автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Синтез адаптивной системы управления пространственным движением автономного подводного робота

На правах рукописи

РГ6 ОА

ЛЕБЕДЕВ Александр Васильевич

СИНТЕЗ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ АВТОНОМНОГО ПОДВОДНОГО РОБОТА

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и

производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 1997

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Ф.Филаретов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Л.Т.Ащепков

кандидат технических наук, доцент В.В.Костенко

Ведущая организация: Дальневосточная государственная

морская академия

Защита состоится

диссертационного совета К 064.01.08 Дальневосточного технического университета по адресу:

690600, г.Владивосток, ул .Пушкинская, 10, ауд.302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточной государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

на заседании государственной:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук , Ю.М.Горбенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное расширение области применения автономных подводных роботов (АПР) приводит к необходимости выполнения ими все более сложных технологических операций в водной среде, осуществления точного движения по заданным пространственным траекториям в широком диапазоне скоростей, с одновременным изменением как линейных, так и угловых координат, а также точного и быстрого подхода к объектам работ.

В этих условиях на качество функционирования АПР отрицательно влияет ряд специфических факторов, к которым относятся прежде всего неопределенность и изменение в процессе работы аппарата его массо-инерциошшх и гидродинамических характеристик (особенно для аппаратов неправильной формы), сильное взаимовлияние между степенями подвижности, воздействие на АПР со стороны работающего манипулятора, влияние инерционности движителей на динамику подводного робота в целом.

Воздействие указанных факторов, как правило, приводит к значительному снижению точности движения подводного робота по заданной траектории и предъявляет повышенные требования к системе управления (СУ) АПР. К настоящему времени разработано большое количество разнообразных методов синтеза СУ подводными аппаратами. К числу наиболее перспективных следует отнести применение адаптивных или "робастных" систем, способных компенсировать влияние неопределенностей на качество работы объекта управления (ОУ). Однако созданные системы управления имеют ряд недостатков (в частности, низкое быстродействие) и зачастую оказываются слишком сложными и дорогостоящими, что сдерживает их практическое применение.

В связи с этим является актуальной рассматриваемая в диссертации проблема синтеза адаптивной системы с переменной структурой (СПС), которая позволит гарантировать высокое качество управления движением подводного робота, обеспечивая инвариантность ко всем изменяющимся параметрам АПР и влиянию внешней среды.

Цель диссертации: синтезировать систему управления автономным подводным роботом, инвариантную к изменению параметров ОУ, взаимовлиянию между каналами управления и воздействию вязкой среды, разработав на единой методологической основе совокупность управляющих устройств, позволяющих достаточно простыми средствами обеспечить высокую точность и быстродействие всей системы в целом.

Методика исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, в том числе теории адаптивных систем и систем с переменной структурой; теории движения подводных аппаратов; численные методы исследования сложных динамических систем.

Научная новизна работы заключается в создании единого комплексного метода синтеза адаптивной системы управления, обеспечивающей заданное высокое качество функционирования АПР и не требующей точного определения параметров его модели и измерения внешних воздействий.

Как показали результаты исследований, предложенный новый подход к формированию управляющего сигнала в СПС, нелинейного относительно ошибки системы, позволил компенсировать влияние вязкой среды на качество работы системы управления в целом.

Разработанный метод нелинейной адаптивной коррекции движителей АПР, основанный на применении сигнальной самонастройки по эталонной модели, позволил застабшшзировать параметры движительного комплекса на номинальном уровне независимо от режимов его работы.

Синтезированный адаптивный закон управления в классе СПС позволил существенно повысить быстродействие уже созданной системы за счет более полного использования запаса мощности движителей (без идентификации текущего состояния объекта управления).

В работе получены ограничения на коэффициенты синтезированных регуляторов и предложена методика расчета системы управления, работоспособной и эффективной в различных режимах эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов диссертации. Применение разработанной системы для управления подводными аппаратами позволяет увеличить точность выполнения ими заданных операций (независимо от влияния вязкой жидкости) и значительно повысить производительность АПР в большинстве режимов эксплуатации.

Проведенные исследования включались в основные направления научно-исследовательских работ ДВГТУ. Они выполнялись в рамках госбюджетных тем 52-91-53 "Разработка высококачественных систем управления и кинематических схем подводных аппаратов и манипуляторов" (1991-1995 гг.), 52-91-Г "Разработка и исследование систем промышленной автоматики, робототехники" (1991-1995 гг.), 52-93-1 ДВР "Разработка теоретических основ проектирования и создания промышленного образца высокоманевренного многоцелевого малогабаритного подводного манипуляционного комплекса доя обследования гидротехнических сооружений" (1993-1995 гг.), 53.1.3.96

"Разработка и исследование систем управления роботами и манипуляторами" (1996-1997 гг.). Отдельные научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе ДВГТУ в курсах "Теория автоматического управления" и "Системы управления роботов".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: The 7th International Conference on Advanced Robotics (Catalonia, Spain, 1995); Дальневосточная научно-практическая конференция: Проблемы транспорта Дальнего Востока (Владивосток, 1995); XXXIV Юбилейная научно-техническая конференция ДВГТУ (Владивосток, 1994), XXXV научно-техническая конференция ДВГТУ (Владивосток, 1995).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 115 страниц машинописного текста, 23 рисунка и 1 таблицу. Список литературы включает 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы синтеза высококачественной системы управления АПР, намечены основные пути решения этой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов синтеза систем управления подводными аппаратами с целью определения наиболее перспективных направлений дальнейших исследований.

Показано, что математическая модель АПР является существенно нелинейной, многомерной и содержит неопределенные параметры, изменяющиеся в широких пределах. Существующие в настоящее время методы ее параметрической идентификации весьма сложны, дорогостоящи и не обладают точностью, достаточной для проектирования традиционных линейных систем управления, а линеаризация уравнений, описывающих подводный аппарат, не позволяет адекватно отразить гидродинамические процессы, происходящие при взаимодействии АПР с вязкой жидкостью при движении по сложным пространственным траекториям в широком диапазоне скоростей.

Отмечена необходимость учета при синтезе систем управления подводными роботами динамики движителей, характеризующейся значительной инерционностью, изменяющимися параметрами и нелинейным характером связи между упором и скоростью вращения гребного винта.

Выполнено сравнение различных подходов к решению проблемы качественного управления АПР, предложенных отечественными и зарубежными учеными, и сделан вывод о перспективности разработки адаптивных систем или "робастных" систем с переменной структурой, инвариантных к влиянию вязкой среды и изменению параметров ОУ.

Выявлен ряд недостатков, присущих созданным ранее системам управления подводными роботами, в частности, отмечено, что большое количество настраиваемых параметров приводит к значительному усложнению и дороговизне адаптивных систем управления, а идентификация текущего состояния объекта управления требует увеличения времени адаптации и снижения быстродействия.

Более простыми являются системы управления с переменной структурой, использующие свойства скользящего режима и инвариантные к изменениям параметров объекта управления. Однако нелинейность динамики АПР требует разработки новых подходов к обеспечению условия существования скользящего режима на всей поверхности переключения, отличающихся от предлагаемых для традиционных линейных СПС. Стремление повысить быстродействие систем с переменной структурой побуждает вводить в них элементы адаптации, что вновь ставит проблему идентификации текущего состояния ОУ.

На основе проведенного анализа в качестве основного способа решения задачи качественного управления АПР выбран синтез системы управления с переменной структурой, включающей элементы адаптации к изменяющимся параметрам подводного аппарата без их непосредственного измерения.

Конкретизирована постановка задачи исследования и с целью упрощения процедуры синтеза определены следующие его основные этапы:

-декомпозиция математической модели АПР путем выделения подсистем, соответствующих степеням подвижности аппарата, и введения в каждой подсистеме контура управления скоростью и контура управления положением;

-синтез локальной подсистемы управления движителями, обеспечивающей стабилизацию их параметров на номинальном (желаемом) уровне с целью упрощения процедуры синтеза внешних кошуров;

-синтез управляющего устройства с переменной структурой в контуре управления скоростью с целью стабилизации параметров АПР и компенсации

динамического взаимовлияния между подсистемами, и воздействия вязкой среды;

-синтез нелинейного регулятора в контуре управления положением, компенсирующего кинематические взаимосвязи между подсистемами и обеспечивающего заданное (результирующее) качество процесса управления и динамические свойства СУ в целом;

-формирование адаптивного закона управления в СПС, позволяющего повысить быстродействие системы в благоприятных режимах работы.

Все рассмотренные задачи решаются в последующих главах диссертации.

Вторая глава посвящена формированию математической модели подводного робота (в процессе его движения) с учетом влияния окружающей жидкости. Динамика пространственного движения АПР описана системой двенадцати нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка с перекрестными связями и неопределенными коэффициентами. Отдельно приведены уравнения динамики движителей, причем отмечено, что их параметры также трудно идентифицируемы из-за сложности и неоднозначности процесса взаимодействия винта с вязкой жидкостью.

Далее с целью упрощения процедуры синтеза СУ полученная обобщенная модель подводного робота с помощью метода декомпозиции разделена на подсистемы, соответствующие отдельным степеням подвижности аппарата, причем все перекрестные связи выделены и сохранены в качестве внешних возмущений для каждой подсистемы.

В результате получена система уравнений, описывающих динамику АПР при движении по любой координате:

1ло) + Кс<»\(о\ + (КтК«/Я)® = (КтКуЛ1)м, гд = КТ ю |со|, (1) ти-ь^и-ьс^м +/= гд, (2)

где 1д - момент инерции вращающихся частей движителя с учетом присоединенных моментов инерции, И. - сопротивление якорной цепи, Кш, -коэффициенты момента и противоЭДС, К* - коэффициент вязкого трения винта, Кт - коэффициент тяги, Ку - коэффициент усиления усилителя мощности, т -коэффициент, определяющий инерционные свойства АПР (с учетом присоединенных масс и моментов инерции жидкости), ё], сЬ - коэффициенты вязкого трения АПР (в зависимости от режима работы один из этих коэффициентов принимается равным нулю), / - внешнее возмущение, действующее на данную подсистему со стороны других подсистем, о - скорость

АПР, со - скорость вращения вала движителя, гд - сила тяги движителя, и -сигнал, поступающий на движитель от системы управления.

Отмечено, что параметры 1Д, К«, ш, с!) и ¿2 в процессе движения АПР могут принимать любые значения в некотором заданном диапазоне.

Связь между проекциями вектора скорости АПР на оси абсолютной и связанной систем координат определяется матричным уравнением вида:

х = Л(г)1>, (3)

где е Я6*6 - матрица преобразования систем координат, и е И6 - вектор проекций скорости аппарата на оси связанной системы координат, х е Е.6 -вектор координат АПР.

Затем в каждой подсистеме выделен внутренний контур управления скоростью (КУС) и внешний контур управления положением (КУП), как показано на рис.1 (здесь - задающее воздействие по координате, <Л1 -задающее воздействие по скорости, - задающее воздействие по силе тяги движителя, j - диагональный элемент матрицы Л(х), ф - возмущение, определяемое внедиагональными элементами матрицы Л(х)). Внутренний контур включает в себя движительный комплекс (с корректирующим устройством) и собственно АПР с выходным сигналом скорости и в связанной системе координат, причем, как показали результаты исследований, именно в нем в дальнейшем целесообразно реализовать управляющее устройство с переменной структурой с целью стабилизации параметров аппарата и компенсации влияния вязкой окружающей среды.

Хй

КУП

регулятор положения

КУС

регулятор скорости

СУ движителем

и

коррек тирующее устр-во

усилитель и

ЯВИЖИ

тель -1

1

АПР

2_ р

Рис. 1. Структурная схема 1-й подсистемы управления АПР

В дальнейшем весь КУС с уже синтезированным СПС-регулятором рассматривается как ОУ с застабилизированными параметрами для внешнего КУП, в котором должна осуществляться компенсация кинематических взаимосвязей ф между степенями подвижности и обеспечиваться требуемое качество работы системы в целом.

Анализ полученной математической модели показал, что ее особенности (связанные с особенностями условий функционирования АПР) приводят к необходимости разработки новых подходов к синтезу СУ для качественного управления движением подводного робота по любым траекториям.

В третьей главе разработан единый комплексный метод синтеза высококачественной системы управления АПР, в соответствии с которым вся процедура синтеза разделена на несколько этапов.

Вначале синтезируется подсистема управления отдельными движителями для того, чтобы застабилизировать их параметры и придать каждому движителю желаемые динамические свойства линейного инерционного звена. Затем разрабатывается управляющее устройство с переменной структурой в контуре управления скоростью, обеспечивающее инвариантность к изменениям параметров собственно подводного робота, динамическому взаимовлиянию между отдельными подсистемами и воздействию вязкой среды. И наконец, синтезируется регулятор положения с целью компенсации кинематических взаимосвязей и обеспечения требуемых динамических свойств и показателей качества работы системы управления движением АПР в целом.

При синтезе локальной подсистемы управления движителем ставится задача добиться того, чтобы поведение нелинейного объекта (1) с переменными параметрами 2ц и К« определялось линейным дифференциальным уравнением первого порядка с желаемыми постоянными коэффициентами:

Гд = (Кдга- Гд)/Тд, (4)

где Тд, Кд - желаемые постоянная времени и коэффициент усиления движителя.

Для решения этой задачи разработан подход, основанный на применении нелинейной коррекции, обеспечивающей системе (1) желаемые динамические свойства линейного звена при некоторых постоянных значениях параметров объекта управления, и последующем введении в полученную линеаризованную систему дополнительного контура самонастройки по эталонной модели с тем, чтобы добиться инвариантности системы к отклонениям параметров ОУ от выбранных номинальных значений.

В итоге в диссертации сформирован закон управления и вида:

и = ИСРдоСКл - Кто|й)|)/(2ТдКт) + г)!Щ + (КтК%Ж)« +

+ КсИ<»|)/(КуКт). (5)

где 1до, Ксо - постоянные коэффициенты, равные некоторым номинальным значениям внутри заданного диапазона, г - сигнал самонастройки.

Чтобы устранить влияние параметрических отклонений на качество работы системы, при управлении движителем с помощью сигнала 2 необходимо поддерживать нулевой ошибку е = гм - тд относительно эталонной модели, описываемой уравнением:

гм = (Кдг,1 - гм)/Тд, (6)

где гм - сигнал на выходе модели.

Эта цель достигнута за счет реализации закона самонастройки вида:

г-к (7)

Л=Кы|гм|4-КыИ, (8)

где Кы и Кы - постоянные положительные коэффициенты. В результате системе (1) удалось придать желаемые динамические свойства эталонной модели (6).

Особенностью закона (7), (8) является возможность уменьшения амплитуды Ь разрывного сигнала г в зависимости от состояния системы (при приближении к положению равновесия), и следовательно, снижения потерь мощности движителей в контуре самонастройки.

Для обеспечения устойчивости самонастраивающейся системы получено (на основе метода Ляпунова) условие устойчивости:

А > тах|(ад - :до)/(2КТ));и + (К. - К«>У (9)

которое затем сведено к следующим неравенствам для выбора коэффициентов блока самонастройки:

Кы > (1/(2Кт)) шах - 1до|, Кь2 > шах |Кс - Ксо|.

(10) (И)

Структурная схема синтезированной двухуровневой СУ каждым движителем приведена на рис.2. Здесь предусмотрена замена операции деления на \со\ делением на некоторую малую постоянную величину еа, отличную от нуля, когда со » 0, с тем, чтобы избежать недопустимо больших значений управляющего сигнала. Первый уровень управления обеспечивает желаемые динамические свойства движительного комплекса при номинальных параметрах ОУ, а второй устраняет влияние параметрических отклонений на качество работы системы.

Рис.2. Структурная схема подсистемы управления движителем

Применение синтезированного корректирующего устройства позволяет описывать движитель в любом канале управления уравнением (4) и в дальнейшем использовать эту упрощенную модель при разработке регулятора скорости для внутреннего контура каждой подсистемы управления АПР.

На этапе синтеза КУС преследуется цель добиться инвариантности системы управления к изменяющимся параметрам т, <1] и сЬ и внешнему возмущению/, входящим в уравнение динамики движения АПР (2).

Поставленная задача решена в классе систем с переменной структурой. Применяя управляющий сигнал вида:

га = V/ 51'ед0),

(12)

где я = е + С е,е= и-ошибка по скорости, некоторая положительная величина, в контуре управления скоростью удалось организовать так называемый скользящий режим. В результате системе (в процессе движения по линии скольжения) придано требуемое свойство инвариантности.

Выполнен анализ условия и < 0 существования в нелинейной системе (2), (4) с управлением (12) скользящего режима. На основе этого анализа получен следующий закон изменения амплитуды сигнала гл-

\У=Ки1|е| + Кйе2+КтКиз<У2) (13)

где Ки1, Ка, Кцз - положительные коэффициенты.

Выведены соотношения для выбора этих коэффициентов, гарантирующие выполнение условий существования скользящего режима и попадания на линию скольжения при любых параметрах АПР и внешних возмущениях.

При работе системы управления в скользящем режиме уравнение КУС (в соответствии с уравнением линии скольжения е + С е = 0) имеет вид:

о+-С о= Сил, (14)

а динамика АПР в целом, с учетом существующей связи (3) между проекциями его линейной и угловой скоростей на оси абсолютной и связанной систем координат, описывается матричным нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка:

ГЧс +- (С - Л'1 Л)Л-'х = ил + Сщ, (15)

где Л"1 = <Г'(л:) е И6*6 - матрица, обратная матрице перехода от связанной к абсолютной системе координат, Л = Л(л) е Я6"6 - производная матрицы Л(х), С -диагональная матрица коэффициентов, е И6 - вектор задающих воздействий по скорости.

Для того, чтобы добиться независимости динамических свойств системы

* *

управления от текущих значений элементов матриц Л (х) и Л(дс), на следующем этапе синтеза предложено сформировать такой закон управления положением АПР, который преобразует уравнение (15) в линейное уравнение с желаемыми коэффициентами:

х + Сх + К„х = Кп'дг<|,

(16)

где лга е К6 - вектор задающих воздействий по положению подводного аппарата, Кп, Кп' е Я6х6 - диагональные матрицы коэффициентов, значения которых выбираются так, чтобы обеспечить заданные показатели качества (высокое быстродействие и динамическую точность) работы системы управления при определенных значениях элементов матрицы С.

Решение поставленной задачи сведено к обеспечению равенства старших производных в уравнениях (15) и (16), и в результате получено выражение для управляющего сигнала и^.

= •Г'СК,,'*«, - К„ х - (С1 + 0)и) + С(и - ил). (17)

С целью устранения необходимости формирования в управляющем устройстве сигналов, пропорциональных элементам матриц Г и J и требующих обращения и дифференцирования в реальном масштабе времени сложной шестимерной матрицы Л, для элементов этих матриц найдены аналитические выражения, которые использованы в дальнейшем при реализации регулятора.

В результате применения разработанного в данной главе многоступенчатого подхода к синтезу СУ АПР удалось достаточно простыми средствами обеспечить и сохранить желаемые динамические свойства и показатели качества системы управления в условиях отсутствия информации о текущем состоянии ОУ и влияния со стороны вязкой среды, а также добиться независимости каналов управления движением по различным координатам.

Четвертая глава посвящена решению проблемы повышения быстродействия синтезированной системы управления подводным роботом. Для этого в разработанную ранее СПС введен адаптивный регулятор, в котором присутствуют заранее рассчитанные наибольшие значения коэффициентов Киь Кц2 и Кцз, обеспечивающие выполнение условия существования скользящего режима при "наихудших" значениях параметров ш, «11 и сЬ и определенном значении коэффициента С. Затем в режиме самонастройки значение С может увеличиваться в тех случаях, когда параметры АПР отличаются от "наихудших". Это увеличение возможно до максимального значения, при котором в системе еще сохраняется скользящий режим. Из уравнения (14) следует, что увеличение С приводит к уменьшению времени переходных процессов и повышению быстродействия СУ.

При реализации адаптивного регулятора основное внимание уделено проблеме идентификации текущего состояния СПС. Поскольку непосредственно определять параметры АПР в процессе его движения чрезвычайно сложно, в диссертации поставлена задача разработать метод косвенной оценки близости величины настраиваемого коэффициента С к максимально возможному значению, с тем, чтобы обеспечить в процессе адаптации автоматическое соблюдение условия существования скользящего режима. С этой целью исследован один из возможных вариантов практической реализации закона управления (12):

rd = Wg(S), (18)

когда (с учетом неидеальностей управляющего устройства) функция sign(.s) заменяется гистерезисной зависимостью g(s):

g(j) = 1, если s > As+ и s > 0, или s > As" и s < О,

g(s) = -1, если s < As" и s < 0, или 5 < As+ и s > 0, (19)

где As+ и As" - малые константы (принимается, что As+ = As").

Анализ работы системы с управлением (18) показал, что в ней вместо идеального скольжения по линии 5 = 0 осуществляется движение по отрезкам фазовых траекторий, соответствующим разным знакам g(s), вблизи линии переключения, причем удалось аналитически обосновать тот факт, что длительность интервалов времени движения по этим отрезкам (т.е. интервалов времени положительности ta+ и отрицательности tu" управляющего сигнала) при увеличении наклона линии переключения изменяется неодинаково.

В результате установлена однозначная зависимость между параметром скольжения ц = 1/(1+ tu'/tu+) и текущим значением коэффициента наклона линии переключения С (ц монотонно возрастает до некоторого значения при увеличении С ОТ Cmin ДО Спщх) • Н& основе этой зависимости сформирован адаптивный закон настройки коэффициента С:

А = Кд (Цпвх - ц), С = Сиа + А, (20)

где Cmin = const - величина, рассчитываемая для "наихудших" значений m, di и ái, А - дополнительный сигнал настройки, Кд = const > 0 - коэффициент, определяющий быстроту протекания процесса настройки. При использовании закона (20) значение С увеличивается, пока jJ.<juITiax, что, в свою очередь,

приводит к росту ¡л,. При ¡л = и С = С1ШХ - б (5 - малая положительная величина, необходимая для предотвращения срыва скользящего режима) процесс настройки заканчивается.

Важно отметить, что в случае применения предложенного подхода не требуется идентифицировать параметры АГОР, а определение величины ц, не представляет большой технической трудности, так как сигнал г^(г) легко доступен для измерения. Структурная схема адаптивного регулятора, реализующего закон управления (13), (18), (20), приведена на рис.3.

В работе определены ограничения, накладываемые на коэффициенты адаптивного регулятора, чтобы не допустить срыва скользящего режима при любых параметрах подводного робота из заданного диапазона.

Разработан специальный блок идентификации параметра скольжения ц в цифровом и аналоговом исполнениях. В первом случае предложена схема, позволяющая непосредственно измерять интервалы времени С и и вычислять величину р. Второй вариант основан на применении преобразователей средневыпрямленного и амплитудного значений сигнала управления и нахождении ц. по известной зависимости #срс = йяах

Таким образом, удалось достаточно просто реализовать адаптивный закон настройки линии переключения, который не требует измерения параметров АПР в процессе управления, и в результате применения этого закона существенно повысить быстродействие системы управления в целом.

Рис.3. Структурная схема адаптивного регулятора скорости

В пятой главе синтезированные ранее законы и системы управления движением АПР исследованы с использованием полной модели подводного робота с применением численных методов. Проанализированы различные режимы движения АПР, соответствующие основным выполняемым им операциям. Прежде всего это перемещение по сложной пространственной траектории с одновременным изменением нескольких координат, а также быстрый и точный подход к объекту работы без соприкосновения с ним. Для сравнения рассмотрена система с типовым линейным регулятором.

Результаты численных экспериментов приведены на рис.4. Здесь кривая 1 соответствует переходному процессу в системе с линейным регулятором, кривые 2 и 3 - переходным процессам в системе с переменной структурой (при "наилучших" и "наихудших" параметрах объекта управления соответственно), кривая 4 отражает переходный процесс в системе с адаптивной настройкой линии переключения, а кривая 5 - срыв скользящего режима при недопустимом увеличении коэффициента наклона линии переключения.

Полученные результаты подтвердили, что, в отличие от традиционной СУ, синтезированная адаптивная система с переменной структурой не только обеспечивает заданное качество переходных процессов при любых изменениях параметров АПР в определенном диапазоне, наличии взаимовлияния между степенями подвижности и воздействии вязкой среды, но и позволяет почти в 2 раза увеличивать уже достигнутое быстродействие (с сохранением высокой точности) в наиболее благоприятных режимах эксплуатации подводного робота.

а) б)

Рис.4. Результаты численного моделирования синтезированной СУ

17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Предложен новый подход к синтезу системы управления АПР, основанный на декомпозиции модели подводного робота путем ее разделения на сепаратные подсистемы, соответствующие степеням подвижности АПР, и выделения в каждой подсистеме контуров управления скоростью и положением подводного робота; стабилизации параметров движителей с помощью нелинейной коррекции и самонастройки по эталонной модели; придании системе свойства инвариантности к изменяющимся параметрам АПР, динамическому взаимовлиянию между степенями подвижности и внешним воздействиям за счет применения СПС в контуре скорости; обеспечении заданных динамических свойств и компенсации кинематических взаимосвязей путем синтеза нелинейного регулятора в контуре управления положением АПР.

2. Синтезирована локальная адаптивная подсистема управления отдельными движителями АПР с нелинейной коррекцией и самонастройкой по эталонной модели. В результате стабилизированы параметры движительного комплекса и упрощено его математическое описание как звена системы управления подводным аппаратом в целом.

3. Разработан метод синтеза адаптивной системы с переменной структурой для управления скоростью движения АПР, работающей в скользящем режиме и обеспечивающей независимость качества функционирования подводного робота от меняющихся параметров нелинейного ОУ, а также повышенное быстродействие в благоприятных режимах эксплуатации АПР. Разработан новый метод идентификации текущего состояния системы в процессе адаптации, позволяющий обойтись без определения параметров аппарата и внешней среды.

4. Предложен метод синтеза закона управления положением АПР на основе обращения матрицы перехода между системами координат, который гарантирует высокую динамическую точность отслеживания желаемой пространственной траектории движения аппарата.

5. Предложена методика расчета параметров регуляторов и разработаны схемы подсистемы управления движителями, адаптивного регулятора скорости и регулятора положения, а также цифровой и аналоговый варианты аппаратной реализации блока идентификации параметра скольжения. Все эги схемы основаны на доступной элементной базе и сравнительно просты с точки зрения практической реализации.

6. Результаты выполненных исследований синтезированной системы показали, что предложенный подход позволяет обеспечить высокую точность и повышенное быстродействие СУ и гарантировать ее инвариантность к изменению параметров АПР, взаимовлиянию между каналами управления и воздействию вязкой среды.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дыда A.A., Лебедев A.B. Нелинейная адаптивная коррекция движителя подводного робота И Известия ВУЗов. Электромеханика.-1996.- №1-2.- С. 83-87.

2. Дыда A.A., Лебедев A.B., Филаретов В.Ф. Синтез адаптивной системы управления с переменной структурой для подводного робота // Тез. докл. Дальневосточной научно-практической конф.: Проблемы транспорта Дальнего Востока. - Владивосток. - 1995. - С. 31.

3. Лебедев A.B. Исследование алгоритмов управления подводным аппаратом // Тез. докл. XXXIV Юбилейной научно-технической конф. ДВГТУ. -Владивосток. - 1994. - С. 7-8.

4. Лебедев A.B. Самонастраивающаяся система с эталонной моделью для управления электроприводом робота // Тез. докл. XXXIV Юбилейной научно-технической конф. ДВГТУ. - Владивосток. -1994. - С. 12-13.

5. Лебедев A.B., Филаретов В.Ф. Адаптивная система управления со скользящим режимом для подводного робота // Тез. докл. XXXV научно-технической конф. ДВГТУ. - Владивосток, - 1995, - С. 4-5.

6. Filaretov V.F., Dyda A.A., Lebedev A.V. The Sliding Mode Adaptive Control System for Autonomous Underwater Robot // Proc. of The 7th International Conf. on Advanced Robotics. Catalonia, Spain, 1995. Vol.8. P.263-266.

Личный вклад автора. Среди указанных работ четыре написаны в соавторстве, в них автору принадлежат разработка закона самонастройки по эталонной модели в системе управления движителем подводного робота, разработка метода синтеза системы с переменной структурой для управления подводным роботом, разработка и обоснование способа идентификации параметра скольжения, а также создание моделирующих программ и проведение численных экспериментов.