Учебное пособие Харьков 014 удк

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. 

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: