Имитатор автоматической системы робастного управления периодическими режимами двухзвенного робота-манипулятора

Авторы патента:

Полезная модель относится к технической кибернетике и может быть использована при проектировании автоматических систем управления циклическими режимами исполнительных манипуляционных роботов, состоящих из двух звеньев. 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. Также в систему дополнительно вводятся локальные наблюдатели состояния, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой осциллографы, графопостроитель, первый и второй блоки задания коэффициентов, первый, второй, третий и четвертый блоки суммирования.

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.

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; y₁, y₂ - выходы объекта управления; u₁, u₂ - входы объекта управления (управляющие сигналы); e₁, е₂ - 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

y_i(t)=L*x_i(t);

где x_i(t)R³ - вектор переменных состояния каждого звена;

u_i(t)R - скалярное управляющее воздействие степеней подвижности, удовлетворяющее соотношению

где m - некоторая положительная константа;

- соответственно периодическая и робастная части комбинированного регулятора(2);

y_i(t)R - угловое перемещение каждого звена манипулятора;

A_i(t,x_i)=A_1i(x)x_i(t)+А_2i(x_i) - некоторый нелинейный вектор;

А_1i(х)=А_1i+b_i_i*(х) - матрица, содержащая нелинейные коэффициенты;

в общем случае неустойчивая матрица с постоянными коэффициентами;

A_0i - гурвицева матрица;

А_2i(х_i)=b_i_i(x_i) - нелинейный вектор;

- некоторая векторная нелинейная функция;

_i,(х_i) - некоторая скалярная нелинейная функция.

- стационарный вектор управления;

L*=[1,0,0] - стационарный вектор выхода;

_0i - неизвестный стационарный вектор;

_ij(t, x) - нелинейные функции, характеризующие взаимосвязь звеньев манипулятора;

f_i (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

где _0i,_1i,_2i=const>0;

e_i(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.

Скалярный сигнал у₁ 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 u₁ . Сигнал у₁ 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 34₁. Внутри блока сравнения 35 вычисляется разность поданных на его входы сигналов. Сигнал с выхода блока сравнения 35 одновременно поступает на пятый вход блока суммирования 33₃, на второй вход блока суммирования 33₂, и на второй вход блока суммирования 33₁. Сигнал u₁ с первого входа первого наблюдателя состояния НС_1 2 идет на первый вход блока суммирования 33₃. Сигнал с выхода блока суммирования 33₃ подается на вход интегратора 34₃, выходной сигнал которого идет на первый вход блока суммирования 33₂, четвертый вход блока суммирования 33₃, а также на третий выход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (). Выходной сигнал блока суммирования 33₂ поступает на вход интегратора 34₂, сигнал с выхода которого одновременно подается на первый вход блока суммирования 33₁, третий вход блока суммирования 33₃ и на второй выход первого наблюдателя состояния НС_1 2 (). Сигнал с выхода блока суммирования 33₁ поступает на вход интегратора 34₁, выходной сигнал которого одновременно идет на первый вход блока сравнения 35, второй вход блока суммирования 33₃, 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 e₁ 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 е₁ . 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_i) 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.

Скалярный сигнал у₂ 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 u₂. Сигнал y₂ с первого входа второго наблюдателя состояния идет на первый вход блока сравнения 38, на второй вход которого поступает сигнал с выхода интегратора 37₁. Внутри блока сравнения 38 вычисляется разность поданных на него сигналов, а его выходной сигнал одновременно поступает на второй вход блока суммирования 36₃, второй вход блока суммирования 36₂, а также второй вход блока суммирования 36₁. На первый вход блока суммирования 36₃ со второго входа второго наблюдателя состояния НС_2 11 подается сигнал u₂. Выходной сигнал блока суммирования 36₃ идет на вход интегратора 37₃ , сигнал с выхода которого поступает на пятый вход блока суммирования 36₃, первый вход блока суммирования 36₂ и на третий выход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (). Сигнал с выхода блока суммирования подается на вход интегратора 37₂, выходной сигнал которого одновременно идет на четвертый вход блока суммирования 36₃, второй вход блока суммирования 36₁ и на второй выход второго наблюдателя состояния НС_2 11 (). Выходной сигнал блока суммирования 36₁ поступает на вход интегратора 37₁, сигнал с выхода которого подается на второй вход блока сравнения 38, на третий вход блока суммирования 36₃, 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 е₂ 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 (u₂) 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.

Имитатор автоматической системы робастного управления периодическими режимами двухзвенного робота-манипулятора, отличающийся тем, что в систему, содержащую нелинейно-нестационарный объект управления, блоки задающих воздействий, вводятся локальные комбинированные робастные регуляторы (ЛР_1 и ЛР_2), 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; выходы 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.