретация представлена на рис.В.12.

Рис.В.12. Основные логические операции над нечеткими множествами (а-пересечение; бобъединение; в-дополнение)

В качестве примера на рис.В.13 приведена, согласно [25], структура модели нечетких вычислений при решении задач управления.

Вектор

Рис.В. 13.Структура модели нечетких вычислений Эффективность применения таких моделей, во многом определяется и личным опытом эксперта, зависит от количества термов, используемых лингвистических переменных и вида функций принадлежности. Считается[25], что для большинства практических случаев лингвистические переменные должны обладать базовым терм-множеством, состоящим не более чем из 10 элементов.

Пример структуры системы управления с нечетким ПИД регулятором приведен на рис.В.14 согласно [39].

Блоклоги

Фаззифи-катор ческого вывода

Дефаззи-фикатор гНЬтЬг.^ мм

МАХ

МАХ | М1Ы мах к\г,х

Объект управления

Рис.В.14.Структура системы управления с нечетким ПИД регулятором

Вышеприведенный анализ показывает, что для построения эффективных управляющих систем требуются соответствующие методы, основанные на современных технологиях и технических средствах, требуется разработка адекватных математических моделей, способных эффективно работать одновременно с различными типами переменных в условиях учета особенностей ограничений и неопределенностей. Однако, следует иметь в виду, что при всей значимости иерархических информационных уровней систем управления, при всей красивости, гладкости, "умозрительной" правильности и возможной "паттерности" решений на "высших" уровнях, наиболее важным является нижний (исполнительный) уровень, поскольку на нем весьма часто разработчика, наладчика и эксплуатационщика подстерегают трудно формализуемые "овраги неожиданности" и никакие "сверхумные" алгоритмы верхних уровней не смогут заставить выполнять целеуказательные команды, если их физическая реализация на силовом энергетическом уровне невозможна.

Именно поэтому основное внимание в данной работе уделяется исследованиям свойств исполнительных мехатронных (электромеханика + электроника [49]) управляющих систем и устройств. При анализе возможностей и синтезе исполнительных систем управления с необходимыми техническими показателями доминантное место занимают вопросы обеспечения устойчивости, поскольку именно это, прежде всего, обеспечивает надежность роботизированных устройств, особенно в условиях автономного функционирования и неопределенностей внешней среды. Если не обеспечено данное эксплуатационное свойство системы, то нет смысла анализировать иные технические показатели. Поэтому значительное внимание в работе также уделяется исследованию особенностей аппаратно-программных интерфейсов микропроцессорных систем управления, поскольку они существенно влияют на надежность и эксплуатационно-наладочные свойства создаваемых систем.

Весьма перспективными объектами для использования в системах управления роботизированной автоматизации оказались электромеханические модули без кинематических преобразователей вида движения, в разработке которых па рубеже конца 70-х и первой половины 80-х годов прошлого столетия СССР занимал ведущее положение, о чем свидетельствовали разработки и перспективные планы развития этого направления в России (Московский энергетический институт - МЭИ, з-д Машиноаппарат, г.Москва), в Белоруссии (НПО "Планар" в лице конструкторского бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ, г.Минск), в Латвии (з-д "Эллар", г.Рига). Еще в конце 70-х годов XX века профессором Ивоботенко Б.А. (МЭИ) была предложена концепция организации сервиса рабочего пространства посредством использования таких модулей. Концепция была ориентирована, прежде всего, на создание элементов и систем управления для гибких автоматизированных производств (ГАП) с одновременным преодолением "узких мест", обусловленных использованием в традиционной "классической" робототехнике сложных в кинематическом отношении манипуляторов антропоморфного типа. Однако, в связи с затянувшимся временем дезиитеграционных реформ в России развитие данного направления замедлилось, например, по отношению к образованному в 1992 году белорусско-германскому научно - производственному совместному предприятию СП "Рухсервомотор" (см.сайт:Ьир://\уут. gis.minsk.by/-f50]).

Вместе с тем, современные мировые тенденции совершенствования высоких технологий, особенно электроники - ключевом звене развития управляющих технологий, позволили ведущим корпорациям (Motorola, Siemens, ST Microelectronics, International Rectifier и др.) создать интеллектуальные элементы-модули, что кардинально изменило и технологические возможности создания систем управления силовых преобразователей и их эксплуатационные свойства. Все это позволяет переходить к созданию электромеханических модулей со встроенными электронными вычислительными устройствами (такие модули принято называть мехатронными) и синтезу на их основе мехатронных систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов. В сочетании с активным развитием управляющих сетевых технологий и уникальными возможностями таких модулей, эти тенденции выдвигают данную проблематику вновь в разряд актуальных, но на новом витке диалектического развития, поскольку открываются широкие возможности реализации ранее сформулированных подходов по формированию управляемых систем для более рациональной организации инфраструктуры сервисного технологического пространства в отраслях промышленности и в сфере быта.

Целью диссертационной работы является:

• разработка теоретических и методологических основ создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью построения новых и модернизации существующих управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.

Для достижения вышеуказанной цели в диссертационной работе для исследования и защиты поставлены следующие основные задачи:

• провести сравнительный анализ рабочих зон сервиса и функциональных возможностей кинематических схем традиционных манипуляторов и манипуляторов на основе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью уменьшения избыточности рабочих зон сервиса и упрощения кинематических схем традиционных манипуляторов, с целью выбора базовой модели манипулятора на основе модулей без кинематических преобразователей вида движения и ее основного положения в поле гравитации с соответствующей организацией систем координат;

• разработать кинематическую модель планарного основания и получить оценочные аналитические зависимости для анализа взаимовлияния манипуляциоипого робота на

20 подвижное основание, выполняемое в виде планарной электромеханической системы (ПЭМС*);

• разработать методику выбора рациональной модификации электромеханического модуля для системы управления планарного основания манипулятора;

• разработать способы, устройства и алгоритмы управления ПЭМС с учетом магнитовоздушной опоры, оптимизировать конструкции ПЭММ, обеспечивающие по отношению к аналогам повышенную надежность функционирования манипуляционных роботов в условиях действия на ПЭМС внешних разворачивающих моментов и неидеальной жесткости опоры между якорем и индуктором;

• разработать математические модели ПЭМС с учетом специфики влияния манипулятора на подвижное основание для исследования основных динамических режимов, уделив основное внимание исследованиям устойчивости; адекватность моделей подтвердить экспериментальными исследованиями;

• на основании анализа результатов исследований основных режимов ПЭМС в условиях возмущений со стороны манипулятора, разработать способы рационального синхронно-синфазного управления ПЭМС, проанализировать их эффективность и выработать рекомендации для использования в автоматических системах;

• разработать методику синтеза нечеткого управления координатой планарной электромеханической системы;

• разработать принципы координированного управления ПЭМС для реализации рациональных технологических циклов;

• провести анализ основных свойств и характерных особенностей управляющих интерфейсов электромеханических и мехатронных систем управления различного назначения, модернизировав их с учетом особенностей возможных способов измерения регулируемых координат, возможных способов ШИМ управления, путем реализации этих особенностей в управляющих аппаратно-программных элементах и устройствах, повышающих эффективность систем управления для автоматизированных технологических процессов. - с учетом современных тенденций к интеграции на подвижный якорь сенсорики с электронными устройствами для связи с управляющим микроконтроллером систему следует называть мехатронной = (электромеханика+электроника); однако, в работе принято единое исторически сложившееся обозначение -ПЭМС: планарная электромеханическая система (без сенсорики на якоре) и электромехатронная (электротехника+механика+электроника) система (с сенсорикой), поскольку в настоящее время интеграция касается, в основном, информационной части системы.

Решение поставленных задач представлено в восьми главах диссертационной работы и приложении.

В первой главе диссертации рассмотрены и проанализированы основные проблемы и тенденции в автоматизации промышленности и быта со спецификой использования достижений робототехники. Так рассмотрены и проанализированы: рабочие зоны сервиса манипуляционных роботов с неподвижной стойкой и на подвижном основании, выполненном на базе ПЭМС [48,51,62]; рассмотрены и проанализированы функциональные возможности различных вариантов кинематических схем манипуляторов и выделена базовая модель манипулятора на подвижном основании [51,62]; получены аналитические зависимости для сравнительной оценки энергетической эффективности возможных траекторий при выполнении манипулятором на подвижном основании в региональной рабочей зоне транспортирующих операций [59,62,66]; предложены принципы организации сервисного технологического пространства в поле гравитации [62,66]; рассмотрены и проанализированы современные тенденции в развитии иерархических структур управления роботов [62,66], причем основное внимание уделено исполнительному уровню управления, поскольку именно на нем, в конечном итоге, и выполняются все целеуказательные команды, поступающие от любого уровня системы управления.

Вторая глава посвящена рассмотрению и анализу элементов механики, выбору рационального математического аппарата, выбору кинематической модели для расчета возмущающих воздействий манипуляционного робота на подвижное основание в виде ПЭМС [54,62], их количественной оценки с целью использования при формировании управляющих воздействий для получения эффективных траекторий движений [79,62].

В третьей главе основное внимание уделено вопросам выбора рациональной модификации ПЭМС для основания манипуляционного робота. В данной главе приводятся результирующие таблицы для сравнительного выбора наилучшей модификации. В качестве основных критериев рекомендуются следующие:

• выбор ПЭММ по эффективности способов возбуждения электромагнитной системы [62,82];

• выбор ПЭММ по критерию минимальной тяговой силы [62,82,84];

• выбор ПЭММ по критерию максимально-допустимого разворачивающего момента [62,82,85].

Проведена оценка влияния на эти критерии выбора специфики нагрузок манипулятора в условиях неидеальной жесткости магнитовоздушной опоры и ограниченности ресурсов синхронизирующей устойчивости ПЭМС [48]; разработан алгоритм выбора плапарного электромеханического преобразователя энергии с учетом

22 влияния со стороны манипулятора и частичной оптимизации сочетания параметров системы, исходя из оценки запаса энергетических ресурсов ПЭМС, которыми она располагает для устойчивого функционирования маиипуляционного робота. Алгоритм реализован в платформенно-независимой среде МаМаЬ с использованием пакета БтаиНпк [82,199].

Четвертая глава, практически целиком построена на базе изобретений автора, посвященных решению ключевой проблемы в ПЭМС: обеспечению устойчивости и надежности функционирования в условиях действия внешних разворачивающих моментов и неидеальной жесткости магнитовоздушной опоры между якорем и индуктором ПЭММ [48]. В данной главе предложены способ управления и устройство для реализации полной фиксации якоря на индукторе при недопустимых внешних воздействиях [94]; способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря [95,96,102]; способ управления и устройство с частичной фиксацией якоря [97]; способ управления планариой системой посредством активного выравнивания зазора между якорем и индуктором ПЭММ [98]. Предложен ряд конструктивных решений планарных ЭММ, в которых обеспечивается меньшая вероятность потери устойчивости системы, построенной на базе таких модулей, и, кроме этого, дополнительно создаются положительные эффекты: улучшается охлаждение якоря и снижаются требования к пневмосети. Конструктивные решения ПЭММ также защищены авторскими свидетельствами [99,100,101]. В этой же главе рассмотрен эффективный способ управления динамическими режимами с повышенной устойчивостью якоря ПЭМС к развороту, который реализуется в замкнутой системе регулирования с использованием датчиков ускорения [48].

Пятая глава посвящена разработке математических моделей ПЭМС и исследованиям ее основных режимов [62,48]. В ней приведено математическое описание ПЭМС основания манипулятора. Проведены исследования основных динамических режимов в условиях взаимовлияния манипулятора. На основании анализа специфики взаимовлияния манипулятора на ПЭМС предложено разделять управление плечами координаты, обеспечивая синхронно-синфазное движение [62,89]; проведен анализ предложенных способов синхронно-синфазного управления ПЭМС, прежде всего, с позиций обеспечения устойчивости и выработаны сравнительные рекомендации для использования [48,62,176]. Предложенные автором способы синхронно-синфазного управления активно используются белорусско-германским СП "Рухсервомотор" в своих современных разработках, например, в технологических установках зондового контроля печатных плат (приложение П9.1). Кроме этого, в главе представлены математические модели, которые, в отличие от традиционных моделей, имеют более "физичную" и адекватную системе управления реализацию задающей программной координаты движения поля [48].

Математическая модель ПЭМС в преобразованных с!^ - координатах разработана для случая питания от источника напряжения, поскольку любой источник питания со свойствами "источника тока" становится "неидеальным" в режимах, при которых форсирующие возможности источника питания становятся недостаточными. Особенно это проявляется при работе в диапазоне высоких частот [48].

Математическая модель, разработанная в реальных физических координатах, является открытой для углубления, физически "прозрачной" для организации мониторинга параметров, которые необходимо контролировать как при инициализации системы управления, так и при диагностике нормальности эксплуатационных режимов при использовании модели в качестве наблюдателя [48,170].

Данные моделирования обработаны с использованием стандартных процедур статистической обработки результатов в соответствии с известной методологией теории планирования эксперимента. В результате получены регрессионные модели, удобные для оценочного анализа ПЭМС [48].

В шестой главе рассмотрены и проанализированы современные методы и тенденции в управлении, которые весьма эффективны уже сегодня [2,21-ь26,30-гЗЗ,48,50,115,145], а в условиях интенсивного развития информационных технологий станут более эффективными завтра [21,22,40,41,49,50,52,53,192,195-н 198]. Так в шестой главе проведен начальный методологический анализ [48,52,118,140,156, 197-5-199]:

• эффективности стратегии нечеткого управления на примере синтеза ПИД регулятора по сравнению с классическим управлением; анализ показал, что «жесткость» настройки коэффициентов «смягчается», это делает систему более робастной, уменьшая негативное, в большинстве своем, влияние различных возмущений и ограничений, что положительно сказывается на качестве системы в целом; за счет возможности гибкой подстройки регулятора возможна компенсация иелинейностей объекта управления, что весьма важно для роботизированных систем [48,52].

• принципов формирования рациональных траекторий и управляющих алгоритмов планарного основания в условиях иерархичности управления манипуляционного робота с «условно непрерывной» динамикой на нижнем уровне и «дискретной» логикой принятия решения на верхнем; проведены исследование ПЭМС, как нелинейной комбинированной системы, на предмет поиска рациональных алгоритмов управления на верхнем уровне [198];

• влияния ограничений и некоторых особенностей сетевого взаимодействия микроконтроллеров степеней подвижности манипулятора через микроконтроллер тактического уровня управления [118,156,199];

• некоторых особенностей, проблем и перспектив разработок систем управления для автоматизации сферы быта [118,140, 196,197].

В главе проведен краткий анализ особенностей и перспектив использования в системах управления исполнительного уровня некоторых типов интерфейсов, в числе которых более подробно рассмотрены: AS (Actuators/Sensors interface) и CAN (Controller Area Network) интерфейсы, которые обещают быть весьма эффективными в системах автоматизации промышленных отраслей и сферы быта.

В седьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований основных режимов и параметров ПЭМС [48,62], проведенные на макете промышленного изготовления базовой модели манипулятора измерительно-управляющего комплекса. Экспериментальные данные обработаны с использованием статистических методов оценок. Поскольку законы распределения измеряемых параметров были неизвестны, то проверка их нормальности осуществлялась по критериям согласия, основанным на сравнении выборочной асимметрии и эксцесса с их дисперсиями. Экспериментальные исследования доказали адекватность исследований па математических моделях в главе 5. '

Анализ в заключительной восьмой главе показывает, что при всех тенденциях к обобщенности и унифицированности управляющих систем исполнительного уровня управления, весьма важными факторами надежности электромеханических и мехатронных устройств и систем, создаваемых на основе различного типа электрических машин: планарных шаговых (особой разновидности синхронных машин), асинхронных, коллекторных постоянного тока и т.п., - являются устройства аппаратно-программного интерфейса. Ими обеспечиваются необходимые протоколы обмена между микроконтроллером и управляемым преобразователем энергии, между сенсорными датчиками и микроконтроллером, "общение" одного уровня иерархии с другим [48,119,124,132,148,152-г155,174]. При всех тенденциях к унифицированности управляющих структур, каждой из них, в зависимости от особенностей объекта управления, присущи индивидуальные тонкости и особенности, которые во многом и определяют качество и надежность функционирования ЭМС. Так в главе отмечено, что характерной особенностью реализации интерфейса в относительно несложных микроконтроллерных системах управления (например, с асинхронными машинами - AM или с шаговыми - ШД), является то, что часто используется узкоформатная (8-разрядная) шина данных. Это ограничение ставит проблему одновременного получения в реальном времени необходимой точности регулирования по частоте и по напряжению [122]. Предложенный вариант аппаратно-программного "смягчения" этого ограничения приведен в главе. В главе представлены простые, но эффективные способы измерения скорости с учетом особенностей управления микропроцессорных систем. Приведена их аппаратно-программная реализация с возможностью сравнительной оценки способов по величине ошибки измерения и быстродействию [48,124]. Предложен вариант реализации интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом испытания БИС (для ВНИИ ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ); межпроцессорный взаимообмен организован по методу прямого доступа к памяти, что позволяет уменьшить время дискретности и улучшить качество управления по отношению к однопроцессорному варианту. Рассмотрены особенности организация управляющих интерфейсов в системах управления с преобразователями на полууправляемых ключах для АМ, успешное преодоление тонкостей и особенностей организации управления которыми позволило получить эффективные системы [48,129,130]. Например, модернизация системы управления ПЧ высокоскоростного автоматизированного комплекса ФГУП КБ ХИММАШ им.А.М.Исаева позволила примерно в три раза сократить сроки испытаний выпускаемой продукции (приложение П9.2).

Основные результаты диссертационной работы получены при выполнении:

• научно-исследовательских работ по комплексной проблеме "Роботы и робототехнические системы" в соответствии с координационным планом МинВуза СССР и Академии наук (ИМАШ АН СССР, раздел 16; рубрика 1,11.42., проект "Мир"; соисполнители: МЭИ (ТУ), конструкторское бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ (г.Минск), з-д Эллар (г.Рига), МГТУ им.Баумана);

• научно-исследовательских работ по договорам МЭИ (ТУ) с ВНИИ ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ (г.Санкт-Петербург) и ФГУП «КБ ХИММАШ им. А.М.Исаева» (г.Королев);

• научно-исследовательских работ кафедры автоматизации производства и управления МГУ сервиса по следующим темам: "Микропроцессоризация оборудования и технологий бытового назначения" (утверждена Ученым Советом 24.11.1995 г.) и "Разработка и исследование современных средств управления бытовой техникой и технологиями" (утверждена Ученым Советом 30.01.2003 г.);

• исследований по проблематике гранта совместно с научно-исследовательским центром "Прикладной информатики и электроники" Франции (ЬС12Р) - центра разработки моделей и технических средств управления сложными техническими системами, включая сетевые телекоммуникационные структуры, системы и средства выработки управляющих решений (Приказы МГУ сервиса №-2082/4 от 28.12.01, №-630/4 от 14.04.03 и №-56/4 от 26.01.2004 - приложение П9.9.).

В заключении - выводах диссертации обобщены основные результаты работы, а в приложениях приведены справочные материалы, примеры некоторых разработанных программ, технические характеристики ряда интерфейсов и акты об использовании результатов диссертационной работы в отраслях промышленности и сфере быта (приложения - П9.НП9.6), в учебном процессе (приложения - П9.7;П9.8).

Результаты более чем двадцатилетней работы автора по данной проблематике отражены в двух монографиях, трех учебных пособиях и электротехническом справочнике (МЭИ, 2002 г.) в 27 докладах на научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в 23 статьях, в 12 авторских свидетельствах.

Монографии:

1.Мельников Н.В. Электромеханические системы в автоматизации и робототехнике//Монография. - ИИТ МГУ сервиса, 2003, - 320с.

2.Мельников Н.В., Сафонов Ю.М. Электропривод роботов.//Под ред. Б.А.Ивоботенко. "Электропривод и автоматизация промышленных установок", Государственный комитет по науке и технике, Академия наук СССР (Итоги пауки и техники), ВИНИТИ, М.,1983, т.8,80 е.

Учебные пособия, справочники, методические указания:

1 .Электротехнический справочник "Использование электрической энергии"//Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл.ред.А.И.Попов), т.4, 8-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МЭИ,2002.-696с.

2.Мельников Н.В. Элементы микропроцессорных систем бытовых устройств. Технические средства и методы отладки//Учебное пособие. - Изд-во МГУ сервиса,2002, 104с. (гриф УМО МО РФ).

3.Мельников Н.В. Методические указания "Измерение скорости в микропроцессорной системе электропривода" по курсам "Программирование МПС" и "Системы управления электроприводов" //Изд-во МЭИ, 1995,17с.

4.Мельников Н.В., Удалова Н.Е. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Технические средства микропроцессорных систем"//Учебное пособие. -М., МГУ сервиса, 1999,60с.

5.Мельников H.B. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Диагностика и эксплуатация микропроцессорных систем" //Учебное пособие, М.,МГУ сервиса, 2000,96с.

Авторские свидетельства:

1. Мельников Н.В. A.C. №-1474768 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1989.-№-15.

2.Мельников Н.В. A.C. №-1601732 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1990.-№-39.

3.Мельников Н.В. A.C. №-1833097 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1991.-№-17.

4.Мельников Н.В. A.C. №-1601733 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Планарный шаговый электропривод// Открытия. Изобретения. 1990.-№-39.

5.Мельников Н.В. A.C. №-1539953 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Способ управления планарным шаговым электродвигателем на воздушной опоре.// Открытия. Изобретения. 1990.- №-4.

6.Мельников Н.В. A.C. №-1398040 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Двухкоординатный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988.- №-19.

7.Мельников Н.В. A.C. №-1762372 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Двухкоординатный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1992,-№-34.

8.Мельников Н.В. A.C. №-1365280 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Планарный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988,- №-1.

9.Мельников Н.В. A.C. №-823929 СССР МКИ G 01 М 5/00. - Способ определения жесткости упругих элементов исполнительного механизма.// Открытия. Изобретения.1981.-№15. Ю.Кудрявцев A.B.,Мельников Н.В. .Никольский A.A. A.C. №-1561180 СССР МКИ Н 02 М 7/515.Трехфазный автономный инвертор напряжения.// Открытия. Изобретения. 1990.-№-16. П.Кирюхин В.М., Кудрявцев A.B.,Мельников Н.В.,Никольский A.A. А.С.№-1707718 СССР МКИ Н 02 М 7/515.Автономный инвертор напряжения./Юткрытия. Изобретения. 1992,- №-3. 12.Мельников Н.В. А.С.№-1683167 СССР МКИ Н 02 Р 8/00 - Планарный шаговый электропривод.// Открытия. Изобретения. 1989.- №-37.

Статьи, опубликованные в журналах общероссийского значения:

1.Мельников Н.В. Особенности автоматизации с использованием роботов и вопросы эффективности сервиса манипуляторов на подвижном основапии//Мехатроника. 2001.№-9,с.45-50.

2.Мелышков Н.В., Феоктистов В.А. Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических систем //Мехатроника, автоматизация, управление. 2002.№-6,с.2-8.

3.Мельников Н.В. Робототехника - важнейший фактор автоматизированного сервиса будущего //Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2002. №-1,с. 18-23.

4.Мельников Н.В. Особенности манипуляторов на основе планарного шагового электропривода //Мехатроника.2002.№-3,с.14-17.

5.Мелышков Н.В. Элементы механики и особенности манипуляторов на основе планарного электромеханического модуля //Вестник МЭИ, 2002, №-1, с.32-35.

6.Мелышков Н.В. Электропривод устройств бытовой техники// Вестник МЭИ, 2000, №-2, с.104-107.

7.Мельников Н.В., Беляев A.B. Особенности разработки микропроцессорной системы регулирования частотного асинхронного электропривода//Вестник МЭИ, 1995, №-2, с.63-66.

8.Мелышков Н.В. Электроприводы в бытовой технике //Приводная техника, 1999, №-2, с.7-11.

9.Мельников Н.В., Пушманн Т., Лезер С. Способы измерения скорости в микропроцессорной системе электропривода //Вестник МЭИ, 1994, №-2, с.25-26.

Ю.Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Проблемы ограничений в управлении системами сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2002, №-4(5),с.26-33. П.Мельников Н.В. Информационные технологии в системах автоматизации и робототехнике//Мехатроника. 2003.№-8, с.52-54.

12.Мельников Н.В. Информационные технологии и робототехника - важнейшие факторы автоматизации систем сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2003, №-3(8),с.9-13.

Выводы по главе:

1.Предложены три способа цифрового измерения скорости; проанализированы особенности их реализации в управлении электромеханическими системами; получены аналитические и графические зависимости для их сравнительной оценки по точности и быстродействию. Тенденции к унификации организации обратных связей в современных цифровых системах управления позволяют рекомендовать предложенные способы для измерения не только скорости, но и других управляемых координат, мгновенное значение которых может быть преобразовано в последовательность импульсов частотой f.

2.При проведении экспериментальных исследований с использованием предложенных способов измерения координат при разработке регулятора для управляющей программы было установлено, что допустимо не учитывать время преобразование ЦАП. Квантованием по уровню для электромеханических систем управления, к которым не предъявляются жесткие требования по точности регулирования, допустимо пренебречь, так как при разрядности сигнала п>7 полученный преобразованием аналоговый сигнал содержит "несущественную помеху" и звено преобразования допустимо рассматривать как линейное.

3.В результате исследований установлено, что микропроцессорные ЭМС с комбинированной структурой управления (цифровой контур скорости и аналоговый контур тока) и малоформатной шиной передачи данных, по техническим показателям и по эксплуатационным свойствам, характерным для процессорных систем многих объектов управления, являются достаточными. Более того, большинство регулируемых объектов по своей природе - аналоговые, поэтому в ЭМС с токоограничением, которое характерно и для робототехники, такие системы менее "капризны" в эксплуатации и проще в наладке.

4.Анализ микроконтроллерных систем управления показал, что характерной особенностью реализации интерфейса относительно несложных систем является то, что часто используется малоформатная (8-разрядная) шина данных. Такое ограничение, например, в системах управления с AM, затрудняет одновременное получение в реальном времени необходимой точности управления по частоте и по напряжению. Предложен вариаит "смягчения" ограничения за счет особой организации блока ЦАП, состоящего из трех каналов. Первые два формируют управляющие синусоиды для фаз А и В (для фазы С сигнал формируется аппаратно),а третий канал регулирует опорное напряжение первых двух ЦАП.

Принцип получения синусоидальных ШИМ сигналов успешно опробован на примере формирования синусоиды с дискретностью по амплитуде, равной 1/256, а по временной координате - с дискретностью 1/48 на периоде 0,02с при организации скалярного управления преобразователем частоты в системе управления лифта и в системах регулирования водоснабжения зданий.

5.Дополнительио необходимо отметить характерную особенность МК-систем с малоформатной ШД, состоящую в том, что перед началом формирования выходного напряжения таблицу кодов синусоиды целесообразно копировать из внешней памяти данных - ВПД в резидентную память данных - РПД. Это обеспечивает максимальное быстродействие, что важно для систем, работающих в реальном времени в условиях ограничительных возможностей технических средств. Сравнительный анализ показал, что в этом случае продолжительность выполнения процедуры обработки прерывания таймера с целью выбора кодов синусоиды сокращается примерно на треть.

6.Предложепная модернизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (A.C. №-1707718) обеспечивает независимость основного процесса коммутации фазы от коммутации рабочих ключей других фаз. Это позволяет ограничить максимально допустимое время подзарядки коммутирующих конденсаторов и исключить дополнительный контур тока, уменьшая потери.

Модернизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (А.С.№-1561180) исключает дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора в течение основного этапа коммутации и накопления энергии в нем не происходит.

В результате вышеуказанных решений расширяется диапазон рабочих частот и повышается энергетическая эффективность электромеханических систем.

7.Предпожен вариант реализации интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом для испытания БИС; межпроцессорный взаимообмен организован по методу прямого доступа к памяти. Функциональное разделение управляющих функций процессоров позволило уменьшить время дискретности системы и улучшить качество управления технологическим процессом по отношению к однопроцессорному варианту.

Заключение - выводы по диссертации:

1.Разработаны теоретические и методологические основы создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью построения новых и модернизации существующих управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.

2.В качестве базовой модели принята кинематическая модель, состоящая из двух модулей: планарпого и линейно-поворотного, установленного по оси, ортогональной плоскости перемещений подвижного основания и проходящей через его центр масс.

Показано, что базовая модель со звеном качания в вертикальной плоскости, при уникальных возможностях плаиарного основания, способна обеспечить в наиболее важных рабочих зонах сервис, сопоставимый с возможностями классических роботов "Версатран" и "Юнимейт", имеющих более сложные кинематические схемы.

3.Предложены принципы организации сервисного рабочего пространства. За базовое принято положение манипулятора на подвижном основании, при котором вектор, совпадающий с осью, ортогональной плоскости перемещений основания и проходящей через его центр масс, коллинеарен и противоположен вектору поля гравитации; получены аналитические зависимости, корректирующие управление планарным основанием, если его положение в поле гравитации отличается от базового.

Для уменьшения избыточности рабочей зоны сервиса ее сечения плоскостью параллельной магнитовоздушному зазору подвижного основания манипулятора целесообразно описывать уравнением эллипса и, исходя из этого, определять требуемые параметры манипулятора и подвижного основания.

4.Предложепы принципы организации систем отсчета для двух кинематических структур: базовой модели и модели со звеном качания в вертикальной плоскости. Для определения координат степеней подвижности манипуляционного робота и полюса захвата целесообразно использовать однородные координаты, как наиболее применяемые.

Для упрощения анализа взаимовлияния манипулятора на планарпое основание вместо объемной кинематической модели предложена плоскостная модель и получены аналитические зависимости, с помощью которых определяются возмущающие воздействия на подвижное основание.

• эффективности способов возбуждения электромагнитной системы;

• минимальной тяговой силы;

• максимально-допустимого разворачивающего момента.

6.Показано, что планарный индукторный модуль с возбуждением от постоянных магнитов обладает наибольшей динамической добротностью при минимальном потреблении тока в статическом режиме и минимальных искажениях пространственной статической характеристики тяговой силы.

На основе критерия минимальной тяговой силы установлено, что в диапазоне перемещений % = 0 -е- 6.67, измеряемых в долях ширины активной зубцовой зоны якоря модификация с одной "расщепленной" координатой имеет минимальную тяговую силу и в указанном диапазоне наиболее рациональна по энергетической эффективности.

Установлено, что в диапазоне перемещений % = 0 0,35 наибольшим синхронизирующим моментом обладает модификация с якорем, имеющим "лепестковую" форму. В диапазоне х = 0 - 0,74 наименьший допустимый разворачивающий момент имеет модификация с "расщепленной" координатой. При перемещениях основания % > 0,35 наилучшей устойчивостью к разворачивающим воздействиям обладает конструкция с двумя разнесенными координатами.

7.Предложены способы управления, устройства их реализующие, модифицированные конструкции ПЭММ и управляющие алгоритмы, обеспечивающие повышение надежности функционирования ПЭМС в условиях действия внешних разворачивающих моментов:

• способ управления с "полной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А.С.№-1474768);

• способ управления с "комбинированной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А.С.№-1601732, 1833097,1683167);

• способ управления с "частичной" фиксацией якоря ПЭМС на плите индуктора (А.С.№-1601733);

• способ управления с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором (А.С.№-1539953);

• варианты конструкций ПЭММ (А.С.№-1398040,1762372) с повышенной устойчивостью к разворачивающим в горизонтальной плоскости усилиям;

• вариант конструкции ПЭММ (А.С.№-1365280), в которой сжатый воздух магнитовоздушной опоры одновременно с созданием необходимого рабочего зазора используется для дополнительного охлаждения, улучшая тепловой режим и "смягчая" требования к пневмосети;

• алгоритм управления динамическими режимами пуска и торможения ПЭМС; система управления реализована путем замыкания обратной связи по ускорению, а управляющую частоту, при питании системы от источника со свойствами источника тока, необходимо изменять в моменты прохождения кривой ускорения через нулевое значение.

8.Разработано математическое описания ПЭМС, реализованное в соответствующих моделях для анализа условий функционирования ПЭМС в качестве подвижного основания манипулятора. Предложено разделять координаты ПЭМС на два линейных шаговых двигателя и управлять каждым из условий синхронно-синфазного движения. Для реализации синхронно-синфазного движения предложены три способа управления:

• изменение амплитуд токов в фазах каждого ЛШД при одинаковых управляющих воздействиях электрической программной координаты движения поля у;

• изменение управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у и неизменных амплитудах токов в фазах;

• одновременное изменение и амплитуд токов в фазах и управляющих воздействий электрической программной координаты движения поля у.

Эффективность раздельного управления подтверждается результатами моделирования, универсальной модульной системой и современными разработками белорусско-германского СП "Рухсервомотор".

9.Разработана методология синтеза ПИД регулятора для нечеткого управления координатой ПЭМС. Показано, что организация управления с комбинированным нечетким ПИД регулятором дает лучшие результаты по динамике переходного процесса в сравнении с классическим управлением. Кроме этого, «жесткость» настройки коэффициентов системы управления «смягчается», что делает ее более робастной, уменьшая негативное влияние возмущений и ограничений.

Ю.Разработаны принципы координированного иерархичного управления ПЭМС для формирования рациональных траекторий и алгоритмов движения якоря при реализации технологических циклов основания манипуляционного робота для следующих условий:

• последовательность прохождения технологических узлов произвольна;

• временные ограничения на посещение узла отсутствуют;

• время пребывания в каждом узле регулируемое, но стремится к минимальному;

• сервисное поле индуктора не создает пространственных ограничений якорю.

11.Результаты экспериментальных исследований основных режимов и параметров планарной электромеханической системы получены на макете промышленного изготовления базовой модели манипулятора и обработаны с использованием статистических методов оценок. Экспериментальные исследования показали эффективность системы и доказали адекватность математических моделей при исследовании основных динамических режимов.

12.Предложены способы цифрового измерения скорости; проанализированы особенности их реализаций в управлении электромеханическими системами; получены аналитические и графические зависимости для сравнительной оценки по быстродействию и точности. Тенденции к унификации организации обратных связей в современных цифровых системах управления позволяют рекомендовать предложенные способы для измерения не только скорости, но и других управляемых координат, мгновенное значение которых может быть преобразовано в частоту последовательности импульсов.

13.Показано, что характерной особенностью реализации интерфейса относительно несложных систем является узкоформатная (8-разрядная) шина данных. Предложен вариант "смягчения" ограничения за счет особой организации блока ЦАП, состоящего из трех каналов. Первые два формируют управляющие синусоиды для фаз А и В (для фазы С сигнал формируется аппаратно), а третий канал регулирует опорное напряжение первых двух ЦАП.

Принцип получения синусоидальных ШИМ сигналов успешно опробован при формировании синусоиды с дискретностью по амплитуде, равной 1/256, а по временной координате - с дискретностью 1/48 на периоде 0,02с при скалярном управлении преобразователем частоты в разработке опытного образца системы управления лифта и в системах регулирования водоснабжения зданий.

14.Предложен вариант реализации интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом для испытания БИС; межпроцессорный взаимообмен организован по методу прямого доступа к памяти. Функциональное разделение управляющих функций процессоров позволило уменьшить время дискретности системы и улучшить качество управления технологическим процессом по отношению к однопроцессорному варианту.

15.Модсриизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (A.C. №1707718) обеспечила независимость основного процесса коммутации фазы от коммутации рабочих ключей других фаз. Это позволило ограничить максимально допустимое время подзарядки коммутирующих конденсаторов и исключить дополнительный контур тока, уменьшая потери. Модернизация интерфейса в системе управления преобразователем частоты (А.С.№-1561180) исключила дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора в течение основного этапа коммутации и накопления энергии в нем не происходит. В результате вышеуказанных решений расширяется диапазон рабочих частот и повышается энергетическая эффективность электромеханических систем. 16. Использованы следующие результаты диссертационной работы:

• методика выбора рациональных модификаций планарных модулей для объектов манипуляционного типа - в разработках белорусско-германского СП "Рухсервомотор" (акт-приложение П9.1);

• способы раздельного синхронно-синфазного управления плечами координаты планарной системы - в разработках ' универсальной модульной системы S1 и технологических установок зондового контроля печатных плат белорусско-германского СП "Рухсервомотор"(акт-приложеиие П9.1);

• алгоритм управления динамическими режимами пуска и торможения по сигналам ускорения - в приводе главного движения обрабатывающего центра модели W.402.CNC (центр автоматизированного оборудования и компьютерных технологий, ОАО МЭЛЗ - акт-приложение П9.3); в системе ШУВ 3-НП регулирования скорости электрошпинделя (ООО "Элфорс" - акт-приложеиие П9.4);

• способ ШИМ управления системы ПЧ-АД - в разработках систем регулирования водоснабжения зданий (ООО "Элфорс"- акт-приложение П9.4; ГУП ДЕЗ "Соколиная гора", г.Москвы - акт-приложение П9.6); при разработке МГУП "Мослифт" опытного образца системы управления частотно-регулируемого электропривода лифта со скоростью 1,6 м/с и грузоподъемностью 400 кг (акт-приложение П9.5);

• способ измерения скорости на основе интервального таймера - в системе ШУВ 3-НП (ООО "Элфорс" - акт-приложение П9.4); в разработке опытного образца системы управления частотно-регулируемого электропривода лифта со скоростью 1,6 м/с и грузоподъемностью 400 кг (МГУП "Мослифт" - акт-приложение П9.5);

• способ экспериментального определения жесткости упругих элементов механизма - в приводе главного движения контрольной машины RTD - detection на линии по производству стеклотары (центр автоматизированного оборудования и компьютерных технологий, ОАО МЭЛЗ - акт-приложение П9.3);

• модернизация управляющих интерфейсов и алгоритмов системы управления ПЧ-АД -в разработке высокоскоростного автоматизированного комплекса для испытания насосов (ФГУП КБ ХИММАШ им. А.М.Исаева - акт-приложение П9.2). методика сравнительного выбора ПЭММ, разработанные математические модели, способы и устройства управления ПЭМС, способы измерения регулируемых координат ЭМС, разработанные интерфейсы и микропроцессорные алгоритмы управления, результаты теоретических и экспериментальных исследований - в учебно-методическом обеспечении курсов, прочитанных автором в МЭИ, читаемых в МГУ сервиса и КИУЭС (акты-приложения - П9.7,П9.8).

1. Интеллектуальные системы автоматического управления//Под ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 576 с.

2. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. М.: "Машиностроение", 1977.

3. Управление робототехническими системами и их очувствление // Под ред. И.М.Макарова, Д.Е.Охоцимского, Е.П.Попова. М.: Изд-во "Наука", 1983.

4. Г.В.Коренев Целенаправленная механика управляемых манипуляторов. М.: Изд-во "Наука", 1979.

5. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Научные проблемы робототехники. В кн.: VI Всесоюзный симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. 1976, с.2-18.

6. Научные проблемы робототехники//Под ред. Д.Е.Охоцимского, Е.П.Попова. М.: Изд-во "Наука", 1980.

7. Юревич Е.И. и др. Динамика управления роботами. М.: Наука, 1984. - 336с.

8. Ющенко A.C. Комбинированная система полуавтоматического управления манипулятором. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1979, №-1, с.208-212.

9. Черноусько Ф.Л. Динамика управляемых движений упругого манипулятора. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1981, №-5, с. 142-152.

10. Механика промышленных роботов: Учебное пособие. В 3 кн.//Под ред. К.В.Фролова, Е.И.Егорова. М.: Высшая школа, 1988.

11. Манипуляционные системы роботов// А.И.Корендясев, Б.Л.Саламандра, Л.И.Тывес и др. Под общ. ред. А.И.Корендясева. М.: Машиностроение, 1989.

12. З.Кулаков Ф.М. Организация супервизорпого управления роботами-манипуляторами. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1976, №-5,1977,№-1.

13. Роботизация сборочных процессов//Под общей ред. Д.Е.Охоцимского. М.: Изд-во "Наука", 1985.

14. Тимофеев A.B. Управление роботами: Учебное пособие. Л.: Изд-во Лснингр.ун-та, 1986.

15. Ястребов B.C. Системы управления движением робота. М.: Машиностроение, 1979.

16. Корендясев А.И. Основы теории, экспериментальные исследования и разработки двигательных систем адаптивных роботов с приводом на основании: Автореферат докт. дисс.- М.: Ин-т машиноведения, 1981.

17. Тимофеев А.Н. Гибкие производственные модули и системы с многофункциональными приводами: Автореферат докт. дисс.- СПб.: СПбГТУ, 1992.

18. Крутько Г. Д., Попов Е.П. Построение алгоритмов управления движением манипуляционных роботов//Докл. АН СССР. 1980. Т.255, №-1, с.40-43.

19. Теория механизмов и машин: Учебник для втузов//К.В.Фролов, С.А.Попов и др. Под общ. ред. К.В.Фролова. М.: Высшая школа, 1987.

20. Макаров И.М. Концептуальные основы организации интеллектуального управления сложными динамическими объектами// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина.- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с. 15-24.

21. Лохин В.М., Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления"/Под ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина.- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.25-38.

22. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько C.B., Романов М.П. Синтез нечетких регуляторов на основе вероятностных моделей// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина,- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.325-362.

23. Лохин В.М., Манько C.B., Еремин Д.М. Управление движением манипуляционных роботов на базе нейросетевых структур// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина,- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.199-204.

24. Еремин Д.М., Мадыгулов Р.У. Нейросетевой регулятор для управления динамическими объектами// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управлепия'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина,- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.137-156.

25. Романов М.П. Классификация и способы реализации ассоциативной памяти// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина,- М.-.ФИЗМАТЛИТ,2001, с.217-230.

26. Романов М.П. Управление движением высокоточного сборочного робота на основе ассоциативной памяти// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления"/Под ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина.- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.231-258.

27. Лохин В.М., Макаров В.В., Романов М.П. Адаптивное управление на базе технологии ассоциативной памяти// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина.- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.259-284.

28. Макаров И.М., Лебедев Г.Н., Лохин В.М. и др. Развитие технологии экспертных систем для управления интеллектуальными роботами//Известия РАН.Техн. кибернетика.-1994.-№-6, с.161-176.

29. Макаров И.М., Лохин В.М., Мадыгулов Р.У., Тюрин К.В. Применение экспертных регуляторов для систем управления динамическими объектами//Известия РАН. Техн. кибернетика.-1995. №-1,с.5-21.

30. Зб.Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.:Мир, 1976.

31. Р1ечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта/ Под ред. Д.А.Поспелова.- М.:Наука,1986.

32. Прикладные нечеткие системы/ Под ред. Т.Тэрано, К.Асаи, М.Сугэно. М.:Мир, 1993.

33. Макаров И.М.,Лохин В.М. .Макаров В.В.,Мапько С.В.,Романов М.П. Синтез нечетких регуляторов на основе вероятностных моделей// В кн."Интеллектуальные системы автоматического управления'УПод ред. И.М.Макарова, В.М.Лохина.- М.:ФИЗМАТЛИТ,2001, с.325-362.

34. Макаров И.М. Искусственный интеллект близкая реальность// Вестник РАН.- 1996,-т.66,№-2, с. 139-142.

35. Поспелов Д.А.Ситуационное управление: теория и практика.- М.: Наука,1986.

36. Кобринский A.A., Кобринский А.Е. Манипуляционныс системы роботов: основы устройства, элементы теории.-М.:Наука,1985.

37. Понтрягин Л.С. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969.384с.

38. Проектирование электрических машин: Учеб.пособие для вузов/И.П.Копылов, Ф.А.ГоряиновДК.Клоков и др.//Под ред. И.П.Копылова,- М.: Энергия,1980.-496 с.

39. Специальные электрические машины: Учеб. Пособие для вузов/А.И.Бертинов,Д.А.Бут,С.Р.Мизюрин и др.//Под ред.А.И.Бертинова.- М.: Эпергоиздат, 1982.-552с.

40. Маслов С.И., Тыричев П.А. Электромеханические системы: Введение в теорию и практику электромеханических систем//Под ред. С.И.Маслова. М.: Издательство МЭИ, 1999.100с.

41. Мельников Н.В. Электромеханические системы в автоматизации и робототехнике//Монография. ИИТ МГУ сервиса, 2003, - 320с.

42. Лопота В.А.,Юревич Е.И. Мехатроника основа интеллектуальной техники будущего//Мсхатроника, автоматизация, управление. 2002. №-7, (2 и 4 страницы обложки).

43. Сайт СП "Рухсервомотор" http://www.gis.minsk.by/.

44. Мельников Н.В. Особенности автоматизации с использованием роботов и вопросы эффективности сервиса манипуляторов на подвижном основании//Мехатроника. 2001.№-9,с.45-50.

45. Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических систем //Мехатроника, автоматизация, управление. 2002.№-6,с.2-8.

46. Мелышков Н.В.- Робототехника важнейший фактор автоматизированного сервиса будущего //Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2002. №-1,с. 18-23.

47. Мельников Н.В.Особенности манипуляторов на основе планарного шагового электропривода //Мехатроника.2002.№-3,с.14-17.

48. Попов Е.П., Верещагин А.ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные работы: динамика и алгоритмы. М.: "Наука", 1978.- 400 с.

49. B.C.Медведев, А.Г.Лесков, А.С.Ющенко. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978.- 416 с.

50. Японцы тестируют робота для семейных ссор. Источник: КОМПЫОЛЕНТА, NEC Electron Devices. 2001.

51. Дистанционно управляемые роботы манипуляторы. Под ред. Е.П. Попова - М.: Мир, 1976.-364 с.

52. Мельников Н.В., Гониашвили Э.С. Принципы построения манипуляторов на основе плоского шагового электродвигателя.//"Труды Моск. энерг. ин-т", 1979, вып.440, с.64-75.

53. Мельников Н.В., Сафонов Ю.М. Электропривод роботов.//Под ред. Б.А.Ивоботенко.

54. Электропривод и автоматизация промышленных установок" (Итоги науки и техники), ВИНИТИ, М.,1983,т.8,80 е.

55. Мельников Н.В. Новая элементная база прецизионных роботов.//Сборник трудов Всесоюзного научного семинара по проблемам робототехники под научным руководством Е.П.Попова. "Труды Моск.высш.техн.училища им.Н.Э.Баумана", 1983, №-404, с. 110-115.

56. Мельников Н.В. Исследование новых миогокоординатных систем шагового электропривода для роботов и манипуляторов: Автореферат канд. дисс,- М.: МЭИ,1981. -20с.

57. Гониашвили Э.С. Исследование двухкоординатного позиционного линейного шагового электропривода: Автореферат канд. дисс.- М.: МЭИ,1978. 20с.

58. Производство линейных шаговых двигателей//Белявский Е.И.,Ляшук Ю.Ф.,Онегин Е.Е.,Филиппович Е.В.,Ярош A.B.- "Электронная промышленность", 1979,вып.З,с.10-12.

59. Белявский Е.И. Разработка и исследование многокоординатного электропривода с программным управлением для прецизионного сборочного оборудования ' в микроэлектронике: Автореферат канд. дисс.- М.: МЭИ, 1981. 20с.

60. Проектирование шагового электропривода. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф.//Под ред. Л.А.Садовского М.: МЭИ, 1985.- 100с.

61. Белянин П.Н. Промышленные роботы Японии.М.:НИИТ, 1977.-456с.

62. Кулешов В.С.,Лакота ILA. Динамика систем управления манипуляторами.- М.: Энергия, 1971.-304 с.

63. А.С.426286 (СССР) Линейный шаговый электродвигатель//МЭИ, Авт.изобрет.Ивоботенко Б.А. и др.;Б.И. №-16, 1974."

64. А.С.476640 (СССР) Линейный шаговый электродвигатель//МЭИ, Авт.изобрет.Ивоботенко Б.А. и др.;Б.И. №-25, 1975.

65. Метод объемов и "сервис" манипулятора//Виноградов И.Б., Кобринский А.Е., Степаненко Ю.А., Тывес Л.И.- Машиноведение, 1969, №-3, с.6-11.

66. Мельников Н.В. Планарный электромеханический модуль как элемент организации сервисного пространства.//3-я Международная научно-практическая конференция: "Современные средства управления бытовой техникой", МГУС, 2001, с.15-16.

67. Ивоботенко Б.А., Мельников Н.В. Вопросы проектирования электропривода подвижного основания манипулятора. Труды МЭИ, 1981,вып.2,с. 3-12.

68. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф. Управление прецизионным движением шаговых электродвигателей.//Труды межд.конф. по системам с шаговыми двигателями. Университет в Лидсе, Англия, 1979,с.60-67.

69. Ивоботенко Б.А., Рубцов В.П. Проблемы использования шагового электропривода в роботах и манипуляторах.- В кн.: Тезисы докладов П-й Всесоюзн. Межвуз.иауч.конф. "Робототехничеекие системы".К.,1980, с.130-133.

70. Мельников Н.В. Элементы механики и особенности манипуляторов на основе планарного электромеханического модуля //Вестник МЭИ, 2002, №-1, с.32-35.

71. Пол Р. Управление траекторией руки с помощью вычислительной машины. В кн.: Интегральные роботы, вып.1. Сборник статей, перев., с англ., под ред. Г.Е.Поздняка, Мир,1973, с.326-338.

72. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Маркин Д.Р. Курс теоретической механики.- М.: Наука, 1971.462 с.

73. Луценко В.Е., Баль В.Б. Выбор и расчет электромагнитных модулей многокоординатных шаговых двигателей.//Труды МЭИ, №-440, 1980, с.31-34.

74. Мельников Н.В., Мелкумов Г.А. Выбор оптимальной модификации плоского шагового электродвигателя и расчет ее основных параметров. Деп. рук. в Информэлектро № 2-д/81,6с.

75. Попов М.А. Применение теории подобия для анализа и синтеза электромеханических модулей. Труды МЭИ, 1983, вып.600, с.92-99.

76. Дискретиый электропривод с шаговыми двигателями //Ивоботепко Б.А., Рубцов В.П.

77. Садовский JT.А. и др. Под ред. М.Г.Чиликина.- М.: 1971.- 624с.

78. Прудникова Ю.И. Исследование динамики планарного электропривода с учетом крутильных колебаний якоря. Труды МЭИ, 1982, вып.570, с.97-101.

79. Мельников Н.В. A.C. №-1474768 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1989.-№-15.

80. Мельников Н.В. A.C. №-1601732 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1990.-№-39.

81. Мельников Н.В. A.C. №-1833097 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Устройство для управления планарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1991.-№-17.

82. Мельников Н.В. A.C. №-1601733 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Пленарный шаговый электропривод// Открытия. Изобретения. 1990.-№-39.

83. Мельников Н.В. A.C. №-1539953 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Способ управления планарным шаговым электродвигателем па воздушной опоре.// Открытия. Изобретения. 1990.-№-4.

84. Мельников Н.В. A.C. №-1398040 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Двухкоординатный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988.-№-19.

85. Мельников Н.В. A.C. №-1762372 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Двухкоординатный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1992.-№-34.

86. Мельников H.B. A.C. №-1365280 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. Планарпый шаговый электродвигатель.//Открытия. Изобретения. 1988.-№-1.

87. Ю2.Мельников Н.В. А.С.№-1683167 СССР МКИ Н 02 Р 8/00 Планарный шаговый электропривод.// Открытия. Изобретения. 1989.-№-37.

88. Мельников Н.В., Енин Д.Н. Управление планарной электромеханической системой с частичной фиксацией//Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука индустрия сервиса" под ред. Максимова A.B.- М.,МГУ сервиса, 2002 г.,с.29-32.

89. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры семейства НС05 фирмы Motorola//Chip News, 1998,№-12,с.22-26.

90. Юб.Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTEL MCS-196/296 во встроенных системах управления.- М.: ЭКОМ,1997,688с.

91. Мельников Н.В. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Диагностика и эксплуатация микропроцессорных систем"//Учебное пособие, М.,МГУ сервиса,2000,96с.

92. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. М.: МЭИ, 1980-92с.

93. ИвоботенкоБ. А.,Ильинский Н.Ф.,Копылов И.П.Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975, 236с.

94. Ю.Прудникова Ю.И. Разработка средств и методов повышения устойчивости многокоординатного модульного привода гибких автоматизированных производств. Автореферат канд. дисс. М.,МЭИ, 1984, 20с.

95. Банковой А.П., Сливинская Г.А., Луценко В.Е. Планарный мехатронный модуль /Приводная техника, 1999, №-11/12, с.28-33.

96. Банковой А.П., Цацепкин В.К., Ляшук Ю.Ф. Линейный вентильный электропривод//Тр.МЭИ. Вып.677. 2001, с.24-35.

97. Г.С.Чхартишвили,П.П.Чхартишвили Цифровое моделирование динамических систем. М.: МЭИ, 1978, 117с.

98. М.Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Проблемы ограничений в управлеиии//Материалы VII Международной научно-практической конференции "Наука индустрия сервиса" под ред.Максимова A.B.- М.,МГУ сервиса, 2002 г.,с.26-28.

99. Ющенко А.С., Киселев Д.В., Вечканов В.В. Адаптивная система нечеткого управления движением мобильного робота //Мехатроника, 2002,№-1,с.20-26.1 lô.Feoktistov V. L'Evolution Différentielle //"Journée Doctorant", LGI2P, EMA, 2003,pp.70-75.

100. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. М.: Радио и связь, 1986, 264с.

101. Мельников Н.В., Беляев А.В. Особенности разработки микропроцессорной системы регулирования частотного асинхронного электропривода//Вестник МЭИ, 1995, №-2, с.63-66.

102. Мельников Н.В. Электроприводы в бытовой технике //Приводная техника, 1999, №-2, с.7-11.

103. Мельников Н.В., Пушманн Т., Лезер С. Способы измерения скорости в микропроцессорной системе электропривода//Вестник МЭИ, 1994, №-2, с.25-26.

104. Мельников Н.В. Электроприводы устройств бытовой техники. Проблемы и перспективы//Труды Ш Международной (XIV-Всероссийской) паучно-техпич.конф. по автоматизированному электроприводу. Н.Новгород, сент.2001, 2с.

105. Мельников Н.В. Методические указания "Измерение скорости в микропроцессорной системе электропривода" по курсам "Программирование МПС" и "Системы управления электроприводов'7/Изд-во МЭИ, 1995,17с.

106. Ильипский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: М.: Энергоатомиздат, 1992,544с.

107. Мельников Н.В. А.С. №-823929 СССР МКИ G 01 M 5/00. Способ определения жесткости упругих элементов исполнительного механизма.// Открытия. Изобретения. 1981.315

108. Кудрявцев A.B., Мельников H.B. Никольский A.A. A.C. №-1561180 СССР МКИ Н 02 М 7/515. Трехфазный автономный инвертор напряжения.// Открытия. Изобретения. 1990.- №16.

109. ПО.Кирюхин В.М., Кудрявцев A.B., Мельников Н.В., Никольский A.A. А.С.№-1707718 СССР МКИ Н 02 М 7/515. Автономный инвертор напряжения.//Открытия.Изобретения.1992.- №-3.

110. Грибачев С.А., Козаченко В.Ф. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumets TMS320X24X для высокопроизводительных систем встроенного управления электропрводами//"СЫр News", № 11-12, 1998, с.2-6.

111. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам//"СЫр News",№-1, 1999, с.2-9.

112. Ключев В.И.Теория электропривода: Учеб. для вузов. -3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

113. Мельников Н.В., Лезер С. Особенности разработки микропроцессорной системы управления// 1-я Межд.конф.по электромеханике и электротехнологии, г.Суздаль, 1994, с.97-98.

114. Кудрявцев A.B., Мельников Н.В., Никольский A.A., Щукин Г.А. Синхронная ШИМ в высокоскоростном электроприводе// Всесоюзная научно-техн. конференция, Суздаль, 1991, с.113-114.

115. Мельников Н.В. Шаговый электропривод в сборочном роботизированном комплексе автоматической линии// Всесоюзное совещание по робототехн. системам, Воронеж, 1984, с.117-118.

116. Мельников Н.В. Проблемы и принципы тестирования микропроцессорных систем //2-я Межд. паучно-практ. конференция, МГУ сервиса, 1999 ,с.57-58.

117. Мельников Н.В. Эмуляция микропроцессорных систем бытовых устройств//5-я Межд. Научно-технич.конференция, МГУ сервиса, 2000, с. 101-104.

118. Мельников Н.В. Логический анализ как одно из средств отладки микропроцессорных систем//5-я Межд. Научно-технич. Конференция, МГУ сервиса, 2000, с. 104-106.

119. Мельников Н.В. Модели диагностирования элементов бытовых устройств.//5-я Межд. Научно-технич.конференция, МГУ сервиса, 2000, с. 106-109.

120. Мельников Н.В., Мартынов С.А. Проблемы диагностирования электромеханической системы ведущего вала видеомагнитофона//3-я Межд.Научно-практ. конференция "Современные средства управления бытовой техникой", МГУ сервиса, 2001, с.70-71.

121. Мельников Н.В. Робототехника важнейший фактор автоматизации систем будущего/ЛУ-я Межд. Науч.-техн. конференция "Современные средства управления бытовой техникой", МГУ сервиса,2002,с.3-14.

122. Балковой А.П., Сливинская Г.А., Цаценкин В.К. Комплектный прецизионный электропривод //Тр.МЭИ. Вып.678. 2002, с.4-20.

123. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учеб. для вузов. М.: Энергия, 1980. - 360 е.

124. Подураев Ю.В. Анализ и проектирование мехатронных систем на основе критерия функционально-структурной интеграции// Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №-4, с.6-11.

125. Мб.Анализ и синтез электромеханических систем: учебное пособие по курсу "Электромеханические системы" //А.В.Ильин, Б.Р.Липай, С.И.Маслов, П.А.Тыричев. Под ред. С.И.Маслова. М: Издательство МЭИ. 1999, 76 с.

126. Третьяков С.A., CAN на пороге нового столетия, Мир компьютерной автоматизации, № 2, 1999, с.54-65.

127. Ляшук В.В. Оценка показателей надежности структурно-сложных систем с зависимыми отказами элементов: Автореферат канд. дисс.: Белорус. Гос. ун-т. Минск, 1989. - 19с.

128. Козырев Ю.Г. Перспективы развития и применения автоматических манипуляторов //Механизация и автоматизация производства, 1980,№-2,с.7-10.

129. Кругляк К. Промышленные сети: цели и средства //Журнал "Современные технологии автоматизации", издательство "СТА-ПРЕСС", №-4,2002, с.6-17.

130. Половинкин В. Основные понятия и базовые компоненты AS-интерфейса// Журнал "Современные технологии автоматизации", издательство "СТА-ПРЕСС", №-4, 2002, с. 18-29.

131. Журнал "Современные технологии автоматизации", издательство "СТА-ПРЕСС", №-1, 2002, с.65.

132. Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Проблемы ограничений в управлении системами сервиса ^Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2002, №-4(5),с.26-33.

133. Bessiere C.,http.7/\vww.lirmm.fr/~bessiere/publis.htrnl

134. Brown С.A., Purdom P. W. Jr. How to Search Efficiently // Proc. IJCAI.- 1981, p.588-594.

135. Walsh T. Depth-bounded Discrepancy Search // APES Group.

136. Freuder E.C. Synthesizing Constraint Expressions// Communications of the ACM 21, 11.1978, p.958-966.

137. Romuald Debruyne, http://debruyne.ifrance.com/ debruyne/

138. Debruyne R. and Bessiere C. Domain filtering consistencies// Journal of Artificial Intelligence Research.- 2001, v. 14, p.205-230.

139. Detcher R., Pearl J. Network-Based Heuristic for Constraint-Satisfaction Problems// Artificial Intelligence 34.- 1988,p.l-38.

140. Meseguer P. Constraint Satisfaction Problems: An Overview//AICOM.- 1989.-V.2, №-1, p.3-17.

141. Haralick R.M., Elliot G.L. Increasing Tree Search Efficiently for Constraint Satisfaction Problems// Artificial Intelligence 14.- 1980, p.263-313.

142. Detcher R. Learning While Searching in Constraint-Satisfaction-Problems Proc.// AAAI.-1986, p.178-183.

143. Bacchus F., Van Beek P. On the Conversion between Non-Binary and Binary Constraint Satisfaction Problems.

144. Bessiere C., Meseguer P., Freuder E.C., Larrosa J., On Forward Checking for Non-Binary Constraint Satisfaction.

145. Фурсин Ю.С.Дифференциальный линейный шаговый двигатель: Автореферат канд. дисс.-М.: МЭИ, 1975 .,19с.

146. ПО.Мельников Н.В.,Жигарев С.В. Математическая модель планарной электромеханической системы //Применение вычислительных средств в системах управления и контроля. Сборник научных трудов, под ред. Маслова Ю.Н.,МГУ сервиса, 2002,с.166-173.

147. AS-interface: das Actuator-Sensor-Interface fur die Automation/hrsg. Von Werner R.Kriesel.-Munchen; Wien: Hanser.Buch, 1999.

148. Гультяев A. MATLAB 5.2.Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.:КОРОНА принт, 1999,288с.

149. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие,- СПб.:КОРОНА принт,2001,320с.

150. Мельников Н.В. Математическая модель и способы управления электромеханической системой с планарным модулем//Материалы 3-й Международной конференции "Современные средства управления бытовой техникой" М.-.МГУ сервиса, 2001, с. 19-20.

151. Adjman C.S., Schweiger C.A., Floudas C.A. Mixed-integer nonlinear optimisation in process synthesis//Du D.-Z., Pardalos P.M. (eds.), Handbook of Combinatorial Optimization, Vol.1, Kluwer Acad. Publ., 1998, p.1-76.

152. Barclay A., Gill P.E., Rosen J.B. SQP methods and their application to numerical optimal control!/ International Series of Numerical Mathematics, 124 (Basel: Birkhauser, 1998), p.207-222.

153. Gill P.E., Murray W., Saunders M.A. SNOPT: An SQP algorithm for larger-scale constrained optimization// Report NA 97-2, Department of Mathematics, University of California, San Diego, 1997,p.153-162.

154. Branicky M., Bokar V., Mitter S. A unified framework for Hybrid Control: Background, Model and Theory. LIDS-P-2239, Laboratory for Information and Decision Systems, MIT, 1994.

155. Von Stryk O., Gloker M. Numerical mixed-integer optimal control and motorized travelling salesmen problems. European Journal of Control, Vol. 35 (4), (Paris: Hermes, 2001) p.519-533.

156. Bemporad A., Morari M. Control of systems integrating logic, dynamics and constraints. Automatica, 35(3), March 1999.

157. GilI P.E., Murray W., Saunders M.A. SNOPT: An SQP algorithm for larger-scale constrained optimization. Report NA 97-2, Department of Mathematics, University of California, San Diego, 1997.

158. DIRCOL .•http://www.sim.inforinatik.tu-darmstadt.de/sw/dircol/dircol.html191 .SNOPT: http://www-fp.mcs.anl.gov/otc/Guide/SoftwareGuide/Blurbs/sqopt snopt.html

159. Robert Bosh GmbH: CAN Specification Ver. 2.0, 1991.

160. Мельников H.B., Смирнов А.В. Компактность и технологичность новые составляющие нашей жизни//Материалы V-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" - М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.81-86.

161. Мельников Н.В., Илларионов Д.Н. Анализ проблем и особенностей разработки бытовых информационных систем управления//Материалы V-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.218-221.

162. Мелышков Н.В., Чевгун С.Н. Разработка и анализ математической модели планариой системы робототехнического комплекса//Материалы V-й Межвузовской научно-практической конференции "Информационные технологии в XXI веке" М. ИИТ МГУ сервиса, 2003, с.268-273.

163. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями.-М. :Энергия, 1974.-328с.

164. Мельников Н.В. Информационные технологии и робототехника важнейшие факторы автоматизации систем сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2003, №-3(8),с.9-13.