автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез адаптивного и робастного управления исполнительными устройствами подводных роботов

о л

На правах рукописи

I - ' I/ , > 1 : , , J

Дыда Александр Александрович

СИНТЕЗ АДАПТИВНОГО И РОБАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ

05.13.01- Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1998

Работа выполнена на кафедре информационных систем управления Дальневосточного государственного технического университета.

Научный консультант: Доктор технических наук,

профессор

Владимир Федорович Филаретов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Леонид Тимофеевич Ащепков

Доктор технических наук, профессор

Геннадий Евграфович Кувшинов

Доктор технических наук, профессор

Виктор Владимирович Путов

Ведущее предприятие: Институт проблем морских технологий ДВО РАН (Владивосток)

Защита состоится «_»_ 1998 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 003.30.01 Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041, г.Владивосток, ул.Радио, 5.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Автореферат разослан «_»_1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, —^ЧтОйл ^

д.т.н, профессор ^о /] Б.И.Коган

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и постановка проблемы. Всестороннее исследование и освоение Мирового океана в настоящее время, безусловно, является одной из центральных проблем, стоящих перед современной наукой и практикой.

К наиболее перспективным научно - практическим направлениям, ориентированным на изучение и освоение потенциала Мирового океан, относится подводная робототехника. Подводные аппараты - роботы позволяют обеспечить выполнение инженерных, научно-исследовательских, поисковых, аварийно - спасательных и других видов работ в толще воды и вблизи дна.

Значительный вклад в развитие современной подводной робототехники, внесен российскими учеными М.Д.Агеевым, А.Н.Дмитриевым,

М.Б.Игнатьевым, И.Б.Иконниковым, Л.В.Киселевым, Е.Н.Пантовым, В.А.Челышевым, В.С.Ястребовым и другими, а также их зарубежными коллегами К.СпзН, ТЛ-РоБвеп, К.К.ОоИееп, АЛ.Неа1еу, Е.ЮеГГегуз, Р.А.РароиНаз, и.Е.БкЛте, Т.ХТат, О.Я.Уоег§ег и др.

Среди подводных роботов (ПР) важным классом являются рабочие ПР, осуществляющие свое пространственное движение за счет собственных движителей и оснащенных, как правило, манипуляторами (ПМ), что позволяет им выполнять разнообразные виды подводных работ.

К числу основных систем подводного робота относится система управления его пространственным движением, а также движением ПМ, которая в современном представлении имеет иерархическую структуру, содержащую несколько уровней. Создание системы управления подводного робота и в первую очередь создание исполнительного контура, на котором осуществляется управление исполнительными устройствами аппарата, обеспечивающего в недетерминированных условиях фактическое осуществление требуемого целенаправленного движения,

запрограммированного на более высоком иерархическом уровне, является одной из наиболее сложных и актуальных проблем подводной робототехники

Большинство методов, которые используются в настоящее время для синтеза систем управления ПР, ввиду значительной сложности дифференциальных уравнений, описывающих движение роботов, базируется на упрощенных математических моделях. Основные способы упрощения состоят в переходе к линеаризованным уравнениям и /или расщеплении системы уравнений на множество независимых подсистем уравнений невысокого ( обычно второго -третьего ) порядков. Такой подход вполне оправдан для некоторых режимов

движения или определенных классов ПР. Однако в общем случае выполнение роботом рабочих операций может потребовать движения по произвольно? пространственной траектории. Следствием этого является то, что системь управления ПР и ИМ, синтезированные традиционными методами пс упрощенным моделям, не обеспечивают высокой точности воспроизведет« запрограммированных движений робота. Таким образом, актуальной является разработка и развитие методов синтеза систем и алгоритмов управления не основе более точных моделей ПР и ПМ, учитывающих нелинейный характер 11 многомерность уравнений движения подводных роботов.

Другая особенность подводных роботов как объектов управления состоит е их значительной параметрической и структурной неопределенности, которая £ основном связана со сложным характером влияния внешней водной среды, Большинство используемых в настоящее время методов синтеза систем управления ПР и ПМ, предполагает, что параметры последних известны и постоянны, однако фактически они могут изменяться в довольно широком диапозоне. В следствие этого управление, синтезированное на основе номинальных значений параметров, часто не обеспечивает требуемой точности и других качественных показателей ПР и ПМ. Поэтому необходимым является разработка методов синтеза, гарантирующих высокую эффективность процессов управления подводными роботами в условиях существенной структурно - параметрической неопределенности.

Перспективными научными направлениями для синтеза управления ПР и ПМ, являются адаптивный и робастный подходы. Их применение в сочетании с принципами декомпозиции и децентрализации позволяет синтезировать управление, которое обеспечивает высокое качество и точность осуществления программного пространственного движения за счет либо приспосабливания (адаптации) к изменяющимся условиям, либо грубости (нечувствительности, робастности) по отношению к параметрической и структурной неопределенности. В ряде работ предпринимались попытки применения методов адаптивного и робастного управления подводными роботами. Однако, как показал анализ, указанные методы использовались, как правило, для синггеза частных подсистем подводных роботов и опирались на неадекватные линеаризованные или слишком упрошенные нелинейные модели. В целом же применение адаптивного и робастного подходов при синтезе ПР и ПМ не носит систематического характера, хотя это привело бы к значительному улучшению качества процессов в системах управления и, следовательно, к повышению эффективности использования подводных роботов.

Таким образом, проблема состоит в разработке и дальнейшем развитии методов синтеза адаптивных и робастных систем управления исполнительными устройствами подводных роботов.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является решение научно - прикладной проблемы, заключающейся в обобщении, разработке и применении методов синтеза адаптивных и робастных систем и алгоритмов управления исполнительными устройствами подводных роботов и манипуляторов, эффективных в сложных условиях их функционирования.

В конечном итоге решение указанной проблемы должно привести к повышению функциональных возможностей ПР и ПМ, а также к улучшению их показателей качества (точности и быстродействия ).

Методы исследования. В процессе выполнения диссертации использовались методы исследования непрерывных систем в пространстве состояний, матричного и векторного исчисления, теории дифференциальных уравнений, главным образом, при получении достаточных условий устойчивости нелинейных динамических систем, теории адаптивных, разрывных и оптимальных систем, а также систем с переменной структурой. Кроме того, широко использовались методы численного моделирования разрабатываемых алгоритмов и систем управления, а также методы компьютерной обработки экспериментальных данных, полученных во время морских и бассейновых испытаний систем подводных роботов, и экспериментальные исследования на реальном оборудовании.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. Обоснованы, разработаны и развиты подходы к построению систем управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, которые обладают высокой эффективностью при наличии неопределенности, нелинейности и многомерности, определяемых особенностями условий функционирования подводных роботов.

2. Развиты методы синтеза нелинейных алгоритмов и систем управления на основе полной номинальной модели ПР, обеспечивающих предписанную динамику процессов для всех основных режимов его движения.

3. Разработаны адаптивные модификации нелинейных алгоритмов и систем управления ПР, обеспечивающие требуемую точность и заданное качество переходных процессов при существенной параметрической неопределенности в динамике подводного робота.

4. Разработаны методы синтеза робастных и робастно - адаптивных алгоритмов и систем управления IIP и ПМ, обеспечивающих высокое качество и грубость переходных процессов при параметрической неопределенности и действии внешних сигнальных возмущений, а также средства нелинейной и адаптивной коррекции исполнительных движителей ПР, обеспечивающие близость их динамики к заданной эталонной.

5. На основе сочетания принципов систем с переменной структурой и непрямой адаптации построены алгоритмы и системы децентрализованного робастно - адаптивного управления исполнительными устройствами ПР и

ПМ, эффективные в условиях неопределенности параметров нагрузки при дискретном и непрерывном характере ее изменения. Разработаны и развиты методы параметрической идентификации.

6. Синтезированы робастно - адаптивные алгоритмы и системы децентрализованного ( с эталонным параметром скольжения ) управления исполнительными устройствами IIP и ПМ, в том числе субоптимальные по быстродействию систем, при наличии структурно - параметрической неопределенности.

Практическая ценность и реализация результатов. Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в разработке систем (алгоритмов ) управления, позволяющих улучшить точность, быстродействие и качество переходных процессов в системе управления ПР и ПМ. В результате это приводит к повышению эффективности выполнения работ подводными роботами, оснащенными манипуляторами. Применение разработанных адаптивных и робастных структур управления, принципиально ориентированных на имеющуюся в динамике ПР и ПМ структурно -параметрическую неопределенность, позволяет значительно сократить объем работ, связанных с проектированием, испытаниями и настройкой систем, и, следовательно, уменьшить стоимость и сроки разработки подводных роботов при улучшении качества их функционирования.

Проводимые исследования выполнялись в рамках основных научно -исследовательских работ Дальневосточного государственного технического университета в соответствии с целевой программой Минвуза СССР на 19781990 гг. по комплексной проблеме "Роботы и робототехнические системы" (приказ N 136 от 2.2.79 ); комплексной программой "Роботы" Минвуза РФ на 1980 - 1985 гг.; межвузовской целевой комплексной программой "Робототехнические системы и автоматизированные производства " на 19871990 гг. (задания N 02.04.09, 08.01.18, 08.01.19, 08.04.10); комплексными программами ГТШТ СССР и АН СССР 0.16.09 и 0.16.10 на 1986 - 1990 гг. ( задания 27.01.П, 27.04.П ) ; межвузовской научно - технической программой "Робототехника для экстремальных условий" на 1996-1997 гг.; межвузовской научно - технической программой "Робототехнические системы" на 1998-2000 гг.

Внедрение результатов осуществлялось при непосредственном участии автора в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, а также работ по научно-техническому сотрудничеству университета с другими предприятиями и организациями. В КБ "Дальнее" ( г.Владивосток ) при создании серии подводных аппаратов -роботов внедрены разработанные в диссертации методы синтеза адаптивных и робастных систем управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, а также алгоритмы идентификации различных подсистем реальных подводных роботов.. В НИИ радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных

ситуаций (г.Санкт-Петербург ) результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при разработке структуры и математическом моделировании системы управления подводного робота - носителя специализированной аппаратуры подводной лаборатории. В НИИ технологии и организации производства ( г.Иркутск ) внедрен электропривод для универсальных загрузочных устройств, построенный на основе предложенной адаптивной системы с переменной структурой.

Отдельные результаты, полученные в диссертационном исследовании, используются также при подготовке научных кадров высшей квалификации в рамках аспирантуры ДВГТУ и в учебном процессе на кафедрах "Информационные системы управления" и "Автоматизации управления в технических системах" в курсах "Основы теории управления", "Теория автоматического управления", "Методы оптимизации систем", "Электроприводы роботов", "Системы управления роботов".

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работ докладывались автором и получи/!» одобрение на 12-м Всемирном конгрессе Международной федерации автоматического управления (IFАС) ( Сидней, 1993 ), 2-ой Европейской конференции по управлению (I роншпем, Нидерланды, 1993 ); Первой Азиатской конференции по управлению ( Токио, 1994 ), Международной конференции по океанотехнике "OCBANS'94" ( Брест, Франция, 1994 ), Симпозиуме 1FAC по проектированию робастных систем управления (Рио-де-Жанейро, 1994), 3-й Европейской конференции по управлению (Рим, 1995 ), 24-й Международном научном коллоквиуме ( Ильменау, ГДР, 1989 ), 5 -й Международной конференции по искусственному интеллекту и информационно управляющим системам роботов (Штребско Плесо, Чехословакия, 1989 ), 7-й Международной конференции по современной робототехнике ( Сент-Фелью , Испаши, 1995 ), 4-ой Международной конференции по интеллектуальным автономным системам ( Карлсруэ, Германия, 1995 ), 3-й Симпозиуме IFAC по проектированию нелинейных систем управления ( Тахо Сити, США, 1995 ), 4-й Международной конференции ШЕЕ по приложениям теории управления ( Нью-Йорк, 1995 ), Международной конференции "Мехатроника-96" , ( Гуимарес, Португалия, 1996 ) а также на 4-й Всесоюзн.конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоенния Мирового океана" ( Владивосток, 1983 ), 3-м и 4-м Всесоюзн. совещаниях по робототехническим системам (Воронеж, 1984, Киев, 1987. ), Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования Мирового океана " ( Геленджик, 1987 ), Республ.научн.-техн. конференции " Роботизация и гибкие автоматизированные производства" (Черновцы, 1986 ) Всесоюзном научн.-практ. семинаре "Опыт использования распределенных систем управления технологическими процессами и производством " ( Новокузнецк, 1986 ), Всесоюзн. совещании-семинаре

"Проблемы оптимизации и управления динамическими системами в машино-и приборостроении " ( Владивосток, 1987), X Всесоюзной научн.-техн. конференции по проблемам автоматизированного электропривода ( Воронеж, 1987 ), Дальневосточной научно - практич. конференции " Проблемы транспорта Дальнего Востока " ( Владивосток, 1995) и других конференциях и семинарах.

Публикации и личный вклад автора. Всего по проблематике диссертационного исследования автором опубликовано в изданиях, соответствующих требованиям ВАК РФ, 68 работ, в том числе 22 авторских свидетельства ( патента ) на изобретения..

В работах [3-7,10-14,19-22,24-29,32,35,36] автору диссертации принадлежат постановка задачи и методы ее решения, [8,9,23,30,31,37-39,41-43] написаны совместно, в [40] автором выполнен синтез закона управления.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы, включающего 200 наименований, и приложений. Основное содержание работы изложено на 286 страницах машинописного текста. Работа содержит рисунков и таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика современного состояния систем управления подводных роботов, обсуждается научная проблематика работы и показывается ее актуальность. Формулируется цель и основные задачи исследования. Рассматривается научная и практическая значимость работы.

В первом разделе рассматриваются математические модели подводного аппарата - робота. Кратко обсуждаются основные применяемые системы координат. Уравнения кинематики (два варианта) и динамики ПР имеют вид:

й1

X 9

= В

V а>

й - !»м

Ш

= £> + Си

С = С(У,а>,0,&

Кинематика ПМ описывается соотношениями:

или

Хс=*КЧм)Чм

Уравнения динамики ПМ имеют вид:

Щм>Р)Ям+См(Р>Ям><1м)Ям+с(Р>Ям) + Р(Р4М) = "

Здесь X, 6, (},У, (о - соответственно (под)векторы, составленные из линейных и угловых координат, компонент кватернионов, а также линейных и угловых скоростей ПР в связанной системе координат, входящие в полный вектор состояния системы; х^Ям - координаты схвата и обобщенные координаты ПМ; р - векторы параметров ПР и ПМ; и - вектор управления; О - матрица инерщш ПМ, Сидм - вектор центробежных и кориолисовах сил, в - вектор сил ( моментов сил ), связанных с гравитацией и плавучестью, Г' - вектор сил (моментов сил) вязкого сопротивления.

Математическая модель движителя ПР представлена в виде:

а = {3 т - а О. \ Т = С ¿П [П |

где П, т, Т - угловая скорость вращения винта, прикладываемый к нему момент силы и упор, развиваемый движителем. Особенность нелинейности исполнительного движителя ПР такова, что она способствует возникновению предельных циклов (автоколебаний). Склонность систем управления Г1Р к автоколебаниям показана с помощью разработанного приближенного критерия устойчивости и подтверждается опубликованными результатами экспериментальных исследований. Для улучшения динамики движителей целесообразно применение коррекции.

Анализ показывает, что полная математическая модель подводного робота характеризуется значительной нелинейностью, неопределенностью и многомерностью, в связи с чем синтез его системы управления представляет сложную проблему. Степень сложности решения задачи синтеза снижается путем выполнения предварительной коррекции динамики движителей ПР. Предложено и исследовано несколько вариантов коррекции движителей (с использованием нелинейных обратных связей и эталонных моделей), обеспечивающей динамику, близкую к желаемой. Показана эффективность введения разработанной нелинейной и адаптивной коррекции.

Во втором разделе обосновывается эффективность использования математического аппарата, разработанный А.Изидори для синтеза нелинейных систем управления ПР. Достоинство предлагаемого подхода заключается в высокой степени его формализации, что обеспечивает его перспективное использование для автоматизации проектирования на основе программных средств с применением символьных вычислений.

Синтез системы управления ПР выполняется в два этапа. На первом этапе для динамической системы вида

х = /(*)+£(*)« У = А(дг)

сшггезирустся закон управления вида

и = Л (*)(*' - Г ( х ))

Л (х) - {¿^ ¿'-'М*)}

Г (х) = Ьг}Ь,(х)

" д Л

I = 1 i

Приведенный закон управления, как показано а работах А.Изидори и др., обеспечивает декомпозицию системы на независимые каналы и приводит уравнения движения ПР к заданному линейному дифференциальному уравнению, связывающему дополнительно введенное управление с управляемыми координатами (выходом) у:

у}" =

На втором этапе надлежащим образом выбирается вектор уу в форме закона управления с обратной связью

= \у(х)

так, чтобы достичь требуемых качественных показателей переходных процессов в системе.

Изложенный метод был применен для решения задачи синтеза нелинейного управления угловым положением (ориентацией) ПР. В отличие от традиционных подходов, использовалась нелинейная математическая модельПР. Задача была решена также вторым методом, менее формализованным, но более удобным для «ручного» синтеза. Показана эквивалентность двух методов.

В режиме управления ориентацией ПР цель состоит в том, чтобы вектор кватернионов q(t), определяющих угловое положение робота, асимптотически стремился к программному значению

яы = я „ (О

Достижение цели управления обеспечивается следующим законом :

» = К'1 (/Г1(д,)(2"и> + ~1М|2 я) ~ /С®))

При известных кинематической матрице Я, матрице параметров К и вектор-функции измеримых координат Г динамика стремления ошибки к нулю описывается линейным дифференциальным уравнением и полностью определяется выбираемыми матрицами С,,С2.

Двумя другими практически важными режимами движения ПР являются скоростной ( управления скоростью), в котором задаются желаемые законы изменения скоростей ПР в связанной с ним системе координат

V

= V , (о

О) а = (О а ( О и координатный, в котором задаются желаемые законы изменения положения ПР в инерционной системе координат

= X а ( О

в а = 0 а ( О Цели управления ПР достигаются с помощью синтезированных законов

управления соответственно

и - С (м> - О)

XV

= С

е + е

и = (5C)"1(w- ВВ- Ве)

X а X,- X X*- X

IV = ... + с, ... + с2

ел в 0Л- 9

При синтезе предполагалось, что скорректированная динамика движителей ПР близка к идеальной, а также, что параметры уравнений динамики ПР известны точно. Синтезированное нелинейное управление обеспечивет асимптотическую устойчивость и требуемое качество систем управления при номинальных значениях параметров ПР. Однако значительные отклонения

параметров от принятых при расчете значении , что характерно для реальных режимов работы ПР, существенно ухудшают качественные показатели процессов в системе и приводят к необходимости совершенствования синтезированных законов управления.

Третий раздел посвящен построению адаптивных систем управления пространственным движением ПР в предположении близости динамики исполнительных движителей к идеальной. Показано, что может быть выполнена параметризация типовых уравнений динамики ПР в форме, линейной относительно векторов неопределенных параметров 4 т.е. имеющей вид:

с/Г

со

= I Я

i = 1

где ^ - известные матрицы, зависящие от измеряемых переменных.

Далее на основе метода функций Ляпунова с привлечением леммы Якубовича - Калмана выполнен синтез систем (алгоритмов) адаптивного управления ПР для основных режимов его движения, обеспечивающих устойчивую отработку заданных программных траекторий в условиях параметрической неопределенности, которая свойственна подводным роботам. Построенные по общим моделям ПР законы управления и адаптации имеют следующий вид:

1) в скоростно режиме

)=1

и

- •

V*- V V а

... + ...

со в - в> •

2) в режиме ориентации

л

и = Сх {Къ)Кл (д)(2и> - Щ) со-

• ♦ • «

¿з=Гз-ЧВДЗД)г*

е = рх е+ Р2г 3) в координатном режиме

л

и = С - 5

• •

Х„ I г л а- 1/ л лг Л ч- X

м> = ... 1 п -г ^аг • ...

ь в И - в

= Г;18/Вте

л

£ _ р -1 с?" » г с-

¿г = /?, е+ р2е

В приведенных соотношениях е - вектор рассогласования, матрицы Г£>0. Символ ^ Л)) означает оценку соответствующего параметра.

Построение алгоритмов и систем управления , выполненное во втором н третьем разделах, основано на предположении близости динамики скорректированных движителей ПР к идеальной, что уменьшает сложность математической модели ПР и позволяет получить более простое решение задачи синтеза. Однако в общем случае динамика (скорректированных) движителей может оказывать существенное влияние на движение ПР и поэтому должна быть учтена при синтезе системы управления.

В четвертом разделе рассматривается задача синтеза нелинейного номинального управления по более полной и точной математической модели

V

(О

ПР, включающей, кроме принятых ранее уравнений, также динамику скорректированных исполнительных движителей

( и , и - соответственно векторы управляющих входов и выходов ( упоров ) движителей ПР ), которая в общем случае оказывает заметное влияние на работу системы. Как показали результаты исследования, размерность и сложность решения задачи увеличивается (в сравнении с разд.2), однако незначительно Это обеспечивается благодаря выполнению на начальном этапе специальной коррекции движителей, нейтрализующей отрицательное влияние нелинейности и неопределености. Методом, аналогичным принятому в разд.2, были синтезированы нелинейные алгоритмы и системы управления для основных режимов движения ПР: 1) в скоростном режиме

и* - С {у] - Ь- С и) - ух ху2и

V ,

V ¿-V

+ сх

со а

о а - (О

со А - со

2) в режиме ориентации

3) в координатном режиме

и = (ВС)~ (и> ~ В

со

-2 В(В + Си)~ В(0+Си))-у;1у2и

»1 • ... ■ п

х„ X с! - X Ха- X Ха- ЗС

IV = ... + С, ... • • + с2 ... + с3 ...

Ьа 9,- О в ва- в

Построенные законы управления, как показано в работе, обеспечивают асимптотическое стремление управляемых координат к заданным программным значениям при номинальных значениях параметров ПР. Отклонение реальных значений параметров от расчетных ведет к ухудшению точности и качественных показателей воспроизведения заданных траекторий движения ПР. Нейтрализация отрицательного влияния параметрической неопределенности на процессы управления ПР выполняется далее путем применения адаптивного подхода.

В пятом разделе усовершенствуются получение в предыдущем разделе нелинейные законы и алгоритмы управления на основе их адаптивной модификации, что позволяет достичь заданного высокого качества процессов в систем при наличии параметрической неопределенности. Для основных режимов движения ПР с использованием полной модели, учитывающей динамику движителей, синтезированы алгоритмы и системы адаптивного управления:

1) в скоростном режиме

И* = С (¿5)гГ' (IV - I г (И) ¿5

/=1

=

со а

+ С

V л - V

СО а - СО

+ С

а г

V а - V

со а - со

=T;\ylSl<<u)S + y2Sl{u)e

2) в режиме ориентации

-1/-V ir \-i п-1

1

л л

- R(q)Sx (со) Кхг - k(q)S2 (и) К3-

- & («>¿2 - ^y2R(q)S2 («) ¿3) »<• «» »» • •

in = r,i (hq^S, (СУ) + j R(g) & (й>))г г

¿з = T;\R(q)S2(u) +^R(q)n &(«*) + + y2S2(u)))rs

3) в координатном режиме

со

- 2 BS5(u)4s~ Я]Г S, i-y3BS,(u)l5

«♦l *

ij Xi- X Xa- X X

w = + cdl f mm + +Cd2 ... ...

ed- в в,- в в

Синтезированные адаптивные алгоритмы и системы обеспечивают высокое ;ачество процессов управления ПР в условиях непредсказуемого изменения шраметров. Робастный подход, в некотором смысле альтернативный даптивноому, позволяет компенсировать негативное влияние не только гараметрической, но и структурной неопределенности в динамике ПР и ПМ. Тоэтому далее в работе исследуются робастные и робастно - адаптивные ис/емы и алгоритмы управления.

В шестом разделе разрабатываются методы синтеза робастных и робастно -даптивных классов систем (алгоритмов) управления исполнительными ■стройствами ПР и ПМ. Для этих классов характерны системы с релейным ипом управляющего сигнала, в частности, системы с переменной структурой. Организация в таких системах скользящих или близких по характеру движений (доль назначенных многообразий делает эти системы грубыми, ^чувствительными к параметрическим и структурным возмущениям. Робастный алгоритм (система) управления исполнительными приводами ПМ федлагается синтезировать на основе мажорирующих оценок неизвестных 1араметров робота по его общей нелинейной модели. Для этого вначале исполняется параметризация левой части уравнений динамики ПР ( исключая :илы / моменты вязкого сопротивления Б ) :

П(Ям>Р)Ям+См(Р>9м>Чм)Ям+С(Р><1м) = £ - вектор параметров ПМ, Ф - матрица-регрессор ). Вектор Е, как показано в •аботе, в большинстве случаев может быть оценен следующим образом:

II в

кг 9м + к г

де к \ ,к 2 — СОП$1 > 0 На основе метода функций Ляпунова показано, 1то управление вида

и = Фх-к^~ Аг2№ - къ У(1 + - к4 МН^яф)

Де

1ри надлежащем выборе коэффициентов и

|беспечивает достижение цели управления

9А/(0-> 9до.

При этом функция v может быть выбрана достаточно произвольной, в том числе и нелинейной. В частности, при выборе

функция в имеет вид

я = Ям ~ Я а = е,

при

у = яа-Ням -я*),

соответственно

5 = в + А е .

Синтезированное управление обеспечивает попадание, возможно, за конечное время, изображающей точки системы на многообразие б=0 , которое определяет финальную стадию движения, инвариантную к вариациям параметров ПМ. Достаточная свобода выбора функции V позволяет синтезировать, то сути, целый класс новых систем (алгоритмов) управления ПМ.

Выполнен также в общем виде синтез робастно - адаптивного управления исполнительными приводами ПМ. Полагая известной структуру уравнений, описывающих силы (моменты) вязкого сопротивления и выполняя параметризацию левой части уравнений динамики ПМ в виде

в конечном итоге приходим к следующим законам управления и адаптации:

л

и = V, V) а- Кх& - K2sign(s)

а = -Фг(я^,у,у)(Г-1)г*

Мажорирующие оценки неопределенных параметров ПР и ПМ, которые требуется выполнить для реализации предложенного робастного управления могут оказаться слишком завышенными, что нежелательно. Поэтому разработат метод синтеза нового класса алгоритмов и систем управления движением ПР эффективных при наличии структурно - параметрических возмущений заране* неизвестного уровня. Сущность полученного решения заключается в настройк« компенсирующих сигналов регулятора на минимально необходимый да парирования неопределенности уровень. Уравнения динамики ПР могут был представлены в виде, аналогичном уравнениям динамики ПМ:

,р)д +С (р) + иг=и

Предполагается, что кроме параметрической неопределенности имеют место и сигнальные (структурные) возмущения, действующие на ПР со стороны внешней среды, работающего манипулятора, трос-кабеля и др., которые удовлетворяют условию

2

< к0+ к 1

м.

+ к

•II „

я\\ + ч

Существенная особенность состоит в том, что константы, входящие в ограничение, заранее неизвестны. Синтезированное робастно - адаптивное управление описывается следующими соотношениями:

II 2

u = ф{q,q,v,v)x-<?йsign{s){\ +

л П

Хг = 'Л, л)

*

! = г/ ♦

л

сто = СоНО+ д + д )

В работе выполнено обобщение предложенного нового класса робастно -адаптивных структур на случай мажорирования внешних возмущений линейной комбинацией известных функций измеряемых координат с неопределенными коэффициентами

р

<к о+Х *<Л

к = 1

В этом случае более общий закон управления и адаптации приобретает вид:

Л Л

и = Ф% - (а 0 + Л

К

Применение построенных алгоритмов (систем) управления позволяет качественно осуществить заданную программную траекторию движения ПР и, в частности, стабилизацию положения ПР в условиях структурно -параметрических возмущений, возникающих, например, при работе ПМ. При этом качественные показатели переходных процессов на их конечной фазе определяются только выбираемыми параметрами уравнений, задающие многообразие э=0.

Системы и алгоритмы, предложенные в разделах 2-6, могут быть отнесены к централизованному управлению, поскольку при их синтезе учитывалась полна* математическая модель управляемого объекта. Получение такой модели, также как и реализация синтезированного управления, может быть довольнс трудоемким. Поэтому в остальных разделах диссертации рассматривают« вопросы построения более простого децентрализованного управленш исполнительными устройствами ПР и ПМ, основанного на упрощенны? моделях..

В седьмом разделе выполняется построение децентрализованного робастно ■ адаптивного управления на основе сочетания принципов создания систем < переменной структурой (СПС) и непрямой адаптации. Сущность новой развиваемого подхода состоит организации адаптивной настройки блок; изменения структуры (БИС) в соответствии с результатами идентификации (ши вычисления) неизвестных параметров.

Обсуждается постановка и особенности задачи децентрализованной управления.

Выполнен синтез децентрализованных робастно - адаптивных систем 1 алгоритмов управления ( включая упрощенные ) исполнительным устройствами ПР и 11М для случаев дискретного и непрерывного характер: изменения параметров. В отличие от традиционных СПС, быстродействи которых невелико и определяется наименее благоприятными значениям] параметров ( для приводов ПМ - момент инерции нагрузки ), предложении алгоритмы управления, основанные на адаптивной подстройке

Рис.1

Рис.2

пространственнного положения поверхностей скольжения, позволяют, как подтвердили моделирование и экспериментальные исследования, при сохранении желательной монотонности процессов значительно (в 2-4 раза ) повысить быстродействие систем.

На рис.1 показаны типовые переходные процессы в разработанных системах управления приводами ПМ при дискретном изменении момента инерции Л в 10 раз ( кривые 1-4). Видно, что с уменьшением параметра I уменьшается длительность переходных процессов. В обычных СПС процессы практически всегда совпадают с кривой 4; если же расчетное 5 становится меньше фактического, то происходит срыв скольжения и значительное ухудшение качества переходных процессов (кривая 5 ).

Для случая непрерывного изменения параметра J привода 1 - й степени подвижности ПМ синтезированные законы децентрализованного управления и адаптации (настройки «с») имеют вид:

и = (е1 + к 0\Сг[ + M)sign(s)

с = с2 - а2с + bsign{se{) кс > 1 / Ь

в = Чш + а2

м> м;

На рис.2 показаны переходные процессы по первой координате выбранного ПМ, при этом его вторая координата оставалась постоянной или изменялась по гармоническому закону. В сравнении с традиционными СПС быстродействие системы улучшено в 2-2.5 раз. Преимущество предложенных систем увеличивется с расширением диапозона вариаций параметров привода ПМ. Новизна и эффективность предложенных систем подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Следует отметить, что реализация предложенных алгоритмов ( систем ) децентрализованного управления требует наличия информации о внешних возмущениях и значениях необходимых параметров, т.е. обязательного решения задачи идентификации. В ряде случаев такая идентификация может быть выполнена непосредственно по такой характеристике скользящего режима как параметр скольжения д. Физический смысл параметра скольжения - это отношение длительности включения одной из двух возможных структур

системы к периоду высокочастотных переключений, возникающих в скользящем режиме Получены соотношения, позволяющие по величине ц. определить эквивалентную постоянную времени Т и внешнее возмущеие М для ьго исполнительного привода ПМ . Для простейшего закона управления СПС они имеют вид:

Т = Кс2{- 1) + с(1 - ¡1)

М = -■

2 Бх (Л

К

Кс

=0

Синтезирован также простой алгоритм ( адаптивный наблюдатель ) для параметрической идентификации вязкого сопротивления. Математическая модель объекта описывается уравнением

V = +

где V, w, f - соответственно скорость, управление ( сила или момент силы ) и вязкое сопротивление, которое принимается равным

/ (V, а) = м281&1(у)

( «а» - неизвестная константа).

Постороенный адаптивный наблюдатель имеет следующий ввд ( ниже к, ц = сошОО)

а - г — к\

1 - к]л\

V

V

¡я-1

,а)

sign(v)

Полученный новый и известные алгоритмы были применены дл* идентификации подсистем реального ПР по экспериментальным данным полученным во время морских испытаний.

Следует заметить, что решение задач идентификации может оказатьс? довольно сложным. Поэтому представляет интерес разработка систем I алгоритмов робастно-адаптивного управления, в которых не предполагаете) выполнение параметрической идентификации, а используется принцип прямо! адаптации, в частности, по параметру скольжения.

В восьмом разделе разрабатывается новый перспективный класс робастга адаптивных алгоритмов и систем децентрализованного управления использующих эталонный параметр скольжения.

Фазовый портрет 1-й подсистемы управления ПМ, содержащий семейства спиральных и гиперболических траекторий, иллюстрирует основную идею адаптации ( рис.3 ). Реальный скользящий режим, возникающий на линии 8=0, имеет конечные амплитуду и частоту переключений ( показано в увеличенном масштабе ). Чем ближе линия скольжения к вырожденной траектории АВ, тем выше скорость протекания скольжения и тем ближе к своему экстремальному значению параметр скольжения ц ( 0 или 1 ). Следовательно, по значению ц можно судить о близости линии скольжения к положению, при котором обеспечивается максиматьное быстродействие для выбранного класса управлений.

Отмеченные свойства непосредственно были использованы при синтезе алгоритма адаптации, в частности, к вариациям момента инерции нагрузки исполнительного привода ПМ. Сущность разработанного алгоритма робастно -адаптивного управления состоит в следующем. После попадания изображающей точки системы на линию переключения структуры в=0 непрерывно измеряется текущее значение параметра скольжения р. ( или постоянная составляющая с выхода переключающего элемента, что эквивалентно ), которое сравнивается с заданным эталонным значением. Сигнал рассогласования между эталонным (близким к экстремальному ) и текущим значениями ц используется для подстройки параметров линии скольжения таким образом, чтобы рассогласование по ц свести к нулю, т.е. выставить в-О в положите, близкое к линии АВ (рис.3 ), и обеспечить наибольшее быстродействие.

Предложенный алгоритм был опробован, в частности, для отдельных подсистем ПР. Применение адаптации позволяет при благоприятных значениях изменяемого параметра - массы ПР, включая присоединенную - значительно (примерно в 2 раза ) сократить время переходных процессов с сохранением монотонности, что может быть важно для предотвращения столкновения ПР с

препятствием. Без адаптации переходные процессы замедлены и практически совпадают с кривой, соответствующей максимальному значению массы ПР

Идея применения адаптации по параметру скольжения применима также и к релейным алгоритмам ( системам ) управления. На рис.4, показана структурная схема синтезированной релейной робастно - адаптивной системы децентрализованного управления с эталонным параметром скольжения. Поддержание за счет адаптации параметра скольжения, близкого к экстремальному, ведет к тому, что постоянная составляющая сигнала на выходе релейного элемента близка к своим граничным значениям ( +1 или -1 ),

тем самым обеспечивается эффективное торможение системы после попадания изображающей точки на линию скольжения 8=0. Следовательно, закономерно ожидать сходство процессов в предложенной системе с оптимальными по быстродействию. На рис.5 показан фазовая траектория системы, реализующей предложенный алгоритм ( кривая 1 ) при управлении 1-й координатой ПМ, представленного на рис.6. Как подтвердили исследования, разработанный алгоритм релейного робастно - адаптивного управления действительно демонстрирует свойство субоптимальности по быстродействию и значительно эффективней алгоритмов типовых СПС (линия 2 на рис.5 ).

Рис.4.

Проведенные исследования показали также, что применение функцит переключения, линейных по переменным состояния, как это имеет место п;и большинства случаев, принципиально ограничивает дальнешне*

совершенствование систем исследуемых классов. В связи с этим разработаны и исследованы релейные робастно - адаптивные системы ( алгоритмы ) управления с нелинейными поверхностями скольжения, обладающие еще более высокой эффективностью, в частности, большим быстродействием.

Предложен подход к синтезу нелинейных поверхностей скольжения для отдельных подсистем децентрализованного управления. Вначале для ¡-ой подсистемы строятся оптимальные поверхности (линии) переключения при известных наименее благоприятных сочетаниях параметров и внешних возмущений, имеющие вид:

+ О

( функция Р - известна ).

Зададимся уравнением ьй линии скольжения:

= + с,Г(е21) = О

Начальные значения компонент вектора «с» принимаются равными «1». При наихудших значениях параметров и внешних возмущений подсистема, очевидно, движется по построенной поверхности скольжения (режим нестрогого скольжения). Параметр ц равен одному из экстремальных значений (О или 1), а релейный элемент .^^(э) находится соответственно в состоянии +1 или -1. Однако в большинстве практических ситуаций значения параметров и возмущений в системе отличаются от наихудших, поэтому для обеспечения движения подсистемы вдоль назначенной линии скольжения требуется меньший по абсолютной величине управляющий сигнал - эквивалентное управление с выхода реле (параметр р находится в интервале [0,1]) Таким образом, система имеет ресурсы по управлению, которые могут быть использованы для повышения быстродействия. Улучшение процессов достигается путем подстройки компонент вектора «с» при наличии рассогласования по параметру скольжения в 1-й подсистеме.

Рис.7.

Исследования, проведенные на примере исполнительного привода конкретного ПМ (рис.7 ), показали, что применение нелинейных поверхностей скольжения и описанных принципов адаптации по параметру скольжения позволяет достичь более высокого быстродействия (примерно на 20%), чем при использовании линейных функций переключения. На рис. 8,9 показаны фазовые и временные траектории, соответствующие 2-й степени подвижности ПМ для различных алгоритмов адаптации. Переходный процесс 1 соответствует интегральному алгоритму настройки вида

с; — к ^е р;

ггрально - знаковому а

с, =

процесс 2 соответствует интегрально - знаковому алгоритму настройки

где

вщ = К ~ Р*

представляет собой разность фактического и желаемого эталонного значений

Рис.8.

Рис.9.

параметра скольжения в i-й подсистеме. При этом полагалось, что qi(t) = sin(2t) и влияние 1-й подсистемы рассматривалось как сигнальное возмущение. Кривая 3 соответствует случаю наихудших значений параметров.

Результаты моделирования подтверждают свойство субоптимальности предложенных систем ( алгоритмов ) управления при наличии структурно -параметрической неопределенности. Следует отметить, что попытки построения оптимального управления рассматриваемыми объектами на основе классических подходов, таких, например, как принцип максимума Понтрягина, наталкиваются на практически непреодолимые трудности.

В приложениях приведены примеры программ на языке REDUCE для некоторых символьных вычислений, описание разработанного критерия устойчивости, описание экспериментального программно - аппаратного комплекса для исследования адаптивных и робастных алгоритмов и систем управления, акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, диссертационная работа представляет собой обобщение и решение научно - прикладной проблемы, заключающейся в дальнейшем расширении, развитии, разработке и исследовании классов адаптивных и робастных систем и алгоритмов управления исполнительными устройствами подводных роботов и манипуляторов. Полученные в ходе выполнения работы управляющие структуры эффективны в сложных, экстремальных условиях функционирования ПР и ПМ при наличии нелинейности и нестационарности, многомерности и структурно - параметрической неопределенности объектов управления. Результаты, связанные с решением ">™й ппрвттрмы имеют важное народно - хозяйственное значение, поскольку позволяют повысить эффективность и расширить область применения средств подводной робототехники и общей робототехники в целом.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. В "диссертации выполнено обоснование, разработка и развитие адаптивного и робастного подходов к синтезу систем автоматического управления исполнительными устройствами подводных роботов и манипуляторов. Применение синтезированных управляющих структур позволяет существенно улучшить качество процессов в системе управления и повысить эффективность использований ПР и ПМ в условиях значительной

нелинейности, многомерное™, нестационарное-! и и структурно нарамстричеекой неопределенности описывающих их математических моделей.

2. Развиты методы структурно - параметрического синтеза нелинейных систем и алгорщмок управления, основаиные на полной номинальной модели ПР и обеспечивающие заданную эталонную динамику во всех основных режимах его пространственного движения. Поэтапное выполнение синтеза с целью упрощения технической реализации системы в целом предполагает построение нелинейной обратной связи, обеспечивающей декомпозицию и линеаризацию системы относительно дополнительно введенного управления, закон формирования которого далее уточняется на основе требований к переходным процессам.

3. Разработаны алгоритмы и системы адаптивного управления ПР на основе модификации управляющих структур, синтезированных по нелинейной номинальной модели. Построенные системы ( алгоритмы ) обеспечивают заданное эталонное качество воспроизведения иро!раммных траекторий в основных режимах пространственного движения ПР при значительной параметрической неопределенности его динамики.

4. На основе общих моделей ПР и ПМ разработаны методы синтеза робастного и робастно - адаптивного управления, обеспечивающего заданное высокое качество переходных процессов и грубость систем к структурно - параметрической неопределенности. Работоспособность систем (алгоритмов ) обеспечивается как применением мажорирующих оценок неопределенных параметров и назначением желаемой ( не обязательно линейной ) динамики за счет выбора вспомогательных функций, так и адаптивной настройкой на уровни структурных и параметрических возмущений. Синтезированы средства нелинейной и адаптивной коррекции динамических свойств исполнительных движителей ПР, что позволяет обеспечить близость переходных процессов к желаемым и в рамках концепций декомпозиции системы и децентрализации управления упростить процедуры синтеза.

5. Разработан и исследован новый класс робастно - адаптивных систем децентрализованного управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, сочетающий в себе принципы систем с переменной структурой и непрямой адаптации. Настройка параметров блока изменения структуры (пространственного положения поверхности скольжения ) в сравнении с традиционными системами позволяет значительно увеличить быстродействие и качество процессов управления в условиях неопределенности. Разработаны новые и развиты известные алгоритмы для параметрической идентификации конкретных подсистем подводного робота.

6. Разработан и исследован новый перспективный класс робастно -адаптивных систем децентрализованного управления исполнительными устройствами ПР и ПМ, основанный на применении эталонного параметра

скольжения. Адаптивная настройка блока изменения структуры, обеспечивающая близость текущего значения параметра скольжения к эталонной величине, позволяет значительно повысить качество и быстродействие систем управления ПР и ПМ в условиях структурно параметрической неопределенности. Синтезированные структуры

робастно - адаптивного децентрализованного управления обладают свойствами субопгимальности. Показана эффективность и выполнен синтез систем рассматриваемого класса с нелинейной настраиваемой поверхностью скольжения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.c. N 1526444 СССР Адаптивная система управления / Дыда A.A.

2. A.c. N 1571548 СССР Релейная адаптивная система/ Дыда A.A.

3 A.c. 1218798 СССР. Система управления с переменной структурой / A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов.

4. A.c. 1453362 СССР Самонастраивающийся электропривод / В.Ф. Филаретов, A.A. Дыда. Опубл. 23.01.89, Бюл. N 3.

5. A.c. 1496999 СССР Устройство для управления приводом манипулятора /A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов. Опубл. 30.07.89, Бюл. N28.

6. А. с. 1487686 СССР Система с переменной структурой /A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов. Опубл. 1989.

7. А. с. N 1614682 СССР Самонастраивающаяся система с переменной структурой /A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов.

8. A.c. N 1434676 СССР Способ управления подвижным аппаратом и устройство для его осуществления / Юрчик Ф.Д., Дыда A.A.

9. A.c. N 1462640 СССР Подводный робот / Юрчик Ф.Д., Дыда A.A., Филаретов В.Ф.

10. A.c. N 1505244 СССР Самонастраивающийся электропривод / Дыда A.A., Суляев A.C.

11. A.c. N 1584612 СССР Система с переменной структурой / A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов.

12. A.c. N 1673433 СССР Устройство для управления приводом манипулятора / A.A. Дыда, В.Ф. Филаретов./ Бюл.№2,1991.

13. Патент РФ N 2034695 Система с переменной структурой / Дыда A.A., Васильев А.И., Филаретов В.Ф./ Bkm.N 13, 1995.

14. Патент РФ N 2051543 Самонастраивающаяся система с переменной структурой / Дыда A.A., Филаретов В.Ф. / Бюл. N 36, 1995.

15. Дыда A.A. Синтез и исследование систем переменной структуры с прямой адатацией для управления роботом И 5 Всесоюзное совещание по робототехническим системами) Тез.докл., часть 1, с.225 - Геленджик, 1990.

16. Дыда A.A. Устойчивость, качество и грубость автоматических систем с нелинейной коррекцией / Тез.докл. межвузовской конференции молодых ученых, Владивосток, 1985

17. Дыда A.A. Синтез нелинейных регуляторов для системы управления многосвязным объектом //Тез. докл. Всесоюзного сов.-сем. Проблемы оптимизации и управления динамическими системами в машино- и приборостроении. - М.:МИЭМ, 1987. - С. 48

18. Дыда A.A. Идентификация объекта управления в системе с переменной структурой // Всесоюзная школа-семинар по диагностике электронных цепей и систем. Тез.докл. - Владивосток, 1990, с.20

1983, с.11-12

19. Дыда A.A., Лебедев A.B. Нелинейная адаптивная коррекция движителя подводного робота / Изв.ВУЗов, Электромеханика, N 1-2,1996, с.83 - 87.

20. Дыда A.A., Михалев A.C., Матюхина Л.И. Частотный критерий устойчивости систем автоматического управления с псевдолинейными корректирующими устройствами / Изв.Вузов СССР, Приборостроение, 1984, т.27, N 7, с.20-24

21. Дыда A.A., Очкал B.C., Юрчик Ф.Д. Разработка и исследование адаптивных электроприводов манипулящюнного робота, функционирующего в вязкой среде / Тез. 4-го Всесоюзн.совещ. по роботогехническим системам, Киев, 1987, ч.1, с.213-214

22. Дыда A.A., Филаретов В.Ф. Синтез адаптивных систем с переменной структурой для управления электроприводами роботов //Тез. докл. 3 Всесоюзного сов. по робототехническим системам. Ч. 2. - Воронеж, 1984. - С. 89-90.

23. Дыда A.A., Филаретов В.Ф., Юрчик Ф.Д. Проектирование подводного рабочего комплекса //Тез. докл. Всесоюзной школы. Технические средства и методы исследования Мирового океана. Т. 2. - М., 1987. - С. 57.

24. Дыда A.A., Очкал B.C., Филаретов В.Ф. Оптимальные по быстродействию системы с переменной структурой для управления электроприводами роботов //Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвуз. сб. - Красноярск, 1986. - С. 59-62.

25. Дыда A.A., Филаретов В.Ф. Адаптивные системы с переменной структурой для управления электроприводом робота //Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. - 1987. - N 1. - С. 219.Учетов 322-85 от 12.05.85.

26. Дыда A.A., Очкал B.C., Филаретов В.Ф. Разработка оптимальных по быстродействию адаптивных систем с переменной структурой для управления нестационарными объектами //Тез. докл. Всесоюзного сов.-сем. Проблемы оптимизации и управления динамическими системами в машино- и приборостроении. - М.:МИЭМ, 1987. - С. 35.

27. Дыда А.А., Филаретов В.Ф. Самонастраивающаяся система с переменной структурой для управления электроприводами манипулятора //Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 1989. -N2, - С. 102-106.

28. Дыда А.А., Филаретов В.Ф. Синтез и исследование адаптивных систем управления манипуляционными механизмами / 34 Internationeles wissenschaftliches colloquium. Technische Hochschule Ilmenau, DDR, 1989.

29. Дыда A.A., Филаретов В.Ф. Алгоритм квазиоптнмального адаптивного управления приводами манипуляционных роботов / Оптимизация режимов работы систем электроприводов. Межвузовский сборник. - Красноярск, 1992.

30. Дыда А.А., Юрчик Ф.Д. Подводный исследовательский комплекс для освоения шельфа / Тез.докл. 1 Всесоюзной конференции " Шельф-86 ", Москва, 1986

31. Дыда А.А., Юрчик Ф.Д. Проектирование подводного рабочего комплекса / Тез. Всесоюзн.школы " Технические средства и методы изучения океанов и морей", Геленджик, 1987

32. Филаретов В.Ф., Дыда А.А., Очкал B.C. Синтез и исследование самонастраивающихся систем с переменной структурой для управления электромеханическими манипуляторами / Деп. в ВИНИТИ, 1989, N 1007. В 89 (8 с.) //Изв. АН СССР. Техническая кибернетика^' 6, 1989. - 194 с.

33. Dyda, А..А. ( 1994) Design of Adaptive VSS Algorithm for Robot Manipulator Control. - Proc. of First Asia Control Conference, Tokyo, July 27 -30,

1994, pp.1077 -1080.

34. Dyda, A.A. ( 1994) Design of Adaptive Control Algorithms for Underwater Manipulator Drives-Proc. of Intern. Conf. OCEANS 94 OSATES, September 13 -16, Brest, France.

35. Dyda, A.A. and S.Di Gennaro (1994), Adaptive trajectory control for underwater robot. - Proc. of Intern. Conf. OCEANS 94 OSATES, September 13 - 16, Brest, France.

36. Dyda, A.A.and V.F.Filaretov (1993) "Algorithm of Time-Sub-Optimal Control for Robot Manipulator Drives " Preprints of 12th World IF AC Congress, Sydney, Australia, July 1993, vol.4, pp.97-99.

37. Dyda, A.A.and V.F.Filaretov (1995) Synthesis of Adaptive Variable Structure Systems for Manipulator Servoactuators. - Proc. of Third IF AC Symposium on Nonlinear Control Systems Design, Tahoe City, California, June 25 -28, Vol.2,

1995, pp.735-740.

38. Dyda, A.A.and V.F.Filaretov (1994) Synthesis of Adaptive Variable Structure Systems for Electrical Robot Actuators. - Proc. of IFAC Symposium on Robust Control Systems Design, Rio De Janeiro, Sept. 14-16, Brasil, 1994, pp.81-84.

39. Dyda, A.A., V.F.Filaretov and Vucobratovic, M. Sliding Regimes in Adaptive Robot Control Proc. of European Control Conference, Rome, Italy, 1995, pp.23632367.

40. S.Di Gennaro and Dyda, A.A. (1993) Attitude control of a satellite with damping compensation of the flexible beam II Proc. of European Control Conference, Nietherland, Groningem, July 1993, pp.1656-1661.

41. Filaretov, V.F., Dyda, A.A. Quasi - Optimal Adaptive Control Systems for Electric Servoactuators of Manipulation Robots - Proc. of First Asia Control Conference, Tokyo, July 27 -30, 1994, pp.275 - 277.

42. Filaretov, V.F., Dyda, A.A. and Lebedev, A.V. (1995) The Sliding Mode Adaptive Control System for Autonomous Underwater Robot. - Proc. of 7th International Conference on Advanced Robotics, Sant Feliu de Guixol, Spain, Sept.20 -22, Vol.1, 1995, pp.263-266.

43. Filaretov,V.F, Dyda, A.A., and Vucobratovic, M. Sliding Regimes in Adaptive Robot Control / Proc. of The Second ECPD International Conf. on Advanced Robotics, Intelligent Automation and Active Systems, Vienna, Austria, September 26 -28, 1996, pp.263-268.

Лицензия № 020466 от 04.03.97 г. Подписано в печать 23.09.98 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 зкз.Заказ 079. Цена "С".

Отпечатано в типографии издательства ДВГТУ Владивосток, ул. Пушкинская, 10

аагз/о*

/

■А ■

Министерство общего и профессионального образования РФ

Дальневосточный государственный технический университет

3 Ктоада На правах рукописи

ТЕ*Нич£с»илх

ЗДА 'Александр Александрович

УДК 681.5

СИНТЕЗ АДАПТИВНОГО И Р0БАСТН0Г0 УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬШМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.13.01 - Управление в технических

" системах

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1998

СОДЕРЖАНИЕ . стр. ВВЕДЕНИЕ.................................:...............6

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОДВОДНОГО АППАРАТА-РОБОТА .........Щ

1.1 Системы координат, используемые в математической

модели подводного аппарата-робота .................Щ

1.2 Кинематика подводного• робота .......................50

1.3 Динамика подводного робота .....'—................53

1.4 Кинематика и динамика подводного манипулятора ......62

1.5 Движитель ПР и его коррекция-.........•..............

1.5.1 Математическая модель движителя ПР .......... ??

1.5.2 Нелинейная-и адаптивная коррекция

" -движителя ПР................................. 21

1.6 Выводы........'..................................... ^

2. СИНТЕЗ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ ПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

ПОДВОДНОГО РОБОТА.........................................Ш

2.1 Математический аппарат, используемый для синтеза нелинейных систем управления .......................1'М

2.2 Синтез нелинейной, системы управления

ориентацией ПР ......................•...............408

2.3 Синтез системы управления/ движением ПР

в скоростном режиме ...........................1..422

2.4 Синтез системы управления движением ПР

в координатном режиме ..............................№-0

2.5 'Сведение координатного режима движения ПР

к скоростному режиму......•.........................157

2.6 Выводы .............................................4Н0

2.7- Сводная таблица законов управления ПР..............Ж

3. АДАПТИВНОЕ .УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ПОДВОДНОГО РОБОТА ........№

3.1 Параметризация уравнений динамики ПР'...............1Н2.

3.2 Синтез адаптивного управления

в скоростном режиме ПР____.......____'................149

3.3 Синтез адаптивного управления ориентацией ПР .......157

3.4 Синтез адаптивного управления ПР

в координатном режиме ...........................

3.5 Выводы .............................................471

). ь Оиодиая' таблица naicouoiiадаптиш юро управления 1ТГ ..17Z

4. УЧЕТ ДИНАМИКИ ДВИЖИТЕЛЕЙ ПРИ СИНТЕЗЕ УПРАВЛЕНИЯ ПР ......ПЧ

4.1 Синтез управления в скоростном режиме ПР

( учет динамики движителей ) ........................415

4.2 Синтез управления ориентацией'ПР

( учет динамики движителей ) ......'...............Ш

4.3 Синтез управления в координатном режиме ПР

( учет динамики движителей ) .....................W

4.4 Выводы" '............................................19С

4.5 Сводная таблица законов управления ПР .............W

5. АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЯ ПР С УЧЕТОМ'ДИНАМИКИ ДВИЖИТЕЛЕЙ

5.1 Адаптивное управление в скоростном режиме ПР ......№

5.2 Адаптивное управление ориентацией ПР ..............

5.3 Адаптивное управление в координатном режиме ПР .....2/2

5.4 Сводная таблица законов адаптивного управления ПР

( учет динамики движителей ) .....................2^

6. РОБАСТНОЕ И РОЕАСТНО-АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПР И ПМ ......2.20

6.1 Робастное управление исполнительными приводами ПМ ..г.2.4

6.2 Робаотно - адаптивное управление исполнительными

приводами ПМ .....................................22*

6.3 Робастно-адаптивное управление ПР при

сигнально-параметрических возмущениях ............23#

6.4 Выводы ............................................147

7. ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ РОБАСТНО-АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПР И ПМ ( ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЙ ПОДХОД ) .........................

7.1 Задача синтеза децентрализованного управления ..л.149

7.2 Робастно-адаптивное управление электроприводами ПМ

( дискретно - изменяющиеся параметры нагрузки ) ...253

7.3 Робастно-адаптивное управление электроприводами ПМ

( непрерывно - изменяющиеся параметры нагрузки )

7.4 Идентификационные свойства скользящего режима .....¿73

7.5 Простой алгоритм параметрической идентификации вязкого сопротивления .............................

7.6 Параметрическая идентификация подсистем ПР

по экспериментальным данным ......................2*3

7.7 Выводы .....■.......................................196

8. ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ РОБАСТНО-АДАЛТИВНОЕ ЖРАВЛЕНМЕ

ПР И ПМ С ЭТАЛОННЫ ПАРАМЕТРОМ СКОЛЬЖЕНИЯ ..............29В

8.1 Робастно-адаптивное управление

с эталонным параметром скольжения .................299

8.2 Релейное робастно-адаптивное управление

с эталонным параметром скольжения .................3*0

8.3 Линейность функции переключения

и предельные возможности системы ..................

8.4 Релейное робастно-адаптивно'е управление

с нелинейными поверхностями скольжения ............

8.5 Выводы ............................................350

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................332

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................... 3 36

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ...............................................363

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ......■..................................'.......365

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ...............................................37?

В. ВВЕДЕНИЕ

В.1. Современное состояние развития систем управления подводных роботов. Актуальность работы.

Всестороннее исследование и освоение Мирового океана в настоящее время, безусловно, является одной из центральных проблем, стоящих перед современной наукой и практикой.

Изучение и использование минеральных, энергетических и пищевых ресурсов океана , решение проблем транспорта, обеспечение обороноспособности страны, возведение шельфовых сооружений, обслуживание газо- и нефтепроводов - это лишь некоторые проблемы, связанные с океаном.

Огромное значение имеют фундаментальные научные исследования океана, имеющие своей целью более ясное понимание процессов и явлений, происходящих в нем, их практическое использование. Это изучение термальных, гравитационных, магнитных полей, акустических, механических, химических свойств толщи воды и дна, измерение параметров течений, решение проблем гидробиологии, геологии, картографии и многое другое.

Решение проблем, связанных с проведением как фундаментальных исследовательских, так и прикладных работ, требует создания и применения соответствующих методов и технических средств.

Одним из наиболее перспективных научно - практических направлений, ориентированных на изучение и освоение потенциала Мирового окена, является подводная робототехника. Подводные

аппараты - роботы позволяют обеспечить выполнение• инженерных, научно-исследовательских, поисковых, аварийно - спасательных и других видов работ в толще воды и вблизи дна.

Значительный вклад в развитие современной робототехники, и, в том числе, подводной робототехники, внесен российскими учеными М.Д.Агеевым, И.И.Артоболевским, П.Н.Беляниным,

A.Ф.Верещагиным, А.Н.Дмитриевым, М.Б.Игнатьевым, И.Б.Иконниковым, Л.В.Киселевым, П.Д.Крутько, Ф.М.Кулаковым, В.С.Кулешовым, Н.А.Лакотой, В.С.Медведевым, И.М.Макаровым, Д.Е.Охоцимским, E.H.Пантовым, Е.П.Поповым, Е.С.Пятницким, А.В.Тимофеевым,

B.И.Уткиным, В.А.Челышевым, Ф.Л.Черноусько, Е.М.Юревичем, А.С.Ющенко, В.С.Ястребовым и другими, а также их зарубежными коллегами A.K.Bejcay, R.Cristi, S.Dubowski, 1.freund, Т.I.Poseen, K.R.Goheen, A.J.Healey, E.R.Jeíferys, N.Kircanski, O.S.G.Lee, J.Y.S.Luh, I.A.Papoulias, R.P.Paul, M.Renaud, J.J.I.Slotine, T.J.Tarn, M.Yucobratovio, M.W.Walker, D.R.Yoerger и др.

He останавливаясь подробно на существующих классификациях подводных роботов, с которыми можно познакомиться , например, в [1,92,94,97,993, выделим из них два важных класса: автономные подводные аппараты - роботы и рабочие подводные роботы. Для обоих классов характерным является то, что роботы осуществляют свое пространственное движение в толще воды за счет собственных движителей.

Автономные подводные роботы, которые также называют

информационными, предназначены главным образом для проведения геофизических, гидроакустических, биологических, геологических и других исследований, а также для сбора и первичной обработки соответствующих данных.

Рабочие подводные роботы, как правило,оснащены манипуляторами. Наличие манипуляторов у подводных аппаратов -роботов позволяет им осуществлять аварийно - спасательные работы, резку, сварку, сборку и демонтаж подводного оборудования, обслуживание шельфовых буровых установок, нефте- и газопроводов, донных добывающих машин, специальной аппаратуры, взятие проб грунта, изучение его физических, химических свойств и многое другое. и предназначены для выполнения операций сборки, установки объектов, их демонтажа, транспортировки и других технологических операций с объектами.

Информационные подводные роботы в процессе выполнения работ обычно должны двигаться по плавным пространственным траекториям. Поэтому форма корпуса такого робота близка к веретенообразной, вытянутой вдоль направления движения, т.е. к форме торпеды, и обеспечивает хорошие гидродинамические характеристики [1].

В отличии от предыдущих, рабочие подводные роботы не имеют преимущественных направлений движения. Выполняемые ими рабочие операции могут требовать осуществления движения в произвольном направлении, с произвольными скоростями и ориентацией в пространстве. При этом возможны достаточно произвольные движения

манипулятора, которым оснащен подводный робот. Обычно рабочие подводные роботы связаны соединительным кабелем с обеспечивающим судном, хотя возможны и другие способы организации их взаимодействия [12,13].

В дальнейшем основное внимание уделяется рабочим подводным роботам, оснащенным манипуляторами. Для краткости будем использовать термин "подводный робот".

Создание подводных роботов требует привлечения методов самых различных научных дисциплин: механики, гидродинамики, энергетики, теории управления и других. Это объясняется тем обстоятельством,

что в состав подводных роботов входит множество разнообразных (..'истом, к числу которых относятся навигационная, информационно-измерительная, управляющая и т.д. При этом разработка ряда систем подводного робота может быть выполнена относительно независимо, автономно; проектирование же других систем подводного робота требует тесной взаимной увязки, т.е. по существу представляет собой единую проблему. Таким образом, очевидно, что проектирование подводных аппаратов-роботов является комплексной инженерной проблемой.

К числу наиболее важных систем подводного робота относится система управления его пространственным движением, а также движением манипулятора ( или манипуляторов ). В современном представлении система управления подводного робота имеет иерархическую структуру, содержащую несколько уровней

Иерархические уровни управления подводным роботом

Рис.В.1

[100.103,111,125-1273 ( рис.В.1 ).

Высший уровень системы управления осуществляет принятие решений и планирует поведение подводного робота на основе задания, полученного от человека, а также на основе данных, предоставляемых сенсорной системой.

Следующий уровень выполняет распознавание окружающей среды, ее моделирование, а также анализ сенсорной информации в соответствии с планом, выработанным на высшем иерархическом уровне системы управления.

Указанные два уровня относятся к интеллектуальному управлению и их реализация предполагает общение человека-оператора с интеллектуальной вычислительной системой.

Далее следует уровень планирования и программирования движения робота. Здесь выполняется выработка целенаправленных движений исполнительных механизмов подводного робота с учетом конструктивных ограничений и препятствий.

М наконец, уровень управления программным движением подводного робота ( исполнительный уровень ), на котором осуществляется управление исполнительными устройствами аппарата, обеспечивающее в недетерминированных условиях фактическое осуществление требуемого целенаправленного движения, запрограммированного на более высоком иерархическом уровне.

Создание системы управления подводного робота и в первую очередь создание исполнительного контура управления, как

отмечается в [127], является одной из наиболее сложных и актуальных проблем. С ее решением и связана выполняемая диссертационная работа.

Подводный аппарат - робот как объект управления имеет ряд существенных особенностей, в связи с которыми решение задачи синтеза его управляющей системы оказывается сложной проблемой.

Прежде • всего, управление подводным роботом должно выполняться в условиях значительной параметрической и структурной неопределенности. В первую очередь эта неопределенность связана с неточным знанием параметров робота-носителя, манипулятора и захваченного им объекта. Характеристики последнего - масса, габаритные размеры и прочее - заранее могут быть просто неизвестны. В. значительно большей ' мере неопределенность обусловлена влиянием водной среды, в которой функционирует подводный робот. Расчет присоединеных масс, моментов инерции, гидродинамических сил и моментов, действующих на робот-носитель и манипулятор в вязкой водной среде чрезвычайно затруднен ввиду сложности формы корпуса подводного робота, произвольного изменения пространственной конфигурации манипулятора, априорной неопределенности в параметрах манипулируемого объекта. Указанные характеристики сложным образом зависят от ориентации подводного робота, угловой■скорости ее изменения, условий обтекания корпуса аппарата и манипулятора и других факторов [88,107]. Практически может быть рассчитан, или оценен, лишь довольно широкий диапозон

, 4Ъ

( множество неопределенности ), в котором находятся параметры подводного робота.

В отличие от информационных подводных роботов, для рабочих подводных роботов, снабженных манипуляторами, ввиду разнообразия вариантов компоновки оборудования и возможных траекторий движения расчеты их параметров на основе теоретических и экспериментальных исследований являются чрезвычайно трудоемкими и дорогостоящими.

Следующая особенность подводного робота как объекта управления - его многомерность и' значительная взаимосвязь отдельных подсистем. Кинематика движущегося в водном пространстве робота - носителя описывается системой дифференциальных уравнениями 6-го порядка. Аналогичным образом описывается его динамика. В случае, когда нельзя пренебречь неидеальностью движителей подводного робота, их уравнения должны быть внесены в общую математическую модель. Наконец, п - звенный подводный манипулятор представляется, как минимум, 2#п дифференциальными уравнениями.

Существенная нелинейность и нестационарность уравнений движения подводного являются дополнительными факторами, затрудняющими решение задачи синтеза его системы управления.

Факторы сложности управления подводным роботом, а также перспективные пути их преодоления, следуя [121], сведем в таблицу (табл.В.1.).

Признанными активно развивающимися научными направлениями,

Факторы сложности управления подводным роботом

Табл.В.1.

Фактор Трудности , связанные с фактором Пути преодоления

Большая размерность векторов входа, выхода и состояния мат.модели подводного робота Значительные затраты по реализации управления подводным роботом Упрощение математической модели и цели управления подводным роботом

Значительная взаимосвязь локальных подсистем ПР _ it _ Декомпозиция матем. модели ПР. Децентрализация управления

Существенная нелинейность гидродинамических характеристик, кинематики и динамики ПР Снижение качества управления ПР,потеря устойчивости системы управления Компенсация нелиней-ностей. Усложнение алгоритмов управления

Неопределенность, нестационарность параметров ПР и влияния среды Непредсказуемое изменение динамики ПР Применение адаптивных и робастных алгоритмов управления

Недостаток информации о динамике ПР Снижение качества и устойчивости процессов управления Идентификация параметров и применение наблюдателей вектора состояния ПР

ориентированными на преодоление _ 'отмеченных трудностей при решении задачи синтеза систем управления, являются адаптивный и робастный подходы. Их применение к .подводным:. роботам в сочетании с принципами декомпозиции системы и 'децентрализации управления-позволит синтезировать''управление, которое обеспечивает высокое качество осуществления программного пространственного движения за счет приспосабливания, или адаптации,- к- изменяющимся условиям, либо грубости, нечувствительности •(.робастности ) по отношению к параметрической' и.структурной неоцределенности.

Среди адаптивных, систем предпочтение в работе будет отдано беспоисковым-системам, т.к. 'они .обладают высоким' быстродействием и ориентированы да.'работу в реальном масштабе, времени [34,35,85, 104,105,112,120-125,165,174]. Термин ..."робастность" является достаточно размытым.' .'В'.нашем случае он 'будет применяться к системам с-'управлением релейного'типа, в'том 'числе и к системам с переменной структурой, организация скользящих или близких к ним процессов в которых, делает- т.' грубыми . к структурно параметрическим неопределённости [26,28,29,33-35,106,110,114-116, 176-184,192,193]- Как показано/в [121], отличие между адаптивными и робастными (.в' указанном смысле ) системами достаточно условно.

Значительный вклад в исследование систем рассматриваемых классов , наряду с .упомянутыми ранее, внесли' российские ученые М.А.Айзерман, Л.Т.АЩепков, Е.А.Варбаш�