автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка, исследование и цифровая реализация адаптивных систем управления с мажорирующими функциями для многостепенных механических объектов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

на правах рукописи

Шеметов Валерий Юрьевич

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ЦИФРОВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АДАПТИВНЫХ - СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С МАЖОРИРУЮЩИМИ ФУНКЦИЯМИ ДЯЯ МНОГОСТЕПЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальности: 05.09.03 -01.01.11 -

Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование; Системный анализ и автоматическое управление

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете.им. В.И.Ульянова С

Научный руководитель -

доктор технических наук профессор Путов В.В. Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор КУКЛЕВ Е.А. "Кандидат технических наук доцент ВОДОВОЗОВ В.М.

Ведущее предприятие - Особое конструкторское бюро станкостроенйя

Защита состоится " 28 " 1994 г. в час. на

заседании диссертационного совета К.063.36.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.М.Ульянова (Ленина) по адресу:

1.97376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан -/4 _ 1994 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета БАЛАБУХ А.И.

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время задача разработки методов и средств автоматического управления нелинейными динамическими объектами с априорно неопределенным и сложным описанием, быстро изменяющимися параметрами получила.широкое развитие. В частности, ей посвятили свои исследования, применительно к манилуляционным роботам, функционирующим в космическом пространстве и обеспечивающим высокую точность пространственного движения, следующие авторы: Kelly R., Ortega R., Slotine J.-J.E. и др. Эти и другие алгоритмы адаптивного управления нелинейными объектами обобщены в рамках единообразной схемы скоростного градиента, развитой и всесторонне изученной в работах А.Л.Фрадкова и сотрудников.

В работах- В.В.Путова и сотрудников развит подход к построению беспоисковых адаптивных систем управления нелинейными нестационарными объектами, отличающийся от известных беспоисковых подходов к управлению объектами с параметрической неопределенностью тем, что допускается такой уровень функционально-параметрической неопределенности объектов, когда неизвестны не только параметры, но и точное функциональное строение описывающих их дифференциальных уравнений, и могут быть лишь указаны функции, мажорирующие »ти неизвестные нелинейные описания.

В диссертационной работе в рамках указанного подхода с мажорирующими функциями разрабатываются и исследуются адаптивные системы управления для взаимосвязанных нелинейных механических объектов со многими степенями подвижности, а такке производится их конкретная реализация для жесткого трехстепенного манипуляционного робота, являющегося исполнительным устройством робототехнического имитатора полета многофункционального комплекса наземных испытаний систем управления высономаневренными летательными аппаратами (ЛА).

Построение адаптивных систем с учетом точного знания нелинейной структуры объекта представляет значительную трудность, так как построение полного, исходя из нелинейных диф|)еренциальных уравнений Лагранка или Эйлера-Лагранжа для системы связанных тел с протяженной геометрией представляет сложную задачу, а предъявляемые модели так громоздки, что точное повторение их в структурах законов управления и алгоритмах их настройки представляется нецелесообразным. Поэтому в качестве альтернативы рассматриваются адаптивные структуры, достигающие на конечном промежутке времени тех s:e целей

управления, но о заменой при 1;-+®, свойств асимптотической устойчивости на свойства диссипативности, и не требующие выяснения деталей математического описания нелинейного объекта, а "споль-зупцие лишь некоторые общие свойства строения правых частей дифференциальных уравнений класса объектов, что позволяет подобрать конкретный вид мажорирующих функций.

Современный уровень развития вычислительной техники позволяет произвести реализацию в реальном темпе времени цифровых адаптивных структур для нелинейных взаимосвязанных многостепенных объектов, однако с точки зрения стоимостных затрат, или, вообще, принципиальной возможности реализации таких систем, является целесообразным исследование и реализация более простых структур, чем те которые используют точное знание нелинейных структур объектов, например, построенных по методу скоростного градиента. Таким образом, исследование и цифровая реализация адаптивных структур с мажорирующими функциями является актуальной задачей.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка, исследование и цифровая реализация прямых адаптивных систем управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для нелинейных взаимосвязанных механических объектов, а также построение практических структур адаптивных регуляторов для жесткого трехстепенного манипуляционного робота.

Методы исследования. Проводимые . в работе аналитические исследования .основаны на использовании метода функций Ляпунова. Также используются методы цифрового моделирования разрабатываемых адаптивных систем на основе точных математических моделей нелинейных объектов.

Научная новизна. Новизна основных результатов, полученных в работе, заключается в следующем:

- разработаны локальные и взаимосвязанные законы адаптивного управления взаимосвязанными нелинейными нестационарными механическими объектами с алгоритмами •'параметрической настройки и степенными мажорирующими- функциями;

- проведено аналитическое и численное исследование работоспособности локальных и взаимосвязанных адаптивных систем с параметрическими алгоритмами настройки и мажорирующими функциями для нелинейных объектов, и доказана устойчивость (диссшативность в целом) решений таких адаптивных систем;«

- на основе математической модели жесткого трехзвенного машшулято-

pa в форме дифференциальны! уравнений Лагранжа разработаны взаимосвязанные и локальные адаптивные системы управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для манипуляци-онного робота, а также проведено исследование и показана эффективность функционирования локальных адаптивных структур с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями в управлении траекторным движением трехзвенного манштуляционного робота; - разработана структура, алгоритмы функционирования и осуществлена полная программнотаппаратная реализация, цифро-аналогового отладочного комплекса для исследования и настройки адаптивных систем управления, построенного на базе функциональных плат сбора и обработки данных и ПЭВМ IBM PC/AT, а.также проведена оценка времени вычисления управления цифровыми локальными и взаимосвязанными адаптивными регуляторами.

Практическая ценность работы. Разработанные и исследованные в диссертации адптивные структуры управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для взаимосвязанных нелинейных механических объектов являются более простыми с точки ^зрения практической реализации по сравнению с точными алгоритмами адаптации и более эффективными в функционировании по сравнению с системами с линейными адаптивными законами и интегральными алгоритмами настройки их параметров.

Разработанный программно-аппаратный отладочный комплекс на базе функциональных плат сбора и обработки данных и ПЭВМ IBM PC/AT является эффективным средством исследования и настройки цифровых адаптивных систем управления для многостепенных нелинейных механических объектов. -

Реализация результатов. Разработана и внедрена адаптивная система управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями траекторным движением машшуляционного робота в рамках многофункционального моделирующего комплекса наземных испытаний бортовых систем управления маловысотным полетом высокоманевренных ЛА на базе ПЭВМ и робота ПУШ-560 (концерн "Ленинец", МГП "ПЛАНЕТА", Санкт-Петербург).

Полученные в диссертации результаты использованы при постановке циклов лабораторных работ на кафедре систем автоматического управления СПбГЭТУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры систем автоматического

управления Санкт-Петербургского электротехнического университета, на Всесоюзном научно-техническом семинаре по электромеханотронике (Ленинград, 1989 г.), на семинаре Ленинградского дома научно-технической пропаганда (1990 г.), на семинаре "Нетрадиционные электромеханические преобразователи" (Севастополь, 1992 г.), а также на Ленинградском Симпозиуме по теории адаптивных систем (1991'г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Стуктура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 69 наименований и приложения. Основное содержание рабрта изложено на 168 страницах машинописного текста.' Работа содержит 130 рисунков и 11 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

. Во введении определяется научная проблематика работы', обосновывается ее актуальность, приводятся цель, задачи, основные положения выносимые на защиту и основные практические результаты диссертационной работы.

В первом разделе приводится методика построения математических моделей многостепенных механических объектов в форме уравнений Лагранжа, определяется обобщенное математическое описание многостепенного механического объекта, приводится общий подход к построению' адаптивных систем управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для нелинейных нестационарных объектов с функционально-параметрической неопределенностью, рассматриваются полная и упрощенная адаптивные системы прямого управления с мажорирующими функциями и приводятся их конкретные структуры для взаимосвязанного нелинейного нестационарного механического объекта.

Обобщенные дифференциальные уравнения движения степеней подвижности механических объектов, записанные в явной форме уравнений Лагранжа, будут: '

п»

... • _ а •

q1=a1(q,q,t)+b1(q,t)u1.(q,q,t) +Д ^и^^ч.и+э^я.д,-?)]; (1) а^.сьг) = а11 (Ч»^^ + а1а (4»*)^''+ а1з(я,1;)4®;

где а^.Ю; Ь^Л); ^(Ч.г); Ь^Д), *=1,2,3; к=ТД; 1,;И7т - всюду (глобально) ограниченные скалярные функции непрерывно дифференцируемые по аргументам q1 и кусочно непрерывные по времени 1;; и1(Ч»Ч>1;) ~ управляющие воздействия по степеням подвижности;

. • - ш-мерные векторы обобщенных координат и

скоростей; 1,3=1,ш; т - числю степеней подвижности.

Уравнения (1)»(2) исчерпывают математическое описание динамики класса взаимосвязанных нелинейных, механических объектов со многими степенями подвижности и каждое уравнение характеризуется собственной нелинейной нестационарной динамикой (функции ^(Ч.Ч.'П>. перекрестными связями по обобщенным координатам и скоростям (функции перекрестными связями по

управлениям и^ч,4,1;) (функции в^(9,4,1;)).

Диссертационная работа базируется на предложенных В.В.Путовым общих структурах адаптивных систем с мажорирующими функциями, а именно:'

1) полная адаптивная система прямого управления с параметрической ■^настройкой состоит из п-мерной эталонной модели

хм(г> = а|1хи(1>.* в11и°(г), |и°т| < сопэи, (з)

Аы,Вы - полностью управляемая пара; Ан - гурвицева; и0(г) -ограниченное программное управление; нелинейного адаптивного закона и^И) = и(1;)-и0(11> вида

и алгоритмов настройки его параметров, выражаемых матричными дифференциальными уравнениями

КА (г) = -1 (х )ГА ВтРехт - ЛА КА (5)

ЯГ г ЧГ II qг язг4 '

К^) = -ГрВ*РеиоТ(1;) - Л^т; <}=С7р, г=Т7п,

где мажорирующие функции роста, выбираемые, например, в

виде степенных функций с целыми положительными показателями; е(1;)<=хШ-х (1;); все матрицы! и мажорирующие функции с первым нулевым индексом принимаются за одну и равны

- гог= Ф Лог= ло> Г0Г<ХГ) =

КАг(1;}, ^=07р, г=Т7й - шхп-мерные, а 1^(1;> - тхт-мерная матрицы настраиваемых параметров адаптивного закона (4), ГАг, ЛАг, Гв, Лд -симметричные положительно определенные (>0) (в частности, диагональные) шхт-мерные матрицы коэффициентов усилений алгоритмов,

внбираемые при проектировании планируемых свойств адаптивных про-, цессов; Р = Рт > О матрица, являющаяся решением уравнения Ляпунова А^Р + РАи = -0; 0 = 0Т> □ - произвольная матрица; ,2) упрощенная адаптивная система прямого управления о параметрической настройкой состоит из эталонной модели (3), адаптивного закона вида

А(1:) " кА(*)а1ав{ухг)}?х + кв(1)и°(г), (б)

где Шав« <х )}» - й1ав{1 (х ),Г (х >.....1 (х_>,... (хп)>, и

Г .1 • Г . И

алгоритмов настройки матриц параметров Кд(г), К^Ъ)

- -ГАВ®Рвхта1вв« ~ ААКА(г>; Г=Т7Й. (7)

Г

К^) - -ГвВ*РеиоТШ - ЛзКдШ, где рг - максимальная степень роста, для мажорирующих функций по переменной хг.

.. Рассматриваемые в первом разделе диссертационной работа применения описанных общих структур учитывают строение взаимосвязанного механического объекта (1),(2), и в качестве мажорирующих функций могут быть выбраны степенные функции переменных состояния не ниже первой степени, имеющие вид:

где при г=1, г=ТТт; при г=т+1, г=т+1, '¿т.

. Исходя из уравнений ' (4)-(8), полная локальная адаптивная структура управления механическим объектом состоит .из:

а) совокупности локальных эталонных моделей

б) совокупности локальных адаптивных законов

+ + + <10>

в) совокупности,алгоритмов настройки параметров

Здесь * « Т7*; р±1» р1а; 1=ТТш - -постоянные строгс

положительные коэффициенты усилений алгоритмов настройки, выбираемые проектировщиком из условия требуемой эффективности локального адаптивного управления.

Полная развязывающая адаптивная структура * управления объектом (1),(2) состоит из совокупности эталонных моделей (9) и

- 7 -

развязывающих адаптивных законов управления вида

с алгоритмами настройки параметров, выражаемыми дифференциальными уравнениями

К< * )=-Тибй1Ч з-^цеКз, < * ■>■ К ¿9'(* )=-т± >

^«Н^.МКД^^; 1.3=ттш. (13)

Здесь й^как в выражении (11); 713*»а13*> *=Ь,Ш - строго положительные постоянные коэф|ициенты усиления алгоритмов настройки.

Полная структура взаимосвязанного (глобального) адаптивного управления объектом (1),(2) состоит из совокупности эталонных моделей (9), закона управления вида

с алгоритмами настройки, выражаемыми дифференциальными уравнениями (11),(13).

Далее, исходя из уравнений (9)-(13), предлагается два вида упрощенных структур: а) структура с мажорирующими функциями одной старшей степени по всем переменным б) структура с

мажорирупцими функциями . старших степеней, своей по кавдой переменной состояния

Во втором разделе проводится аналитическое и численное исследование работоспособности локальных и взаимосвязанных адаптивных структур с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для обобщенного нелинейного взаимосвязанного объекта, а также сравнительный анализ эффективности функционирования указанных адаптивных структур, адаптивных структур с интегральными алгоритмами настройки и точных адаптивных структур регуляторов, построенных по методу скоростного градиента. Обобщенный нелинейный объект имеет вид

+ а14(хД)х|2 + а15(хЛ)х11х±г + Ь±(х,г)(и® + и°), (14) где х11,х12- скалярные переменные состояния; а (х,1;), Ь^хД) -глобально ограниченные скалярные функции; и°(1;) - программное управление (|и°(1;) |<т=сопз1,); и® - адаптивное управление.

Аналитическое исследование объекта (14) проведено для случая объекта 2-го порядка, который может служить описанием локальной

динамики выделенной 1-й степени подвижности. При этом параметры

объекта выбраны следующими: а1 (х.Ю^а, а£г(х,1;)=Ь, Ъ^Х.'ЬЫ.

Адаптивная система управления обобщенным объектом (14) содержит

эталонную модель

х =х „; х" „=Ах ,+Вх „+и°(1;), (15)

щ ыг' на ш ыг ' . '

закон адаптивного управления

. иа = ^Шх* + (16)

о алгоритмами настройки

2Л ' '2

Где А<0, В<0; 7^0; т2>0; а^О; а2>0; р(>0; р2>0 - некоторые постоянные.

В работе рассматривается полное аналитическое решение задачи об ограниченности траекторий сиотемы (14)-(17), которая означает, что нет решений, уходящих на бесконечность при М или г->+со, Т>0 (сопэ1;), вдоль произвольного луча с параметрическим Уравнением в Й4 вида

Л Л ■_!_

~Х~ "и У V» = 2 '

где - параметр; - направляющие коэффициенты. Для

этого проводится замена переменных х^; х2=^; т^^; т2=|, где

г- новые переменные, и исследуется неустойчивость особой

точки 21=0 линеаризуя исходную систему (14)-(17).

х. х т т, .

Аналогично рассматривается луч и т.д.

Таким образом, показывается диссипативность (не экспоненциальная) решений адаптивной системы (14)-(17) в целом, равномерная по множеству решений эталонной модеж хм1 (1;), хы2(1;), но без построения предельного множества в силу того, что нельзя воспользоваться функцией Ляпунова.

Численное исследование объекта (14) проведено для 1=1 и 1=2, т.е. рассморены . система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, как при аналитическом исследовании, и система дифференциальных уравнений четвертого порядка, соответствующая системе двух связанных тел. Было проведено исследование адаптивных регуляторов с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями (9)-(13), построенных с учетом конкреткой структуры рассматриваемых объектов, а также сравнительный анализ с интегральными адаптивными алгоритмами с огрублением и точными. адаптивными алгоритмами, построенными по методу скоростного градиента.

При исследованиях были рассмотрены следующие вопросы: 1) подавление адаптивными регуляторами влияния глобально ограниченных нелинейных • коэффициентов а±;)(хД) ,Ь1Сх,г) обобщенного объекта; 2) исследование функционирования адаптивных регуляторов для объекта со степенными нелинейностямй; 3) исследование влияния коэффициентов усиления 71>а1 адаптивного регулятора на эффективность функционирования; 4) влияние начальных условий на устойчивость нелинейного обобщенного объекта о адаптивным управлением; 5) исследование функционирования лояльного и взаимосвязанного адаптивных регуляторов, для решения задачи динамического развязывания взаимосвязанного объекта; б) исследование процессов адаптации алгоритмов настройки адаптивного регулятора для нелинейного обобщенного объекта.

Далее рассматривается дискретная форма нелинейного адаптивного регулятора для двух степеней подвижности объекта (14), соответствующая упрощенной локальной адаптийной структуре (9)-(11) и имеющая вид:

- уравнения эталонной модели

х„12[к+1 ]=а121хи11 [к]+а122хм1г[к1+и^ки

- адаптивный закон управления:

и®[к+1]=К±11к+1]х11[к)х11£к]+К±г[к+1 ]х±2[к]х12(к!;

- алгоритм настройки параметров:

ки [к+15=-Тц <р1,е11+Р±2е12 [к]хи £к]+аиКи:

К1а[к+1]=-Т12(Р11е11+р1ае1г)х1г[к]х1г[к]+а1гК1г;

е11=Х11~Хн11 ' е12=*12~Хы1г * 1-1'2'

Исследования показали, что адаптивные регуляторы с алгоритмами

параметрической настройки и мажорирующими функциями не имеют альтернативы в виде интегральных адаптивных алгоритмов, что показано для случая нелинейного объекта* когда последние, не обеспечивают устойчивости. Размер предельных множеств сходимости траекторий определяется задаваемыми пректировщиком параметрами усиления алгоритмов настроек. Адаптивные регуляторы с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями обеспечивают диссипатив-ность системы и по своей структуре значительно проще регуляторов, построенных по схеме алгоритмов скоростного градиента.

В третьем разделе построена математическая модель жесткого трехзвенного манипулятора в форме диф$еренциалъных уравнений Лагра-нжа, и на ее основе разработаны взаимосвязанные и локальные адаптивные системы управления с алгоритмами параметрической настройки и

мажорирующими функциями для манипуляционного робота, а также проведено исследование и показана эффективность функционирования локальных адаптивных структур с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями в управлении траекторным движением трех-звенного манипуляционного робота.

Дифференциальное уравнения, описывающие динамику манипуляционного робота имеют следующий вид

% - J*;Mit(q.q> +.Mt'(t*)3s

4'J33-J*3J32)_1 ['С (p2 (q.q)+M2(t) (?, (q.q)+M3 (t)) ];

lAV (Рз»>КГ (F2((М>+м2»1.

где cos® (q2+q3)+^ acos2(q2 )+2 ^ 3cos(q2 )cos (q2+q3)+

^(q.4) = qtq2tJtBln2(q2+q3)+J12aln(2qa)+2J133ln(2q2+q3)] +

+ qiqaEJ1sin2(q2+q3)+ 2J13cos(q2)ain(q2+q3)]; P2(q,4) = (2q2+q3)q3Jta3-lri(q3) -

- 0,5q®EJt3lii2(q2+q3)+Jia3lii(2q2)+2J133ln(2qa+q3)) -

- gE(m1lt-mal2)co3(q2+q3) + ((m1+m2+m)l4 + m3l3)cos(qa); F3(q.q) = -qaJ13sln(q3) -O.Sq^f^sli^tq^) +2J13cosqasin(qa+q3)b

- g[(mtl1-m2la)co3(q2+q3),

Ji=mi1i+m212;' Jia-iW^VSi ^«Mr^W

п^- массы, 1±- длины звеньев манипулятора, M±(t)- внешние управляющие моменты, обобщенные координаты - углы поворота звеньев.

Взаимосвязанный адаптивный регулятор для трехстепенного манипуляционного робота, в соответствии с уравнениями (10)-(t,3), состоим из эталонных моделей (9), адаптивного закона u^(q,q,t)=k11(t)ql+k14(t)q=+k15(t)q^kl6(t)^+k17(t)q°(t);

U*(q,4,t) = k±a(t)q2 + kl3(t)q3 + kl4(t)q? + kls(t)q| +

+ к±б(1:)(1з + ^в^'Ча^) + klB(t)q°(t), 1-2,3, где q°(t)- программные задания степеней подвижности, и алгоритмов настройки параметров k(t) с соответствующими уравнениями из (11),(13).

Локальный адаптивный регулятор состоит из эталонных моделей (9), адаптивного закона с настраиваемыми параметрами

-11 -

)=к±1(1)Ч±+К1г^)я=+К1з(t)q°(t);

и алгоритма настройки параметров

Далее для определения постоянных коэффициентов адаптивного алгоритма, обеспечивающих наилучшие переходные процессы по степеням подвижности трехзвенного манипулятора с кинематической схемой и параметрами робота Пума 560 было проведено моделирование динамики эобота с приводами степеней .подвижности при отработке ими зтупенчатого входного воздействия;

Исследование траекторного движения многостепенных механических >бъектов и функционирования их систем управления с помощью модели.-ювания является, с практической точки зрения, возможно единственны средством, так. как на практике очень сложно зафиксировать еальное простанственное динамическое движение многостепенного бъекта, такого, например, как манипуляционный робот. Также,, на вальном объекте сложно и трудоемко осуществить выбор типа управле-ия и произвести настройку адаптивных регуляторов. Моделирование ээволяет получать не только пространственные траектории, но и эафики движения по отдельным обобщенным координатам,' скорости их щенения, а также получить ¿ременные зависимости моментов, ювиваемых исполнительными приводами сочленений, характеризующие [ергвтические возможности системы управления.

Было проведено исследование траекторного движения манипуляци-ного робота без груза и с грузом в схвате от 2,5 до 10 кг на двух оростях 0,5 и 1,5 м/с с линейной и адаптивной системами управле-я. Проведенные исследования показали, что адаптивная система равления в сравнении с линейной позволяет до 1.0 раз увеличить замическую точность траекторного движения (рис.1/ кривые 1,2) при хустимых значениях управляющих моментов исполнительных приводов ю.2, кривая 2) при различной скорости движения и массе груза в тте манипулятора. Адаптивный регулятор с мажорирующими функциями иется более эффективным в сравнении с интегральным адаптивным улятором, так как управлявшие моменты имеют .. менее колебательный актер и меньшие максимальные значения. .. *

В четвертом разделе приводятся методы численного решения тем дифференциальных уравнений, используемые при исследованиях, зматривается метод непрерывных моделей дискретных систем, прцме-шя для перехода от непрерывных адаптивных.алгоритмов к дискрет-

Puc. Травктормое (ЗЬшкение маиипуляциомого

H, HM

375 250 1Z5 О

-123 -250 -375 -50Q

i i ! : A h

* i i i г Л i « __ « i ] . \

: / \! Л ; ; Ä V Л 1 Lt. \ ' / ' #1 A X • S i . JplL. VX » F |1Ж Л^

ч ^^МшШлд , •' _r—Ul! Vf,

/щГ'

____________\LÍ__________1_______________! к » \ 'i i \ i \

jyr L - линеййояс СУ : : \ Ir

: 1-с\даг\тиЬфп СУ ¡ ¡ ! ! ! ! !

0.00 0.19 0.38 0.56 0.75 0.94 1.13 1.31

Рис.2.. Упровлйклцие моменты исполнительных приЫ< нонипу^яциоимого робота

им адаптивным системам управления, приводится разработанное алго-итмическое и программное обеспечение для исследования и настройки, i также структура, и алгоритм функционирования программно-аппа-атного отладочного комплекса для цифровых адаптивных систем правления многостепенными механическими объектами, проведена оцен-а времени машинного цикла цифровых адаптивных систем управления.

Программно-аппаратный отладочный комплекс (рис.3) представляет обой совокупность аппаратных и программных средств, позволяющих в зальном темпе времени обработать показания датчиков положений и ■горостей степеней подвижности объекта, произвести численный расчет э определенному закону управляющих воздействий, вывести их на люлнителъные привода, представить на экране дисплея траекторию зостранственного движения объекта или другие его временные харак-iристики. Его аппаратная часть состоит из персонального компьютера Ш PC/AT и функциональных плат фирмы National Instruments, четыре шты размещаются в слотах расширения шины PC/AT, и одна подключа-■ся с помощью кабеля к внешнему разъему. Программная часть состоит I библиотеки драйверов, управляющих платами ввода-вывода и цифро-го процессора обработки сигналов, и'моделирующей программы. Платы ода-вывода осуществляют ввод значений координат объекта и вывод ссчитанных управляющих воздействий, а плата цифрового процессора работки, сигналов. - численное решение системы дифференциальных авнений эталонной модели и алгоритмов настройки параметров, а кже вычисление адаптивного управления. Остальные функции'модели-ицей программы выполняются центральным процессором.

Моделирующая программа состоит из следующих основных блоков: планирование траектории пространственного движения объекта; решение прямой и обратной кинематических задач; 3) процедура шания правых частей дифференциальных уравнений; 4) численное юние дифференциальных уравнений; 5) задание начальных условий; процедуры графического отображения на экране рассчитанных траек->ий пространственного движения объекта или переходных процессов | степеней подвижности; 7) задание параметров исследуемого объек-

системы управления и моделирующей программы; 8) считывание и ись в файл начальных установок программы; 9) вывод рассчитанных фиков на, печать; 10) сохранение и чтение графиков в файлах на тком диске; 11) основное меню.

Время машинного цикла программно-аппаратного отладочного комп-са, с уч&тем операций обмена, для полной структуры взамосвяззн-

SÇXI-UW

Шал m (ДналМ)(1(№р.ЩыВ) (Am Вый) i8

Адаптер сбора сонных

RTSI /¡Система синхром^аиии^ работы

AT-bSP 2200 плата цисрроього сигнального процесса ра [digital sLqnai rp loceftot) ^

I

ГО

AT-MIO-46 F-S

'g

fee

ршном

ШШЩнЩШШШ а анатобого

мот и m >ода

56ода-

_ ЙТ-ЙО-6 плато шаомо-го быЬода

, РС-QIü-g/ Плата цишшо парашльного Шоа-Ьыпоаа

С

I-.

i

PC/AT I/O Chañneí

MI -7Ш Библиотека

иотека ипратния шпьнымц

dpaùbepob Ш

иншртвн-

nmmänu

Ж

Моделирующая программа

Рис. 3. Программно-аппрратныи отладочный комплекс для ццфроёых адаптивных р^/тлт^ш^ на 5азе функциональных плат срирмы

ного адаптивного управления (13)-(17) трехстепенным механическим объектом составляет 150 мкс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью, в дисертационной работе выполнено следующее.

1. На основе построенных математических моделей многостепенных леханических объектов с сосредоточенными массами построены адаптив-ше системы с мажорирующими функциями и разработаны локальные и взаимосвязанные адаптивные структуры прямого управления взаимосвязанными нелинейными нестационарными механическими объектами с ¡лгоритмами параметрической настройки и степенными мажорирующими функциями..

2. Пройедено исследование и сравнительный анализ адаптивных юкалышх и взаимосвязанных структур с параметрическими интеграль-ими и нелинейными с мажорирующими функциями алгоритмами настройки, I также точных адаптивных структур регуляторов, построенных по (етоду скоростного градиента, для обобщенного нелинейного объекта.

3. На основе математической модели жесткого трехзвенного мани-улятора в форме дифференциальных уравнений Лагранжа разработаны заимосвязанные и -локальные адаптивные системы управления с лгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для анипуляционного робота.

4. Проведено исследование и показана эффективность функциони-ования локальных адаптивных структур с алгоритмами параметрической астройки и мажорирующими функциями в управлении траекторным вижением трехзвенного манипуляционного робота.

5. Разработан пакет прикладных программ для исследования и астройки адаптивных систем управления многостепенными механически объектами.

6. Разработана структура и алгоритм функционирования програм-ю-аппаратного отладочного комплекса для цифровых адаптивных ютем управления, построенного на базе функциональных плат сбора и ¡работки данных и ПЭВМ IBM PC/AT, а также проведена оценка времени 1числения управления цифровыми локальными и взаимосвязанными [аптивными регуляторами.

- 16 -

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Путов В.В., Гаврилов C.B., Шеметов В.Ю. Разработка нелинейных адаптивных алгоритмов для управления сложными электромеханическими объектами// Тез. докл. Всесоюз, науч.-тех. семинара по электромеханотронике.- Л., 1989.- С. 41-42.

2) Путов В.В., Шеметов B.D. Исследование нелинейных адаптивных регуляторов для многостепенных механических объектов и вопросы их цифровой реализации// Адаптивные системы управления технолог, процессами и оборудованием: Материалы семинара.- Л.: ДЦНТП, 1990.-С. 12-16.

3) Путов В.В;.,* Шеметов В.Ю., Муравьев М.А. Разработка и исследование практических структур адаптивных регуляторов ç преднамеренно вводимыми нелинейностями для многостепенных механических объектов// Стохастические системы: Сб. науч. тр. АН УССР, Вып. З.Киев: Изд-во Военной Академии ПВО СВ, 1990.- С. 31-44.

4) Шеметов В.Ю. Адаптивные регуляторы для нелинейных механических объектов и вопросы их цифровой реализации// Тез. докл. Ленинградского Симпозиума по теории адаптивных систем.- Л., 1991.0. 35-37.

5) Шеметов В.Ю. Вопросы исследования и цифровой реализации адаптивных регуляторов из класса алгоритмов высшего порядка// изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр./ Ленингр. электротехн. ин-т им.В.И.Ульянове (Ленина).-Л.,1991.-Вып.441.-С.71-76. .

6) Путов В.В., Муравьев М.А., Шеметов В.Ю. Подход к адаптивному управлению нелинейными нестационарными взаимосвязанными объектами САУ вооружения посредством преднамеренного введения нелиней-ностей// Вопросы оборонной техники. - 1991N 4. - С.81-90.

7) Путов В.В., Муравьев М.А., Шеметов В.Ю. Нелинейные адаптивные регуляторы для управления многостепенными механическими объектами вооружения// Вопросы оборонной техники.- 1991.- N 6.- С.18-31.

8) Новые средства адаптивного управления нелинейным^ электромеханическими объектами и преобразователями/ Ю.А.Борцов, В.В.Путов, В.Ю.Шеметов и др.// Тез. докл. семинара "Нетрадиционные электромеханические преобразователи" - Севастополь: СФ РДЭНТП, 1992, - С.40.

9) Путов В.В., Шеметов В.Ю., Свидерский C.B. Разработка ï исследование адаптивного управления динамикой антропоморфного манипулятора// Изв. ТЭТУ: Сб. науч. тр./ С.-Петербургский гос. электротехн. ун-т. - СПб, 1992. - Вып. 453. - С. 48 - 54.