Разработка подхода к синтезу скоростных высоконадежных систем управления для многозвенных манипуляторов

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2016. № 4

Зуев Александр Валерьевич В 2007 г. с отличием окончил Дальневосточный государственный технический университет по специальности «Управление и информатика в технических системах». После защиты в 2010 г. под руководством профессора, д.т.н. В.Ф. Фила-ретова кандидатской диссертации работает в должности младшего научного сотрудника лаборатории робототехнических систем ИАПУ ДВО РАН. Ведет преподавательскую деятельность на кафедре «Автоматизация и управление» Дальневосточного федерального университета.

Область научных интересов — разработка адаптивных информационно-управляющих систем для очувствленных роботов различного вида и назначения, создание новых методов высоконадежного управления мехатронными объектами. За время работы в лаборатории был награжден различными дипломами и медалью РАН для молодых ученых.

УДК 621.865.8

А.В. ЗУЕВ, А С. ГУБАНКОВ

Губанков Антон Сергеевич

Начал свою научную деятельность под руководством профессора, д.т.н. В.Ф. Филаретова, обучаясь на третьем курсе Дальневосточного государственного технического университета по специальности «Управление и информатика в технических системах». После окончания аспирантуры ИАПУ ДВО РАН работал инженером, а после защиты кандидатской диссертации — младшим научным сотрудником в лаборатории робототехнических систем. По совместительству является преподавателем кафедры «Автоматизация и управление» Дальневосточного федерального университета.

Область научных интересов — разработка методов высокоскоростного управления различными мехатронными и робототехническими объектами. Работы молодого ученого неоднократно отмечались различными дипломами и медалью РАН.

Разработка подхода к синтезу скоростных высоконадежных систем управления для многозвенных манипуляторов

Рассматривается новый комплексный подход к синтезу высоконадежных скоростных систем управления многозвенными манипуляторами, которые обеспечивают гарантированное выполнение с предельно возможной скоростью заданных технологических операций даже при возникновении незначительных дефектов

*ЗУЕВ Александр Валерьевич - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, ГУБАНКОВ Антон Сергеевич - кандидат технических наук, младший научный сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток). * E-mail: zuev@iacp.dvo.ru

Работа поддержана грантами РФФИ (16-29-04195, 16-07-00718, 16-07-00300, 16-37-60025), а также грантами президента РФ (МК-8536.2016.8, СП-620.2016.5).

в электроприводах этих манипуляторов. Результаты математического моделирования подтвердили работоспособность и эффективность предложенного подхода.

Ключевые слова: многозвенный манипулятор, высокая скорость, диагностика, аккомодация к дефектам, электроприводы.

The development of approach to synthesis of high-speed and ultra-reliable control systems for multilink manipulators. A.V. ZUEV, A.S. GUBANKOV (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).

This paper is dedicated to a new approach to synthesis of ultra-reliable high-speed control systems of multilink manipulators. These control systems provide guaranteed performance of technological operations as fast as possible even if the .small faults occur in electric drives of these manipulators. Simulation results confirmed the efficiency of the proposed approach.

Key words: multilink manipulator, high speed, diagnosis, accommodation to faults, electric drives.

Введение

Для повышения производительности манипуляционного оборудования необходимо, чтобы все технологические операции выполнялись на предельно высоких скоростях, но при этом качество оставалось на должном уровне [4, 5]. Существующие системы управления (СУ) могут обеспечить многозвенным манипуляторам (ММ) высокую динамическую точность при быстром перемещении по траекториям только при условии, что все их приводные механизмы обладают достаточным ресурсом мощности, т.е. способны отработать сигнал любого программного движения ММ и одновременно компенсировать возникающие негативные эффекты динамического взаимовлияния между всеми его степенями подвижности без входа в режим насыщения. Если же хотя бы один из приводов ММ входит в режим насыщения, то рабочий орган (РО) ММ неминуемо сходит с заданной траектории, приводя к браку или даже возникновению аварийных ситуаций. Для устранения таких ситуаций при использовании традиционных СУ приходится снижать программную скорость движения РО ММ по заданным траекториям, уменьшая производительность их работы даже в тех случаях, когда все их приводы на многих участках заданных траекторий еще имеют значительный запас мощности для управления.

При выполнении различных технологических операций манипуляторами в нагруженных режимах с предельной скоростью важное значение имеет повышение надежности этих сложных технических систем [6]. Она достигается за счет оперативного диагностирования состояния основных элементов ММ, а также формирования специальных управляющих воздействий, которые позволяют автоматически сохранять (стабилизировать) важнейшие характеристики ММ при появлении незначительных дефектов. Решение указанной задачи принято называть аккомодацией к дефектам. Существующие в настоящее время системы аккомодации ориентированы на работу с объектами диагностирования, описываемыми линейными дифференциальными уравнениями. Это не позволяет решать задачу аккомодации к возможным дефектам в электроприводах ММ, описываемых, как правило, нелинейными дифференциальными уравнениями с существенно переменными параметрами.

В данной работе решается задача разработки нового комплексного подхода к синтезу скоростных систем управления ММ с аккомодацией к возникающим в их электроприводах дефектам, который обеспечивает гарантированное выполнение заданных технологических операций с предельно возможной скоростью.

Описание подхода к построению системы формирования

предельно возможной скорости движения РОММ

Для решения поставленной задачи предлагается использовать следующий подход к построению адаптивной системы формирования скорости движения ММ [5].

Вначале для придания каждому электроприводу перемещающегося ММ свойства инвариантности показателей качества работы к эффектам взаимовлияния между всеми его степенями подвижности (для стабилизации их параметров, а следовательно, и коэффициентов уравнений, которыми они описываются, на номинальном уровне) в СУ каждым электроприводом вводятся самонастраивающиеся корректирующие устройства (СКУ), синтез которых подробно описан в работе [4].

Затем для обеспечения требуемых показателей качества работы соответствующих электроприводов с уже стабилизированными с помощью СКУ параметрами в их прямые цепи вводятся типовые последовательные корректирующие устройства, параметры которых рассчитываются традиционными методами.

Далее решается обратная задача кинематики для нахождения законов изменения всех обобщенных координат дММ (i = 1,n, где n - число степеней подвижности многозвенни-ка), которые будут являться входными сигналами для соответствующих следящих электроприводов ММ.

После этого задается аналитическое описание желаемой траектории движения РО ММ в пространстве y = fx), z = fx) и определяются законы изменения координат x(t), y(t), z(t) во времени по методу, описанному в работе [1].

И, наконец, строится алгоритм формирования предельно возможной скорости движения РО ММ, который заключается в следующем. Пока все электроприводы ММ работают в линейной зоне и выполняется неравенство |yrJ > |у|, где у - безразмерный сигнал, Yref = const, опорное значение, скорость движения РО ММ по предписанной траектории будет расти с постоянным ускорением 5Г Если же некоторые сигналы и. на входах соответствующих усилителей или токи якорных цепей ii электроприводов ММ начнут превышать установленные для них пороговые значения, за пределами которых проявляются зоны значительных нелинейностей электродвигателей или даже зоны их насыщения, то начинает выполняться условие |yreJ < |у|, и разность у- у становится отрицательной. В этом случае скорость движения РО ММ по траектории будет снижаться с постоянным ускорением 8 , повышая тем самым динамическую точность управления ММ. Значения 5j и 82 зависят от динамических свойств электроприводов ММ, а также от используемых СУ и подбираются посредством моделирования.

Исследования показали, что для работы всех электроприводов ММ в их линейных зонах при перемещении РО по пространственным траекториям достаточно формировать у в виде:

Y = K max

где K и K2 - некоторые положительные весовые коэффициенты, значения которых определяются в процессе моделирования или экспериментально. В зависимости от величины кривизны отдельных участков траекторий, требований к динамической точности движения РО, а также от наличия и доступности соответствующих датчиков один из этих весовых коэффициентов в (1) можно принимать равным нулю, значительно упрощая практическую реализацию предлагаемых СУ

Результаты исследований показали, что при выборе у в виде (1) величина yreJ, как правило, выбирается примерно на 20-30 % меньше по сравнению с максимально допустимыми значениями напряжения и. или тока i .

Таким образом, описанный подход позволяет обеспечивать перемещение РО ММ по произвольным гладким траекториям на предельно возможных скоростях с заданной динамической точностью. Однако это справедливо только при отсутствии дефектов в работе нагруженных электроприводов ММ. В случае появления даже незначительных дефектов требуемая динамическая точность не будет гарантирована. Следовательно, необходимо обеспечить непрерывное диагностирование электроприводов ММ, а также аккомодацию к появляющимся в них дефектам.

Метод синтеза систем аккомодации к дефектам в электроприводах ММ

Рассмотрим предлагаемый метод синтеза систем аккомодации на примере п-степенного манипулятора, приводимого в движение с помощью п приводов, каждый из которых имеет регулятор, обеспечивающий заданные показатели качества. При этом будем учитывать следующие типы дефектов: й - дефект в датчике, измеряющем положение выходного вала редуктора; й2 - изменение величины момента сухого трения в приводах; й3 - изменение активного сопротивления цепи якоря электродвигателя (например, из-за нагрева при его длительной работе в различных режимах). Наличие данных дефектов снижает качественные показатели работы электроприводов и точность скоростного выполнения конкретных технологических операций.

При появлении указанных дефектов разомкнутую цепь каждого нагруженного электропривода ММ в матричной форме можно описать дифференциальным уравнением вида [4]:

X

где А(Н, к)еЯУх3 - матрица динамических свойств электропривода; В(Н, МЕ)еЯУх3 - матрица коэффициентов усиления при управляющих воздействиях; ХфеЯ3 - вектор фазовых координат электропривода; ифеЯ3 - вектор управляющих воздействий; F(x)еR3 - вектор, определяющий нелинейную часть системы; D(t)еR3 - вектор дефектов; ЕеЯУх3 - матрица дефектов, указывающая, в каком месте электропривода возник дефект; Н(Г), Щ), М() - приведенные к выходному валу электродвигателя переменные составляющие всех моментных воздействий на электроприводы, включая взаимовлияния между всеми степенями подвижности ММ.

При функционировании ММ (особенно в скоростных режимах) каждый дефект независимо от причины его появления должен быть своевременно обнаружен, а его влияние на качественную работу ММ устранено. Очевидно, что при существенной переменности параметров Н, к, МЕ и наличии нелинейности F решить задачу аккомодации к дефектам электроприводов ММ традиционными методами, ориентированными на линейные модели объектов управления, невозможно.

Для устранения рассмотренной проблемы предлагается новый метод аккомодации, состоящий из трех основных этапов [3]: 1) синтез банка диагностических наблюдателей (ДН) на основе логико-динамического подхода для обнаружения и локализации дефектов [2]; 2) идентификация значений величин дефектов при наличии возмущений и значительных начальных рассогласований состояний электроприводов ММ и соответствующих ДН за счет введения в каждый наблюдатель специальной обратной связи по сигналу невязки; 3) формирование СУ, гарантирующих оперативное парирование возникающих дефектов.

В результате применения процедуры синтеза на основе логико-динамического подхода формируется банк ДН, каждый из которых чувствителен к одному из дефектов. Уравнение, описывающее работу такого нелинейного ДН с обратной связью по сигналу невязки, имеет вид [3]: £*(0= Ь*п() + пх() + / * + wr (/), где х* - элемент вектора фазовых координат наблюдателя, V - коэффициент усиления обратной связи, г(Г) = ФХ(Г) - х*(^) - невязка, Ь*, п, /, ФеЯ3 - составляющие, определяемые в процессе синтеза ДН.

Уравнение, описывающее поведение невязки при возникновении дефекта, после введения в наблюдатели указанной выше обратной связи будет иметь вид: г = ФХУ) - х(?) = -Vг + ё, решением которого является выражение: г(0 = Cle-wt+d/w.

Исследования показали [3], что при синтезе систем аккомодации к дефектам в электроприводах ММ желательно выбирать V = 3/Г, где Тс - время, за которое сигнал невязки входит в 5 %-ную зону от величины й/м>. В установившемся режиме связь между невязками и дефектами в электроприводах ММ определяется в виде: г1 = г2 = й2/^2, г3 =

После идентификации возникающих дефектов решается задача их точной компенсации. Решение этой задачи предложено осуществлять с помощью корректирующих устройств, стабилизирующих параметры электроприводов на номинальном уровне [4]. При этом за

счет использования дополнительных сигналов невязок в законе самонастройки [3] удается обеспечить точную стабилизацию динамических свойств всех электроприводов ММ даже при наличии дефектов, успешно компенсируя их.

Результаты моделирования и исследования предложенных систем показали, что максимальные значения ошибок по положению электроприводов, используемых в ММ, после возникновения в них различных типовых дефектов при наличии систем управления без аккомодации увеличивались до 12,5 раз, а при использовании систем управления с аккомодацией негативные воздействия этих дефектов на точность работы всех электроприводов полностью исключались.

Заключение

Рассмотренные в работе системы управления для ММ позволяют формировать предельно возможные скорости движения РО ММ по произвольным пространственным траекториям на основе информации о входных напряжениях и токах якорных цепей, используемых в ММ электроприводов. При этом для сохранения точности работы при возникновении незначительных дефектов предложено использовать систему непрерывной аккомодации, которая за счет специально формируемых дополнительных управляющих воздействий, подаваемых на электроприводы, обеспечивает последним свойства инвариантности к возникающим дефектам, что гарантирует неизменную работоспособность и эффективность ММ при их эксплуатации в скоростных режимах работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Губанков А.С., Горностаев И.В. Разработка метода синтеза систем формирования скорости динамических объектов // Материалы VII Всерос. научн.-техн. конф. с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект» (РИИ-15). Железногорск, 11 декабря 2015 г. Железногорск, 2015. С. 13-18.

2. Жирабок А.Н., Усольцев С.А. Линейные методы при диагностировании нелинейных систем // Автоматика и телемеханика. 2000. № 7. С. 149-159.

3. Филаретов В.Ф., Жирабок А.Н., Зуева А.В., Проценко А.А. Разработка метода синтеза системы аккомодации к дефектам в электроприводах манипуляционных роботов // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2013. Т. 11, № 4. C. 26-33.

4. Филаретов В.Ф. Самонастраивающиеся системы управления приводами манипуляторов. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2000. 304 с.

5. Филаретов В.Ф., Губанков А.С. Система формирования предельно высокой скорости движения рабочего органа многостепенного манипулятора по произвольной траектории // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2013. Т. 11, № 4. C. 19-25.

6. Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M. Diagnosis and Fault Tolerant Control. Berlin: SpringerVerlag, 2003. 571 p.