автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование средств проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

И МЕТОДЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1. Динамические мехатронные системы.

1.1.1. Понятие мехатроники и классификация мехатронных систем.

1.1.2. Требования к синтезу управления в мехатронных системах.

1.1.3. Формирование моделей механических объектов.

1.1.4. Методы управления в мехатронных системах.

1.2. Управление динамическими системами с применением технологий. нечеткой логики.

1.3. Среды разработки динамических систем.

1.3.1. Среда проектирования робототехнических систем Deneb.

1.3.2. Система моделирования Model Vision.

1.3.3. Среда проектирования нечетких систем FuzzyTech.

1.4. Нелинейные динамические автоколебательные системы. Постановка. . . . задачи исследования.

1.4.1. Динамические колебательные системы.

1.4.2. Автоколебательные системы с нечетким управлением.

1.4.3. Микропроцессорная реализация мехатронных автоколебательных. устройств с нечетким управлением и постановка задачи.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ МЕХАТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА.

С НЕЧЕТКИМ УПРАВЛЕНИЕМ И МЕТОДИКА ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

2.1. Организация управления в микропроцессорных мехатронных. устройствах.

2.2. Структура мехатронных систем с мягким управлением.

2.3. Реализация нечеткого управления на нижнем уровне автоколебательных. . мехатронных устройств с мягким управлением.

2.3.1. Устройство с параметрическим управлением -однозвенный маятник.

2.3.2. Автоколебательное мехатронное устройство, управляемое. связыванием координат - двузвенный активный маятник.

2.3.3. Мехатронное устройство с терминальным косвенным управлением -. перевернутый двузвенный активный маятник.

2.4. Реализация управления на верхних уровнях мехатронных систем.

2.5. Методика проектирования мехатронных систем с нечетким управлением.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ С НЕЧЕТКИМ УПРАВЛЕНИЕМ.

3.1. Структура комплекса.

3.2. Подсистема моделирования.

3.3. Подсистема коммуникаций и визуализации.

3.4. Подсистема сбора экспериментальных данных.

3.5. Подсистема анализа данных.

3.6. Подсистема проектирования нечетких описаний.

3.7. Подсистема проектирования программного обеспечения.

3.8. Варианты применения разработанных средств проектирования.

3.9. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ МЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С НЕЧЕТКИМ УПРАВЛЕНИЕМ.

4.1. Исследование мехатронной системы с параметрическим управлением.

4.1.1. Общие сведения и постановка плана исследования.

4.1.2. Система ручного управления моделью однозвенного маятника.

4.1.3. Нечеткая система управления моделью однозвенного маятника.

4.1.4. Система управления реальным маятником на контроллере.

4.1.5. Проектирование обратной нечеткой модели объекта управления.

4.1.6. Исследование возможностей оптимального возбуждения колебаний.

4.2. Исследование мехатронного устройства с управлением нечетким. связыванием координат - активного двузвенного маятника.

4.2.1. Общие сведения и постановка плана исследования.

4.2.2. Реализация раскачивания до заданной амплитуды.

4.2.3. Реализация поддержания неустойчивого равновесия.

4.2.4. Реализация комбинированного движения объекта.

4.3. Исследование мехатронного устройства с терминальным косвенным управлением - перевернутого двузвенного активного маятника.

4.3.1. Общие сведения и постановка плана исследования.

4.3.2. Исследование устройства управления с нечетким решателем.

4.3.3. Исследование устройства управления с нечетким регулятором.

4.3.4. Исследование устройства управления с нечеткой обратной моделью. , . 190 4.4. Выводы.

Актуальность темы. Неослабевающие темпы роста числа применений средств вычислительной техники для решения задач управления сложными динамическими объектами механической природы влекут за собой необходимость разработки новых методов и средств исследования и проектирования таких устройств и систем. Подобные тенденции проявляются в существенном повышении интереса к исследованию проблем разработки прикладных интеллектуальных управляющих систем и их внедрению в промышленную сферу, а также в возникновении мехатро-ники - новой области знаний, посвященной созданию и эксплуатации конструктивно объединенных в одно устройство машин и систем управления их движением [Л1.1].

Среди многообразия мехатронных устройств следует отметить те, которые управляют объектами, описываемыми системами нелинейных дифференциальных уравнений второго и более вьюоких порядков, особенностями которых являются их слабая управляемость и функционирование в условиях неполной информации об их состоянии. Такие устройства чувствительны к начальным условиям и изменениям параметров, в связи с чем даже сравнительно простые объекты могут обладать сложными движениями [Л1.21]. В данной работе исследуется микропроцессорная реализация мехатронных колебательных устройств с обратными связями, целью управления в которых является выход на определенную траекторию в фазовом пространстве, т.е. генерация движения заданного вида. Такие устройства называются мехатронными генераторами движения. Сложность математического описания и аналитического решения задач генерации движения на микропроцессорных устройствах управления колебательными объектами требует использования неаналитических методов, в качестве которых в работе используются технологии нечеткой логики [Л 1.9].

Актуальность решаемых в диссертационной работе задач связана с тем, что специфика мехатронных генераторов движения с нечетким управлением не позволяет вьютроить единый цикл проектирования таких устройств с применением известных методов проектирования мехатронных систем, в связи с чем для анализа и проектирования таких устройств необходимо использовать средства, специально ориентированные на решение подобного класса задач.

Тематика диссертационной работы согласуется с приоритетными направлениями науки и техники, утвержденными Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике (направление "Фундаментальные исследования", раздел

Информационная, вычислительная техника, автоматизация"), а также с планами работ по грантам правительства Санкт-Петербурга (раздел "Технические науки", направление "Автоматика, телемеханика. Вычислительная техника", № 118-3.11 за 1996 год, № М97-3.11Д-149 за 1997 год, № М00-3.11К32 за 2000 год).

Цель диссертационной работы состоит в разработке комплекса средств, обеспечивающих проектирование микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением, на основе современных встраиваемых микроконтроллеров.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана методика проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

2. Предложена функциональная организация среды проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением. Проведено обоснование выбора средств реализации среды проектирования.

3. На основе разработанных теоретических положений проведено построение программно-аппаратного комплекса проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

4. Проведены экспериментальные исследования, разработанной системы проектирования на примерах ряда микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем, теории нечетких вычислений, теории дифференциальных уравнений, теории колебаний, теории программирования.

Научная новизна работы. Научную новизну составляют следующие положения, предложенные в работе:

1. Разработана методика проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

2. Предложена функциональная организация среды проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением. Проведено обоснование выбора средств реализации среды проектирования.

Практическая значимость полученных результатов: 1. Разработан программно-аппаратный комплекс проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

2. Разработано методическое обеспечение комплекса для организации исследований и проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением, а также для организации обучения проектированию.

3. Разработаны демонстрационные образцы объектов для исследования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

Реализация результатов. Создан и внедрен в учебный процесс кафедры автоматики и вычислительной техники СПбГТУ программно-аппаратный комплекс проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- на 2, 3 и 4 конференциях ВУЗов-членов совета Ассоциации технических университетов России "Фундаментальные исследования в технических университетах" в 1998, 1999 и 2000 гг.;

- на 5 и 6 Международных научно-методических конференциях "Вьюокие интеллектуальные технологии образования и науки" в 1998 и 1999 гг.;

- на 11 Всероссийской научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" в 2000 г.

- на международной научно-технической конференции "Гибридные системы Model Vision Studium" в 2001 г.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

4.4. Выводы.

В данной главе были рассмотрены примеры проектирования трех устройств-прототипов реальных робототехнических объектов, представляющих собой три класса мехатронных генераторов движения: устройств с параметрическим управлением, устройств с управлением связыванием координат, устройств стерми-нальным косвенным управлением.

Для представителей первого класса генераторов движения - параметрически управляемых однозвенных маятников - была рассмотрена и решена задача построения генератора движения с требуемой амплитудой раскачивания. Мехатрон-ное устройство реализовано в виде натурного образца. Попутно были решены вопросы исследования возможностей оптимизации процесса управления, а также построения прямой и обратной нечетких моделей объекта управления.

Для представителей второго класса генераторов движения - активных двузвенных маятников, управляемых связыванием координат - была рассмотрена и решена задача построения генератора движения с двумя типами автоматически сменяемых траекторий: раскачивание и поддержание неустойчивого равновесия в перевернутом положении. Решение о переходе на другую траекторию принимается по результатам анализа достижения переменными процесса условий реализуемости новой траектории.

Для представителей третьего класса генераторов движения - активных перевернутых двузвенных маятников с терминальным управлением - была рассмотрена и решена задача построения генератора движения, позволяющего достичь заданных параметров движения в заданной точке траектории. Эта особенность предоставляет возможность броска предмета, закрепленного в таком манипуляторе, в некоторую наперед заданную точку пространства.

Разработанные мехатронные генераторы движения позволили доказать реализуемость проектирования мехатронных систем такого класса с применением разработанных методики и средств проектирования. Кроме того, данные мехатрон-ные устройства представляют самостоятельную ценность как прототипы реальных робототехнических комплексов с интеллектуальным динамическим управлением их движением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы представляют собой научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие проектирование микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением.

При выполнении диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением, позволяющая учесть специфику данного класса мехатронных устройств.

2. Предложена функциональная организация среды проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением. Проведено обоснование выбора средств реализации среды проектирования. Предложенная функциональная организация среды позволяет проводить сквозное проектирование мехатронных генераторов движения - от моделирования до аппаратной реализации.

3. На основе разработанных теоретических положений проведено построение программно-аппаратного комплекса проектирования микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением. Комплекс проектирования полностью готов к применению, допускает настройку на широкий класс аппаратного обеспечения и обладает открытой архитектурой, позволяющей при необходимости наращивать его функциональные возможности. Кроме того, возможно независимое использование его программных компонент для организации проектирования нечетких контроллеров и управляющего программного обеспечения микропроцессорных систем.

4. Проведены экспериментальные исследования разработанной системы проектирования на примерах ряда микропроцессорных мехатронных генераторов движения с нечетким управлением. Разработанные устройства могут служить прототипами при организации проектирования робототехнических систем с интеллектуальным динамическим управлением.

1. Л1.1 http://www.stankin.ru/rus ver/std prc/meup/rim/index.htmi

2. Л1.2 Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: основные понятия и определения. // Известия Академии наук. Теория и системы управления.-1997, №3.-с. 138-145.

3. Л1.3. Павловский М.А. и др. Теоретическая механика. Статика. Кинематика.- К.: Вища школа, 1989.- 405 с.

4. Л 1.4. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения.- М.: Наука, 1985.- 384 с.

5. Л1.5. Белецкий В.В. Двуногая ходьба. Модельные задачи.- М.: Наука, 1984.210 с.

6. Л1.6 Вукобратович М. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами.- М.: Мир, 1989.- 315 с.

7. Л1.7. Смольников Б.А. Проблемы механики и оптимизации роботов. М.: Наука, 1991.-232 с.

8. Л1.8. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений.- М.: Мир, 1976.-165 с.

9. Л1.9. Прикладные нечеткие системы: Пер. с япон. К. Асаи, Д. Ватада, С. Иван и др.; под редакцией Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно.- М.: Мир, 1993.- 368 с.

10. Л 1.10. Уоллер Л. Нечеткая логика новая перспективная технология. // Электроника, 1989, №5.- М.: Мир, 1989.- с. 70 - 72.

11. Л1.11. Шимбирев П.Н. Структура непрерывно-логических функций. // Автоматика и телемеханика, 7,1987.- М.: Наука, 1987.- с. 125 135.

12. Л1.12. Терехов В.М., Владимирова Е.С. Некоторые аспекты применения фаззи-управления в электроприводах. // Электричество, 1999, №9.- с. 74-83.1. Л1.13. www.deneb.com

13. Л 1.14. Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. Новые возможности программного комплекса Model Vision.- Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах".- СПб: Издательство СПбГТУ, 1998.- с. 103 104.

14. Л1.15. FuzzyTech 3.1 MCU-96 Explorer. Manual and Reference Book.- Inform Software Corporation, 1993.-163 p.

15. Л1.16. Мун Ф. Хаотические колебания.- М.: Мир, 1990. -312 с.

16. Л1.17. Неймарк Ю.И., Ленда П.С. Стохастические и хаотические колебания.- М.: Наука, 1980.-384 с.

17. Л1.18. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах.- М.: Наука. 1990.312 с.

18. Л1.19. Лоскутов А.Ю. Введение в синергетику.-М.: Наука, 1 990.-227 с.

19. Л1.20. Анищенко B.C., Вадисова Т.Е., Астахов В.В. Нелинейная динамика хаотических и стохастических систем. Фундаментальные основы и избранные проблемы. / Под ред. B.C. Анищенко.- Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1999.- 368 с.

20. Л1.21, Черноусько Ф.Л., Акуленко Л.Д., Соколов Б.Н. Управление колебаниями. М.: Наука, 1980.-384 с.

21. Л1.22. Дульнев Г.Н. Введение в синергетику СПб.: "Проспект", 1998.- 256 с.

22. Л 1.23. Юревич Е. И. Робототехника. СПб.: СПбГТУ, 2001.-300 с.

23. Л1.24. Поспелов Д.А. Логико-линвистические модели в системах управления.- М.: Энергоиздат, 1981.- 232 с.1. К главе 2:

24. Л2.1. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение, 1988.-332 с.

25. Л2.2. Поспелов Д.А. Ситуационное управление. Теория и практика.- М.: Наука, 1986.-285 с.

26. Л2.3. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта /Под ред. Д.А. Поспелова.- М.: Наука, 1986.- 312 с.

27. Л2.4. Терехов В.М. Современные способы управления и их применение в электроприводе // Электричество, 2000, №2.- с. 34-41.

28. Л2.5. Клепиков В.Б., Сергеев С.А., Махотило К.В., Обруч И.В. Применение нейронных сетей и генетических алгоритмов в решении задач управления электроприводами. // Электротехника, 1999, №5.- с. 25-32.

29. Л2.6. Аверкин А.Н., Супин К.В. Оптимизация нечеткого алгоритма управления мотором с помощью нейросети. // SCM-99. 1999.- с. 158-160.

30. Л2.7. Бураков М.В., Коновалов A.C. Конструирование нейронного регулятора. //DOLLC-99. СПб., 1999.

31. Л2.8. Бураков М.В., Коновалов A.C., Тиль A.B. Нечеткий регулятор с нейронной сетью. // DOLLC-99. СПб., 1999.

32. Л2.9. Захаров В.Н., Ульянов СВ. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления. // Техническая кибернетика.-1992, №5.- с. 171-197.

33. Л2.10. Лохин В.М., Макаров И.М., Манько СВ., Романов М.П. Методические основы аналитического конструирования регуляторов нечеткого управления. // Известия Академии наук. Теория и системы управления.-2000, №1 .-о. 56-69.

34. Л2.11. Пятницкий Е.С Управление механическими системами в условиях неопределенности при отсутствии количественной информации о текущем состоянии. //Автоматика и телемеханика.- 1999, №5.- С. 25-31.

35. Л2.12, Л2.13. Пятницкий Е.С. Синтез иерархических систем управления механическими и электромеханическими объектами на принципе декомпозиции. // Автоматика и телемеханика.-1999, №5.- с. 25-31.

36. Л2.14. Шмидт Г. Параметрические колебания.- М.: Мир.-1978.-336 с.

37. Л2.15. Коренев Г.В. Очерки механики управляемого движения.- М.: Наука, 1980.192 с.

38. Л2.16. Коренев Г.В. Целенаправленная механика управляемых манипуляторов.-М.: Наука, 1979.- 448 с.

39. Л2.17. Черноусько Ф.Л. Манипуляционные роботы: динамка, управление, оптимизация.- М.: Наука, 1989.- 347 с.

40. Л2.18. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы.- М.: Наука, 1997.-221 с.

41. Л2.19. Павловский М.А. Теоретическая механика. Динамика.- К.: Вища школа, 1990.-480 с.

42. Л2.20. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем: нелинейные модели.- М.: Наука, 1988.- 328 с.

43. Л2.21, Л2.22. Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. М.: Советское радио, 1977.-256 с.

44. Л2.23. Борцов Ю.А., Поляков Н.Д. и др. Устойчивость динамических систем с нечеткими регуляторами. // SCM-98. СПб.: 1998.- с 65-76.

45. Л2.24. Шушлянин Е.А., Канов Л.Н. Синтез терминального управления электромеханическими системами методом конечного состояния. // Известия ВУЗов. Электромеханика.-2000, №1.- с. 72-75.

46. Л2.25. Шушлянин Е.А. Синтез линейных и нелинейных систем управления конечным положением на основе моделей конечного состояния. // Проблемы управления и информатики.- 1997, №3.- с. 10-15.

47. Л2.26. Галиуллин А.С. Обратные задачи динамики.- М.: Наука, 1981.-168 с.

48. Л2.27. Себер Дж. Линейный регрессионный анализ.- М.: Мир, 1980.-123 с.

49. Л2.28. Дрейкер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ.- М.: Финансы и статистика.-1987.-152 с.

50. Л2.29. Swarup Medasani, Jaesede Kim, Radinu Krislinapuram. An overview of membership function generation techniques for pattern recognition. //International Journal of Approximate Reasoning.-1998.- p. 391-417.1. К главе 3.

51. Л3.1. Александров СВ., Васильев А.Е., Леонтьев А.Г. Электромеханотронная учебная отладочная система.- Вычислительные, измерительные и управляющие системы. Труды СПбГТУ № 468.- СПб.: Издательство СПбГТУ, 1997.-с 57-62.

52. Л3.2. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах.- М.: Энергоатомиздат, 1990.-224 с.

53. ЛЗ.З Васильев А.Е. Микропроцессорное управление элекгромеханотронными системами.- Вычислительные, измерительные и управляющие системы. Труды СПбГТУ № 479.- СПб.: Издательство СПбГТУ, 2000.- с 27-31.

54. Л3.5 Дарахвелидзе П.Г., Марков Е.П., Котенок О.А. Программирование в Ре1рЫ5. СПб.: БХВ, 2000.- 784 с.

55. Л3.8. Fuzzy Logic Applications Handbook. Intel Corp., 1994.- 122 p.

56. Л4.1. Чечурин СЛ. Параметрические колебания и устойчивость периодического движения.- Л.: ЛГУ, 1983.- 220 с.

57. Л4.2 Емельянов СВ., Коровин С.К. Новые типы обратной связи.- М.: Наука, 1997.-352 с.

58. Л4.3. Батенко А.П. Системы терминального управления.- М.: Радио и связь, 1984.-160 с.