Лекція 17 . Позиційно-контурні системи керування. Адаптивні системи керування

17.1. Загальні положення

У найпростішому випадкові задача керування рухом маніпулятора по заданій траєкторії полягає в розрахунку і покомпонентній видачі на привід робота значень програмної траєкторії q(t_к) у дискретні моменти часу t₀, t₁,…,t_т з деяким кроком дискретності керування. При цьому СК охоплена зовнішнім зворотнім зв’язком за положенням.

За способом видачі вставок q(t_к) на виходи приводів роботів СК поділяються:

а) на системи позиційні, коли вставка q(t_к) подається лише після відпрацювання приводами всіх компонент q_і(t_к–1), і = 1…N, її попереднього значення з необхідною точністю;

б) контурні, коли надходження уставок q(t_к) організується з певною частотою, а точність відпрацювання задається тільки для кінцевого значення програмної траєкторії q(t_т).

При керуванні за множиною дискретних значень програмної траєкторії як позиційні, так і контурні системи виявляються працездатними. Але забезпечення необхідної якості перехідних процесів пов’язане з розв’язанням задачі стабілізації програмних траєкторій, тобто задачі синтезу алгоритмів керування, що забезпечують асимптотичну стійкість програмних траєкторій.

17.2. Будова позиційно-контурного програмного керування

Застосування пристроїв позиційно-контурного керування значно розширює технологічні можливості роботів і практично виключає обмеження, зв’язані з кількістю точок позиціювання захватного пристрою маніпулятора.

Узагальнені технологічні характеристики СК:

– кількість керованих координат – 3…8,

– обсяг пам’яті програм (кадрів) – 100…1500,

– кількість технологічних команд обміну інформацією із зовнішнім обладнанням – 15…128,

– тип привода – спостережний або дискретний,

– тип використовуваних датчиків – аналогові, кодові, фазові, датчики положення.

За способом відпрацювання геометричної інформації, що надходить від ПР (послідовна або паралельна обробка координатних переміщень), СК позиційно-контурного типу розділяють на:

– системи з центральним обчислювачем;

– системи з децентралізованою структурою, коли обчислювач входить до складу кожного координатного блока.

Побудова за децентралізованою структурою характерна для систем цільового призначення, особливо з цифроаналоговим способом обробки геометричної інформації й обмеженими функціональними можливостями.

Реалізація СК за структурою з центральним обчислювачем дозволяє суттєво підвищити інформаційно-обчислювальні можливості системи. Прикладом системи з централізованою структурою є уніфікований пристрій позиційного числового керування типу УПМ–772 (рис.16.1), призначений для керування роботом із спостережними приводами замкненого типу.

Вона побудована за принципом синхронного мікропрограматорного автомата (МПА) із кінцевим числом станів і жорстким циклом керування, який призначений для формування керуючих мікрокоманд відповідно до алгоритму керування пристроєм.

Реалізація функцій центрального керування і логічної обробки інформації здійснюється операційно-логічним блоком.

Обмін інформацією між функціональними блоками пристрою виконується через шини А, В, С.

Як програмоносій використовується касетний накопичувач на магнітній стрічці (КНМЛ), що здійснює прийом, зберігання та видачу необхідної програми за запитом з МПА.

Буферний запам’ятовуючий пристрій напівпровідникового типу служить для оперативного зберігання робочої програми

Формування послідовностей імпульсів, що синхронізують функціонування пристрою, витримок часу, а також частот, необхідних для роботи вимірювальної системи, здійснюється блоком синхронізації.

Блок вимірювання забезпечує цифрові зміни положень маніпулятора і вміщує канальні перетворювачі сигналу датчиків та зсуву фаз, а також перетворювачі типу “фаза–код”.

Як блок керування приводом у системі УПМ–772 використовується функціональний цифроаналоговий перетворювач з елементами запам’ятовування вихідних напруг, що надходять на привід. Керування швидкістю руху маніпулятора при роботі пристрою за програмою здійснюється шляхом зміни коду інформації, що надходить на вхід блока.

Пульт керування призначений для задавання режимів роботи, організації ручного вводу інформації і її цифрової індикації.

Розглянута система керування побудована за жорстким циклом, при якому логічний взаємозв’язок основних модулів обладнання й алгоритм керування реалізовані переважно апаратним способом.

Використання мікроЕОМ у структурі позиційно-контурних систем керування забезпечує можливість програмування алгоритмів керування шляхом зміни складу програмного забезпечення. Програмне забезпечення в таких СК побудоване за модульним принципом. Його програмні засоби забезпечують здійснення необхідних функцій керування як у позиційному, так і в контурному режимах.

Адаптивні системи керування

Задача адаптивного керування роботом складається з трьох важливих розділів:

– створення сенсорних пристроїв;

– обробка інформації з сенсорних датчиків;

– синтез адаптивних законів керування.

17.3. Сенсорні пристрої

Чутливі датчики інформації виконують роль технічних органів відчуття робота і необхідні для успішного розв’язання головних задач:

– підвищення точності роботи робота;

– забезпечення автономності функціонування робота в різних змінних умовах.

Щоб розв’язати ці головні задачі, необхідно надати роботу відчуття двох типів:

– робот повинен відчувати “себе”, тобто за допомогою датчиків фіксувати результати своїх рухів і оцінювати їх правильність;

– робот має відчувати навколишню обстановку, тобто співідносити своє розташування і свої переміщення з розташуванням зовнішніх для нього предметів та їх рухи.

Відчуття роботом “себе” створюють за допомогою датчиків, що вимірюють положення окремих ланок робота, швидкості переміщення на кожному ступені рухомості, прискорення або уповільнення ланок.

Інформація про оточуючий простір створюється за допомогою приладів, які реєструють геометричні, фізичні й хімічні властивості навколишнього середовища.

При адаптивному керуванні роботом найбільший інтерес становлять прилади, що забезпечують робот інформацією від зовнішнього по відношенню до нього світу.

Сенсори геометричних властивостей виконують наступні функції:

– обмежують рухи ланок робота у результаті дотиків або контактів робота з предметом у зовнішньому середовищі (тактильні датчики у вигляді кінцевих вимикачів або п’єзоелементів).

– визначають відстань до оточуючих предметів або розміри й орієнтацію предметів шляхом локаційних вимірювань (оптичні, ультразвукові, радіотехнічні, телевізійні системи технічного зору і локації).

Сенсори фізичних властивостей виконують функції:

– вимірювання зусиль і моментів;

– вимірювання густини та тиску рідких, твердих і газоподібних речовин;

– вимірювання температур;

– визначення кольору і запаху.

Сенсори хімічних властивостей визначають хімічні властивості речовин за допомогою аналізаторів типових хімічних реакцій.

Найбільш розповсюдженими у робототехніці стали різноманітні пристрої технічного спостереження, тактильні й силомоментні датчики. Але сенсори забезпечують тільки вихідні дані у вигляді струмів, напруг, чисел і т.п. Використовувати ці дані для синтезу закону керування можна тільки після обробки сенсорної інформації.

17.4. Обробка інформації в сенсорних системах

Розглянемо загальну структуру відеоаналізу в робототехніці.

1) Класифікуємо елементи структури з точки зору етапів відеоаналізу, способів розпізнавання і типів математичних процедур.

2) Розв’язання відеосенсорних задач зв’язаний з можливостями обчислювальних пристроїв робототехнічних систем для сприйняття інформації у природній формі – у вигляді зображення робочого простору, виробів, креслень тощо. Сприйняття відеоінформації у природній формі вимагає аналізу зображення за допомогою ЕОМ.

3) Мета відеоаналізу – отримання стиснутого опису зображення. Необхідний опис повинен бути інваріантний у заданому співвідношенні та має відповідати на поставлені питання відносно зображених об’єктів: кількісні, якісні, геометричні властивості, логічні висновки і т.д.

4) Розв’язання задач відеоаналізу включає попередню обробку і побудову інтерпретації опису (навчання, представлення образу, розпізнавання).

– на етапі попередньої обробки реалізуються різні форми фільтрації. При цьому вихідне зображення, що має, наприклад, N² точок, перетворюється у нове з таким же числом точок;

– на етапі побудови й інтерпретації опису виділяється суттєва інформація, що різко знижує обсяг даних.

На рисунку 17.2 показана схема адаптивної стабілізації програмного руху маніпулятора:

– у програматорі визначається програмна траєкторія руху, котра вводиться в регулятор;.

– регулятор забезпечує керуючу дію на вхід привода робота;

– ця дія адаптивно коректується у відповідності з розглянутими алгоритмами керування у результаті формування допоміжних нерівностей у естиматорі покрокового розв’яння їх з визначенням коректуючого значення оцінки невизначених параметрів τ.

Рис.17. Адаптивна стабілізація програмного руху