автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система позиционно-силового управления роботизированного технологического комплекса подачи тепловыделяющих сборок

экз.

Для служебного пользования На правах рукописи

Немонтов Владимир Александрович

СИСТЕМА ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПОДАЧИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК

Специальность 05.13.07 - автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Владимир 1999

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

И.Н. Егоров

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.В. Новосёлов

кандидат технических наук, доцент Ю.В. Илюхин

Ведущее предприятие - ОАО «ВНИПТИЭМ», г. Владимир

Защита состоится « аг » сл+ОМЯ 1999 г. в ^^ часов на заседании диссертационного совета Д.063.65.02 Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан «^Л) ^ 1999 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 600026. г. Владимир, ул. Горького, 87, учёному секретарю совета.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент А/щк

Р.И. Макаров

нием контейнера с TBC в рабочем бассейне, что приводит к неопределённости координат ячейки со сборкой, а также особыми физико-механическими свойствами (искажения формы, хрупкость, субтильность и т.п.) самого объекта работ - TBC. Высокая цена ошибочного перемещения рабочего органа манипулятора, которая может привести к повреждению топливных элементов и утечке радиоактивных продуктов, а также сложные алгоритмы перестановки TBC и наличие вспомогательных операций обусловливают интерактивный характер процесса управления и ■ существенно повышают требования к аппаратно-программному комплексу управления РТК. Учитывая хрупкость TBC и недопустимость её разрушения, необходимо постоянно контролировать, дозировать и ограничивать действующие силы и моменты при выполнении любых операций как в свободной зоне, так и со связанным объектом при перегрузке TBC. Это приводит к необходимости силомоментного очувствления РТК и взаимосвязанного двухканального управления как перемещением S, силой F, так и их соотношением. Подобное управление в работах С.Ф. Бурдакова, Ф.М. Кулакова, В.С.Кулешова, И.Н. Егорова, Е.И. Юревича, Е.И. Игнатовой, AsadaН., LiuM.-H., West A., SpongM.W„ Vucobratovítc М. и других учёных получило название позиционно(координатно)-силового управления. Основы теории и проектирования двухканальных взаимосвязанных систем приводов созданы A.A. Красовским, И.И.Ахметгалиевым, Л.М. Бойчуком, A.A. Казамаровым, Ю.Я. Морговским, В.Т. Морозовским, Б.В. Новосёловым, И.Б. Рубашкиным, Б.К. Чемодановым и другими учёными.

Анализ оборудования, используемого в настоящее время на операциях обслуживания в атомной промышленности, показывает существование большого количества специализированных устройств, имеющих много общих черт, а также возможность выполнения практически всех операций по обслуживанию однотипными устройствами, поэтому в настоящей работе рассматривается проблема разработки универсальной системы управления многофункшю-натьного РТК по перегрузке ядерного топлива, которая должна обеспечивать адаптивное позищюнно-силовое управление операциями с TBC: определение координат ячеек и TBC в условиях нестационарности расположения транспортных контейнеров; транспортные перемещения TBC между ячейками контейнеров, ядерным реактором или измерительным устройством; извлечение TBC из ячеек реактора и контейнера а также установка TBC в соответствующие ячейки в условиях нестационарности геометрии и субтильности TBC; перемещение TBC перед коллиматором измерительного устройства: сбор обломков. просыпей и удаление их при разрушении TBC вне контейнера и реактора: высверливание и удаление' остатков TBC при её заклинивании в ячейке контейнера: проведение ремонтно-восстановительных работ. Кроме этого система должна обеспечивать режим автоматической смены захватного, измерительно-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей проектирования и эксплуата-ши объектов атомной промышленности является обеспечение необходимого /ровня безопасности их работы во всех режимах функционирования. Сушест-¡енная роль в решении этой задачи отводится внедрению средств автоматиза-. дай и роботизации основных и вспомогательных технологических процессов. Трименение робототехнических средств, предназначенных для автоматизации шспекционных, транспортных и различных ремонтных операций в условиях ювышенной радиации, позволяет помимо решения задачи повышения уровня 5езопасности вывести человека из зоны жесткого радиационного контроля и :ем самым значительно сократить коллективную дозу облучения эксплуатаци- • много персонала

Во всём многообразии задач автоматизации в атомной промышленности >собое место занимает проблема роботизации операций обслуживания зоны гдерного реактора атомных электростанций (АЭС) и разбраковки тепловыде-иющих сборок (TBC) с целью их аттестации для утилизации или дальнейшего «^пользования на заводах по переработке ядерного топлива. Основная техно-югическая операция при этом заключается в перегрузке и соответствующей юдаче TBC. Эти процессы являются одними из наиболее аварийно-опасных, гго обусловливает актуальность работ по совершенствованию таких операций t целях повышения надёжности и безаварийности в части комплексной автоматизации соответствующих технологических процессов.

Решение задачи автоматизации обслуживания как самих реакторов, так i вспомогательного оборудования робототехническими устройствами, подоб-шми перегрузочным манипуляторам или реализованным на их основе роботи-ированным технологическим комплексам (РПС) рассматривалось в работах »течеетвенных учёных под руководством С.Н. Андреекко, B.C. Кулешова, ТА. Лакоты, В.П. Дорохова, И.Н. Егорова, Б.А. Петрова, А.И. Шиянова, IM. Юревича и зарубежных специалистов. В системах управления созданных >ТК в основном использовались позиционные и контурные алгоритмы управ-1ения для организации движения в транспортной н инструментальной систе-iax координат в условиях стационарности расположения и геометрических .арактеристик TBC.

Однако рассматриваемые операции подачи TBC (а это, как правило, вы-юлнение цепочки действий: извлечение TBC га контейнера - транспортное [еремещение - контроль состояния - транспортное перемещение - установка в кгивную зону или в другой контейнер), особенно выполняемые на заводах по гереработке ядерного топлива характеризуются нестационарным расположе-

'о и технологического инструмента. Управление манипулятором комплекса должно выполняться в автоматическом, дистанционном и интерактивном режимах.

Цель и задачи работы. Целью работы является создание системы управ-тения многофункционального роботизированного технологического комплекса тодачи тепловыделяющих сборок на объектах атомной промышленности и даергетики, позволяющей обеспечить выполнение технологических операций в штоматическом режиме под водой на глубинах до десяти метров в условиях «стационарности расположения контейнеров, неопределенности геометрии и :убтильности сборок.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие основ-ше задачи:

1. Проведение анализа алгоритмов работы и структур как РТК подачи ГВС в атомной промышленности и энергетике, так и принципов построения ;истем управления такими комплексами.

2. Разработка метода определения координат ячеек транспортного кон-ейнера и сборок в условиях несоответствия истинного расположения объектов грограммно-заданному.

3. Разработка алгоритмов и структур системы управления электроприво-ими РТК при определении координат ячеек контейнера и TBC, извлечении •борок го ячеек контейнера и установке их в ячейки контейнера.

4. Синтез структуры и определение параметров исполнительных двухка-1альных электроприводов системы связного и несвязного позиционно-:илового управления РТК при выполнении операций подачи TBC.

5. Разработка принципов построения и программно-аппаратной реализа-ши микропроцессорной системы позицнонно-с илового управления электро-фиводами РТК подачи сборок.

Методы исследований. В работе используются методы теории автомати-[еского управления линейных и нелинейных систем, аппарат теории дискретных систем и алгебры логики, численные методы математического анализа. Экспериментальные исследования проводятся на основе методов цифрового юделирования и натурных испытаний.

Научная новизна В процессе проведенных теоретических и эксперимен-альных исследований получены следующие новые научные результаты:

L Разработана структурно-алгоритмическая и программно-аппаратная еализация многопроцессорной универсальной системы позиционно-силового правления многофункционального РТК подачи тепловыделяющих сборок на томных электростанциях, заводах по переработке ядерного топлива как в г'о-ячих камерах, так и зонах по обслуживанию загрязнённого оборудования..

2. Разработала структура двухканазьной системы связного позшшонно-

силового управления исполнительными электроприводами с нелинейными функциональными регуляторами в каналах положения й силы, исключающая возникновение разрушающих сил и моментов при контактном взаимодействии TBC с ячейкой контейнера.

3. Разработано унифицированное структурно-алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение систем позициоино-силового управления, которое обеспечивает как выполнение операций определения координат ячеек контейнера на основе новых поисковых позиционно-сяловых методов определения координат ячеек контейнера и TBC, формирующих управляющие позиционные сигналы на основе тактильно-силовой информации в условиях нестационарности расположения контейнеров, так и извлечение и установку сборок.

4. Разработана специализированная система автоматизированного программирования (САПР) в части обеспечения возможности гибкого изменения программно-алгоритмической структуры без перезагрузки программного обеспечения, которая позволяет автоматизировать процесс разработки и модификации управляющих программ.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что применение концепции позишюнно-силового управления вследствие силомоментного очувствления комплекса, наличия программного режима работы и совмещения поисковых и технологических перемещений TBC позволяет обеспечить безопасность выполнения технологических контактных операций с субтильными объектами, полностью исключить человека-оператора из зоны радиоактивного излучения и повысить производительность РТК подачи сборок. На основании предложенных атгоритмов и структур разработаны многопроцессорные распределённые системы позиционно-силового управления электроприводами, обеспечивающие безаварийное выполнение операций подачи сборок в автоматическом режиме в условиях нестационарности расположения и неопределённости положения объектов работ.

Реализация результатов работы.'Реализация результатов диссертационной работы осуществлялась следующим образом: структурно-алгортмическое и программно-аппаратное обеспечение системы позишюнно-силового управления электроприводами использовались при создании системы управления гибкого автоматизированного комплекса подачи сборок «УАПС -1»(п/я 7631), системы управления маннпуляционным ремонтно-технологическим роботом для ускорителя заряженных частиц мезонной фабрики (ИЯИ РАН), в технических системах, эксплуатирующихся в условиях позишюнно-силового взаимодействия рабочего органа с внешней средой и объектом работ, в задачах управления машиностротельным оборудованием, испытательными системами и медицинской техникой.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на кафедре «Автоматизация технологических процессов» Владимирского государственного университета;. научно-технической конференции «Использование ВТ и САПР в научно-исследовательских и опытных работах» (Владимир, 1987 г.); научно-практической конференции «Проблемы и пути повышения уровня автоматизации производства на машиностроительных предприятиях» (Владимир, 1987 г.); научно-техническом семинаре «Повышение -эффективности испытания приборных устройств» (Суздаль, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Моделирование САПР АСНИ и ГАП» (Тамбов, 1989 г.У, Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования» (Москва, 1991 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения на современном этапе» (Владимир, 1995 г.); VI и VIII Международных научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 1995 г., 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Системы управления - конверсия - проблемы» (Ковров, 1996 г.): Международной научно-технической конференции «Конверсия, приборостроение, рынок» (Владимир, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, 1998 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, получены два авторских свидетельства.

Объём рзботы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Обший объём диссертации 291 страница. Работа содержит 158 страниц машинописного текста 113 рисунков и 6 таблиц, 2 приложения на 47 -границах и библиографический список, включающий 182 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во в ведении, обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели работы и основные вопросы, которые необходимо рассмотреть, этмечены практическая значимость результатов и новые технические разработки. а также приведена аннотация глав диссертации.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены принципы полроения автоматического и дистанционно управляемого подъёмно-транс-тортного и технологического ремонтного оборудования на основе применения зоботов и автоматических манипуляторов с ЭВМ в системе управления при выполнении операций с ядерным топливом на объектах атомной промышленности и энергетики, проведён их анализ, определена кинематическая структура <омплекса на основе анализа компоновок РТК.для выполнения транспортно-

5

перегрузочных операций с TBC, а также рассмотрены геометрические, кинематические и динамические алгоритмы управления движением.

Специфика процесса управления и построения таких систем заключается в следующем: нестационарном положении : контейнеров в рабочем бассейне и, как следствие, отсутствии точного значения координат контейнеров и самих ячеек; произвольном искажении геометрии отработанных TBC; хрупкости материала и субтильности самих сборок, особенно в условиях контактных взаимодействий с ячейкой контейнера при установочных операциях; выполнении операций в водной среде; натичии'радиационного излучения; минимальном участии человека-оператора и др. Вследствие субтильной структуры и нестационарности геометрической формы TBC возможны ситуации перекоса и заклинивания, что приводит к появлению осевых и поперечных сил и, как следствие, к поломке сборки я падению её обломков на дно бассейна. Следовательно, нестационарность геометрии предъявляет повышенные требования к точности отработки свободных и несвободных траекгорных перемещений РТК. Субтильность и отиосшельно большие размеры TBC накладывают огра-нтения на скорости и ускорения при её транспортировке.

Решение этих проблем требует применения систем очувствления и адекватных систем управления, обеспечивающих как режим программного управления, так и управление на основе информации о взаимодействии с внешней средой. При выполнении операций со связанными объектами необходимо знать модуль и вектор сил и моментов, действующих в точке кош-акта, и силу захватывания сборки.

При проведении операций конггроля с нестационарной TBC в недоопре-делённой среде {за исключением транспортных) все работы выполняются при действии связей, причём поставленная цель - управление положением S, а информация о среде - положение S и сила F. При проектировании системы необходимо решить задачу выбора способа управления: позиционного, силового или позиционно-снлового и алгоритма переключения между ними в зависимости от выполняемых роботом в текущий момент действий: управление S: управление 5 в функции F; ограничение F\ дозирование F\ управление F; управление F в функции S.

Позиционно-сидовое управление (ПСУ) можно раз дел иг ь на алгоритмы управления перемещением с одновременным силовым воздействием (согласованное ПСУ), независимое управление перемещением и силовым воздействием (независимое ПСУ) и комбинированное ПСУ, построенное на сочетании согласованного и независимого управлений. Согласованное ПСУ при позиционном доминировании - это управление податливостью, демпфированием и импедансом (одновременно податливостью и демпфированием), рассмотренное в работах В.Л. Афонина. Е.А. Девянина И.Н. Егорова Ю.В. Поду-

patrsa. Mason M.T., Hogar» N.. Stepien T.M., Kazerooni H. и других учёных.

Активное переключение структуры системы и её переконфкгурадая в зависимости от решаемой задачи и информации о внешней среде, относительная автономность отдельных подсистем и возможность их взаимодействия на исполнительном уровне приводят к выводу о необходимости построения системы управления многофункциональным РТК подачи сборок как открытой многоуровневой децентралгоовшшой распределённой системы.

Если исходить из необходимости объединешм различного вида однотипных устройств для выполнен™ функций обслуживания, экономической целесообразности снижения суммарной стоимости основного ремонтного оборудования, отработки-единой конструкции и, как следствие, уменьшения коллективной дозы облучения персонала, то роботизированный технологический комплекс по перегрузке TBC и инспекции их состояния должен быть универсальным и выполнять следующие операции: транспортные перемещения TBC между контейнером хранения и активной зоной реактора на АЭС; транспортные перемещения между контейнерами и позицией измерения на заводах переработки; локальные по извлечению и установке TBC в контейнер в зоне работы реактора; локальные и ориентирующие по извлечению и установке TBC в нестационарно расположенные контейнеры в бассейне на заводах переработки сырья: поисковые и измерительные по определению координат центров ячеек контейнеров; определение координат центра оси TBC! установленного в ячейку контейнера; технологические при работе с TBC на позиции контроля,' при смене инструмента, поднятии TBC со дна бассейна, при неразъёмном соединении TBC с ячейкой,

Исходя из содержания и особенностей выполнения технологических задач, решаемых многофункциональным РТК подачи TBC. система управления включает в себя собственно устройство управления с программно-аппаратной задающей и программно-аппаратной исполнительной частями; силовые моду-тш с приводами координатных перемещений и корректирующих устройств: механизмы перемещений; объект работ - TBC, набор рабочих органов из магазина инструментов и'сопрягаемый объест - контейнер. Система должна иметь развитый набор датчиков состояния (путевых, позиционных, силовых) и соот-зетственно средства адаптации для обеспечения безусловно безаварийного режима работы. Интерактивный режим работы обеспечивается пультом связи с оператором и видеоконтрольной установкой. Система входит в общий информационно-вычислительный комплекс.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов и структур системы /правления многофункциональным РТК при определении координат ячеек сонтейнсра. установке TBC в ячейку контейнера и извлечении TBC из ячейки (онтеннера.

Особенностью задачи нахождения координат ячеек контейнеров является несовпадение в горизонтальной плоскости XOY семейства конструктивных и

отверстий m{xl0,y¡0} с фактическими координатами центров ячеек ко нтей-í=I

п

нера Л / {Хф, Угф } . В силу определённости геометрии и взаимного положения

центров ячеек в контейнере достаточным является определение координат только двух смежных ячеек, по которым можно рассчитать и все остальные.

На основе анализа и классификации известных методов определения координат аналогичных объектов разработан позиционно-силовой метод определения координат, заключающийся в формировании управляющих сигналов Ux, (Л, U2 приводов РТК с помощью устанавливаемой в схват специальной конической насадки - щупа, на центральном стержне которой расположены датчики деформации:

и* ~ щах2 - дх,) váxj ф о' иу -1к(ау2 - д*;) váy, ф о>

и _!(-,--,) VA.rf =0лдт;=0 - ~\{Р: -Рд) VAAf,- ф О V Д}^ * О' где х,, v„ - координаты программно-заданной точки Tk¡ (ху, y3l ,z3¡).

Проведение операций по швлечению TBC га контейнера возможно только после определения координат центров ячеек. Искажённая форма TBC, её хрупкость и субтильность существенно усложняют решение задачи. При вертикальном перемещении вдоль оси Z и при совмещении вертикальных осей схвата робота и ячейки вдоль осей Л' и Y вследствие отклонения центра масс сборки от её геометрического центра возможны аггуашш перекоса и даже заклинивания. В отличие от задач автоматической сборки с детерминированными параметрами сопрягаемых деталей система «TBC - ячейка) является неопределённой, и достижение поставленной цели возможно только лишь при использовании информации о позиционно-сидовом взаимодействии TBC с ячейкой контейнера.

Технологический процесс извлечения TBC представляет собой неупорядоченную последовательность технологических ситуаций С, (/= 1...5), характеризующихся отсутствием действия геометрических связей, действием только . ciLi сухого трения (кинематических связей) при вертикальном перемещении, ограничением величин связей, появлением, горизонтальных составляющих вектора силы взаимодействия сборки со стенками ячейки. Вследствие разрыва непрерывного изменения переменных состояния в процессе взаимодействия TBC и ячейки система управления-должна иметь переменную структуру и реа-лизовывагь разрывное управление по координатам. Общий вектор управления

U s \gz ,gx,gy ,ga} определяется переключательными функциями gz, gx,

1ч, g<x для каждого из приводов робота при данной операции через рассматри-5аемые пять ситуаций С, процесса извлечения:

fgz V Cl V С2 V СЗ; '

/7 - ISz л Sr л gy V Cl л CA v С2 л С4 v СЗл С4; . , VC5; л л S г У С5 л С4.

Установка TBC в ячейку контейнера является последней технологиче-:кой операцией процесса подачи сборки. Приёмником ТВС служат два контейнера: для аттестованных сборок и для отработанных. Координаты всех ячег ;к в обоих контейнерах для текущего их размещения на дне бассейна опреде-пены и рассчитаны. Процесс взаимодействия TBC с ячейкой не является детерминированным. Эта неопределённость обусловлена, с одной стороны, погрешностями позиционирования робота над контейнером, наличием накапливающейся кинематической погрешности, люфтов в механических передачах, а с другой - искажённой формой и гоменённой геометрией объекта манипулирования. В идеальном случае операция установки является простой задачей позиционирования в заданную точку 2П при условии фиксации координат Хо и Y0. Управление недетерминированным процессом взаимодействия сборки с ячейкой контейнера предполагает использование устройств с переменной структурой, реализуемых в классе адаптивных систем. Управление выполняется приводом вертикального перемещения по координате Z, приводы X и Y горизонтальных осей используются для формирования режима активной податливости или демпфирования.

Анализ возможных стуашш при установке TBC в ячейку позволил получить соответствующие алгоритмы управления РТК. В частности, при совмещении сборки с ячейкой в плоскости XOZ составляющие вектора управления Ue gxS определяются выражениями вида

-'о А Ф(;£{р) VPz=Gc;

tg/ = UzkK.(Gc - Р7) Л ФГ/ (р) V (Gr - Pz) < PZi; О V{Gc-Pz)>PZi;

+ Uykx(Px)A0Pi(p)V

V (Gv - P2)> р7л л Px > 0л1'\- *0az< r0; - U v A v ( Px- ) л Ф,? (p) V

V (C,i ~PZ)> PZ[aPx <0л^Ол: <z0;

О V Vx = 0v/>v = Ovj:

где i x - скорость движения по осп Л".

Выполнение технологических операций сверления, монтажа резьбовых соединений и др. требует оснащения РТК сменным инструментом. Например, при выполнении операций механообработки и монгажда-сборочных операций робот оснащается технологическим шестистепенным манипулятором, при сборе просыпем и подъёме сборок, упавших на дно бассейна, - захватными устройствами с ориентацией по принципу платформы Стюарта. Результаты апробации систем позиционно-сшювого управления с дополнительным технологическим шестистепенным манипулятором для ремонтных работ на ускорителе заряженных частиц и трёхкоординатным механизмом, используемым в медицинской технике, приведены в приложении к диссертационной работе.

Третья глава посвящена исследованиям исполнительных приводов системы управления многофункционального РТК подачи сборок. Алгоритмы и структура системы управления технологическим комплексом при выполнении транспортных, измерительных и сборочных операций предъявляют высокие и достаточно противоречивые требования к исполнительным электроприводам комплекса: структура приводов должна обеспечивать возможность реализации позиционного, силового и позшшонно-силового управления с соответствующим переключением каналов управления.

Наиболее целесообразным способом реализации электроприводов степеней подвижности РТК подачи сборок является выполнение их в виде двух-канальных систем с раздельной нагрузкой, рассмотренных в работах Б.В. Новосёлова A.M. Осмоловского, Б.К. Чемоданова и других авторов. Отличительными особенностями реализации данных приводов при решении рассматриваемой задачи подачи сборок являются применение принципа позиционно-силового управления и переключение их структуры программам путём и (или) на основе информации о процессе взаимодействия сборки с ячейкой. Различные требования по скорости транспортного перемещения и позиционирования приводят к необходимости применения в канате управления положением линейных (ЛРП) и нелинейных (НРП) регуляторов положения. В канате управления силовым взаимодействием необходимость повышения быстродействия при действии связей вследствие уменьшения жёсткости привода приводит также к применению линейных и нелинейных регуляторов силы (НРС).

Успешное применение адаптивных систем позиционно-силового управления с переменной структурой требует, кроме обеспечения устойчивости и качества решения вопросов способа -задания и согласования управляющих сигначов по положению и силе, для.чего в структуру, однотипной системы связного регулирования, как показано на рисунке, дополнительно вводятся нелинейные функциональные регуляторы Ф.у iSlhP), Фг (P,dS) соответствующих канатов с логическим управлением по перекрёстным межканатьным- связям Fn>l8S\.FiV(P).

л

м,

о;

X

I Щ

с;

0Q

S

о £

о 'S

о

Р: £

микроЭВМ^

4

®s,f Sa.P)

КЭт

lü

ирп;

Fsp.QS) К

UP)

и,,

^(PfiS)

I

t t

F.Jä) 1 »

F4(S) __t_ 1 L

j"

Ф'

НРС

ЛПУ21 И

Дп.

ВЭП:

♦и-

> шим

лпуз

дт

ДС*

щ

Обобщенная функциональная счема дву^канальиой системы позицнонно-силового управления для РТК подачи TBC:

1- I .3 (I - х, 2 - у, j - г); ЛПУ1, МПУ2, ЛПУЗ - логические переключающие устройства,lT¡(S)--.1<\(5) - набор линейных функций позиционной ошибки нелинейного регулятора положения;ДЭ/7 - вентильный электропривод; ДП,Д(', ДСк, ДТ, /¡iii' - датчики положения, силы, скорости, тока, положения ротора соответственно; 1'ск, рт - регуляторы скорости и тока; Д'З - жчекшр знака; IUUM - широгно-импульсный модулятор; Ksl, Cj, - коэффициенты; А/ - исполнительный двигатель; FjASl - нелинейная характеристика упора; .S'w, - сигналы управления по перемещению и силе; (/¡¡, U2i - сигналы управления переключением ЛПУ; .S'0j. - координата связей; MCl - статический момент нагрузки

Исследования электроприводов РПС ввиду высокого порядка нелинейных регуляторов, взаимосвязанности процесса управления, в том числе через процесс взаимодействия TBC и ячейки, а также переключения структур в зависимости от целевой функции позиционно-силового взаимодействия проведены методом цифрового моделирования в среде MATLAB. Предложенные алгоритмы организации взаимосвязи каналов управления позволяют решать задачи регулирования соотношения сил и перемещений, исходя из обеспечения требуемого технологического процесса управления подачей TBC и расширения функциональных возможностей системы. Применение полученных условий и алгоритмов изменения структуры двухканальных систем обеспечивает апериодический характер переходных процессов при переключении структуры при решении задач инвариантности и обеспечения требуемого быстродействия.

Четвёртая глава посвящена вопросам микропроцессорной реализации системы управления комплексом. Большой объем и сложность задач, решаемых системой управления, а также высокие требования безопасности требуют применения распределенных многопроцессорных структур управления с возможностью перенастройки программного обеспечения непосредственно в процессе работы. Постоянный контроль за ходом процесса обусловливает применение двухуровневой системы: первый уровень - микроЭВМ связи с оператором и формирования задач управления: второй уровень - распределённая многопроцессорная система формирования и обработки управляющей информации. Анализ алгоритмов работы и структур системы управления многофункциональным РТК при выполнении операций подачи TBC позволил сделать вывод о том, что подавляющее большинство управляющих операций может быть реализовано на программном уровне с использованием некоторого постоянного комплекта аппаратных средств - шгтеллектуальных модулей, объединённых между собой в локальную сеть. В главе рассматриваются особенности реализации структур управляющих микропроцессорных систем и способы организации обмена информации между отдельными модулями. В качестве базовой проанализирована структура с центральной ПЭВМ и микропроцессорным контроллером привода с программной реализацией контуров силы, скорости и положения. Рассмотрена программная Ii аппаратная реатизация контроллера следящего привода с переключением структуры. Наиболее сложным при программной реализации является ПИД-регулятор:

и,[пГ] = Kr/ö[nT] + Kllfiö[jT] + К,(0[пТ}~дЛп-\уГ]) -

6\пТ\ = и„[пГ] - Косл{пТ\,

где £/з„ U, - входной и выходной сигналы регулятора: х- выходной сигнал контура: А"0с - коэффициент передачи обратной связи: А*п, Кп. Ад, - коэффици-

:нты передачи соответственно пропорциональной, интегральной и дифферен-щальной составляющих; Г- цикл программы расчёта.

Предложены методика выбора необходимых алгоритмов и анализ возможности их реализации выбранным микропроцессором с соответствующим программным обеспечением на основе определения требуемого времени выполнения «средней» операции /* -Т /со = V w а, /со , где - услов-

с р уел J ^^ t * 1 j *

ы ■ /

тое время отработки алгоритма; q, ~ ljtcp - весовой коэффициент времени; w, -шел о операций i-го типа.

Для автоматизации процесса проектирования!! отладки системы управ-КШ1Я весьма эффективно использование САПР. Однако универсальные системы САПР здесь неприемлемы. Для решения отмеченной задачи была разработана специально ориентированная САПР, предназначенная для программирования . систем управления, выполненных по иерархической структуре мик-юЭВМ верхнего уровня - локальная сеть - микроконтроллеры - исполнигель-чые устройства. Система локализована на четыре концентратора по восемь модулей в каждом. Модули универсальны и могут устанавливаться в любой из <онйентраторов системы; адрес модуля и соответственно состав программного обеспечения, используемого в данной локализации, однозначно определяются физическим местом расположения модуля. Апробация системы автоматизиро-занного программирования для многофункционального комплекта микропроцессорных модулей системы управления была проведена во ВНИИ «Сигнал» ^г. Ковров) при разработке САПР «АСКЙО».

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям алгоритмов и систем управления роботизированными комплексами подачи тепловыделяющих сборок. Экспериментальные исследования системы управления роботизированного комплекса в режиАе позиционирования TBC выполнены методом натурного моделирования с исследованием различных характеристик нелинейного регулятора положения. Экспериментальные исследования в режиме установки TBC проводились методом полунатурного моделирования с использованием имитационного комплекса на основе .многокоординатного стола с силомоментным очувствлением и доработанной промышленной системы ЧПУ. Экспериментальные исследования алгоритмов управления подачей тепловыделяющих сборок выполнены полунатурным моделированием на макете многофункционального РТК подачи сборок. Проведённые экспериментальные исследования алгоритмов управления подтверждают их работоспособность при выполнении комплексной операция контроля состояния TBC.

В приложении приведены распечатки программы моделирования вентильного привода, управляющей программы цифрового привода и программы «вода и локатизашш данных в системе автоматизированного проектирования

13

управляющих программ, а также документы по внедрению и использованию научных положений и практических разработок, примеры технических решений и акты внедрения результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведены теоретические и экспериментальные исследования систем позивдонно-силового управления роботизированного технологического комплекса автоматизации технологического процесса подачи тепловыделяющих сборок и получены следующие основные научные результаты.

1. Предложенная концепция адаптивного позиционно-сидового управления в отличие от концепции ранее используемого позиционного управления технологическим комплексом, реализуемая в классе систем с переменной структурой и логическим управлением на основе анализа информации о взаимодействии TBC с объектом работ и программном сигнале, позволяет создать многофункциональный унифицированный РТК подачи сборок на атомных электростанциях и заводах по переработке ядерного топлива.

2. Унифицированное струтсгурно-алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение построения систем поискового позидаонно-силового управления обеспечивает выполнение операций определения координат ячеек контейнера, извлечения и установки TBC в автоматическом режиме.

3. Многорежимность работы РТК подачи сборок и повышение производительности его работы .обеспечиваются одновременным применением нелинейных регуляторов положения и силы в соответствующих каналах связного управления электроприводами РТК.

4. Безопасность выполнения операций с субтильной TBC обеспечивается компоновкой комплекса по принципу двухканальных систем с раздельной нагрузкой, его силомоментным очувствлением и адаптивным позишюнно-силовым управлением с введением нелинейных функциональных регуляторов и мультипликативных перекрёстных связей. /

5. Предложенная реализация системы управления многофуншноначь-ным РТК подачи сборок как открытой распределённой двухуровневой системы с двухпроцессорным комплектом «IBM-совместимая ЭВМ - микропроцессорный контроллер» на верхнем уровне и однокристальными контроллерами, управляющими на исполнительном уровне отдельными электроприводами и информационными системами, объединёнными в локальную сеть, обеспечивает повышение эффективности работы комплекса за счёт возможности переконфигурации системы для обеспечения безаварийного завершения выполняемой операции.

6. Повышение эффективности работы многофункционального роботизи-

рованного технологического комплекса в части обеспечения возможности гибкого изменения программно-алгоритмической структуры без перезагрузки программного обеспечения обеспечивается разработанной специализированной САПР, которая в отличие от известных подходов позволяет автоматизировать весь процесс разработки и модификации управляющих программ от опи-:ания исходных данных до программирования кристаллов памяти.

7. Экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатация систем управления Р'ПС с разработанным структурно-алгоритмическим эбеспечением подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов и лруктур и обеспечение необходимого качества и безопасности выполнения технологических операций с TBC.

8. Рассмотренную в работе структурно-алгоритмическую и программно-аппаратную реализацию распределённых систем управления приводами целе-:ообразно использовать в технических системах, эксплуатирующихся в усло-зиях позиционно-силового взаимодействия рабочего органа с внешней средой л объектом работ. Эффективность их применения, в частности в задачах ^правления машиностроительным оборудованием, в' испытательных системах, з медицинской технике и др., показана в приложении к диссертации.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. А. с. 1200242 СССР, МКИ G 05 В 19/00. Устройство для управления :борочным роботом / В.П. Дорохов, И.Н. Егоров, В.А. Немонтов (СССР). Эпубл. 23.12.85. Бюл. № 47.

2. А. с. 1650429 СССР, МКИ В 25 J 13/00. Устройство для управления ;борочным роботом / О.В. Веселов, И.Н. Егоров, В.А. Немонтов и др. (СССР). Эпубл. 23.05.91. Бюл. № 19.

3. 'Аналого-цифровая система электропривода опорно-поворотного устройства / С.И. Малафеев, B.C. Мамай, В.А. Немонтов // Вопросы оборонной гехники. Сер. 9. 1992. вып.2 (198). ДСП. С. 19 - 22.

4. Веселов О.В., Кобзев A.A., Мишулин Ю.Е., Немотов В А. и др. Система автоматической разработки сети управляющих микроконтроллеров // /правление в технических системах: Междунар. науч.-техн. конф. - Ковров, 1998.-С. 50-52.

5. Веселов О.В.. Кобзев A.A., Мишулин Ю.Е., Немонтов'В.А. и др. Система управления компрессионно-дистракционного аппарата // Управление в технических системах: Междунар. науч.-техн. конф'. - Ковров, 1998. -С. 5456.

6. Веселов О.В.. Кобзев A.A.. Мишулин Ю.Е.. Немонтов В.А. Многоце-тевые малогабаритные контроллеры // Конверсия, приборостроение, рынок: Междунар. науч.-техн. конф. - Владимир, 1997. Ч. 1. -С. 206 - 208.

7.' Кобзев A.A.. Немонтов В.А.. Мишулин Ю.Е. и др. Автоматическое формирование нелинейных характеристик позиционных приводов // Перспективы развития и применения средств вычислительной техники .тля моделиро-

15

вания и автоматизированного исследования: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. - М, 1991. - С. 203 - 204.

8. Немонтов В.А. Алгоритмы управления манипуляционным роботом // Проблемы и пути повышения уровня автоматизации производства на машиностроительных предприятиях: Тез. докя. на\'Ч.-практ. конф. - Владимир, 1987. -С. 42.

9, Немонтов В.А. Выполнение сборочных операций многостепенным автоматическим манипулятором // Повышение эффективности испытания приборных устройств: Тез. докл. науч.-техн. семинара - Суздаль, 1989. 4.2. - С. 110— 111.

10. Немонтов В.А. Моделирование РТК смены инструмента с системой обучения И Моделирование САПР АСНИ и ГАП: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. - Тамбов, 1989. - С. 85.

11. Немонтов В.А. Формирование программной траектории движения промышленного робота в режиме обучения // Использование ВТ и САПР в научно-исследовательских и опытных работах: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Владимир, 1987.-С. 92.

12. Немонтов В.А., Жинкин П.С. Систему отладки устройств управления РТК с микроЭВМ // Использование ВТ и САПР в научно-исследовательских и опытных работах: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Владимир, 1987. - С. 129.

13. Немонтов В.А. Микропроцессорная система управления взаимосвязанными приводами // Конверсия, приборостроение, рынок: Междунар. науч.-техн. конф. - Владимир, 1997. Ч. 1. - С. 195 - 197.

14. Немонтов В.А. Микропроцессорная система управления взаимосвя-. занными приводами с программной коррекцией движения по возмущению // Экстремальная робототехника: Материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. -СПб, 1997.-С. 286-289.

15. Немонтов В.А. Распределённая система управления роботом на процессорах RISK-архитектуры // Системы управления - конверсия - проблемы: Материалы Междунар. науч.-техн. конф, - Ковров. 1996. - С. 33-34.

16. Повышение качества позиционирования электроприводов введением нелинейного элемента в прямой тракт / A.A. Кобзев, Ю.Е. Мишулин, В.А, Немонтов и др. // Электротехника. 1994. №3. С. 44-48.

17. Система измерешш углового положения, скорости и положения ротора для электроприводов ЭПБ-2 / О.В. Веселов, A.A. Кобзев, Ю.Е. Мишулин, В.А. Немонтов // Измерительная техника. 1993. № 4.

18.- .Устройство и алгоритм определения центров отверстий контейнеров - при .разбраковке ТВЭЛов / О.В. Веселов, A.A. Кобзев, И.Н.Егоров.

В.А_ Немонтов // Робототехника для экстремальных условий: Материалы VI Междунар. .науч.-техн, конф. - СПб, 1995. - С. 111 - 114.