Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом

С помощью метода, разработанного в первой части работы [1], синтезируется закон управления перемещением неизвестного груза двухзвенным роботом с неточно известными характеристиками исполнительных органов. В качестве измерителей используются только датчики углов поворота звеньев робота. Компьютерное...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2009
Main Authors: Потапенко, Е.М., Казурова, А.Е.
Format: Article
Language:Russian
Published: Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7633
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом / Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 77-86. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859628268772130816
author Потапенко, Е.М.
Казурова, А.Е.
author_facet Потапенко, Е.М.
Казурова, А.Е.
citation_txt Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом / Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 77-86. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
description С помощью метода, разработанного в первой части работы [1], синтезируется закон управления перемещением неизвестного груза двухзвенным роботом с неточно известными характеристиками исполнительных органов. В качестве измерителей используются только датчики углов поворота звеньев робота. Компьютерное моделирование подтвердило робастность и высокую точность рассматриваемого управления.
first_indexed 2025-11-29T14:12:14Z
format Article
fulltext 77 Дисêретные системы óправления УДК 681.511.4 Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова ВЫСОКОТОЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННЫМИ МНОГОСВЯЗНЫМИ ОБЪЕКТАМИ. Часть 2. УПРАВЛЕНИЕ РОБОТОМ С помощью метода, разработанного в первой части работы [1], синтези- руется закон управления перемещением неизвестного груза двухзвенным роботом с не- точно известными характеристиками исполнительных органов. В качестве измерителей используются только датчики углов поворота звеньев робота. Компьютерное моделиро- вание подтвердило робастность и высокую точность рассматриваемого управления. Введение. Самым радикальным методом обеспечения высокой точно- сти, вплоть до инвариантности, является комбинированное управление. Для его формирования необходимо знание возмущений, действующих на систе- му управления (СУ). С этой целью в модели СУ выделяется номинальная модель с известными параметрами, а все неидеальности объединяются в вектор неопределенности (ВН). Для простоты синтеза и анализа СУ номи- нальная модель задается стационарной (с постоянными параметрами). Оче- видно, что ВН может нелинейно зависеть как от времени, так и от коорди- нат вектора состояния. В том случае, когда ВН — кусочно-непрерывная функция своих аргументов, на коротких интервалах времени его можно счи- тать постоянным или параболически (с неизвестными параметрами) завися- щим от времени. В случае выполнения условий полной восстанавливаемо- сти для преобразованной системы можно построить наблюдатель, оцени- вающий как вектор состояния системы, так и ВН. Полученная информация позволяет организовать комбинированное управление из двух составляю- щих: 1) компенсирующей ВН и 2) формирующей заданное качество пере- ходных процессов. Напомним суть метода управления, изложенного в пер- вой части данной работы [1]. Пусть объект управления с датчиками описан уравнениями ,),(),(),,(),( 21 RRRthBButxkxtxxRxtxM +=′+=++ &&&& ,fHCxy += где mrmn RhRyRuRxx ∈∈∈∈ ,,,),( 2TTT & — векторы состояния, управле- ния, измерения и внешних воздействий; k — вектор потенциальных сил; 21,, RRM — матрицы инерции, диссипативных, кориолисовых и центро- бежных сил. В соответствии с изложенным выше номинальная модель зада- ется в виде ),,,,,(,0000 tuxxxffGfuBxKxRxM &&&&&& =+=++ ,fHCxy += © Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова, 2009 ISSN 0452-9910. Кибернетика и вычисл. техника. 2009. Вып. 156 78 где EMMMM =>= −1 00 T 00 ,0 и все матрицы известные и постоянные; век- тор α∈ Rf — вектор неопределенности, составленный из возмущений, дей- ствующих на номинальный объект, и погрешностей датчиков. Будем пола- гать, что f — ограниченная кусочно дифференцируемая по каждому аргу- менту вектор-функция. За счет вектора f матрицы ,0M 0R и 0K можно формировать произвольным образом вплоть до того, что сделать матрицу 0M диагональной, а матрицы 0R и 0K — вообще нулевыми. В этом случае будет осуществлена декомпозиция всей системы на отдельные уравнения, связанные между собой только через вектор неопределенности. Как показа- но в первой части данной работы, для системы (4), (5) можно синтезировать децентрализованное робастное комбинированное управление. В качестве иллюстрации возможностей изложенного в первой части ме- тода управления [1] рассмотрим один из самых сложных объектов управле- ния — робот. Цель второй части статьи — синтез и анализ законов управления двух- звенным неопределенным роботом методом, предложенным в первой части. 1. Постановка задачи. На рис. 1 схематично изображен двухзвенный робот, предназначенный для перемещения груза вдоль горизонтальной оси Оx. y x 1 2 3 α1 α2 l1 l2 l21 l22g1 g2 О Рис. 1 На рисунке приняты следующие обозначения: 1α — угол отклонения звена 1 от оси Оx; 2α — угол отклонения звена 2 от продольной оси звена 1 (положительные отклонения против часовой стрелки); 21, ll — длины соот- ветствующих звеньев; 2221, ll — расстояния от центра масс второго звена с грузом до концов звена; 21, gg — гравитационные силы, действующие на соответствующие звенья. Приняты следующие параметры робота: • ;м1,м2 21 == ll • масса первого звена )( 1m 28 кг, масса второго звена 14 кг; • момент инерции первого звена относительно шарнира 1 )( 1I ;мкг28 2⋅ • масса второго звена с грузом )( 2m меняется в диапазоне от 14 до 44 кг (систему «второе звено–груз» для краткости в дальнейшем будем называть «вторым звеном»); 79 • момент инерции второго звена относительно его центра масс )( 2I может меняться в диапазоне .мкг875,2875,0 2⋅K Точные значения переменных параметров неизвестны. Следует под- черкнуть, что для рассматриваемого метода управления знание точных па- раметров робота необязательно. В связи с этим будем полагать ,, 2022011 δ+== IIIII (1) здесь 0201, II — номинальные значения, 2δI — неизвестные погрешности. При выборе параметров системы управления принималось == 022 II ,мкг875,1 2⋅= при моделировании — ,мкг875,2875,0 2 2 ⋅= KI кг.44142 K=m Задача. В соответствии с первой частью работы нужно построить ком- пенсатор, обеспечивающий перемещение между двумя точками груза 3 по оси Оx с заданной скоростью при измерении только углов поворота в шар- нирах (без измерения координат х и у). 2. Кинематика робота. При перемещении груза вдоль оси Оx выпол- няются следующие кинематические соотношения: ),cos()cos( 21211 α+α+α= llx (2) ).sin()sin(0 21211 α+α+α≡≡ lly (3) Из уравнения (3) ).sin()sin( 21 1 2 1 α+α−=α l l (4) Возведя левую и правую части уравнения (4) в квадрат и перейдя от квадра- тов синусов к квадратам косинусов, получим ).(cos1)(cos 21 2 2 1 2 2 1 2 1 2 α+α⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −=α l l l l (5) Из уравнения (2) найдем )).cos((1)cos( 212 1 1 α+α−=α lx l (6) Возведя левую и правую части уравнения (6) в квадрат и сопоставив полу- ченное с уравнением (5), найдем ).( 2 1)cos( 2 2 2 1 2 2 21 llx xl +−=α+α (7) Из уравнения (7) .)( 2 1arccos 2 2 2 1 2 2 21 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +−±=α+α llx xl (8) Из уравнения (6) получим .))cos((1arccos 212 1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α+α−±=α lx l (9) 80 В том случае, когда в выражении (9) принят плюс, а в выражении (8) — минус, имеет место кинематическая схема, изображенная на рис. 1. При противоположных знаках будет схема, симметричная изображенной схеме относительно оси Оx. Найденные значения углов 21, αα будут служить в системе управления программными углами ., 21 pp αα Программные скорости и ускорения нахо- дятся дифференцированием полученных выражений. Движение точки 3 по оси Оx задается уравнением ,0 vtxx += где v — скорость точки 3. Закон изменения программной скорости ясен из рис. 2. c/м,,ˆ, xxxp &&& x&̂ px& t, c 1t 2t 3t x& 0 1 2 3 4 5 −0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Рис. 2 Координаты центра масс второго звена описываются следующими урав- нениями: .)sin()sin( ,)cos()cos( 2121112 2121112 α+α+α= α+α+α= lly llx (10) Скорости центра масс второго звена получаются дифференцированием вы- ражений (10). 3. Динамика робота. Кинетическая энергия всей системы определяется выражением )).()(( 2 1 2 2 2 22 2 212 2 11 yxmIIEc &&&&& ++α+α+α= (11) Уравнения движения Лагранжа второго рода имеют вид . , 222 22 12111 11 mm EE dt d mmm EE dt d cc cc += α∂ ∂ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α∂ ∂ ++= α∂ ∂ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α∂ ∂ α α & & (12) 81 где 21, αα mm — моменты со стороны приводов, действующие на звенья 1 и 2; ),cos( 2 1 1 111 α−= l gm (13) )sin()sin( 2211212 αα+α−= lgm (14) — моменты сил веса ,1g ,2g действующие на звено 1; )cos( 2121222 α+α−= lgm (15) — момент силы веса ,2g приложенный к звену 2. Зададим управляющие воздействия следующим образом: += αα 101 mm ,1δα+ m δααα += 2202 mmm где δαδα 21 , mm — погрешности знания момен- тов. Тогда с учетом уравнений (1), (10), (11), (13)–(15) уравнения движения (12) принимают вид , , 220202 110101 fmI fmI +=α +=α α α && && (16) где неопределенности 1f и 2f описываются следующими выражениями: ].)sin()cos( )([ ,])sin()cos()( )sin(2)cos(2 ))([( 2 122112122112 1 2 21222 2 212222222 2 2221122221122 2 2122 1222112122112 1 2 21 2 122121111 αα+αα+ +α++α−++α−= αα−αα+α++ +ααα−αα+ +α++−++= δαδ δα &&& &&&&&& &&&&& &&&& && llmllm lmIlmmmIf llmllmlmI llmllm llmImmmf (17) Таким образом, в неопределенности собраны неточности формирования управляющих воздействий, гравитационные силы и моменты, неточности знания моментов инерции звеньев, а также нелинейности модели робота и перекрестные динамические связи между звеньями. Скалярные уравнения (16) взаимосвязаны только через неопределенности ., 21 ff Следует обра- тить внимание на сложный вид неопределенностей даже для двухзвенного робота. 4. Законы управления движением (регуляторы). Для полной деком- позиции законов управления представим их в виде .ˆ ,ˆ 20220 10110 fmm fmm −= −= α α (18) 82 Здесь 21 ˆ,ˆ ff — оценки соответствующих неопределенностей, предназна- ченные для компенсации их влияния, а составляющие 0201, mm формируют желаемый вид переходного процесса и задаются выражениями ;)ˆ()ˆ( ,)ˆ()ˆ( 2022222222102 1011112111101 ppp ppp Ikkm Ikkm α+α−α−α−α−= α+α−α−α−α−= &&&& &&&& (19) символ ˆ обозначает оценки соответствующих переменных. Последователь- ная подстановка выражений (19) в (18), а затем (18) в (16) в предположении точной оценки неопределенностей дает уравнения .)ˆ()ˆ( ,)ˆ()ˆ( 20222222221202 10111121111101 ppp ppp IkkI IkkI α+α−α−α−α−=α α+α−α−α−α−=α &&&&&& &&&&&& (20) Таким образом, при описанном формировании неопределенностей, точной их оценке с помощью наблюдателей, применении комбинированного управ- ления (18) уравнения движения робота распадаются на независимые линей- ные уравнения второго порядка. Выбор коэффициентов законов управления представляет собой тривиальную задачу. Коэффициенты передачи законов управления 22211211 ,,, kkkk рассчитывались, исходя из биномиального рас- пределения корней в уравнениях (20). 5. Оценка вектора состояния и неопределенностей. Для измерения состояния робота в системе управления использовались только инкремент- ные датчики, вырабатывающие тысячу импульсов приращений углов ∆α за оборот. Для получения перемещения эти импульсы суммировались, в ре- зультате получался релейный многоступенчатый сигнал ].[α Оценки пере- менных, входящих в законы управления, получены с помощью асимптоти- ческого дифференциатора [2, 3] ]),[ˆ(ˆˆ 1 α−+= rLrAr r & (21) где T 321 3 2 1 ][, 000 100 010 , ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ rrrr lllLA r r r r = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ α α α = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = && & — вектор коэффициентов наблюдателя, в котором принималось ,1601 −=rl ,128002 −=rl .4992003 −=rl Замечание. Хотя оценки ускорений в законах управления не использу- ются, порядок наблюдателей увеличен до трех для повышения точности оценок скоростей. 83 Для оценки неопределенностей использовались наблюдатели, соответ- ствующие наблюдателю (41), (42) работы [1], ,ˆˆˆˆ: 101111101111 α−=⇒α+= && IlsfIlfs ff (22) );ˆ( 10111 α+= mfls f& (23) ,ˆˆˆˆ: 202222202222 α−=⇒α+= && IlsfIlfs ff (24) ,)ˆ( 20222 α+= mfls f& (25) где 50021 −== ff ll — коэффициенты передачи наблюдателей. 6. Результаты моделирования. В системе управления можно выделить три подсистемы: 1) подсистему управления динамикой (16), (18), (19) при 0, 21 ≡ff со степенью устойчивости ;1η 2) подсистему оценки неопределенностей (22)–(25) со степенью устой- чивости ;2η 3) подсистему оценки вектора состояния робота (21) со степенью ус- тойчивости .3η Степени устойчивости должны удовлетворять неравенствам .321 η<η<η Моделировалась система уравнений (2), (3), (7)–(9), (16)–(19), (21)–(25) со следующими параметрами: ,м21 =l ,м12 =l ,кг281 =m ,мкг28 2 01 ⋅=I ;мкг875,1 2 02 ⋅=I ,кг44142 K=m ,мкг875,2875,0 2 2 ⋅= KI ±= αα 0ii mm 02,0 imα± ).2,1( =i Инкрементный датчик с 1000 импульсов за оборот. Про- граммная скорость px& груза (точки 3) показана на рис. 2, где ,c5,01 =t ,c99,32 =t .c49,43 =t Начальные условия: ,м10 =x ;00 =x& конечные усло- вия: ,м3=fx .0=fx& Моделировалось три случая: 1) с номинальными параметрами; 2) с максимальными массами и моментами инерции при минимальной крутизне моментных характеристик двигателей; 3) с минимальными массами и моментами инерции при максимальной крутизне моментных характеристик двигателей. (Варианты 2 и 3 дают наихудшие сочетания неопределенностей.) Ре- зультаты моделирования всех трех вариантов представлены на рис. 3–6. На всех рисунках оценки практически совпадают с оцениваемыми перемен- ными. На рис. 2 и 3 истинные переменные и их оценки практически совпа- дают с программными значениями. Наибольшие погрешности отработки 84 программных значений зафиксированы для координаты y ).0( =py Как сле- дует из рис. 4, эти ошибки не превышают 1 мм, а в установившемся режиме составляют доли миллиметра. (Оптимизация системы управления не прово- дилась.) На рис. 5 и 6 представлены неопределенности 21, ff , их оценки 21 ˆ,ˆ ff и моменты двигателей, осуществляющих компенсацию неопределен- ностей и обеспечивающие программное управление. Цифры 1, 2, 3 указывают на вариант сочетаний неопределенностей. Как видно из рис. 5, 6, после завершения кратковременных (0,5 с) переходных процессов имеется полное соответствие (зеркальное отображение) между неопреде- ленностями и управляющими моментами. p1α 1α̂ x̂px p2α 2α̂ м,,ˆ, ;рад,ˆ,,,ˆ, 222111 xxxp pp αααααα 1α 2α t, c 0 1 2 3 4 5 −3 −2 −1 0 1 2 3 x Рис. 3 t, c 0 1 2 3 4 5 −8 −6 −4 −2 0 2 310м,,ˆ, −⋅yyyp ŷ py 1 1,5 2 2,5 3 x, м y Рис. 4 85 t, c 0 1 2 3 4 5 −1500 −1000 −500 0 500 1000 1500 мН,,ˆ, 1011 ⋅αmff 10αm 11 ˆ, ff2 1 3 3 1 2 Рис. 5 t, c 0 1 2 3 4 5 −800 −400 0 400 800 мН,,ˆ, 2022 ⋅αmff 20αm 22 ˆ, ff 2 1 3 Рис. 6 Заключение. Вторая часть работы иллюстрирует эффективность робаст- ного метода управления, рассмотренного в первой части. В качестве приме- ра выбран управляемый двухзвенный робот, обеспечивающий перемещение груза по горизонтальной оси Оx из одной точки в другую с заданной скоро- стью. Для организации управления используется два инкрементных датчика углов поворота в шарнирах. Выходная информация датчиков после неслож- ной обработки представляет собой многоступенчатый сигнал (измерение ре- гулируемых координат груза не производится). Неопределенными в системе являются масса (вес), момент инерции и координаты центра тяжести второ- го звена и управляющие моменты. Для обеспечения управления решена ки- нематическая задача вычисления программных углов поворота в шарнирах из условия заданного перемещения груза. Составлены уравнения движения робота, которые, несмотря на его двухзвенность, сложны. В соответствии с 86 первой частью работы уравнения движения приведены к двум линейным уравнениям с постоянными коэффициентами, связанными между собой только через неопределенности. В неопределенности объединены собствен- но неопределенности, нелинейности, перекрестные связи, нестационарности и неточность управляющих моментов. С помощью двух асимптотических дифференциаторов третьего порядка получены оценки скорости и ускорения углов поворота в шарнирах. С помощью двух независимых наблюдателей первого порядка осуществля- ются оценки неопределенностей. Оценки скоростей и неопределенностей позволили сформировать для каждой степени свободы два независимых комбинированных регулятора, каждый из которых состоит из двух частей: 1) компенсирующей влияние неопределенности и 2) регулятора, обеспечивающего заданный вид пере- ходных процессов при отслеживании программных перемещений и скоро- стей. За счет принятой структуры уравнений движения робота и комбиниро- ванного принципа управления обеспечивается не только робастность, а и высокая точность управления. Несмотря на существенную нелинейность и нестационарность динамики робота, алгоритмы управления являются чрезвычайно простыми, линейными, стационарными, поканально декомпо- зированными. Примененный метод управления, несмотря на нелинейность и нестационарность уравнений движения, позволяет характеризовать динами- ческие свойства системы управления показателями качества линейных сис- тем управления. Более того, для синтеза рассматриваемой системы управле- ния нет необходимости точно знать уравнения движения объекта управле- ния, которые в рассмотренном примере даже не принимались во внимание при синтезе системы управления. Некоторыми из перечисленных положи- тельных качеств обладают системы с переменной структурой (СПС). В от- личие от СПС, рассмотренное управление лишено скользящих режимов и присущих им недостатков: высокочастотных колебаний, снижения надеж- ности, повышенных энергозатрат на управление, возбуждения высокочас- тотной паразитной динамики. Материалы второй части данной работы полностью подтверждают ре- зультаты теоретических исследований первой части. 1. Потапенко Е.М., Казурова А.Е. Высокоточное управление неопределенными многосвяз- ными объектами. Часть 1. Синтез и анализ алгоритмов управления // Кибернетика и вы- числ. техника. — 2007. — Вып. 155. — С. 58–71. 2. Дылевский А.В., Лозгачев Г.И. Применение метода пространства состояний для синтеза дифференциаторов // Автоматика и телемеханика. — 1999. — № 9. — С. 13–20. 3. Потапенко Е.М., Потапенко Е.Е., Казурова А.Е. Асимптотическое дифференцирование ступенчатых сигналов в задачах управления скоростью и перемещением // Електро- машинобудування та електрообладнання. Тем. випуск: Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика. — 2006. — Вип. 66. — С. 286–287. Запорожский национальный технический университет Получено 04.09.2007
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7633
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0452-9910
language Russian
last_indexed 2025-11-29T14:12:14Z
publishDate 2009
publisher Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України
record_format dspace
spelling Потапенко, Е.М.
Казурова, А.Е.
2010-04-06T10:56:02Z
2010-04-06T10:56:02Z
2009
Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом / Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 77-86. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
0452-9910
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7633
681.511.4
С помощью метода, разработанного в первой части работы [1], синтезируется закон управления перемещением неизвестного груза двухзвенным роботом с неточно известными характеристиками исполнительных органов. В качестве измерителей используются только датчики углов поворота звеньев робота. Компьютерное моделирование подтвердило робастность и высокую точность рассматриваемого управления.
ru
Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України
Дискретные системы управления
Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
Article
published earlier
spellingShingle Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
Потапенко, Е.М.
Казурова, А.Е.
Дискретные системы управления
title Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
title_full Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
title_fullStr Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
title_full_unstemmed Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
title_short Высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. Часть 2. Управление роботом
title_sort высокоточное управление неопределенными многосвязными объектами. часть 2. управление роботом
topic Дискретные системы управления
topic_facet Дискретные системы управления
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7633
work_keys_str_mv AT potapenkoem vysokotočnoeupravlenieneopredelennymimnogosvâznymiobʺektamičastʹ2upravlenierobotom
AT kazurovaae vysokotočnoeupravlenieneopredelennymimnogosvâznymiobʺektamičastʹ2upravlenierobotom