автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация микропроцессорного управления программным движением многокоординатных электромеханических объектов

РГ 5 ОД

1 ь 0111 ВЗз

На правах рукописи

Соколов Олег Анатольевич

ОПТИМИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОГРАММНЫМ ДВИЖЕНИЕМ МНОГОКООРДИНАТНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических надк

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном техническом университете

Официальные оппоненты: Заслувенный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ю.А.Сабинин доктор технических наук, профессор В.А.Новиков доктор технических наук, профессор В.Н.Дроздов

Ведущая организация: АО Особое конструкторское бюро

станкостроения (ОКБС)

Защита состоится "

1995 г. в

№

зо

часов

на заседании диссертационного совета Д 063.36.01 Санкт-Петербургского электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " ^ " е^у-? 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Деиидович В. Б.

I. ОБЩАЯ ХАР АКТЕ Р ИСТ5ИА РАБОТУ.

1.1. Актуальность проблемы. Системы числового программного управления (ЧПУ) являются универсальны!«, и пожалуй единственным, средством автоматизации индивидуального, мелко- и среднесерийного производства. Если учесть, что такого рода организация трудовых процессоз в большинстве отраслей промышленности обеспечивает выпуск 80% продукции, то становиться очевидной практическая значимость оптимизации реяимов работы оборудования с ЧПУ. Конкурентноспособность товаров и продукции массового производства предпологает возможность оперативного изменения их ассортимента. Это диктует необходимость применения средств ЧПУ а автоматических линиях» ибо только-они позволяв? ограничиться заменой программного обеспечения, без каких-либо модификаций конструкций отдельных агрегатов, схем их объединения и аппаратной части систем управления. Микропроцессорное исполнение локальных систем ЧПУ позволяет объединять их з единые управляющие сети с целью взаимной координации и синхронизации работе отдельных производственных машин, транспортных средств, приёмников исходных материалов и накопителей готовой продукции, оснащСнных устройствами автоматического входного и выходного контроля. Являясь строительным материалом гибких производственных систем (ГПС), локальные устройства ЧПУ должны открыть в ближайшем будущем возможность массового внедрения идей трудосберегающих, а в пределе "безлюдных", технологий в различные сферы нашей производственной деятельности человека. Не обойтись без систем программного управления к в области фундаментальных исследований, определяющих более отдалённую перспективу. Дело в том, что подготовка натурных экспериментов, без которых невозможны исследования, например, в астрофизике, в физике термоядерного синтеза и т.п.. занимает годы, а на получение полезной информации природа отводит столь малое время, что без автоматизации процессов наблюдений, связанных с переориентацией приборных платформ, надеяться на их успешное завершение з приемлимые сроки не приходиться., ЧПУ такими объектами как: металлорежущие станки, промышленные роботы. испытательные и исследовательские стенды, относятся к классу многомерных, сугубо нелинейных, взаимосвязанных систем. В современной теории автоматического управления задачи оптимизации систем этого класса занимают центральное место, с одной стороны, потому что они обладает широкими прикладными возможностями, а с другой - оказываются проблема-1 тичными в смысле их окончательной разрешимости.

1.2. ВДв®» работа - поиск принципов построения, формирование основ теории, разработка методов проектирования и средств реализации систем программного управления многокоординатными электромеханическими объектами, оптимизируемых по динамической точности, производительности и

энергетическим показателям в условиях жестких ограничений на информационные, вычислительные и энергетические ресурсы.

Поставленная цель достигается посредством решения теоретических и прикладных задач, смысл которых сводится к:

- выявлении проблемных вопросов и формированию концептуальных положений методологии их разрешения;

- учбту специфики аналитического конструирования алгоритмов и стратегий управления, обусловленной изменением режимов работы технологических объектов и ограничениями на ресурсы;

- формализации процедур получения оптимальных решений задач управления программным движением, ориентированных на использование средстЕ аппаратной и программной поддержки инженера-разработчика;

- проведении машинных (ЭВМ) и натурных' экспериментов, подтверждающих результаты теоретических исследований, эффективность предлагаемы) решений и корректность принятых допущений.

1.3. Методы исследований!. В методологическом плане исследованм проводились посредством сочетания системного подхода и конструктивное позитивизма. Противоречия между этими методами разрешались формированием различных моделей исследуемых процессов, основанных как на интуитивно физических представлений о причинно-следственных связях, так I на абстрактно математических соотношениях. В части использования математического аппарата отдавалось предпочтение физичным и наглядным методам функционального и гармонического анализа, и только при обобщениях использовались методы: теории аналитической и дифференциальной геометрии фазовых пространств,состояния, теории оптимальности управляемы: систем, обр^гных задач теории дифференциальных уравнений и элемент! теории множеств.

1.4. Основный полохения. выносимые на защиту.

1. Принципы структурной организации систем управления программны! движением, адекватные явной, нелпной и пвмещённым формам математического описания траекторий, которые обеспечивают ьереход от традиционно в целом разомкнутых систем ЧПУ к полностью замкнутым, имеющим следующие отличительные признаки:-, использование информации о действительно! состоянии объекта управления для решения траекторных задач; взаимосвя занное регулирование приводов степеней подвижности.

,2. Мультиструктурность систем, как средство, гарантирующее возмюя-ость оптимального использования наличных ресурсов управления.

3. Концепция синтеза оптимальных систем контурного управления, суть оторой сводится к формализации следующих процедур: получение базовых I кинематических законов управления; генерация на их основе существен-ю полного набора алгоритмов; выбор того из них, который в условиях днкретнкх ресурсных ограничений обеспечивает получение максимальной юбротности воспроизведения программной траектории.

4. Концепция синтеза систем оптимального позиционирования, суть ко-•орой заключается в формальной генерации существенно полных наборов 1Лгоритмов, обеспечивающих: автоматический выбор и смену координатного |ривода, выполняющего роль ведущего; функционирование ведущего привода •олько в режиме насыщения одной из его фазовых координат состояния ускорения или скорости); устойчивость взаимосвязанного регулирования юдомых приводов, работающих в режиме контурного управления; прогноз галожения точки на траектории, с которой начинается торможение зедуще-'о привода и системы в целом;' подход к заданной позиции без перебега, 'ешение оптимизационной задачи сводится к поиску такого распределения 1зличных ресурсов между частными задачами управления, при котором ¡беспечивается минимум времени позиционирования и энергозатрат.

5. Структурно-параметрический синтез локальных регуляторов координатных приводов, основанный на методах дифференцируемой и недифферен-деруемой оптимизации на бесконечном и фиксированном интервала* времени.

в. Методы .автоматизированного, проектирования систем управления 1рограммным движением динамических объектов, доступные широкому кругу юльзователей и позволяющие максимально ослабить влияние субъективного фактора - квалификации разработчика, на быстрое получение удовлетворительного результата. •,

7. Теоретически обоснованные и проверенные практикой технические эемения. связанные с модернизацией серийных и проекта, .званием новых ;истрм ЧПУ многокоординатными объектами различной 'технологической ориентации.

8. Решение смежных вопросов, существенно повышающих эффективность :обственно программного управления: привод главного зеихелия на объектах станочной группы; оптимизация режимов резания а целом; дпчгиирова-1ие оптимальных траекторий, для объектов манипуляторной группы, адалта-4ия к шву при выполнении сварочных работ.

5.5. Научная новизна.

1. Впервые выдвинута и развита идея о возможности полного и наилуч ¡аего использования любого, напербд заданного, объёма информационных вычислительных и энергетических ресурсов при решении многокритериаль ной задачи оптимального управления программным движением динамически объектов.

2. Доказано, что эта идея может быть реализована только в мультист руктуркых системах, в которых каядому режиму работы (контурному ил позиционному) и даже отдельным стадиям его реализации (разгон, равно мерное движение, тормоаение, подход к заданной позиции и её фиксация ставится, з соответствие свой критерий оптимальности и адекватный ем алгоритм управления (и не один, а существенно полный их набор), ча обеспечивается максимальная' степень соответствия текущей структур] системы содержанию решаемой частной задачи управления.

3. Установлено, что если искомое решение оптимизационной задачи существует (объйк наличных ресурсов превышает некоторый функциональт необходимый минимум), то оно принадлежит некоторому выявляемому шо веству,, которое «окно ограничить, придать ему свойства счйтности, наполняемости, уплотняемости и расширяемости.

4. Множество возможных решений предложено: ограничивать сверху i снизу ресурсными затратами, порядком, дифференциальных, уравнений динамики объекта управления и перечнем типовых элементов программных траекторий; - наделять свойством счйтности разделением процедур структурного и параметрического синтеза систем управления, дроблением ренимо! работы управляемого объекта на стадии последовательной реализации, генерацией промежуточных алгоритмов - элементов множества, путбм дискретных трансформаций базовых и кинематических алгоритмов; - уплотнят! алгоритмами, синтезированными известными методами, относящимися к группам аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) и обратных 31,4ач динашки управляемых систем (ОЗД УС).

5. Установлено, что наполняемость и практически неограниченная уп-лотняемостъ мноаества возможна лииь в том случае, если критерий оптимальности и их иерархическая (»подчинённость связываются только с кинематическими свойствами программного движения, а не со структурными решениями искомой системы, как это обычно делается (в явном или неявном виде) во всех, без исключения, известных методах синтеза любьа систем управления. В работе такая система сформулирована.

6. Разработан, не имеющий аналогов, метод аналитического проектирования оптимальных компенсаторов (АПОК), предназначенный для нахождения

базовых алгоритмов - верхних (по ресурсным затратам) границ множества и позволяющий наделить синтезируемую систему следующими Фундаментальными свойствами: совпадение собственных (свободных) движений с программными: ассимптотическая траекторная устойчивость в целом; естественная скаляризация векторних критериев качества управления.

7. Разработан оригинальный метод синтеза минимально достаточных кинематических алгоритмов управления - нижних границ множества, опреде-ляешх формами математического описания программных траекторий и законами движения по ним. которые (в совокупности с локальными регуляторами координатных скоростей и ускорений) наделяют синтезируемую систему свойствами полной управляемости и грубости к начальным условиям, внутренним параметрическим и вненним силовым возмущениям.

8. Предложен метод выбора из множества возможных именно тех алгоритмов (для каждого режима своих), которые в условиях конкретных ресурсных ограничений оказываются наилучшими, что гарантирует оптимальность системы ЧПУ по всем, одинаково важным, показателям кгчества -динамическая точность, технологическая производительность, минимум потерь энергии.

1.6. Достоверность теоретических и прикладных результатов исследований подтверждена машинными (ЭВМ) и натурными экспериментами. При этом возможность принятия теоретических допущений и корректность организации экспериментов определилась рядом мероприятий, таких как:

а) использование имитационного моделирования, .исключающего возникновение неустойчивости вычислительных процедур, для проверки:' моделей структурных решений и их системных свойств на совпадение со свойствами, установленными теоретическим или эвристическим путём; - главного положения о наиболее рациональном использовании ресурсов управления; -устойчивости и чувствительности систем к изменению параметров;

б) организация натурных испытаний не только на новых, но и на модернизируемых объектах в условиях предельно-достижимой чдентичности.

1.7. Практическая ценность и реализация результатов.

Предложенные принципы построения, алгоритмы управления и методология проектирования систем ЧПУ позволяют:

1. Модернизировать существующее оборудование с ЧПУ без наращивания ресурсов управления, а только за счет изменения программного математического обеспечения, добиваясь при этом: для контурных режимов - увеличения добротности воспроизведения траекторий в 1,54.5 раза на станках и в 7*10 раз на роботах; - для позиционных режимов - приближения по быстродействию и потерям энергии к идеально оптимальным с точностью

(545)% с гарантированным обходом препятствий и отсутствием перебега при достижении заданной позиции.

2. Проектировать новое оборудование с ЧПУ. в котором одновременно достигаются почти предельные показатели по динамической точности, производительности и энергетике, полученные в мировой практике по отдельности и образующие предмет "ноу-хау" ("Кпои-1юи"-англ.).

3. Оснпстить процесс проектирования формализованными -и автоматизированными процедурами, доступными широкому кругу пользователей.

Результаты реализованы в промышленности: на серийных устройствах ЧПУ типа 2Р32 и 2М43 . для станков электрофизикохимической обработки материалов (НПО "Электронмаш"); - на специализированных станках токарной группы (ЦКБМ; инженерный центр СПбГТУ); - на серийных станках фрезерной группы (лаборатория ЧПУ кафедры "САУ", инженерный центр СПбГТУ и ОКБС ПО им. Я. М. Свердлова): - на портальных роботах (ВНИИЭСО), манипуляторах антропоморфной (ЦКБМ изд. 400) и вертикалы¡о-ангулярной конс-'.рукции (лаборатория ЧПУ СПбГТУ); - на машине тепловой резки' металла типа "Кристалл" (НПО "Ритм"): - в стенде для астрофизических исследований по программе "Цифра" (ФТИ им.А.Ф.Иоффе); - на мчогокоординатном стенде для термоядерных исследований по программе "Токомак-15" (ИАЭ им. И. В. Курчатова).

Теоретические и практические результаты работы использованы: в учебном процессе на кафедре "САУ" СПбГТУ и в межотраслевом институте повышения квалификации работников промышленности при СПбГТУ; при формировании 3-х семестрового лекционного курса "Основы ЧПУ", организации учебно-исслодовательской лаборатории "Системы ЧПУ", в односеместровом курсе лекций "Оптимизация микропроцессорного управления программным движением многокоординатных технологических объектов", подкреплённых тремя учебными пособиями, а также при подготовке научных кадров. В период с 1968+1994 гг. под руководством автора подготовлены и защищены € кандидатских диссертаций.

1.8. Связь с целевыми комплексными программами. Основная часть работ выполнялась в соответствии: с решением Головного Совета по электромашиностроению, электрооборудовании и ■ электроалпаратостроению от 9.10.1989г., N10414/17; - с 1'~иказом "инвуза СССР за номером 358 01 16.05.1%6г. (раздел ,03.03); - с дополнением к программе "Оптимум", раздел Н13 (1986г.); - с решением VIП Координационного Совета по меа-вузовской комплексной программе "Оптимум" (г.Томск, 13+16 октября', 1387).

1.9. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на международном уровне: 33 международный коллоквиум "Техническая кибернетика (ГДР,Ильминау,1988)/24/; 34 международный коллоквиум "Электропривод и силовые преобразователи" (ГДР.Ильминау,1989)/29/; общереспубликанская научно-техническая конференция "Применение мини- и микроЭВМ" (ЧССР, Прага,1988 и 1990); симпозиум СССР-ГДР "Перспективы развития систем ЧПУ" (Ленинград,1988);

- на всесоюзном уровне: Всесоюзное совещание "Вентильные преобразователи с улучшенными показателями" (Запорожье,1978)/39/; IV Всесоюзное совещание по управлению многомерными система).™ (Москва, 1978)/38/; III Всесоюзное совещание по робототехническим системам (Воронеж,1984)/13/; Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы электротехнологии" (Иваново,1985); Всесоюзное научно-техническое советанио "Проблемы оптимизации работы автоматизированных электроприводов" (Душанбе, 1986)/41,42/; Всесоюзный семинар "Механика и управление дви-кением роботов с элементами искусственного интеллекта" (Москва,1986); XII Всесоюзная научно-техническая конференция по.проблемам автоматизированного электропривода (Воронеж, 1987) /46/; Всесоюзное совещание 1/1II-го Координационного Совета по межвузовской комплексной программе "Оптимум" (Томск,1987); Межреспубликанская научно-техническая конференция "Проблемы автоматизации, .-ехнологических процессов в машиностроении" (Волгоград, 1989);

- на региональном уровне: 1-ая дальневосточная региональная научно-практическая конференция (Комсомольск-на-Амуре, 1986)/43/; VWIII Межреспубликанская научно-техническая конференция вузов прибалтийских республик (Минск.1989); семинары в Центральном правлении НТО ЭиЭП (Ленинград, 1987 и 1990); семинары ЛДНТП /5, 40. 44, 45, 47, 48, 49, 50, 52, 53/ (Ленинград, С. -Пб, 1980*1992).

1.10. Публикации. По теме диссертации опубликованы Р8 работ общим объемом около 45 п.л.. из которых: 3 монографии. 33 журнальные статьи, брошюры и тексты докладов; 17 рефератов и тезисов докладов; 5 авторских свчдстельств на изобретение.

1.11. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 193 наименования, 4-х приложений. Основная часть работы изложена на 242 страницах машинописного текста. Работа содержит 78 рисунков и 26 таблиц.

- 8 -

П. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, излагаются основные задачи диссертации и положения, выносимые на защиту.

2.2. Первая глава посвящена: анализу возможности использования методов теор"ц многомерных систем для решения проблемы аналитического конструирования алгоритмов управления программным движением многокоординатных объектов (ЛДМОЬ оптимизируемым по динамической точности, производительности и энергозатратам б условиях жёстких ресурсных ограничений; - поиску методов формальной генерации всего множества структурных репений задачи ПДЩ формированию совокупности критериев оптимальности и выявлению с их помощью структурных свойств этих решений; - изучению и систематизации проблемных вопросоз с целью выработки кон-, цептуальных положений, направленных на их разрешение. Основные результата этих исследований опубликованы в работах /1, 2, 3, 17. 18. 19, 21. 23, 23. 40. 41. 43, 46/.

Специфика задачи синтеза систем программного управления состоит в том, что ока изначально монет быть поставлена только лишь как обратная задача динамики (ОЗД), не удовлетворяющая условиям Липшица о Ьущество-вании и единственности её решения. Стараниями Суслова Г. К., в части обобщения задач-Ньютона и Бертрана, установлено, что множество возможных решений ОЗД определяется произвольной вектор-функцией фазовых координат ОУ, о которой известно лишь то, что она обращается в нуль на программном движении.

Естественное стремление наделить синтезируемую систему .экстремальными свойствами в отношении нескольких, одинаково важных показателей качества управления, подкреплённое кажущейся возможностью достижения этой цели путём нахождения соответствующей вектор-функции уже не только координат сс^тояния, но и искомых управлений, наталкивается на проблему решения задачи многокритериальной (векторной) оптимизации."

Достичь экстремума одновременно по нескольким критериям теретмчесг кк невозможно, поэтому проблема выбора единственного решения из множества возможных связана, прямо и-чи косвенио, с построением каких-либо компромиссов между критериями качества. Любая схема компромисса в принципе не может быть количественно обоснована, -ибо по своей природе она является не математической, а прикладной задачей, в основе которой хотя и леват соображения здравого смысла, но всегда несвободные от субъективизма, диогозначности и вашонтаристических решений.

Корректно сформированная целевая функция, даже относительно одного доминирующего критерия качества, всегда оказывается многоэкстремальной. так как она должна отражать свойства всех возможных решений задачи программного управления. . Известные методы поиска глобального экстремума не дают полной гарантии его нахождения. По существу они являются компромисса),"и между надёжностью решения задачи и вычислительными затратами на поиск этого решения. Учёт ресурсных ограничений делают эту задачу "непробиваемой" на сегодняшний день как по состоянии теории оптимизации, так и по уроЕню развития вычислительной техники.

Анализ возможности редуцирования этой задачи привел к выводу, что можно выделить четыре направления теоретических исследований, которые способствуют решению оптимизации ПДМО: отказ от учёта инерционных свойств ОУ при решении траекторной задачи; идея "расщепления" многомерной системы на одномерные с использованием принципов автономности по степеням подвижности ОУ и обеспечения А, В- и Р. С-инвариантности к возмущающим воздействиям; сведение задач ПДМО к задачам стабилизации; решение задачи ПДМО методами исследования операций.

В работе обобщены и систематизированы свойства традиционных структур программного управления, выявлен их главный недостаток - нерациональное использование ресурсов управления, порождённый иерархической организацией этих структур, т.е. автономным решением задач моделирования программных движений и независимого воспроизведения координатных составляющих этих движений. Установлено, что методы повышения динамической точности и технологической производительности таких систем, естественно ограниченные возможностью совершенствования только структурных компонент, а не связей, к настоящему моменту практически исчерпали себя и. что оптимизация частей не тождественна оптимизации в-целой.

• Анализ состояния теории многомерных систем, возможных постановок и решений оптимизационных задач, позволил констатировать: процедура структурного синтеза как таковая отсутствует со всех ме? >дах; структуры и схемы компромиссов многокритериальных задач не выявляются, а декларируются в той или иной форме на стадии их постгловки без учёта ресурсных ограничений, что следует признать некорректным; искусственная скаляризация многокритериальных задач всегда субъективна, понятие оптимальности размыто, параметрическая оптимизация даёт «алые возмоянос-ти манёвра наличными ресурсами управления. Вероятнее всего именно по этим причинам задача векторной оптимизации ПДМО ещё не ставилась, хотя очевидно, что в условиях дефицита ресурсов, управления, потенциальные возможности их оптимального использования должны быть определявшими.

В качестве исходных идей построения предпологаемой теории аналитического конструирования существенно полной совокупности алгоритмов управления выдвигаются предположения о возможности:

- формирования системы критериев качества и их соподчинйнности только на основе кинематических свойств программного движения, а не на базе структурных решений, как это обычно делается;

- выявления всего множества существующих решений задачи управления программным движением многокоординатных динамических объектов, ограничения этого множества по ресурсным затратам сверху и снизу, придания ему свойств счбтности, уплотняемости и расширяемости;

- установления нижней и верхней границ искомого множества по формам математического описания траекторий и тем фундаментальным свойствам, которыми предпологается наделить синтезируемую систему.

Границы выявляемого множества возможных решений устанавливаются в соответствии со следующими положениями:

а) Нижней границе соответствует минимальный объбм информации о состоянии 0У, необходимый и достаточный для решения траекторией задачи -кинематические алгоритмы;

б) Верхняя граница множества искомых решений (совокупность базовых алгоритмов) определяется возможностью наделить синтезируемую систему следующими фундаментальными свойствами: совпадение собственных (свободах) движений с программными, что соответствует абсолютному минимуму необходимого принуждения системы; ассимптотическая траекторная устойчивость в целом, т.е. во всей области расширенного пространства системы, в которой имеют силу исходные дифференциальные уравнения динамики 0У; "грубость" системы к начальным условиям, внешним силовым и внутренним параметрическим возмущениям.

На рис. 1 представлены функциональные схемы структур, адекватных параметрической (ПМОТ), неявной (НМОТ) и явной (ЯМОТ) формам МОТ. Срав-. нительный ан аиз системных свойств этих структур позволил установить:

1. Структуру НМОТ целесообразно применять для решения задач контурного управления. Основанием для этого является уникальное :с свойство - возможность обеспечить астатизм системы регулирования траектории. . сохраняя при этом статизм регулирования скорости. Это свойство является великолепной предпосылкой для рационального распределения энергетических ресурсов между задачами стабилизации скорости и траектории. Главный недостаток структуры НМОТ - невозможность фиксации определенной точки на программной траектории, т.е. полная неспособность к решению задач позиционирования.

пмот

-1 I

=1 i=

ы>\ Интерполятор I I Ф I I I q,q,q

УП I-» „„ „г, ' >Q )l Приводы

I I

=>IU-f[qJP(U. ..q!P(t)] I

HMOT

r1 1 " 1 .....

I • i-—-1 Генератор

t=a> ) 4 4 4 I

УП I U-U(q.q.q) F ==>l I

f • ••

I > q.q.q

Приводы t=¿==>

ЯНОТ

«->1

-i I и

->l

I Uj - U(t)

! I u„ i f=>l U, - U(q,q,q) 1...... =>

I i_j__i

Ведущий -Приводы-

Ведомые

А

Ч| •Ч|

->

-» д

Ч| я

Рис.1

(X.

>

Рис.2

2. Структуру ЯМОТ целесообразно применять для решения задач позиционирования. Главное ее структурное свойство - возможность неограниченно долго нормально функционировать в режиме насыщения любой из фазовых координат ведущего привода, обеспечивает всегда предельное быстродейс- • твие системы в целом. Ведомые привода при этом функционируют в контурном режиме, обеспечивая обход препятствий в рабочей зоне, и их управление может быть оптимизировано по минимуму потерь. Основной дефект структуры, адекватный ЯМОТ - серъСзные ограничения на геометрию траекторий, связанные с обращением йхЛЗу и йуЛ1х в бесконечность .(на окружности таких точек четыре).

3. Структурам, адекватным совмещенным формам МОТ, присущи различные сочетания свойств ПМОТ, НМОТ и ЯМОТ. Число.таких структур огромно (порядка 2-Ю4), что открывает широкий простор для дальнейшего детального и4 исследования, однако появление новых структурных свойств в таких системах маловероятно.

4. Каждой из трех схем, адекватных ПМОТ.....НМОТ. и ЯМОТ. а также

структурам с совмещенными формами МОТ. присущи свойства как способствующие, так и затрудняющие решение поставленной в цели работы оптимизационной задачи. В связи с этим предложено искать решение проблемы оптимизации управления в области мультиструктурной организации систем воспроизведения программных движений, в которой каждому режиму работы - частной цели, ставится в соответствие определенная структурно-алгоритмическая организация, обеспечивающая наилучшее использование имеющихся ресурсов управления.

Поиску этих решений посвящены'последующие три главы диссертационной работы применительно к режимам контурного и позиционного управления, а также к локальным регуляторам ЭПК.

2.3. Вторая глава посвящена разработке общей концепции структурно-параметрического синтеза оптимальных систем контурного управления программным дыжением многокоор^инатных объектов. Основные результаты этой главы опубликованы в работах / 4, 6. 1,5. 17. 18, 21. 23, 24. 26, 28, 29. 31. 32, 33. 35. 36, 37. 38. 48. 50, 51, 52, 53/.

Суть концепции сводится к формализации следующих процедур (этапов):

1. Получение совокупности явно избыточных - базовых алгоритмов управления для воспроизведения плоских и пространственных траекторий, обеспечивающих искомым системам следующие фундаментальные свойства: совпадение собственных (свободных) движений с программными, что гаран-Лфуот максимальное использование естественных свойств ОУ и минимум необходимого его принуждения; "грубость" к начальным условиям, к внеш-

ним силовым и внутренним параметрическим возмущениям; траекторную устойчивость системы.в целом, т.е. во всей области пространства возможных состояний, где имеют силу исходные математические модели ОУ; естественная скаляризация векторных критериев качества.

?. Генерации для каждого вида траекторий существенно полного набора алгоритмов, различающихся - между собой затратами информационных и вычислительных ресурсов, необходимых для реализации цели управления. Формирование на их основе библиотеки алгоритмов управления систем ЧПУ.

3. Выбора из библиотеки такого алгоритма, ' использование которого гарантирует получение наибольшей добротности системы управления при любых (наперёд заданных) ограничениях на все виды ресурсов управления.

На примере синтеза базового алгоритма замкнутой системы воспроизведения окружности методом последовательной факторизации расширенного пространства возможных состояний искомой системы выявлены все её структурные компоненты и связи, соответствующие параллельной (в смысле реализации во времени) декомпозиции общей цели управления на частные задачи и такому агрегированию последних в Функциональные блоки, которое соответствует базовым алгоритмам управления, т.е. обеспечивает наделение системы всеми выше оговоренными фундаментальными свойствами -первый этап. Обобщённая структурная схема системы приведена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: СКИ - системный компенсатор инерци-онностей, СКС - системный компенсатор связей, ГКС - генератор контурной скорости, СРТ- системный регулятор траекторий. СРС - системный регулятор скорости.

С целью обобщения методологии синтеза базовых алгоритмов, на случай воспроизведения произвольной гладкой пространственной кривой механизмами объекта управления со сколь-угодно сложной кинематикой при любом •заданном законе изменения контурной скорости, доказана теорема следующего содержания: "Для нахождения базового алгоритма необходимо и достаточно решения двух обратных задач движения: кинемати и, доопределённой структурой системного регулятора траектории; динамики, доопределённой условием автономности продольной (полезной программной) и двух поперечных (паразитных) составляющих реального движения".

В процедурном плане методика получения компонент вектора управления сводится к замене переменных фазового пространства состояний системы путём перехода от неподвижного базиса пользователя к подвижному орто-нормированному базису, начало координат которого связывается с проекцией текущего положения управляемой точки на программную траекторию, а орты ориентируются по направлениям тех составляющих вектора реального

движения, взаимосвязь которых требуется нейтрализовать. Эта процедура выявляет все невязки, по которым организуется регулирование траектории и контурной скорости, а также компенсационные составляющие базового алгоритма. Последняя часть этой процедуры в дальнейшем именуется аналитическим проектированием оптимальных компенсаторов (АПОК). Формальный переход к конструктивному базису объекта определяет искомые управления по степеням его подвижности.

Второй этап связан с формированием существенно полного набора алгоритмов. В работе выявлен ряд способов формального их получения, важнейшими из которых являются: а) метод неконтролируемого усечения базового алгоритма, сводящийся к замене части действительных параметров движения г и а на программные R к tv, или к отбрасыванию сложно вычисляемых переменных f, г и ©; б) метод контролируемого усечения базового алгоритма - на основе дифференциальных (метод АПФР Бойчука Л.М.) и интегральных критериев оптимальности (метод АКАНС Колесникова А. А.; в) использование динамических системных регуляторов траектории (ПИ-. ПД-, ПИД-типов, релейных и адаптивных). Применяя эти методы сами по себе и в различных сочетаниях, можно сгенерировать сколь угодно плотное алгоритмов управления.

В табл. i дана выборка алгоритмов, сгенерированных для одного из простейших (но реальных) случаев воспроизведения окружности в плоскости прямоугольных координат на станке с ЧПУ. Там же для сравнения приведены: под N1 - рекурсивный алгоритм, часто используемый в традиционных системах ЧПУ, адекватных ПМОТ; под N2 - простейший (кинематический) алгоритм, адекватный (как и все остальные, включая базовый - N9) структуре НМОТ; - необходимые затраты вычислительных ресурсов (N„-число быстрых операций в секунду, б.on./с) на реализацию каждого из ■ алгоритмов при фиксированном относительном значении периода квантования Тк-Тк/Т-0. J-const (Т - постоянная времени ЗПК); - значения Тк при фиксированной информационной производительности средств управления (N„-3-i05 б.оп/с).

Третий этап связан с выбором из баша того алгоритма, котгрый в условиях конкретных ресурсных ограничений окажется наилучшим по величине относительной добротности управления D , - f (coq ) (рис. 3). Он призван

V0

решить проблему противоречия между информационной обоснованностью алгоритма управления и оперативность» его микропроцессорной реализации. Под обоснованностью понимается полнота учета: инерционных свойств ОУ; - вида программной траектории и скорости движения по ней; - кинематических погрешностей средств измерения и тех частей механизмов, которые

Таблица 1

N п / п ... . . ; тип алгоритма Алгоритмы воспроизведения окружности на плоскости (Фрагмент библиотеки алгоритмов) Тк/Т-0.1- - С0П;з1;. N„[104 (б. оп./с) ' чат Ni.-0.3-106 (б.оп. /с)» - сопз1, Тк/Т-уаг

11Тради-1ционный Рунге-Кутта: ХК(1 - Х„ 7 Д<р(У«+Хк-йч>/2); У„м - Ук * ¿^(Х^-У^Дф/г); Д|р-!Ог)Т„ 2.6 0. 86

21 ГКС+ 1(П-СРТ) их—®йУ-КтсхХ/г иу- а0Х-КтЕкУ/г 2.7 0.90

31 ГКС+ 1 ПКИ+ 1(П-СРТ) Ц, —ШоУ-К, ЕкХ/Г-2£.ТШО2 Х+Т2 иу ИаХ-МкУ/г-г^Та^У-гЧ^ 3.8 1.27

41 ГКС+ 1 их— Ш0У-(КтЕк+КдЕк)Х/Г- 1 пки+ 1 -г^гм^х+гЧ^ 1ПД-СРТ 1 иу- »а Х- (1С, +КД ск) У/Г+ \ | +2бТаа::У-Тга)з3Х 4.1 1.37 1 1

1 1 51 ГКС+ 1 их —«иг, V- (Кг ек Хек йг)Х/г ¡ПИ-СРТ | иу - ш0У-(Ктек+Ки cкdt)Y/г 3.5 ! 1.18 1

61 гкс+ 1 и,—ш0у-(итЕк+кя$скйг+к.Е)х/г 1ПИД-СРТ] иу- (идХ-(К,.Ек +К„Ек)У/г 4.1 1 1.37 '

71 ГКС+ 1 и„—иоУ-и^Ек^МММ/г- 1 1 1 ПКИ+ 1 ■ -г^Тш^Х+Т^У 1 4.6 1 1.55 1 1 ПИ-СРТ 1 иу» ©оХ-(К,Ек+К„5Ек(ШУ/Г- 1 1 1 ] | ~2ел,а)02х-т2м03х | | |

81 ш> 1 П'КИ* 1ПЙД-СРТ 1 и„ —<% у- (Кг е„ +к„ ¡ск а г+Кд ек ) х/г* -2ао1С,гХ+Гш03У 1 иу- (% X- (Кт с„ +КЛе, <П+К„ек'> У/г--2«.Ти0гУ-'Г:(о03Х 5.0 -1.65 1 1

9 ГКС+ СКИ+ (П-СРТ) +скс; базовый и, —ш0У-К7е„Х/г-(Т2 (2г»+гв-го)3) + +2С.ТЫ У/г- [ЗТ2 (г и2 +г©ш)+2Е.ТГШ2) Х/г иу - ао Х-К, У/г«- СТ2 (2п»+го-гш3) + +2£.Тгш) Х/г- (ЗТ2 (го2 +гахЬ) +2(Лги?) У/г 16.0 6.0

но охвачены обратными связями; степени соответствия избираемой структуры системы критерии качества управления; - детерминированных внешни» силовых и внутренних параметрических возмущений. Оперативность реализации определяется: числом математических операций в алгоритме (прежде всего множительно-делительных); - отношением разрядностей машинногс слова к операнда; - информационной производительностью вычислительны) средств; - возможностью распараллеливания алгоритма и использованю мультипроцессорных структур.

Процедура выбора алгоритма основана на использовании имитационногс моделирования и начинается с предварительного (без учёта ресурсных ограничений) ранжирования алгоритмов по относительной ошибке, чувствительности к изменению параметров, областям устойчивости в большом. Kaj показала практика, число претендентов на роль оптимального алгоритме Яри этом резко сокращается. В рассматриваемом случае их осталось ceut из более чем двухсот (табл.1). Далее учитываются только энергетические ограничения и детерминированные силовые возмущения (рис.3,а). В результате выявляются области: I - в которой определяющей является кинематическая погрешность механизма ОУ и средств измерения (с„), совершенствование системы в ней неэффективно; II - в котсрой фазовые координаты системы не достигают предельно допустимых значений, т.е. в не( система реализуема; III - это область,осиаеваемых технологических режимов. Заключительная стадия проектирования связана с ранжирование» алгоритмов по добротности с учетом ограничений на информационные и вычислительные ресурсы (рис.3,6). „

В нашем случае N„-0,3-10 б. оп./с, а для решения траекторной задач! используются только голономные (жёсткие по X и Y) связи (кроме базового N9, где использован полный вектор состояния (X,X.X.Y,Y,Y)?. В результате оптимальным оказался алгоритм N8, использование которого позволяет увеличить добротность (по сравнению с традиционной системо! адекватной Г МОТ) не менее чем в два раза без каких-либо изменений i аппаратной части средств управления и измерения.

Оценивая предлагаемую методологию синтеза оптимальных алгоритмо! контурного управления, следует отметить, что она сводит проблему решения "непробиваемой" многоэкстремальной векторной задачи со сложным! ограничениями к одноэкстремальний с простыми ограничениями, для гаран тированного решения которой имеется большое число надёжных алгоритмов,

2.4. Третья глава посвящена оптимизации управления процессом пози ционирования многокоординатных электромеханических объектов. Основньк результаты этой главы опубликованы в работах /5, 11, 12, 13. 15. 16,

24. 27. 33. 42. 44, 49/.

С позиции полного и наилучшего использования ресурсов управления, соответствующего обеспечению максимума векторного критерия качества (быстродействие, точность, энергозатраты) проанализированы возможности решения терминальных задач системами с различной структурно-алгоритмической организацией. Установлено, что для нелинейных объектов, таких как манипуляторы с ангулярной и антропоморфной кинематикой, режим больших рассогласований и наличие препятствий в рабочей зоне в принципе исключает возможность решения задачи оптимального позиционирования. Показано, что переход к традиционной структуре программного управления хотя и снимает проблемы'терминального управления, цо порождает новые, связанные с неполным использованием энергоресурсов, с обеспечением устойчивости с решением обратных задач планирования и воспроизведения оптимальных траектбрий. Неоднозначность и исключительная вычислительная трудоемкость решения этих задач влечйт за собой практическую нереализуемость на современных вычислительных средствах систем программного управления, оптимизированных по полному критерию позиционирования. В связи с чем предлагается мультиструктурная система квазиоптимального позиционирования, адекватная явной форме математического описания траекторий движения и органически сочетающая в себе достоинства систем программного (обход любых препятствий, гарантированная точность дости-аения заданной позиции без перебега при любом, встречающемся на практике, диапазоне изменения параметров приводов степеней подвижности объекта, существенное сокр дениа энергозатрат) и терминального (максимальное быстродействие) управления.

Предлоаена стратегия управления нелинейными объектами при заданной траектории движения, заключающаяся в следующем:

а) Ведущий привод не избирается перед началом позиционирования, г выявляется в процессе разгона по заданной траектории с ускорением, заведомо превышающим энергетические возможности всей системы. Выявление производится в структуре, адекватной неявной форме математическогс описания траекторий движения, путем сравнения текущих значений фазовьп координат всех приводов с максимально допустимыми их величинами. То: привод, любая из фазовых координат которого первой достигает предела, назначается ведущим, а все остальные - ведомыми. Это достигается пос редстром изменения структуры системы, которая становится адекватно) явной форме МОТ;

б) Ведущий привод регулируется по законам терминального управления т.е. вначале стабилизируется его движущий момент, а затем - скорост

на максимальных уровнях. Этим обеспечивается его максимальное быстродействие. На ведомые привода, работающие в режиме контурного программного управления, возлагается ответственность за воспроизведение заданной траектории, гарантирующей обход препятствий. При этом темп движения ведомых приводов не программируется, а назязырается движением ведущего привода;

в) Если в процессе позиционирования какая-либо из фазовых координат ведомых приводов достигает своего максимума (ограничения), то этот привод переводится в режим ведущего, а бывший ведущий - в режим ведомого. Этот процесс может выполняться многократно, что гарантирует движение всей системы по поверхности раздела её фазового пространства состояний на достижимую и запретную зоны и. как следствие, - минимум времени позиционирования системы в целом;

г) В процессе разгона системы выявляются законы изменения моментов инерции (ускорений) приводов как функции времени или пройденного пути. Установленные законы аппроксимируются аналитическими зависимостями и экстраполируются на этап торможения. Это даёт возможность прогнозировать момент времени или положение точки на траектории с которых следует начинать -орможение системы. Ненадёжность экстраполяции блокируется переводом ведущего 'привода на заклю"ительной стадии тормоаение в скользящий режим работы, инвариантный к изменению параметров и нагрузок. Этим обеспечивается точный.подход к позиции без перебега. Фиксация системы в заданной позиции осуществляется путём перевода только ведущего привода или всех приводов системы в следящий режим.

Разработанная стратегия позволила выявить компонентный состав структуры системы управления, необходимый и достаточный для реализации всех её функций К числу таковых следует отнести: блок выбора и смена ведущего привода, функционирующий на основе логического анализа дина- • мического состояния ОУ по схеме решения оптимизационной задачи динамического прогрг мирования градиентным методом "возможных направлений"; блок терминального управления ведущим приводом, оптимизируемого по критерию максимального быстродействия с гарантированной точностью достижения заданной позиции без перебега; блок программного управления контурными режимами работы ведомых приводов, оптимизируемого по минимуму потерь энергии с гарантией обхода препятствий в рабочей зоне; блок генерг ;ии текущего значения кон-» урной скорости рабочего органа ОУ, обеспечивающий взаимную координацию ведущего и ведомьк приводов.

Для реализации сформированной стратегии управления синтезированы существенно полные наборы алгоритмов функционирования каждого из

• - 20 -

структурных блоков. Наличие библиотеки алгоритмов позволяет пользователю наилучшим образом использовать наличный объём ресурсов, распределяя его между задачами: стабилизации движения по заданной траектории, прогнозом точки начала торможения системы; - запасом устойчивости системы: - генерации максимально возможного текущего значения скорости. Такие системы всегда гарантированно обеспечивают обход препятствий, требуемую точность достижения позицйи и воспроизведение оптимальной или неоптимальной траектории за минимальное время, определяемое её энергетическими возможностями.

Изучен вопрос планирования оптимальных траекторий. Установлено, что для любой кинематической схемы рабочей машины (например, манипулятора) всегда существует плотное множество траекторий оптимальных в том смысле, что за обход препятствий не приходится платить дополнительным временем позиционирования и даже экономить при этом энергию. Для того чтобы это оказалось возможным в полной мере необходимо иметь свободу планирования сцены взаимного расположения обслуживаемого оборудования и манипулятора при заданной его конструкции, и наоборот. Количественно эти соотношения определяются пропорциями "золотого сечения", рядом Фибоначчи и "золотым вурфом". Из всех возможных траекторий, отвечающих этим условиям наиболее приемлемым для реализации являются две прямые, сопряжённые винтовой линией. Соотношение путей, проходимых приводами степеней подвижности, тоже должны подчиняться упомянутым соотношениям трёх частей к целому и между собой. Мощности приводов первых трёх переносных степеней подвижности должны быть равными, а соотношение скоростей и крутящих моментов должны подчиняться тем же соотношениям.

Машинные эксперименты (имитационное моделирование) показали, что такого рода кибернетические системы позиционирования, в которых систо-■ ма сама принимает решения, связанные с изменением структуры и алгоритмов функционирования, позволяют приблизиться к идеально оптимальным процессам с точностью (5-15)%. при этом обход препятствий и подход к заданной позиции без перебега гарантируется. В системе были обнаружены эффекты: корпоративного действия - борьба за роль ведущего привода, выразившиеся в возникновении режимов скольжения; колебательности вокруг точки позиционирования; кооперативного действия, проявившийся в том. что время достижения конечной позиции оказывалось меньшим предельно возможного при независимом терминальном управлении каждым из приводов в отдельности. .Корректировка алгоритмов переключения структур позволила устранить негативные (первые два) явления .

2.5. Четвёртая глава посвящена оптимизации локальных регуляторов координатных электроприводов (ЭПК). Основные результаты этой главы опубликованы в работах / 7. 8. 9, 19. 20. 22, 25. 39. 47/.

На основе изучения свойств и алгоритмов функционирования систем управления программным движением, сформированы обо'б-^нные требования к динамическим характеристикам. ЭПК и сформулирована задача из структурно-параметрического синтеза.

Произведен анализ традиционных методов синтеза одномерных систем управления, в результате которого установлено, что (несмотря на их многочисленность и разнообразие) в концептуальном плане они отражают всего лишь два существенно различных подхода. Первый из них связан с принципом обратных задач динамики и предпологает использование эталонной системы, с помощью которой задается предписанное движение, реализуемое синтезированными законами управления. .Всю совокупность этих методов можно отнести к группе дифференцируемой оптимизации на бесконечном интервале времени. Второй подход ориентирован на получение систем предельного быстродействия и предпологает использование разрывного управления. Всю совокупность этих методов можно отнести к группе недиф-ференцйруемои оптимизации систем на фиксированном интервале времени. С позиции оптимального использования энергетических, информационных и вычислительных ресурсов управления обоснована необходимость синтеза координатных приьодов, методами принадлежащими к различным группам.

Предложен метод дифференцируемой оптимизации координатных электроприводов. базирующийся на использовании нормированных дифференциальных уравнений с симметрично расположенными и равными по величине коэффици-.ентами. Отличительными особенностями метода являются: поиск структуры системы управления приводами в классе систем модально-подчиненного регулирования параметров движения; возможность минимизации информационных ресурсов управления без потери качества за счёт допустимого сокращения числа измеряемых или восстанавливаемых компонент полного вектора состояния системы; возможность обеспечения малой чувствительности системы к изменению параметров. Найдены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между настройками регуляторов и средств коррекции, параметрами неизменяемой части привода, коэффициентами эталонных нормированных дифференциальных уравнг чий и значениями показателей качества переходных процессов в системе. Предложены варианты упрощения исходной структуры и определены условия их применимости.

Предложен метод недифференцируемой оптимизации координатных элект-ропризодов на фиксированном интервале времени, базирующийся на исполь-

зооание алгоритмов предельных регуляторов ("дид-бид" - алгоритмы), обеспечивающих бесколебательныо переходные процессы минимальной длительности. Отличительными особенностями метода являются: ориентация на различные формы математического описания ОУ и на микропроцессорную реализацию законов управления; минимизация чувствительности системы к изменению параметров объекта, к ограничениям фазовых координат и управляющих воздействий путем введения в алгоритм работы регуляторов дополнительных (субоптимальных) шагов фиксированной длительности.

Найдены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между параметрами объекта, периодом квантования управлений, порядком алгоритма регулятора и способом измерения контролируемой фазовой координаты. Разработан пакет прикладных программ для автоматизированного проектирования локальных регуляторов ЭПК, с помощью которого можно получить. сравнить между собой и отобрать те алгоритмы, которые в условиях конкретных ограниченйй на ресурсы управления обеспечивают приближение динамического поведения приводов к динамике колебательного звена с наперед заданными значениями колебательности и длительности переходного процесса.

2.6. Пятая глава посвящена анализу и обобщению результатов экспериментальных исследований многокоординатных электромеханических объектов. оборудованных мультиструктурными замкнутыми в целом системами ЧПУ. разработанными в полном соответствии с принципами построения, методами проектирования и способами реализации, предложенными и обоснованными р теоретической части диссертационной работы. Все натурные эксперименты проводились на реальных объектах производственного и научного назначения, которые были получены гутйм модернизации типового серийного оборудования, либо спроектированы и построены заново. Постепенный переход от промышленных образцов - прототипов (вначале это замена только программных средств управления, затем - ещО и аппаратных, а потом - основных узлов самих объектов) к полностью новым изделиям, с одной стороны, охват значительного спектра возможных применений (металлообрабатывающие станки 'фрезерной, токарной и электрофизикохимичес-крй групп общего и специального назначений; машины тепловой резки металлов; манипуляторы промышленных роботов с портальной, ангулярной и антропоморфной кинематикой; исследовательские стенды), с другой стороны, позволили накопить опыт совершенствования систем управления программным движением, достаточный для констатации следующих фактов.

1. Теоретически прогнозируемые количественные характеристики качества управления программным движением совпадает с реальными с точ-

ностьга не меньшей (10-20)% для оборудования, принадлежащего к станочным 'и манипуляторным группам соответственно.

2. Модернизация серийных устройств ЧПУ станочной ориентации с информационной производительностью <3•105 б.оп./с (типов 2С42, 2Р32, 2М43 и т.п.), сводящаяся к замене только прикладкой части штатного программно-математического обеспечения (ПрО) и не предусматривающего каких-либо изменений как в аппаратной части средств управления, так и в конструкции управляемых объектов, позволяет повысить добротность контурных режимов станков всех групп класса точности "Н": на чистовых проходах в 2,5-4,5 раза в диапазоне скоростей подач 200-1600 мм/мин; на черновых проходах в 1,5-3,0 раза на скоростях подач 200-600 мм/мин. С повышением Ыи >106 б. оп./с и класса точности станков (П,В.А и С) эффективность оптимального использования ресурсов управления возрастает.

3. Применение на станках замкнутых в целом систем ЧПУ в сочетании с приводом главного движения, обеспечивающим непрерывность глубокого регулирования скорости (0 >100) при гиперболической сб связи с максима-

(л

льно допустимым моментом нагрузки, т. е. с сохранением постоянства мощности /54/, открывает возможность автоматической стабилизации режимов резания на оптимальном уровне, что позволяет дополнительно повысить их производительность в 1,2-1,7 раза в зависимости от типа станка, условий его эксплуатации и вида обрабатываемой поверхности.

4. Информационной производительности современных микропроцессорных средств (N„»5-10е б.оп./с - в одном процессоре) вполне достаточно для реализации оптимального управления любыми объектами станочной группы (включая машины тепловой резки и портальные сварочные роботы) при сколь угодно радикальном изменении их конструкций, связанном, например. с переходом к скоростным режимам обработки (Ук И0 м/мин) посредством использования высокомоментных (Ху >8) приводов подач. Добротность воспроизведения типовых элементов траекторий (0 ,) достигает при этом

! - 1 У" значений 2 10 с , что в 6-8 раз выше исходной.

5. Ограничиться изменением только прикладной части ПрО при модернизации систем ЧПУ объектами манипуляторной группы, к сожалению,' невозможно (в отличии от станочных, см.п.2), так как серийные устройства управления (УКМ-772, Сфера-36 и т.п.) не обладают достаточной информационной производительностью (Ни>2-107 б.оп./с) для решения п реальном масштабе времени прямой и обратной задач кинематики. Необходимость решения этих дополнительных задач обусловлена несовпадением конструктивного базиса манипуляторов ангулярных и антропоморфных кинематических схем с технологическим базисом пользователя. Более того, создание даже

многопроцессорного устройства ЧПУ с NH =1Q8 б.оп./с на традиционных процессорах последовательного действия до сих пор остается весьма проблематичной задачей. Уникальное свойство замкнутых в целом систем ЧПУ - отсутствие эффекта накопления погрешностей вычисления управляющих воздействий, да£т возможность решить эту задачу путем сочетания .процессоров параллельного (цифровые дифференциальные анализаторы) и последовательного действия в едином управляющем комплексе "Цифровая интегрирующая машина - микроЗВМ" /19,45/.

6. Использование вычислительных средств с N„>108 б.оп./с для оптимизации контурных режимов работы объектов манипуляторной группы позволяет увеличить добротность системы управления (D ) практически на nove

рядок, а для позиционных режимов - приблизиться к идеально оптимальным процессам с точностью (5-15)9!. при этом обход препятствий и достижение конечной позиции без перебега гарантируется.

Результаты этой прикладной части работы, опубликованные в /10, 13. 14, 30, 34, 45. 54, 55. 56, 57. 58/, следует рассматривать как свидетельство: достоверности основных научных положений диссертации, корректности принятых допущений и методов исследований; высокой эффективности и новизне предложенных способов повышения динамической точности, производительности и энергетических характеристик оборудования с ЧПУ за счбт полного и наилучшего использования наличных ресурсов управления; доступности инженерной практике методов аналитического конструирования систем оптимального управления программным движением многокоординатных электромеханических объектов; достаточности уровня формализации всех процедур для реализации системы автоматизированного проектирования; возможности выявления смежных вопросов и проблем, решение которых позволяет существенно повысить эффективность основных методоз управления собственно программным движением.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность исследований выполненных в диссертационной работе образует новое научное направление в области теории многомерных систем, обобщающее принципы структурных решений, методы аналитического конструирования алгоритмов и стратегий управления программным движения электромеханических объектов различной технологической ориентации, практическая значимость которого определяется:решением важной проблемы существенного повышения динамической точности, производительности и энергетических характеристик систем ЧПУ за счСт полного и наилучшего

использования наличных ресурсов, выделяемых для реализации цели управления; широтой сферы практического применения; перспективой использования в составе ГПС; разработкой инженерных методик проектирования; достаточностью уровня математической формализации результатов для организации систем автоматизированного проектирования.

Основные результаты работы сводятся к следующим положениям.

В части принципов построения систем управления:

1. Выявлены новые принципы структурно-алгоритмической организации систем управления программным движением (адекватные явной, неявной и совмещённым формам математического описания траекторий), обеспечивающие переход от традиционных в целом разомкнутых систем ЧПУ к полностью замкнутым, отличительными признака).«) которых являются: зависимое решение задач моделирования и воспроизведения программных движений; взаимосвязанное регулирование приводов степеней подвижности управляемого объекта; использование информации о действительном состоянии объекта для решения траекторных задач.

2. Установлено, что ни в одной фиксированной структуре не мозет быть реализована идея полного и наилучшего использования наличных ресурсов при решении сколько-нибудь обобщённой задачи программного управления. В связи'с чем в качестве ср детва решения задач векторной оптимизации контурных и позиционных режимов предложена мультиструктур-ная организация замкнутой в целом системы, в которой;

а) каждому режиму работы (контурному и позиционному) и дане отдельным стадиям их реализации ставится в соответствие своя структура (и не одна, а существенно полный их набор) и свой критерий качества, что определяет максимальную степень соответствия структуры системы содераа-нига решаемой частной задачи;

б) оказалось возможным предельное сокращение вычислительных затрат, . благодаря тому, что стратегии безударного переключения структур реализуются только ла основе элементарного логического анализа динамического состояния объекта управления;

в) отсутствует эффект накопления г"грешности вычисления, а потому отпадает необходимость увеличения разрядности операндов и использования каких-либо итерационных или рекурсивных процедур.

3. В качестве средства обеспечения "грубости" системы управления к внешним си,.овым и внутренним параметрическим возмущениям рредлонеко включать в структуру статические и динамические (в том числе и адаптивные) системные регуляторы программных траекторий. Это позволило редуцировать исходные динамические модели ОУ высокого порядка и тем са-

. - 26 -

. избежать известного эффекта "проклятия размерности".

3 части фортровагтя основ теории:

1. Принят постулат о возможности: выявления всего множества возможных решений задачи управления программным движением динамических объектов; ограничения этого множества по ресурсным затратам снизу и свер- < ху; придания ему свойств счётности, уплотняемое™ и.расширяемости.

2. Найдены: нижняя граница множества - кинематические алгоритмы, определяемые формами математического описания траекторий и законами движения по ним; верхняя граница множества - базовые алгоритмы, определяемые математической моделью объекта, видом траектории и перечнем тех фундаментальных свойств, которыми предпологается наделить синтезируемую систему.

3. Предложены методы формирования существенно полных наборов алгоритмов, основанные на трансформациях базовых и кинематических алгоритмов. Уплотняемость'множества достигается использованием известных методов' синтеза многомерных систем стабилизации, принадлежащих к группам АКОР и ОЗД УС. Счётность множества достигается разделением режимов работы системы, ограничением порядка дифференциальных уравнений её динамики, фиксацией перечня типовых элементов программных траекторий.

4. разработан метод аналитического проектирования оптимальных компенсаторов (АЛОМ для нахождения базовых алгоритмов, позволяющих наделить синтезируемую систему следующими Фундаментальными свойствами: совпадение собственных (свободных) движений с требуемым программным; обеспечение асимптотической траекторной устойчивости в целом: автономность продольной относительно траектории (полезной) и поперечных (паразитных) составляющих движения.

В части разработки методологии проектирования:

1. Сформированы банки алгоритмов и стратегий управления системами с различной структурно-алгоритмической организацией для воспроизведения типовых плоских и пространственных элементов траекторий.

2. Разработаны библиотеки имитационного моделирования на ЭВМ: объектов управления; структурных компонент (функциональных блоков) систем управления; операционных систем их взаимодействия.

3. Формализованы процедуры выбора из банков алгоритмов и стратегий управления тех решений, которые в условиях конкретных ресурсных ограничений обеспечивают наиболее полное удовлетворение векторного критерия оптимальности.

4. Совокупность перечисленных выше проблемно-ориентированных программ является достаточным условием для полной автоматизации процесса

проектирования.

В части разработки методов и средств реализации:

1. Предложены способы реализации в целом замкнутых систем ЧПУ, суть которых сводится к охвату единым контуром глобальной обратной связи устройства ЧПУ. координатных приводов, а если технически возможно, то и механизмов объекта управления. Практически это достигается использованием измеряемых координат для решения траекторных задач в соответствии с теми алгоритмами и стратегиями управления, которые оказываются оптимальными в условиях конкретных ресурсных ограничений.

2. Станочные системы ЧПУ реализованы на серийных аппаратных средствах, а необходимые изменения касались только прикладной части Про. Системы управления манипуляторами ангулярных кинематических схем промышленных роботов реализованы на специализированном вычислительном комплексе "ЦИМ-микроЭВМ" с полной заменой программного обеспечения.

В части проверки достоверности и оценки эффективности..

1. Достоверность теоретических положений и корректность принятых допущений определялись путбм сопоставления прогнозируемых показателей качества программного движения с результатами машинных (ЭВМ) и натурных" экспериментов. /Расхождение этих оценок укладывается в (15+20)%, что можно признать вполне приемлемым для инженерной практики проектирования нелинейных систем такого класса.

2. Модернизация станочных систем ЧПУ без изменения аппаратных средств позволила для контурных режимов повысить добротность воспроизведения программных траекторий в 1,554,5 раза. При этом условиями ограничивающими дальнейшее повышение добротности оказались стойкость наличного режущего инструмента и информационная производительность вычислительных средств (порядка 3105 б.оп./с).

3. Использование специализированных вычислительных средств для управления контурными режимами промышленных роботов позволило увеличить добротность в 7+10 раз, а для позиционных реаимов - приблизиться по быстродействию и потерям энергии к идеально оптимальным с точностью до (5+15)56 с гарантированным обходом препятствий и отсутствием перебега при позиционировании.

Опубликованные работы i.j теме диссертации.

Монографии:

1. Соколов O.A. Контурные системы числового программного управления станками и промышленными роботами: Учеб. пособие.- Л.: ЛПИ, 1982.- 81с.

2. Соколов O.A. Электроприводы станков и промышленных роботов с

' - 28 -

числовым программным управлением: Учеб. пособие.- Л.: ЛПИ, 1985.- 86с.

3. Соколов O.A. Микропроцессорные системы программного управления станками и роботами: Учеб. пособие. - Л.: ЛПИ. 1989. - 100с.

Статьи и тексты докладов:

4.Соколов O.A. Метод оценки устойчивости двухстепенных систем автоматического регулирования//Труды ЛПИ, МЗОЗ/Элементы и системы автоматического управления промышленными установками. - Л.: Энергия, 1969.-С. 146-150.

5. Соколов O.A. Синтез иерархически организованной системы управления исполнительными устройствами роботов и манипуляторов//Системы управления 4 исполнительными устройствами роботов .и манипуляторов.-- Л. ': ЛДНТП. 1980. - С. 42-48.

6. Соколов O.A. Частотно-векторный метод синтеза двумерных систем автомагического управления//Вычислительные. измерительные и управляющие системы.-Л.:Труды ЛПИ, N372,1980.-С.98-102,(Соавторы: Ортега Р.С).

7. Структурно-параметрический синтез электрического вала двустороннего действия/УЭлектрооборудование промышленных предприятий. - Чебоксары: изд-во Чувашского ун-та, 1982. - С.64-75, (Злобин А.Г.).

8. Моделирование цифровых следящих систем роботов на ЭВМ//Вычисли-тельные, измерительные и управляющие системы. - Л.: Труды ЛПИ, N381, 1982. - С.47-50, (Ростов Н.В.).

9. Структурно-параметрический синтез электроприводов постоянного тока с упругой кинематической цепью//Межвуз.сб."Электрооборудование и машиностроение", N37.- Киев: изд-во "Техн1ка", 1983.-С.6-15. (Злобин А.Г.).

10. Динамические возможности бесконтактного моментного двигателя постоянного тока//Системы управления и цифровой обработки информации.-Л.: ВНИИЭлектронмаш, 1987. - С.35-45, (Васильев Н.Ф.).

11. Система позиционирования с многопараметрической коррекцией параметров движения//Межвуз. сб."Системы управления вентильными электроприводами промышленных установок". - Л.: изд-во СЗПИ, 1984. - С.19-27, (Винницкий А. В., ШаудерФ.).

12. Квазиоптимальное управление нестационарными системами позиционирования промышленных роботов/УМежвуэ.сб."электропривод промышленных установок, роботов и манипуляторов N30. - М.: изд-во МЭИ, 1984. -С.72-81, (Винницкий А.В.. ШаудерФ.).

13. Программно-алгоритмическая адаптация позиционных систем промышленных роботов с нестационарными параметрами//Сб.трудов 3-го Всесоюзного совещ. по робототехн. системам, Ч. 4,- Вороне»: изд-во ВП'И, 1984. -С.72-81, (Винницкий A.B.).

14. Микропроцессорное управление согласованным движением элект-роприводом//Вычислительные, измерительные и управляющие системы.

-Л.: Труды ЛПИ, N407, 1985. - С. 32-38, (Гайтнер Г. X.).

15. Повышение точности воспроизведения пространственных кривых электроприводами промышленных роботов//Электрическцр устройства и системы управления промышленных роботов. - Вороне»: изд-<зо ВПИ, 1985.

С. 64-69, (Злобин А.Г., Курмашев А.Д.).

16. Программно-алгоритмическая адаптация приводов промышленных роботов/ /Электромеханические устройства и системы управления промышленных роботов. - Вороне»: изд-во ВПИ, 1985. - С.7-16, (Винницкий A.B.).

17. Регулятор траектории для двухконтурной системы ЧПУ//Межвуз. сб. "многомерные электромеханические системы". - Л.: изд.. СЗПИ. 1986. -С.95-102, (Беляев А. Н., Яблоко Л. М.).

18. Регуляторы траектории в замкнутых системах ЧПУ//Судостроительная промышленность. Серия:: Навигация и гироскопия. Вып. 16.- Л., 1986. -С. 70-75, (Беляев А. Н., Яблоко Л. Н.).

19. Типовые регуляторы электроприводов на основе цифровой интегрирующей машины//Меквуз. сб.: Автоматизация электроприводов на базе микропроцессорных "редств, N100. -м.: изд. МЭИ. 1986. - С. 64-71, (Битениекс А. А. и др).

20. Синтез следящих систем с упругой кинематикой//Сб.науч.трудоз ЛПИ. - Л.: Труды ЛПИ, N414, 1986. - С. 49-52, (Злобин А. Г.).

21. Замкнутые системы ЧПУ технологическим оборудованием//Ме»вуз. сб.: Вычислительные, измерительные и управляющие системы.- Л.: изд. ЛПИ. 1987. - С. 123-127, (Беляев А. Н.).

22. Синтез структуры и расчёт параметров средств коррекции электроп- > риводов постоянного тока с упругодиссипативным звеном//Меасвуз. сб. "Теория и расчёт электрооборудования и средств автоматизации промышленных • установок". - Хабаровск: ХабПИ, 1987. - С.52-58, (Злобин А.Г.).

23. Замкнутые системы числового программного управления//Меавуз. сб.: Систеш автоматического управления приводами. - Чебоксары: из„. Чуваш, ун-та, 1988. - С. 4-10, (Беляев А. Н., Яблоко Л. М.).

24. Оптимизация микропроцессорного управления программным двияением многокоординатных технологических объектов// 33 Intern. Wlss.Kol 1., DDR TH Ilmenau, 1988, Vortaßsreie А. 1 "Technische Kybe^netlk/Automatlslr-unßstechnik" Heft 1, S.285-289 (на русском).

25. Формализация синтеза электроприводов с упругой кинемгтикой//Меа-вуз.сб.: Робототехнические и автоматические устройства и системы. -Л.: изд. СЗПИ, 1989. -С.20-27, (Злобин А.Г.. КветкаВ.И.).

/

. - 30 -

26. Замкнутые системы ЧПУ роботами//Межвуз. сб.: Системы управления и электроприводы роботов. - Воронеж: изд. ВПИ, 198Ö. -С.66-79, (Беляев А. Н. и др.).

27. Структурная оптимизация управления движением многокоординатных технологических объектов//Межвуз. сб.: Вычислительные, измерительные и управляющие системы, N430.-Л. :ЛПИ, 1989.-С. 63-69, (Барсегов М.А. и др.).

28. Автономность и устойчивость в задачах управления программным движением.//Межинститут.сб.: Управление в оптических и электромеханических системах. - Л.: изд. ЛИТМО, 1989. (Барсегов М,А., Беляев А.Н.).

29. Взаимосвязанное регулирование электроприводов в системах программного управления станками и роботами//34 Intern.Wlss.Kol1., DDR TH Ilmenau, 1989. Vortagsreie A3."Elektrische Antrlbe und Leltungsclektro-nlk\ Heft 1, S.243-246. (на русском).

30. Опыт совершенствования структурно-алгоритмической организации контурных систем ЧПУ. - Л.: ЛДНТП, 1990. - 28 с.. (Беляев А.Н.).

31. Микропроцессорное управление программным движением взаимосвязанных электроприводов//В кн. Автоматизированный электропривод/ Под ред. Н. i.Ильинского, М.Г.Юнькова. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.324-327, (Беляев А. Н., Курмашев А.Д.).

32. Синтез квазиоптимального регулятора траектории в задачах воспроизведения обобщённой пространственной кривой//Межвуз. сб.:Вычислительные, измерительные и управляющие системы.-Л.: изд.ЛПИ, 1990. -

С.92-95. (Барсегов М.А., Глазов A.B.).

33. Взаимосвязанное регулирование электроприводов в системах оптимального управления программным движением многокоординатных технологических объектов//Науч. метод.сб.:' Систем, автоматического управления. --Л.: изд. ЛПИ, 1990. - С. 101-115.

34. Взаимосвязанное регулирование электроприводов как средство оптимизации процессов механообработки резанием//Вычислигельные, измерительные и управляющие системы: Труды ЛГТУ. - Л.: изд. ЛГТУ. 1991. -С.102-105, (Злобин А.Г.. Душек В.).

35. Результаты сравнительных исследований цифровых регуляторов программных траекторий//Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Труды СПбГТУ,N447.- СПб.: изд.СПбГТУ. 1993.-С.45-53. (Катти А.).

36. Оптимизация взаимосвязанного регулирования электроприводов в системах воспроизведения программных движенйй//Вычислительные, иамери-тельные и управляющие системы: Труды СПбГТУ, N449.- СПб.: изд. СПбГТУ, 1994. - С. 113-124. (Массука Д. П., Дорантес Г.Д.Х.).

¡Рефераты и тезисы докладов.

37. Устойчивость двухстепенных систем автоматического управления// Электротехника и энергетика. Р.Ж. N11, Серия 11к, реф. 12. - М.: 1969.

38. Об одном методе синтеза полиинвариантных многомерных систем// Сб. трудов IV Всесоюз.совещ. по управлению многойеоных систем. - М. Информэлектро, 1978. - С.24-26, (Ортега Р. С.).

39. Вопросы построения электроприводов роботов//Сб. материалов Всесоюз. совещ.: Вентильные преобразователи с улучшенными показателями. -Запорожье, 1978, (Доманов И. И. и др.).

40. Повышение производительности и динамической точности станкоз с ЧПУ//0пыт автоматизации, проектирования и управления электромеханическими системами в условиях ГАП. - Л.: ДДНТП. 1985. - С.'20-24, (Беляев А. Н. и др.).

41. Микропроцессорные электромеханические, системы зоспроизведения траекторий//Проблемы оптимизации работы автоматизированных электрслри-водов/Тез. докл. Всесоюз. совещ. ( Душанбе, сентябрь 1986).- Л.: ЦПНТО Э и ЭП. 1986. - С. 140-141, (Беляев А. Н.) .

42. Микропооцессорная система управления приводами промышленного ро-бота//Тез. докл. рсесоюз. научно-техн. совещ. "Проблемы оптимизации работы автоматизированных электроприводов". - Л.: ЦПНТО 3 и ЭП, 1986.

- С.93-95, (Винницкий А. В., Ундаров С.А.).

43. Управление' электроприводами в системах формообразования//Совер-шенствование электрооборудования и средств автоматизации/Тез. докл. 1-й Дальневосточный конференции, Комсомольск-на-Амуре, май 1986.- КнАПИ, 1986. - С. 64-65. (Беляев А.Н.).

44. Мультимикропроцессорная система индивидуального и группового управления роботами//Разработка автоматизированных систем управления электромеханическими исполнительными исполнительными устройствами ро- ' ботов и манипуляторов.-Л.:ДДНТП, 1986.-С,62-66, (Винницкий A.B. и др.).

45. Микропроцессорный вычислительный комплекс для. управления промышленными роботами//Разработка автоматизированных систем управления электромеханическими исполнительными устройствами роботов и манипуляторов. -Л.: ЛДНТП, 1986. - С. 66-70, (Битениекс A.A. и др.).

46. Микропроцессорное управление программным движением взаимосвязанных электроприводов//Тсз; докл. X Всс-иоз. научно-технич. конференции по проблемам автоматизированного электропривода. (Воронеж, сентябрь 1987).

- М.: Информэлектро. 1987. - С. 45-47, (Беляев А.Н. и др.).

47. Автоматизация процедур синтеза цифровых регуляторов/Математизация машиностроения на базе новых элементов и устройств.- Л.: ЛДНТП,

/

1938. - С.37-42. (Злобин А.Г.. Кветка В.И.).

48. Структурный синтез замкнутых систем ЧПУ//Автоматизация машиностроения на базе новых элементов и устройств. - Л.: ЛДНТП. 1988. -- С.42-45, (Барсегов М.А. и др.).

49. Системы позиционирования промышленного робота//Полупроводнико-вые электроприводы с цифровым и цифроаналоговым управлением. - Л.: ЛДНТП. 1989. - С.42-45. (Курмашев А.Д.. Ундаров С.А.).

50. Адаптивное управление в контурных задачах//Полупроводниковые электроприводы с цифровым и цифроаналоговым управлением. - Л.: ЛДНТП. 1989. - С.23-27, (Барсегов М.А., Глазов A.B.).

51. Микропроцессорное управление программным движением взаимосвязанных электроприводов//Проблемы автоматизации технологических процессов

w в машиностроении/Сб. трудов мекреспуб. конференции, Волгоград, октябрь 1989. - ВДНТ, 1989.1 - С. 148-150, (Глазов A.B. и др.).

52. Устойчивость замкнутых систем контурного управления//Электроп-ривод с цифровым и цифроаналогрвым управлением.г Л.: ЛДНТП. 1991. -С. 78-84, (Барсегов М. А.. Соколов 0. А.).

53. Релейно-взаимосвязанное регулирование электроприводов в системах воспроизведения программных траекторий//Электропривод с цифровым и цифроаналоговым управлением, - СПб.: ЛДНТП. 1992.- С.22-27, .(Шатти А.).

Авторские свидетельства на изобретения.

54. A.C. 278356 СССР. МПК В 23Ь 19/02. Привод шпинделя токарных ста-нксв/Соколов 0.А.-1232789/25-8: заявл.09.04.68: опубл.05.08.70;Бюл. N25.

55. A.c. Р97057 СССР. МПК G 06k 7/02. Пневматическое считывающее устройство/ Мизецкая М.В.. Соколов O.A. - 1338911/18-24: заявл.23.06.69; опубл. 02.03.71; Бюл. N9.

56. A.C. 308627 СССР. МПК В 25J 3/00. Копирующий манипулятор/Вороши-'лов М. С.. Жулин В. А., Каратаев 0. Б.. Парамонов В. Е.. Петров Б. А.. Соколов O.A.. Хмелев А.Д., Яковлев A.B. - 1353763/26-25; заявл. 30.07.69;

4 выдано 13.04.71.

57. A.c. 137158 СССР. Устройство управления/ Соколов 0.А..Лутов Е.И., Паршуто В.П. - 2296318/021451; заявл. 11.10.76; выдано 12.11.79.

58. A.c. 1164657 СССР. Кл. G 05 В 11/1. Устройство для управления копирующим манипулятором/ Злобин А. Г.. Соколов O.A., ЛПИ - 3592101/24-24; заявл. 18.05.83; опубл. 30.06.85; Бюл.N24.'

¿чк. КО.. ic.C4.Q5.

Слчкт-Петербургский государственный технический университет Издателъско-полигра5ический центр СПбГТУ Адрес университета и ЛПЦ: 195251, С-Петербург,

олитехническая ул., 29.