Распределенная система терминального управления техническим объектом (стр. 5 из 15)
Запрограммированные элементы операций могут сочетаться в различных комбинациях, причем необходимая последовательность их выполнения задается каждый раз либо программным путем, либо в супервизорном режиме, когда оператор с помощью пульта управления выполняет переключение программ или вызывает целый их цикл для обеспечения запрограммированных операций (принять исходное положение, взять инструмент и прибыть в заданную точку рабочей зоны и т. п.). Затем оператор включает другую программу автоматического проведения роботом последующей операции.
Режим дистанционного управления применяется оператором в любых незапрограммированных ситуациях или в случаях отказа автоматической системы управления. При этом оператор использует ЗУ на своем пульте управления.
Принцип взаимодействия элементов системы дистанционно-автоматического управления манипуляционного робота может быть рассмотрен по схеме, представленной на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Схема системы дистанционно-автоматического управления манипуляционного робота
Система включает исполнительные приводы, управляющие положением звеньев в каждой степени подвижности исполнительного манипуляционного механизма, а также ЗУ. Каждая из исполнительных систем замкнута по положению. На входы систем сигналы поступают со специализированного вычислителя-переобразователя координат. В кистевых узлах исполнительного и задающего устройств встроены многокоординатные датчики моментов МДМ, формирующие сигналы по векторам моментов, действующих со стороны оператора и объекта манипулирования.
Полуавтоматическое управление роботом может осуществляться как в позиционном копирующем режиме, так и в скоростном, а также с использованием силового очувствления. Выполнение наиболее сложных операций, не внесенных в программу автоматических режимов работы манипулятора при его взаимодействии с объектами в рабочей недетерминированной зоне, может осуществляться при копирующем управлении с силовым очувствлением. При этом сигналы многостепенных моментных датчиков сравниваются в управляющей ЭВМ.
Суммарный сигнал, обусловленный моментом оператора и нагрузочным моментом, поступает на специализированный вычислитель-преобразователь координат, который формирует управляющие воздействия на приводы каждой степени подвижности робота.
Система управления может также содержать устройства интегрирования сигналов, которые формируют сигналы управления по положению при наличии сигналов по моменту. Подобная система позволяет придать манипуляционному роботу свойства двустороннего действия, что обеспечивает наиболее эффективную работу оператора в сложных ситуациях.
При выполнении транспортных операций в свободном пространстве рабочей зоны и ряда других легко программируемых операций использование копирующего режима малоэффективно. В этих случаях применяется автоматический или полуавтоматический режим работы робота. В непредвиденных ситуациях для этого используется метод управления по разности векторов моментных воздействий со стороны оператора и со стороны нагрузки при заторможенном ЗУ. Реализация такого способа управления обеспечивается фиксацией ЗУ в исходном (наиболее удобном для оператора) положении.
Использование принципов дистанционно-автоматического управления придает манипуляционной робототехнической системе широкие функциональные возможности.
Возможно дифференцированное использование принципов дистанционно-автоматического управления для осуществления движений различными суставами ИУ манипуляционного робота. Например, транспортные движения могут иметь автоматическое, т. е. заранее запрограммированное, управляющее воздействие и осуществлять вывод кистевого узла манипулятора в заданную точку рабочего пространства. В то же время управление локальными движениями в кистевых суставах, как правило, требует учета воздействий со стороны объекта работ, поэтому такое управление рационально осуществлять в дистанционном режиме с очувствлением по значению этого силового воздействия.
Особенно актуально применение принципов комбинированного управления при выполнении сложных сборочных операций и при достаточно детерминированных условиях взаимодействия с технологической оснасткой в рабочей зоне, когда определенная податливость захвата требуется на ограниченном пространстве рабочей зоны. Совместное использование принципов автоматического и дистанционного управления дает положительный эффект при дистанционной коррекции траекторий и законов движения ИУ робота, осуществляемого в автоматическом режиме.
Действительно, если программа движений в автоматическом режиме не требует изменений, но на каком-либо отрезке траектории движения необходимо ее скорректировать, то возможно использование параллельно действующего дистанционного режима управления. Это существенно упрощает процедуру выполнения операций в изменяющихся условиях внешней среды.
С другой стороны, параллельная работа в различных режимах возможна при дистанционном управлении манипулятором, находящимся на подвижном основании. В этом случае целью автоматического управления положением рабочего органа манипулятора может быть стабилизация его положения в пространстве, причем это осуществляется управлением по каждой степени подвижности ИУ от специального информационно-измерительного устройства, определяющего отклонение конечной точки манипулятора от исходного положения, вызванного подвижностью основания. Очевидно, что это возможно лишь в ограниченном диапазоне перемещений.
Автоматическая стабилизация положения в пространстве кистевого узла манипулятора существенно упрощает режим дистанционного управления при выполнении сложной операции. Это является наиболее важным, например, при выполнении подводно-технических работ с помощью манипулятора, размещенного на подводном аппарате, который находится в так называемом состоянии зависания над объектом и испытывает воздействие течений водной среды.
Очевидно, что совместное параллельное или последовательное использование режимов дистанционного и автоматического управления требует применения вычислительной аппаратуры, способной осуществлять это сложное управление в реальном времени.
3 Методы поиска терминального управления
3.1. Вариационная постановка задачи
В работах Летова А.М. [4] терминальные задачи управления формулировались как задачи оптимизации функционала вида
, (3.1)где W, w – некоторые неотрицательные и достаточно гладкие функции своих аргументов, а r, s – неотрицательные числа. Функции h, x описывают движение возмущенное по Ляпунову. Второе слагаемое функционала (3.1) характеризует меру отклонения систем от заданного конечного состояния в момент времени t = T.
Первое слагаемое налагает на управление дополнительное требование: помимо перевода объекта в заданное конечное состояние оно должно обеспечить ему некоторые полезные свойства. Относительно выбора вида функций W и w обычно не делается никаких строгих рекомендаций.
Если в (3.1) положить r = 0, то система оптимизируется по функционалу
. (3.2)Отметим, что в случае использования функционала (3.2) задача вырождается в чисто краевую, так как единственной целью управления становится соблюдение конечных условий. В этом случае никаких дополнительных требований фазовой траектории не предъявляется.
В 1968 г. Н.Н. Красовский [5] отметили значительные трудности, возникающие при решении краевых задач в вариационной постановке. Для решения краевых задач применительно к задачам управления самолетом он предложил способ минимизации следующего функционала, который обеспечивает не только перевод объекта в заданное состояние, но и хорошее качество этого перевода
.Здесь p, q – положительные числа, удовлетворяющие соотношению
, и такие, что zp, zq, – четные функции z; ki – заданные вещественные числа; V=V(X1, X2, …, Xn, t) – решение уравнения 
при граничном условии 
. Полученные законы управления обеспечивали вывод самолета на взлетно-посадочную полосу (ВПП) без перерегулирования.Работа [6] посвящена синтезу оптимального управления для линейного объекта
. Критерием качества служит функционал 
, (3.3)минимизирующий энергетические затраты на управление.
В качестве примера решена задача вывода ракеты в течение времени T в заданную точку с координатой xf1 и конечной скоростью xf2. Управляющая функция имеет вид
. (3.4)Здесь u – заданное ускорение объекта; T – требуемое время выполнения задачи; x1(t), x2(t) – текущие значения координаты и скорости объекта; xf1, xf2 – конечные значения координаты и скорости.
Полученный закон управления является замкнутым и переводит объект в течение времени T из произвольной начальной точки фазовой плоскости в произвольную конечную. Однако этот закон обладает особенностью в конечной точке: при t = T знаменатель в (3.4) обращается в нуль. Эта особенность закона затрудняет его практическое применение.