автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование самонастраивающихся систем двустороннего действия копирующих манипуляторов с активным отражением усилия

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЛЯНСКИЙ Александр Федорович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ САМОНАСТРАИВАЩИХСЯ СИСТЕМ ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ КОПИРУЮЩИХ МАНИПУЛЯТОРОВ С АКТИВНЫМ ОТРАЖЕНИЕМ УСИЛИЯ

Специальность 05-13-07 - автоматизация технологических процессов

и производств, по техническим наукам

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

ВЛАДИВОСТОК

19 9 4

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация и управление техническими системами" Дальневосточного государственного технического университета

Научный руководитель : доктор технических наук,

профессор ФИЛАРЕТОВ В.Ф.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЩЕЛКОВ Л.Т.

кандидат технических наук, КОСТЕНКО В.В.

Ведущее предприятие ! НИИ "Берег"

Защита диссертации состоится " Ь "■ 1994 года

в час. на заседании специализированного совета К064.01.08

в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690000, г.Владивосток, ул.Пушкинская, 10, ауд. А306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан 1994 года.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент Ю.М.Горбенко

сз^-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих областях современной науки и техники существуют виды работ,, требующие выполнения сложных ма-нипуляционных операций в условиях, опасных для жизни и здоровья человека. К таким областям относятся прежде всего работы в зонах с наличием радиоактивного излучения, работы с взрывчатыми и отравляющими веществами, подводно-технические работы и т.д. Основным техническим средством выполнения работ в этом случае являются манипуляторы.

Недетерминированность условий рабочей зоны при выполнении таких работ делает нецелесообразным, а часто просто невозможным, использование манипуляционных роботов, действующих автоматически. Единственно возможным в настоящее время способом обеспечения функционирования манипуляторов в зонах, недоступных или опастных для человека, является дистанционное управление.

Наибольшего распространения для дистанционного выполнения работ и технологических операций в бкстремальных средах (особенно в атомной промышленности, в атомной энергетике, при проведении глубоководных исследований) получили копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором.

Эффективность использования копирующих манипуляторов во мно-многом зависит от динамических возможностей их исполнительных органов. В отличии от промышленных роботов решение задач стратегического и тактического уровней управления этими манипуляторами выполняет оператор. Следовательно, обеспечить повышение динамических возможностей и показателей качества работы копирующих манипуляторов можно в основном за счет улучшения свойств систем исполнительного уровня управления.

В большинстве случаев в качестве систем исполнительного уровня управления копирующими манипуляторами используют системы двустороннего действия (системы ДСД). Эти системы не только обеспечивают отслеживание исполнительным органом всех движений руки оператора, но при этом в некотором масштабе воспроизводят на задающем органе усилия, с которыми манипулятор воздействует на объект работ. Такое моментное очувствление делает работу оператора более естественной и эффективной.

Актуальность повышения качества работы систем ДСД копирующих манипуляторов определяется важностью и ответственностью работ, выполняемых в различных областях науки и техники с помощью копи-

рущих манипуляторов. От качества работы систем ДСД зависит не только точность выполнения технологических операций и удобство управления манипулятором, но и производительность выполнения работ, малая утомляемость оператора, а часто и вообще безопасность ведения работ. Таким образом, именно высокое качество систем ДСД в значительной степени определяет эффективность и безопасность выполнения работ в экстремальрых средах.

Манипулятор, как объект управления, оказывает существенное влияние на качество работы систем ДСД. Это влияние зависит от масс, взаимного расположения, скоростей и ускорений движения звеньев манипулятора, а также от массы объекта манипулирования. В результате, при движении манипулятора (а также при изменении массы груза) параметры систем ДСД существенно изменяются, а следовательно, изменяются и динамические свойства этих систем, и показатели качества их работы. Таким образом, существует проблема стабилизации динамических свойств и высоких показателей качества работы систем ДСД в условиях значительного и достаточно быстрого изменения их параметров.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка -методов синтеза -систем ДСД копирующих манипуляторов с активным отражением усилия, которые обеспечивали бы. высокие качественные показатели работы, (статическую и динамическую точность управления) независимо от вида траектории движения копирующего манипулятора, массы и скорости перемещения объекта манипулирования в условиях, когда динамическое взаимовлияние мезду степенями подвижности является значительным.

Методы исследования. При решении возникших задач использованы методы теории автоматического управления, методы теории оптимального управления, методы теоретической механики сложных, пространственных механизмов, методы дифференциального и интегрального исчислений, а также методы математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к математическому описанию систем ДСД в режиме вынужденного движения вала оператора по заданному закону. Новый подход позволил значительно понизить порядок систе-тем дифференциальных уравнений, описывающих системы ДСД, и в ре-результате существенно упростить процесс получения функциональных зависимостей параметров регулятора от переменных параметров на-

грузки. Кроме того этот подход (в отличии от ранее использовавшихся) позволил сформировать такую математическую модель системы ДСД, которая остается неизменной при любом законе движения вала оператора.

2. Предложен новый метод задания желаемых значений фазовых координат при синтезе систем ДСД по квадратичному критерию качества, позволивший значительно повысить динамическую точность работы синтезированных систем.

3. Разработана система ДСД, обладающая высокими качественными показателями работы в широком диапазоне изменения приведенного момента инерции нагрузки.

4- Разработана автоматизированная сиетеыа статической разгрузки исполнительных систем копирующих манипуляторов, позволяющая уменьшить $"томляемость оператора при выполнении работ с тяжелыми грузами и расширить функциональные .возможности копирующих манипуляторов.

• 5. Разработана система ДСД, обладающая стабильно высокими показателями качества работы в условиях сильного динамического взаимовлияния мевду степенями подвижности копирующего манипулятора.

б. Предложен подход, позволяющий синтезировать системы исполнительного уровня управления .манипуляторами, которые обеспечивают возможность функционирования манипуляторов как в режиме дистанционного управления с отражением усилия или без отражения, так и в режиме автоматического управления.

Практическая ценность и реализация результатов диссертации. Практическая ценность работы заключается в создании методики синтеза систем ДСД копирующих манипуляторов с активным отражением усилия, которые позволяют качественно и производительно выполнять сложные и ответственные операции в экстремальных и недоступных для человека средах (условиях).

Проведенные исследования выполнялись в рамках комплексного проекта "МИР" Минвуза СССР на 1978-1980г. (задание N 01.04); комплексной программы "Роботы" Минвуза РСФСР на 1980-1985г.; целевой программы Минвуза СССР на 1978-1990г. по комплексной проблеме "Роботы и робототохнические системы" (приказ N 136 от 2.2.79).

Полученные результаты использован» при выполнении хоздоговорных и госбптжетиих научно-исследовательских работ "Разработка и исследование адаптивной системы управления специальным манипу-

Kfляционным роботом на основе информации о фазовых координатах ис-: ' полнительных приводов" (N ГР 01840081428), "Разработка самона-f ^ страивающихся систем управления промышленными роботами и манипу-- ляторами для вкстремальных сред (№ ГР 01890002912), "Разработка и исследование систем промышленной автоматики, робототехники" (N ГР J 01860089580), "Разработка высококачественных систем управления и И'- " кинематических схем подводных аппаратов и манипуляторов" (N ГР 01910037194), в КБ "Ивдикатор" щи разработке устройства статической "разгрузки, а также в учебном процессе на кафедре М-7 МГТУ i им. Н.Э. Баумана ! и на кафедре АУТС Дальневосточного государе ственного технического университета. .,•• -..•

! ! Апробация работы. Основные научные результаты и выводы, по-1

; лученные в диссертационной работе, докладывались" и обсуздались на ' " "II Всесоюзна межвузовской конференции "Робототехнические систе-н мы"-(Киев, 1980), И Всесоюзном совещании по робототехническим i системам (Шшск, 1981), на III Всесоюзном совещании по" робототехническим системам (Воронеж, 1984)', на Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых "Разработка и моделирование в - технических и социально-економических проблемах освоения океана" (Владивосток, 1985), на I Всесоюзном совещании-семинаре "Управление иерархическими активными системами" (Тбилиси, 1986), на Все' ■"■•""'. союзной научно-технической ков$еренции "Агрегатнониодульное построение техники" (Иркутск, 1987).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

V Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из

! !' введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из ;131 наименования и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на 143 машинописных страницах. Диссертация также ! содержит 26 страниц иллюстраций, 15 страниц списка использованых источников и 3 страницы приложений.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

; Во введении обоснована актуальность проблемы повышения ка-

чества работы систем ДСД копирующих манипуляторов с активным от. ражением'усилий.; Кратко изложены содержания глав, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

к В первой .'Главе рассмотрены принципы построения систем ДСД

.¡; vV.копирующих манипуляторов,^особенности и способы повышения качес-

тва их работы, а также возможности и пути повышения и расширения их функциональных возможностей и эффективности. Рассмотрены особенности систем ДСД как многомерных, многоконтурных и нелинейных систем автоматического управления. Проведен анализ методов, используемых в настоящее время для синтеза систем ДСД.

Показано, что при движении манипулятора параметры всех его систем ДСД изменяются. Если параметры регуляторов имеют постоянные значения, то отклонения параметров систем ДСД от номинальных значений при движении копирующего манипулятора приводит к значительному ухудшению качества работы (точности слежения и отражения усилий) систем ДСД.

Анализ известных методов учета динамики манипулятора при синтезе управления показал, что в силу ряда причин они не могут быть использованы для достижения поставленной выше цели при разработке высококачественных систем ДСД копирующих, манипуляторов. В основном это связано с тем, что при работе копирующего манипулятора заранее неизвестна ни масса объекта манипулирования, ни траектория и скорость его перемещения, поскольку их .задает человек-оператор непосредственно в процессе движения.

Показано,что для обеспечения высокого качества работы систем ДСД в условиях значительного изменения их параметров наиболее приемлема программная подстройка параметров регулятора по характеристикам объекта управления. В этом случае может быть обеспечено достаточное быстродействие самонастройки, поскольку зависимости параметров регулятора от переменных параметров системы определяются предварительно на этапе проектирования системы. Этот подход и был использован в диссертации при синтезе систем ДСД копирующими манипуляторами с активным отражением усилия.

Во второй главе рассматривается новый подход к синтезу систем ДСД. В основу предлагаемого подхода положен метод синтеза квазиоптимального управления по квадратичному критерию качества для нелинейных бъектов.

Синтез систем ДСД выполняется для режима вынужденного движения вала оператора по заданному закону. В этом режиме работы системы ДСД угол поворота вала оператора аоп рассматривается как

входное воздействие. На этом основании аш, а также «оп, а^п> * * * ^

аоп предложено считать известными входными координатами. В результате система ДСД, исполнительными элементами которой являются двигатели постоянного тока независимого возбуждения, а механи-

ческие передачи являются жесткими и безлюфтовыми, описана, системой уравнений четвертого порядка

х, = - х3.

. ^02 „ К2 „ , ^2 _

--2 3 М --=2—!3--»1., (1)

Н1 , - ^ „ х г • х , т !• ;

х4а -17х* - 17- и>+ <•» > + VIш

где х^ вц, х2= а^ *3= «д, х4= М^ - фазовые координата (Ж);"

Ь^» К^, Кц^, - (хшротииления./шщктввоста, коэффициенты крутящего момента, коейнциенты противо-в.д.с., моменты инерции двигателей на задающей стороне (¿г 1) ина истмигаел^аой стороне (Л = 2) соответственно; - передаточные числа редукторов» М^ - моменты трения; ц^ - управляющие напряжения; кГв~ момент инерции нагрузки; *«ш, -коорд^тазадалцего валаи исполнительного вала; -моментные. воздействия со сторош шера-тора и нагрузки; р -.симвйл дифференцирования.,

. Предлагаемая модель "справедлива.для;: любого закона изменения а(Ж, в то время как известная модель составлялась только для одного конкретного закона

. «от= Ьи)/(0,167Р + 1)3. (2)

где Ь^) - ступенчатая функция, и следовательно, синтезированный с использованием известной модели регулятор'будет отвечать только одному этому закону изменения аш.

Кроме этого предложенный в данной главе подход позволил существенно (нз три уравнения) сократить порядок системы дифференциальных уравнений., описывающих систему ДСД.

При задании желаемых значений фазовых координат (ЖЗФК) .предложено исходить из необходимости обеспечения основного функционального назначения систем ДСД. Поскольку исполнительный вал системы должен как можно Солее точно отслеживать движения задающего вала, то для ФК у.^ . хз желаемые значения задавались ел еду ю* * . * .. „ щим образом; х = о , х = а, х = а . Поскольку на задающем ва-

1 (/11 2 иЦ 3 Ой

лу должен воспроизводиться момент, пропорциональный моменту на-

*

грузки, то х^ = ri-Mjj, где п - коэффициент масштабности.

Записанная относительно ошибок ФК система (1) в векторной форме имеет вид

fi = AE + BU + f (Е) + IV, (3)

* *

где Е = X - X - вектор ошибок ФК; X - вектор ФК; X - вектор ЖЗФК; А - матрица динамических свойств; В - матрица коэффициентов усиления при управляющих воздействиях; 1(E) - нелинейная вектор-функция; U - вектор управляющих воздействий; W - вектор внешних воздействий.

В соответствии с используемым методом синтеза квазиоптимзль-ное управление, минимизирующее квадратичный критерий качества

J = 0,5 X^iE + D1? U) dt, (4)

to

где t at- начальное и конечное время интегрирования; Ф - по© 1

ложительно-полуопределенная матрица; f - положительно-определенная матрица, имеет вид

U = -D-^E - tf^E) '"- Л, (5)

где В* = Y_1BTK, В3 = iP = -f"1BT(AT-KBt~1BT)K. Матрица К определяется из уравнения Риккати КА + АТК - KBY~lBTK +. Ф = О. Для рассматриваемой системы ДСД выражение' (5) с учетом введенных обозначений ФК и ЖЗФК, и соответствующих выражений для i(E), W, Бл, В8 и В® может быть переписано в скалярной форме следующим образом:

иг = «г,5« + кга5« + кгз®н + + кг5«оп + t

+ K^siga^ + Кгв81^ш + ЗД, U = 1,2), (6)

где 5„ = -е = а а„ - ошибка по положению, 5„ = Ц - п(М + СС 1 он н. м он и

+ ^я^г"н^ ~ ошбка по "оменту. Выражение (.6) полностью определяет структуру синтезированного регулятора, где К^ {SL - 1,2; т = 1,9) - коэффициенты усиления соответствующих обратных связей.

Из рис.1 видно, что синтезированная с использованием предло-

женого подхода система ДСД дри J =const обладает значительно бон

лее высокой точностью (кривые 2-5^) по сравнению с системой

ДСД, синтезированной с использованием известного подхода (кривые 3-5а, 4-5м) при отработке одного и того же входного воздействия вида (2) с h(t) = 1 рад.

Предложенный подход был использован Также для синтеза более

сложной системы ДСД с учетом люфтов и упругостей в механических передачах- Для описания динамики системы ДСД в этом случае были введены следующие обозначения ф.к.

а., Х_= а_, Х.= а., х = а , _

7 1 " 8

г' "5 ~2' ~6 1'

валов двигателей на и исполнительной В

* »

х = а , 1

V

где а

' = а , х =

3 2 4

углы поворота

системы, предложенным

V аоп' «оп

задающей сторонах соответствии с подходом ЖЗФК заданы исходя из того, что исполнительный вал должен точно отслеживать движения задающего вала. -Двигатели системы ДСД должны обеспечивать ее движение в соответствии с законом движения задающего вала, * . . *

Рис. 1.

поэтому х4=

2Б= ^оп'

2а = <4 «от*

Чтобы

обеспечить выполнение условия 0^= «¿ц. необходимо назначить хз = (1/-йаСа)(МТ2+ МцН ¿2хг Г2(5г), чтобы при движении

= хЦМц + «Г0о£), введено

задающего вала оператор ощущал момент *

оп

А

где С , С - коэффициенты жесткостей механических передач;

1 (8 ) - нелинейные части, оставшиеся после выделения линейных

2 2

составляющих из соответствующих нелинейных функций, описывающих люфты в механических передачах.

Результаты исследований показали, что синтезированный с ис-пользованем предложенного подхода регулятор и в этом случае также обеспечивает более высокое качество управления по сравнению с известной системой данного класса.

Третья глава посвящена разработке систем ДСД, обладающих неизменно высокими показателями качества работы в условиях, когдг на их работу наибольшее влияние оказывает изменение момента инерции нагрузки в широком диапазоне. Показано, что при различных параметрах систем ДСД, синтезированных с использованием преложенного подхода, структуры регуляторов остаются неизменными, а изменя ются только значения коэффициентов усиления обратных связей регу

ляторов. Определены зависимости коэффициентов усиления регуляторов от переменного момента инерции нагрузки. Эти зависимости были использованы для реализации самонастройки регуляторов при изменении текущего значения момента инерции нагрузки в процессе работы манипулятора.

Н-м

0,05

Кривые 1, 2 на рис.2 показывают как изменяются максимальные значения ошибок 8а и бц при различных моментах инерции нагрузки в самонастраивающейся системе ДСД с жесткими безлюфтовыми механическими передачами. Кривые 3, 4 показывают, как изменяются максимальные значения соответствующих ошибок

в случае, когда параметры регулятора системы ного для конкретного

0.1

1

Рис. 2.

Ю Зн/^но*

ДСД, синтезирован-

<т = «Г_ , остаются постоянными (номиналь-н ^ном

ными) при изменении момента инерции нагрузки. Приведенные кривые подтверждают высокую эффективность введения самонастройки регуляторов для повышения качества систем ДСД при изменении параметров нагрузки. •

Разработана автоматизированная система статической разгрузки исполнительных систем копирующих манипуляторов. Компенсация статических моментов осуществляется за счет перемещения противовесов вдоль звеньев манипулятора в зависимости от величины массы объекта манипулирования и может производиться как в автоматическом режиме, так и в режиме ручного управления. Влияние изменений приведенных моментов инерции, обусловленных перемещением компенсирующих грузов вдоль звеньев манипулятора, на качество работы системы устранялось путем введения предложенной выше подстройки параметров регуляторов систем ДСД.

Разработанная система статической разгрузки позволяет уменьшить утомляемость оператора в процессе выполнения прежде всего тех работ, которые связаны с длительным удержанием объекта манипулирования в пространстве, и обеспечивает дополнительные функциональные возможности копирующим манипуляторам, которые другими средствами создать не удается.

В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения высокого качества систем ДСД в условиях, когда на их работу сильное влияние оказывает динамика манипулятора.

Моментное воздействие со стороны манипулятора на рассматриваемую ситему ДСД, полностью учитывающее динамику манипулятора относительно рассматриваемой степени подвижности, может быть описано выражением

I

где Н - момент инерции кинематической цепи манипулятора относительно рассматриваемой стеши подвижности; И. - слагаемое, которое определяется действием гравитационных, центробежных и- кориолисо-вых сил, а также теми составляющими инерционных сил, -которые не вошли в первое слагаемое; «Ц--•<!„- обобщенные координаты манипулятора; «н = 4(5 £ - номер рассматриваемой степени подвижности; N - число степеней подвижности.

Уравнения движения системы ДСД с .учетом динамики манипулятора, также будут име^ВВД (1). где Ыд= 0. Для ЖЗФК задаются как и ранее. При определении х* необходимо исходить из того, что оператор должен ощущать только ту составляющую момента а, которая обусловлена массой объекта манипулирования. Поэтому х* =

А Л Л 4

= п^вц + Ь0), где С)0,<го,1го - составляющие О.Н.Ь, соответственно, которые определяются массой объекта манипулирования.

А

Функция. Ь линеаризуется в окрестности желаемой траектории движения системы.

Уравнение движения рассматриваемой системы ДСД, записанное относительно ошибок ФК, в векторной форме также имеет вид (3), однако элементы матриц А и В в втом случае уже будут зависеть от динамических параметров манипулятора.

Полагая, что на достаточно больших интервалах времени элементы матриц А и В остаются практически постоянными, на каждом из этих интервалов можно синтезировать квазиоптимальное управление, минимизирующее функционал качества (4), которое также будет иметь вид (5).

Получены зависимости коэффициентов усиления регуляторов' от переменных динамических параметров манипулятора, которые затем были использованы для обеспечения самонастройки регуляторов систем ДСД. В рассматриваемом случае число переменных параметров до-

вольно велико, что делает достаточно сложной практическую реализацию самонастраиваются системы ДСД. Предложены и исследованы различные варианты решения этой проблемы. Показано, что в большинстве случаев можно ограничиться подстройкой коэффициентов регуляторов систем ДСД только по двум параметрам Н и JQ, а при формировании управления пренебречь слагаемыми, содержащими h и h

Это значительно упрощает практическую реализацию самонастраива^ щихся систем ДСД.

На рис.з показаны ошибки системы ДСД первой степени подвижности двухстепенного плоского манипулятора дам вынужденного движения вала оператора-по» закону (2) и изменении угла поворота второй степени щ^вижиоога по. закону . ■ •

«Н2= 1,5 [1 + sin(Xt - К/2)]. 18)

Цифрой 1 на рис.3 отмечены кривые для случая, когда подстройка • регулятора осуществлялась _

_ ¿et

только ш инерционной сое- .д., тавляюцей нагрузки: без учета динамического, взаимовлияния ' степеней- подгаготосзд. .Кривая 2 соответствует полному уче-. -ту динамики манипулятора, а кривая. 3 - случаю, -когда подстройка осуществляется

только по Н и J

однако в присут-

о*

сигнале управления ствуют составляющие с Ь и >0 • Воспроизведение на. задающем органе усилий, с . которыми манипулятор взаимодействует с объектом работ, ~ д £ делает работу оператора бо- , п\\ I 2. ' х \ 'с лее естественной и эффективной, однако создаваемая фи-, зическая нагрузка на руку Рис. 3-оператора приводит к его дополнительной утомляемости. Эта проблема успешно решается при использовании систем ДСД с параметрическим отражением усилия, когда момент на валу оператора воспроизводится в функции какого-либо параметра.

/V* Z I Л 1 г

yf\ 1>° У - \

-

Рассмотренный выше синтез сие теш ДСД выполнен с учетом то-¥ $ го, что х = п0„. Изменение вида х потребует синтеза нового регу-

4 О 4

лятора. Синтезированная таким образом система ДСД не позволяет реализовать параметрическое отражение усилий.

В связи с этим предложено задавать ЖЗФК не в начале, а по завершении процедуры синтеза. В результате матрицы А и В будут иметь иной вид, чем в предыдущем случае, когда ЖЗФК определяются

Л н В

предварительно. Следовательно, матрицы Б .Б , определяемые в соответствии с (5), также будут иными. В данном случае элементы матриц Б'Л,1ЭН,БВ определяются еще до того, как будут заданы ЖЗФК.

С учетом того, что вид х* еще не задан, а х*= «ш> х*= аоп, х*= выражение (5) в скалярной форме для рассматриваемого

случая будет иметь вид

и.г = %А + кгЛ1 + ЧЛп + кгЛ ■+ %в«ш + + + + кгвь + + Ч^К + Чи*1^ + '

+ %1231®п5оп' (■£• = 1,2). (9)

Формируя управление в системе ДСД в соответствии с (9), х,

можно задавать различным образом. Если задать х = ЪО-, то, как и

4: о

в предыдущем случае, рассматриваемая система будет работать как обратимая система ДСД, однако в данной системе можно изменять величину . п и при втом не потребуется пересчитывать коэффициенты

#

усиления регулятора. Если формировать х4= 0, то рассматриваемая система будет работать как обычная следящая ситема. При этом мо-

ментный загружатель в системе будет работать так, чтобы оператор

*

не ощущал его присутствия в системе. хл можно формировать также в функции какого либо параметра, что дает возможность реализовать различные варианты параметрического отражения усилия. Во всех случаях структура и параметры регулятора остаются неизменными.

На рис.4 и рис.5 представлены кривые, соответствующие вынужденному движению вала оператора по закону (2) и движению второй степени подвижности манипулятора по закону (8). Для рис.4 х4=п0о, а для рис.5 х*= 0. Цифрой 1 отмечены кривые для случая, когда па-рамеры регулятора системы ДСД подстраивались с учетом всех изменяющихся динамических параметров манипулятора. На рис.4 кривые 3 соответствуют системе ДСД предыдущего случая. Видно, что рассматриваемая система обладает высокими показателями качества как в режиме работы с отраженим усилия, так и в качестве обычной следящей системы.

Показано (кривые 2), что в предлагаемой системе подстройка регулятора может производиться только по одному параметру Н, од-

т и -0,005 V» 2,0 С

-

ь. н-н \/и

0/И * п ■ V '

-с 0 -0,01 1,0 2,0 С

-орг

Рий. -4.

Рис. 5.

нако при этом в управлении (9) обязательно должен присутствовать

А

сигнал Ь, который учитывает гравитационные, центробежные и ко-риолисовы силы.

В результате проведенных исследованих установлено, что при любых' значениях переменных параметров системы коэффициенты усиления регулятора К17= К,,. К|М- 0, а К12« К110- Кав* К2а* К29« Каюи К212И так что* как показали исследования, этими коэффициентами можно пренебречь. Поэтому управление в предлагаемой системе может формироваться следующим образом:

и = К 5 + К „а + К + К 5, + К X* + К

1 11.« 13 ОП 15 ОП- 16 М 19 4 113 ь ОП

и = К 5 + К а., + К в, + к а'+ К а" + К И + ( 10}

2 21 а 22 Н 23 ОП / 24 Н 25 ОП 27 '

+ К БЩПй...

2 11 э К

Структура регулятора, реализуемого в соответствии с (Ю), значительно проще той, которая определяется выражением (9)- Было установлено также, что при изменении параметров системы коэф^ици-

енты в (Ю), используемые в формировании управления и4 на задающей стороне, остаются неизменными, а изменяются только коэффициенты регулятора на исполнительной стороне, причем Ка » const. Следовательно, рассматриваемая система обладает свойствами систем ДСД несимметричного типа.

Практическая реализация подстройки шести коэффициентов усиления регулятора только по одному параметру сложности не представляет.

Предлагаемая система может быть использована в манипуляцион-ных системах, в которых необходима возможность перехода от автоматического программного управления манипулятором к дистанционному управлению в кширупдем режиме. Возможность переходе от - автоматического управления к дистанционному очень важна в случае» возникновения .непредвиденных нли -танционного управления такхе может быть весьма"аф^ектино реализована процедура "■обучения" манипулятора, особенно в ' том- случае,-когда условия рабочей зоны недетердшированы. 1 x.v-' .v- vi

При дастанционном управлении манищгляторем в копирухщем ре- -жим$ структура регулятора рассматриваемой "системы определяется выражениями (10). Для работы маншуляторав атоиатическом . ре жиме -моиенхный загружатель системы отключается, а управление иа на ис-.-полнительной стороне системы формируется в соответствия со вторым выражением (10). При этом на соответствующие входы должны пода-таться сигналы, пропорциональные огш, «ш я а*п, определяемые программной траекторией движения.

Как при автоматическом, так и при дистанционном управлении манипулятором параметры регулятора рассматриваемой системы остаются одними и теми же. Влияние динамики манипулятора на работу системы в том и другом случае компенсируется описанной выше подстройкой параметров регулятора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена новая математическая модель системы ДСД в ре-рекиме вынужденного двикения вала оператора по заданному закону, которая соответствует любому виду входного воздействия. Порядок предложенной модели меньше, чем у моделей, используемых до настоящего времени, что позволяет упростить получение функциональных зависимостей параметров регулятора от переменных параметров нагрузки.

2. Предложен новый подход к заданию желаемых значений фазовых координат, который позволяет синтезировать системы ДСД, обладающие значительно более высокими качественными показателями, чем аналогичные системы ДСД, синтезированные с использованием уже известных подходов.

3. Разработана и исследована самонастраивающаяся система ДСД, обладающая неизменно высокими показателями качества работы в условиях именения (в широком диапазоне) момента инерции нагрузки.

4. Разработана автоматизированная система статической разгрузки исполнительного органа копирующего манипулятора с активным отражением усилия, которая расширяет функциональные возможности копирующих манипуляторов и позволяет уменьшить утомляемость оператора при выполнении задач, требующих длительного удержания объекта в пространстве.

5. Разработана и исследована самонастраивающаяся система ДСД, показатели качества работы которой остаются неизменно высокими даже в условиях сильного динамического взаимовлияния мезду степенями подвижности манипулятора. Разработан ряд предложений, позволяющий значительно упростить практическую реализацию такой системы ДСД. .

6. Предложен новый подход, позволяющий разрабатывать универсальные по своим функциональным возможностям системы исполнительного уровня управления копирующими манипуляторами. Такие системы могут быть использованы не только для дистанционного копирующего управления, но и в системах дистанционно - автоматического управления.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТИУЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванов A.C., Каплун Г.И., Курчанов В.Н., Михалев A.C., Полянский А.Ф., Филаретов В.Ф. Разработка системы двустороннего действия копирующего манипулятора о бесконтактными двигателями постоянного тока // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции "Робототехнические системы". - Киев, 1980.

2. Иванов A.C., Каплун Г.И., Курчанов В.Н., Полянский А.Ф., Филаретов В.Ф. Проектирование и исследование системы двустороннего действия копирующего манипулятора с бесконтактными исполнительными и чувствительными элементами // Тезисы докладов II Всесоюзного совещания по робототехническим системам". - Минск, 1981.

3- Филаретов В.Ф., Полянский А.Ф. Разработка автоматической

системы статической разгрузки исполнительных органов манипуляци-. онных устройств // Тезисы докладов III Всесоюзного совещания по робототехническим системам, часть 4. - Воронеж, 1984.

4. Полянский А.Ф. Вопросы оптимального синтеза систем двустороннего действия // Сб. Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана. - Владивосток: ДВГУ, 1985.

5. Филаретов В.Ф., Полянский А.Ф. Автоматизация статической разгрузки исполнительных органов манипуляционных роботов // Изв. вузов СССР. Машиностроение. - 1985. - N 11.

6. Филаретов В.Ф., Полянский А.Ф. Двухканальная система уп-равленя степенями подвижности копирующего манипулятора с активным отражением усилия // Тезисы докладов X Всесоюзного совещания-семинара "Управление иерархическими активными системами: роботизация, автоматизация, управление". - Тбилиси, 1986.

7. Филаретов В.Ф., Корзун А.И., Полянский А.Ф. Автоматизированные модули статической разгрузки приводов манипуляторов // Тезисы докладов Всесоюзной науч.-тех. конференции "Агрегатно-мо-дульное построение техники" (ПР,РТК,И1С)- Иркутск, 19878. Филаретов В.Ф., Полянский А.Ф. Самонастраивающаяся система двустороннего действия копирующего манипулятора с активным отражении усилия // Изв.вузов СССР. Приборостроение. - 1989- - N 1.

9. Полянский А.Ф., Филаретов В.Ф. Синтез систем двустороннего действия подводных копирующих манипуляторов с активным отражением усилия // Тезисы докладов Всесоюзной школы "Технические средства и методы освоения океанов и морей". - М.: Институт океанологии АН СССР, 1989.

10. Филаретов В.Ф., Полянский А.Ф. Самонастраивающаяся система двустороннего действия с настройкой по переменным параметрам манипулятора // Изв.вузов СССР. Приборостроение. - 1990. - N 10.

11. A.c. N 809049 СССР. Обратимая следящая система / Полянский А.Ф., Суляев A.C., Филаретов В.Ф. Опубл.28.02.81. Бюл. N 8.

12. A.c. N 951233 СССР. Обратимая следящая система / Каплун Г. И., Полянский А.Ф. Опубл.15.08.82. Бюл. N 30.

13. A.c. N 954920 СССР. Обратимая следящая система / Полянский А.Ф.; Филаретов В.Ф. Опубл.30.08.82. Бюл. N 32.

14. A.c. N 1176301 СССР. Обратимая следящая система / Полянский А.Ф., Филаретов В.Ф. Опубл.30.08.85. Бюл. N 32.