Вопросы для самопроверки
1. Какие различия между параметрическими и генера-
торными типами датчиков?
2. Назовите особенности амплитудного и фазовраща-
тельного режима работы сельсина.
3. Что собой представляет резольвер?
4. Чем определяется разрешающая способность цифро-
вого датчика скорости или угла поворота?
5. Перечислите основные типы датчиков технологичес-
ких параметров.
Список литературы к разделу 6
1. Белов М.П. Автоматизированный электропривод ти-
повых производственных механизмов и технологических
комплексов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. –
М.: Академия, 2004. – 576 с.
2. Виглеб Г. Датчики / Г. Виглеб. – М.: Мир, 1989. –
196 с.
3. Коробков Ю.С. Электромеханические аппараты авто-
матики / Ю.С. Коробко, В.Д. Флора. – М.: Энергоатомиздат,
1991. – 344 с.
4. Терехов В.М. Элементы автоматизированного элект-
ропривода / В.М. Терехов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. –
224 с.
?
213
Глава
7
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ
УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫМИ
МОДУЛЯМИ И СИСТЕМАМИ
7.1 Постановки задачи управления
мехатронными системами
Рассмотрим задачи управления применительно к мехатронным
системам, которые используются в производственных машинах и
комплексах автоматизированного машиностроения и выполняют
основные технологические функции. К таким системам управления
предъявляются, как правило, весьма жесткие требования, так как
режимы управления определяют ход технологического процесса и,
следовательно, качество получаемого изделия. Задачи компьютер-
ного управления технологическими машинами, которые не могли
быть решены на базе традиционных подходов, стимулировали разра-
ботку и внедрение в практику принципиально новых методов
управления.
В мехатронике ставится задача управления координированными
функциональными (механическими) движениями машин.
Рассмотрим функциональную схему устройства с компьютер-
ным управлением (рис. 7.1). Задача управления состоит в исполнении
желаемого движения рабочего органа, который целенаправленно
воздействует на объект работ. При этом со стороны внешней среды
объект испытывает возмущающее воздействие. Следовательно, в
общем случае объектом управления в мехатронике является сложная
многосвязная система (при помощи интерфейсов И1–И7), в состав
которой входят:
– блок исполнительных приводов;
– механическое устройство с рабочим органом;
– блок сенсоров (датчиков);
– объект работ, на который воздействует рабочий орган.
Отдельные блоки и устройства системы могут быть интег-
рированы в мехатронные модули (гл. 5). Процесс взаимодействия
рабочего органа и внешних объектов (например, при выполнении
операций сборки, механообработки и т. д.) позволяет организовать
технологически ориентированный процесс управления, учитываю-
214
щий характер и специфику данного взаимодействия в конкретно
поставленной задаче.
Рис. 7.1. Функциональная схема устройства
с компьютерным управлением
Приведенная структура объекта управления определяет требо-
вания и постановку задачи управления мехатронными системами
рассматриваемого класса. Воспроизведение заданных движений
мехатронными модулями основывается на выполнении классических
требований теории автоматического управления: устойчивости,
точности и качества процесса управления.
Кроме того, необходимо дополнительно учитывать следующие
специфические особенности мехатронных систем:
– движение рабочего органа, как правило, обеспечивается вза-
имосвязанными перемещениями нескольких исполнительных при-
водов и звеньев механического устройства;
– задача управления мехатронной системой должна быть решена
в пространстве (найдены оптимизированные траектории движения
всех звеньев, включая рабочий орган) и во времени (определены и
реализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия
для всех приводов системы);
– параметры возмущающих воздействий, приложенных к рабо-
чему органу и отдельным мехатронным модулям, для многих
технологических задач заранее не определены;
– сложность построения адекватных математических моделей
мехатронных систем (особенно многосвязных систем, включающих
динамическую модель технологического процесса).
215
Размерность задачи управления в мехатронике определяется
количеством независимо управляемых приводов системы. Мехатрон-
ные системы металлорежущих станков с ЧПУ, промышленных
роботов и многих других объектов структурно являются многомер-
ными и многосвязными системами. Для этих объектов задается
желаемое движение рабочего органа, а реализуется оно совокупными
перемещениями всех звеньев. Отсюда возникают специальные мате-
матические, алгоритмические и технические задачи управления.
Для планирования заданного движения мехатронной системы
необходимо решить обратную задачу о положении механизма. Суть
данной задачи состоит в определении требуемых перемещений
звеньев системы по заданному движению рабочего органа.
Например, для манипулятора промышленного робота с шестью
степенями подвижности постановка обратной задачи о положении
рабочего органа сводится к следующему (рис. 7.2). По заданной
траектории движения рабочего органа Р необходимо рассчитать
обобщенные координаты степеней подвижности q
1
– q
6
манипулятора.
Рис. 7.2 – Обобщенные координаты манипулятора
При решении обратной задачи следует учитывать, что для опре-
деления обобщенных координат степеней подвижности необходимо
решать систему из m алгебраических уравнений ( m – число степеней
свободы рабочего органа) с n неизвестными ( n – число управляемых
степеней подвижности механизма). Для манипуляционных механиз-
мов с последовательным расположением кинематических пар реше-
ние обратной задачи о положении является проблемным, в то время
как прямая задача решается относительно несложно. Для машин с
параллельной кинематической структурой (например, станков-
гексаподов) ситуация обратная.
216
Необходимо отметить, что исходная система уравнений явля-
ется нелинейной. Это затрудняет решение обратной задачи в масш-
табе реального времени для многозвенных механизмов. Поэтому
перспективными являются методы автоматизированного вывода и
решения нелинейных уравнений или способы линеаризации исход-
ных нелинейных систем. Эффективным способом, позволяющим
«естественным» образом получить линейные уравнения, является
переход от управления положением рабочего органа к управлению
по скорости его движения. После дифференцирования исходной
системы получаем систему линейных уравнений с переменными
коэффициентами. При решении системы уравнений необходимо
учитывать ограничения на обобщенные координаты и соответст-
венно на размеры рабочей зоны и углы сервиса механизма.
Многосвязность системы означает, что движение каждого звена
влияет на движение остальных звеньев. Указанное взаимовлияние
происходит через механическое устройство как общую нагрузку,
через общий источник энергии, а также вследствие естественных и
искусственных динамических связей между каналами управления в
блоке приводов. Следовательно, необходимо формировать управле-
ние движением мехатронной системы (особенно на высоких скоро-
стях, где влияние динамических факторов существенно) с учетом
перекрестных связей между звеньями.
Проблемным является также вопрос организации обратных
связей при управлении многозвенными мехатронными системами.
Технически наиболее просто устанавливать датчики положения и
скорости в приводных модулях. Однако затем необходимо вычислить
в реальном времени фактическое перемещение рабочего органа.
Причем этот компьютерный расчет требует построения адекватной
динамической модели системы с учетом весьма сложных для
аналитической оценки факторов:
– всех действующих сил (управляющих моментов приводов, сил
трения, внешних сил и моментов, центробежных и кориолисовых
сил);
– первичных погрешностей системы (упругих деформаций
звеньев, люфтов в механических передачах, погрешностей изготов-
ления и сборки, узлов), которые определяют ее интегральные точно-
стные характеристики;
– переменных параметров объекта управления (приведенных
моментов инерции и масс механизма и нагрузки).
217
Поэтому наилучшим вариантом с точки зрения достоверности
получаемой информации о фактическом движении является уста-
новка датчиков непосредственно на рабочий орган. Примерами
такого подхода могут служить:
– применение систем технического зрения для определения
положения рабочего органа и объектов в рабочей зоне (например,
при сборке);
– установка силомоментных датчиков в запястье манипулятора
для измерения действующих сил на операциях механообработки;
– использование блоков акселерометров для определения ли-
нейных ускорений рабочего органа при быстрых транспортных
перемещениях.
Перспективным представляется также сочетание рассмотрен-
ных подходов при выборе обратных связей в сложных мехатронных
системах.
Характерной особенностью мехатронных систем для автома-
тизированного машиностроения является возможность разделения
задач программного управления движением на пространственную и
временную. Это означает, что траектория перемещения рабочего
органа в пространстве, и его контурная скорость могут планиро-
ваться раздельно с использованием различных критериев опти-
мизации. Оптимизацию закона движения технологической машины
во времени обычно проводят по критериям производительности,
точности обработки, а также по экономическим и комбинированным
показателям.
Достарыңызбен бөлісу: |