ИМИТАТОР АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РОБАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ДВУХЗВЕННОГО РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА

Полезная модель относится к технической кибернетике и может быть использована при проектировании автоматических систем управления циклическими режимами исполнительных манипуляционных роботов, состоящих из двух звеньев.
Известна подобная система управления, предназначенная для поддержания стабильного периодического режима работы двухзвенного манипуляционного робота. Данная система состоит из управляемого нелинейно-нестационарного объекта (робота-манипулятора), блоков задающих воздействий, определяющих требуемое угловое смещение звеньев манипулятора, и локальных пропорционально-интегральных контуров управления (ПИ-регуляторов), обеспечивающих перемещение концевой точки второго звена робота по заданной траектории.
Описание такой системы представлено в работе McIntyre M.L., Dixon W.E., Dawson D.M., Walker I.D. Fault Identification for Robot Manipulators // IEEE Transactions on Robotics. 2005. Vol.21. N 5.
Однако основным недостатком данной системы является относительно невысокое быстродействие и невозможность обеспечения требуемого качества работы при возникновении внешних возмущений, имеющих непериодический характер.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение диссипативной устойчивости и повышение качества функционирования системы управления периодическими режимами двухзвенного манипуляционного робота в присутствии непериодической внешней нагрузки.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в систему, содержащую нелинейно-нестационарный объект управления, блоки задающих воздействий, и локальные ПИ-регуляторы, вместо типовых контуров управления вводятся локальные комбинированные робастные регуляторы (ЛР_1 и ЛР_2). Также в систему дополнительно вводятся локальные наблюдатели состояния (НС_1 и НС_2), первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой осциллографы, графопостроитель, первый и второй блоки задания коэффициентов, первый, второй, третий и четвертый блоки суммирования. При этом первый выход объекта управления одновременно подключен к первому входу графопостроителя и второму входу первого наблюдателя состояния НС_1, выходы которого подключены к соответствующим входам первого блока задания коэффициентов, а также к первому, второму и третьему входам первого локального регулятора ЛР_1; выходы первого блока задания коэффициентов идут на соответствующие входы первого блока суммирования, выход которого подключен ко второму входу второго блока суммирования; к первому входу второго блока суммирования подключен выход первого блока задающего воздействия, сигнал с выхода которого также поступает на вход первого осциллографа; выход второго блока суммирования одновременно подключен к четвертому входу первого локального регулятора ЛР_1 и к входу второго осциллографа; выход первого локального регулятора ЛР_1 подключен к входу третьего осциллографа, к первому входу объекта управления, а также к первому входу первого наблюдателя состояния НС_1. Второй выход объекта управления одновременно подключен ко второму входу графопостроителя и первому входу второго наблюдателя состояния НС_2, выходы которого подключены к соответствующим входам второго блока задания коэффициентов, а также к первому, второму и третьему входам второго локального регулятора ЛР_2; выходу второго блока задания коэффициентов соединены с соответствующими входами третьего блока суммирования, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока суммирования; к первому входу четвертого блока суммирования подключен выход второго блока задающего воздействия, который также соединен с входом четвертого осциллографа; выход четвертого блока суммирования подключен к входу пятого осциллографа и к четвертому входу второго локального регулятора ЛР_2, выход которого соединен с входом шестого осциллографа, со вторым входом объекта управления, а также со вторым входом второго наблюдателя состояния НС_2.
За счет введенных локальных комбинированных робастных регуляторов и локальных наблюдателей состояния обеспечивается диссипативная устойчивость и высокая точность слежения за локальными задающими воздействиями при наличии в системе постоянно действующих непериодических возмущений.
1
2
1
2
1
2
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена блок-схема имитатора автоматической системы управления, включающая: объект управления 1, первый наблюдатель состояния 2 (НС_1), первый блок задания коэффициентов 3, первый локальный регулятор 4 (ЛР_1), первый блок суммирования 5, второй блок суммирования 6, первый блок задающего воздействия 7, первый осциллограф 8, второй осциллограф 9, третий осциллограф 10, второй наблюдатель состояния 11 (НС_2), второй блок задания коэффициентов 12, второй локальный регулятор 13 (ЛР_2), третий блок суммирования 14, четвертый блок суммирования 15, второй блок задающего воздействия 16, четвертый осциллограф 17, пятый осциллограф 18, шестой осциллограф 19, графопостроитель 20; y, y - выходы объекта управления; u, u - входы объекта управления (управляющие сигналы); e, е - сигналы ошибок регулирования;   - оценки переменных состояния, полученные с помощью первого наблюдателя состояния;  - оценки переменных состояния, полученные с помощью второго наблюдателя состояния.
На фиг.2 представлены блок-схемы наблюдателей состояния НС_1 и НС_2, на фиг.3 - блок схемы локальных регуляторов ЛР_1 и ЛР_2.
Динамика объекта управления (робота-манипулятора) описывается уравнениями перемещения его звеньев
i
i
y(t)=L*x(t);
i
3
где x(t)∈R - вектор переменных состояния каждого звена;
i
u(t)∈R - скалярное управляющее воздействие степеней подвижности, удовлетворяющее соотношению
где m - некоторая положительная константа;
- соответственно периодическая и робастная части комбинированного регулятора(2);
i
y(t)∈R - угловое перемещение каждого звена манипулятора;
i
i
1i
i
2i
i
A(t,x)=A(x)x(t)+А(x) - некоторый нелинейный вектор;
1i
1i
i
i
А(х)=А+bα*(х) - матрица, содержащая нелинейные коэффициенты;
в общем случае неустойчивая матрица с постоянными коэффициентами;
0i
A - гурвицева матрица;
2i
i
i
i
i
А(х)=bβ(x) - нелинейный вектор;
- некоторая векторная нелинейная функция;
i
i
β,(х) - некоторая скалярная нелинейная функция.
- стационарный вектор управления;
L*=[1,0,0] - стационарный вектор выхода;
0i
χ - неизвестный стационарный вектор;
ij
λ(t, x) - нелинейные функции, характеризующие взаимосвязь звеньев манипулятора;
i
f(t) - вектор внешних непериодических возмущений, удовлетворяющий условию
* - символ транспонирования;
i=1,2 - номер звена манипулятора.
На основании критерия гиперустойчивости В.М.Попова, можно показать, что обеспечение устойчивости системы регулирования достигается за счет определения периодической и робастной частей регулятора (2) в виде соотношений
0i
1i
2i
где β,β,β=const>0;
i
e(t) - ошибка рассогласования между значениями задающих воздействий и выходов объекта управления;
- вектор оценок внутренних состояний объекта (1), формируемый с помощью локальных наблюдателей состояния с динамикой
где  - вектор переменных состояния наблюдателя;
(t)∈R - выход наблюдателя;
- матрица состояния наблюдателя.
Система управления функционирует следующим образом.
1
1
1
1
3
2
1
1
3
3
3
2
3
2
2
1
3
1
1
3
1
1
i
Скалярный сигнал у с первого выхода объекта управления 1 поступает на первый вход графопостроителя 20 и на второй вход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (структурная схема представлена на фиг.2,а) на первый вход которого поступает управляющий сигнал u. Сигнал у со второго входа первого наблюдателя состояния НС_1 2 идет на второй вход блока сравнения 35, на первый вход которого подается сигнал с выхода интегратора 34. Внутри блока сравнения 35 вычисляется разность поданных на его входы сигналов. Сигнал с выхода блока сравнения 35 одновременно поступает на пятый вход блока суммирования 33, на второй вход блока суммирования 33, и на второй вход блока суммирования 33. Сигнал u с первого входа первого наблюдателя состояния НС_1 2 идет на первый вход блока суммирования 33. Сигнал с выхода блока суммирования 33 подается на вход интегратора 34, выходной сигнал которого идет на первый вход блока суммирования 33, четвертый вход блока суммирования 33, а также на третий выход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (). Выходной сигнал блока суммирования 33 поступает на вход интегратора 34, сигнал с выхода которого одновременно подается на первый вход блока суммирования 33, третий вход блока суммирования 33 и на второй выход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (). Сигнал с выхода блока суммирования 33 поступает на вход интегратора 34, выходной сигнал которого одновременно идет на первый вход блока сравнения 35, второй вход блока суммирования 33, а также на первый выход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (). Сигналы с первого, второго и третьего выходов первого наблюдателя состояния НС_1 2 () поступают на соответствующие входы первого блока задания коэффициентов 3 и на первый, второй и третий входы первого локального регулятора ЛР_1 4. Внутри первого блока задания коэффициентов 3 происходит умножение поданных сигналов на соответствующие постоянные коэффициенты. Сигналы с выхода первого блока задания коэффициентов 3 поступают на первый, второй и третий входы первого блока суммирования 5, выходной сигнал которого поступает на второй вход второго блока суммирования 6. На первый вход второго блока суммирования 6 подается сигнал с выхода первого блока задающего воздействия 7, этот же сигнал идет на вход первого осциллографа 8. Сигнал e с выхода второго блока суммирования 6 поступает на вход второго осциллографа 9 и на четвертый вход первого локального регулятора ЛР_1 4 (структурная схема представлена на фиг.3,а). Сигналы с первого, второго и третьего входов первого локального регулятора ЛР_1 4 () поступают на соответствующие входы блока выделения модуля 21. Выходные сигналы блока выделения модуля 21 поступают на входы блока суммирования 22, выходной сигнал которого с соответствующим коэффициентом идет на первый вход умножителя 23. Сигнал с выхода умножителя 23 поступает на второй вход блока суммирования 26. С четвертого входа первого локального регулятора ЛР_1 4 на второй вход умножителя 23, а также на первый вход блока суммирования 24 с соответствующим коэффициентом поступает сигнал е. Сигнал с выхода блока суммирования 24 одновременно подается на первый вход блока суммирования 26 и на вход блока задержки 25, выходной сигнал которого поступает на второй вход блока суммирования 24. Сигнал с выхода блока суммирования 26 (u) с соответствующим коэффициентом идет на выход первого локального регулятора ЛР_1 4. Выходной сигнал первого локального регулятора 4 подается на вход третьего осциллографа 10, первый вход объекта управления 1, а также на первый вход первого наблюдателя состояния 2.
2
2
2
1
3
2
1
3
2
3
3
3
2
2
3
1
1
1
3
2
2
Скалярный сигнал у со второго выхода объекта управления 1 поступает на второй вход графопостроителя 20 и на первый вход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (структурная схема представлена на фиг.2,б), на второй вход которого подается сигнал управления u. Сигнал y с первого входа второго наблюдателя состояния идет на первый вход блока сравнения 38, на второй вход которого поступает сигнал с выхода интегратора 37. Внутри блока сравнения 38 вычисляется разность поданных на него сигналов, а его выходной сигнал одновременно поступает на второй вход блока суммирования 36, второй вход блока суммирования 36, а также второй вход блока суммирования 36. На первый вход блока суммирования 36 со второго входа второго наблюдателя состояния НС_2 11 подается сигнал u. Выходной сигнал блока суммирования 36 идет на вход интегратора 37, сигнал с выхода которого поступает на пятый вход блока суммирования 36, первый вход блока суммирования 36 и на третий выход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (). Сигнал с выхода блока суммирования подается на вход интегратора 37, выходной сигнал которого одновременно идет на четвертый вход блока суммирования 36, второй вход блока суммирования 36 и на второй выход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (). Выходной сигнал блока суммирования 36 поступает на вход интегратора 37, сигнал с выхода которого подается на второй вход блока сравнения 38, на третий вход блока суммирования 36, а также на первый выход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (). Сигналы с первого, второго и третьего выходов второго наблюдателя состояния НС_2 11 () поступают на соответствующие входы второго блока задания коэффициентов 12 и на второй, третий и четвертый входы второго локального регулятора ЛР_2 13. Внутри второго блока задания коэффициентов 12 происходит умножение поступивших сигналов на соответствующие постоянные коэффициенты. Сигналы с выходов второго блока задания коэффициентов 12 идут на первый, второй и третий входы третьего сумматора 14, выходной сигнал которого поступает на второй вход четвертого сумматора 15. На первый вход четвертого сумматора 15 поступает сигнал с выхода второго блока задающего воздействия 16, который также идет на вход четвертого осциллографа 17. Сигнал е с выхода четвертого блока суммирования 15 подается на вход пятого осциллографа 18 и на первый вход второго локального регулятора ЛР_2 13 (структурная схема представлена на фиг.3,б). Сигнал с первого входа второго локального регулятора ЛР_2 13 поступает на первый вход умножителя 32 и с соответствующим коэффициентом на первый вход блока суммирования 27, выходной сигнал которого идет на первый вход блока суммирования 29 и на вход блока задержки 28. Сигнал с выхода блока задержки 28 поступает на второй вход блока суммирования 27. Сигналы со второго, третьего и четвертого входов второго локального регулятора ЛР_2 13 () поступают на соответствующие входы блока выделения модуля 30. Выходные сигналы блока выделения модуля 30 идут на первый, второй и третий входы блока суммирования 31, сигнал с выхода которого с соответствующим коэффициентом подается на второй вход умножителя 32. Выходной сигнал умножителя 32 идет на второй вход блока суммирования 29. Сигнал с выхода блока суммирования 29 (u) с соответствующим коэффициентом поступает на выход второго локального регулятора ЛР_2 13. Выходной сигнал второго локального ЛР_2 13 поступает на вход шестого осциллографа 19, на второй вход объекта управления 1, а также на второй вход второго наблюдателя состояния 11.
Технический результат заключается в обеспечении диссипативной устойчивости системы управления, а также формировании в ней высококачественных переходных процессов в случае присутствия постоянно действующих непериодических возмущений.
Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.