2.2. Структура и принципы интеграции мехатронных систем

Рассмотрим обобщенную структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения, которая представлена на рис.2.2. В основу построения данной схемы положена структура автоматических роботов, введенная академиком ЕЛЛоповым [33,34].

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является технологическая среда, которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. При выполнении мехатронной системой заданного функционального движения объекты работ оказывают возмущающие воздействия на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы резания для операций механообработки, контактные силы и моменты сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки.

Внешние среды укрупненно можно разделить на два основных класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее определены с необходимой для проектирования МС степенью адекватности. Некоторые среды являются недетерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, подземные и т.п.). Характеристики технологических сред как правило могут быть определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных [31,44].

Однако для организации и проведения подобных исследований зачастую требуются слишком сложные и дорогостоявие^аппаратура и измерительные технологии. Так для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические форму,, и размеры каждой заготовки. В таких случаях целесообразно применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения МС непосредственно в ходе выполнения операции (подробнее см. гл.5).

88

17

5.5. Системы управления тактического уровня

5.5.1. Система контурного силового управления технологическим роботом

Рассмотрим построение системы управления тактического уровня для технологического робота, выполняющего операции механообработки (описание данного РТК приведено в п.4.3) на основе параметрического подхода [31,32].

Технологическая постановка задачи предполагает одновременное управление перемещением рабочего органа по заданной траектории(кривая Ь) и развиваемой в процессе движения силой (вектор Р), которая воздействует на объект работ (рис.5.10). Таким образом, в системе должны сочетаться методы контурного и силового управления движением робота.

Рис. 5.10. Схема роботизированной механообработки.

Робот при этом действует аналогично человеческой руке. Действительно, развивая определенные усилия в суставах руки, человек может перемещать в пространстве предметы, выполнятьмеханическую работу. В то же время он с помощью нервно-мышечной системы воспринимает и обратные силовые воздействия со стороныобъекта, что позволяет выполнять человеку многие сложные операции, (например, сборочные) даже вслепую.

Приложение принципа двустороннего действия для технологических роботов требует учета их специфики как объекта автоматического управления, а также особенностей роботизированных технологических операций [9]. ,

IV. Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы.

Задачей мехатронной системы является преобразование информации о цели управления, поступающей с верхнего уровня, в целенаправленное функциональное движение системы с управлением на основе принципа обратной связи. Блок-схема, иллюстрирующая ход энергетических и информационных потоков в МС, приведена на рис.2.3.

Характерно, что электрическая энергия используется в современных системах как промежуточная энергетическая форма. Таким образом, для физической реализации мехатронной системы теоретически необходимы четыре основных функциональных блока: последовательно соединенные информационно-электрический и электромеханический энергетические преобразователи в прямой цепи и электро-информационный и механико-информационный преобразователи в цепи обратной связи. Примечание. Если работа силовой части машины с энергетической точки зрения основана на гидравлических, пневматических иликомбинированных (например, электрогидравлических) процессах, то очевидно необходимы соответствующие преобразователи и датчики в цепи обратной связи, которые в данном пособии не рассматриваются.

Проанализируем физический характер преобразований и структуру традиционной машины с компьютерным управлением с данной точки зрения (рис.2.4).

Устройство компьютерного управления на основании входной информации, поступающей с верхнего уровня управления и по цепям обратной связи от сенсоров, выдает во времени на исполнительные приводы управляющие электрические сигналы. В силовыхпреобразователях происходит усиление по мощности данных сигналов, их модуляция (наиболее широко применяются широтно-импульсные модуляторы). Затем исполнительные приводы прикладываютсоответствующие усилия (силы и моменты) к звеньям механического устройства, что в результате вызывает целенаправленное движение конечного звена машины - ее рабочего органа.

Для сопряжения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства, которые на рис.2.4 обозначены И1-И7.

Рассмотрим примеры межблоковых интерфейсов, которые наиболее часто встречаются в машинах с компьютерным управлением ( станках с ЧПУ, промышленных роботах и т.п.), широко применяемых в автоматизированном машиностроении.

Интерфейс И1 представляет собой комплекс сетевых аппаратно-программных средств для сопряжения устройства компьютерного управления с компьютерной сетью, либо это интерфейс человек - машина,

86

19

=к_пТе(к)ьк_1}Ае(к) +к_дГ¹А²е(к)

где Ае(к),Л е(к) - конечные разности соответственно 1-го и 2-го

порядков дискретного сигнала ошибки.

В уравнении (5.14) первое слагаемое соответствует интегральной компоненте ПИД- регулятора, второе слагаемое - пропорциональной компоненте и третье -дифференциальной составляющей регулятора.

На основании выражения (5.14) составлены следующие ЛПУ для нечеткого контроллера:

ЛПУ1: ЕСЛИ в, ЕСТЬ Р„ ТО Ди, ЕСТЬ Р_о1

ЛПУ2: ЕСЛИ е, ЕСТЬ Ы,, ТО Ди, ЕСТЬ Щ, ,. ₁ ,.

ЛПУЗ: ЕСЛИ Де, ЕСТЬ Р„ ТО Ди, ЕСТЬ Р„

ЛПУ4: ЕСЛИ Де, ЕСТЬ Ы„ ТО Ди, ЕСТЬ Ы_и1

ЛПУ5: ЕСЛИ Д^!е, ЕСТЬ Р„ ТО Ди, ЕСТЬ Р„з

ЛПУ6: ЕСЛИ Д'е, ЕСТЬ 1\1„ ТО Ли, ЕСТЬ N..

Рис. 5.9. Функции принадлежности сигналов системы.

Здесь величины Р1, Рш и №, №д (1=1, 2, 3)- соответственно положительные и отрицательные переменные для сигналов рассогласования и управления, функции принадлежности которых представлены на рис.5.9. Функции принадлежности для сигнала ошибки имеют вид кривой с насыщением (типа арктангенса), для управляющего сигнала - обычную линейную форму.

Л

84

Функции принадлежности допускают графическую интерпретацию, при этом по оси ординат может откладываться как числовая, так и лингвистическая переменная, причем возможно как непрерывное, так и дискретное представление функции.

В качестве иллюстрации на рис.5.8 приведены графики функций принадлежности, описывающие для сигнала рассогласования е(т) взамкнутой системе (рис.5.7) нечеткое множество X = "Большая ошибка" (по оси абсцисс отложена безразмерная величина относительной ошибки еО).

Лингвистические значения - это уровни, присвоенные описательной информации в результате экспертного опроса. Важно подчеркнуть, что они соответствуют числовой вероятностной функции, поэтому для их хранения в базе знаний можно использовать стандартные формы (например,двумерные массивы). Разработан математический аппарат, позволяющий выполнять над нечеткими множествами и функциями принадлежности все необходимые операции при фазификации, однако его изучение выходит за рамки данного пособия.

Лингвистические правила управления (ЛПУ) рассмотрим на примере построения нечеткого ПИД-регулятора для управления скоростью движения мехатронного модуля (рис.5.7).

Уравнение ПИД-регулятора в непрерывной форме имеет вид (5.10). Для малых периодов квантования Т это уравнение можно преобразовать в разностное, если заменить производную разностью первого порядка, а интеграл - суммой [12]. При использовании численного интегрирования по методу прямоугольников получаем для к-го шага управления:

и(к) = К_п-е(к)+К_и -Т^е(г-1)+К_д -Г\е{к)-е{к-\)] _{(5 12)}

(=0

Для вычисления суммы на текущем 1-м шаге, входящей в данное уравнение , необходимо помнить все предыдущие значения сигнала ошибки е(к), к=0,...,1. Поэтому этот алгоритм мало эффективен дляуправления в реальном времени. Для получения рекуррентного алгоритма достаточно вычесть из уравнения (5.12) следующее уравнение:

^к-\)=К_п-е(]с-\)+К_и-Т-%}-\)лК_дГ\е{к-Х)-е{к^

м В результате получим формулу для определения приращения управляющего сигнала:

•

Принципиальное различие мехатронного и традиционного подходов к проектированию и изготовлению модулей и машин с компьютерным управлением состоит в концепции технической реализациифункциональных преобразователей. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно это сепаратные блоки, которые выпускаются специализированными фирмами, но зачастую отдельные элементыприходится изготавливать самим пользователям, особенно при сопряжении специализированных и нестандартных блоков МС. Производственная практика показала, что для монтажа и запуска сложных комплексов(например, гибких производственных систем) предприятия, которые, как правило, не имеют своих высококвалифицированных специалистов по системной интеграции, вынуждены обращаться к инжиниринговым фирмам, тем самым увеличивая свои затраты.

Сравнивая блок-схемы, представленные на рис.2.3 и 2.4, можно прийти к выводу о том, что количество преобразующих ( в том числе интерфейсных) блоков в традиционной структуре машины скомпьютерным управлением избыточно по отношению к минимально необходимому числу информационно-энергетических функциональных преобразований. Наличие избыточных блоков приводит к снижению надежности и точности мехатронной системы, ухудшению ее массогабаритных и стоимостных показателей.

Идея минимизации промежуточных преобразований широко используется в инженерной практике при проектировании устройств и систем самого различного назначения. Характерным примером реализации этой инженерной идеи в бытовой технике является так называемая "видеодвойка" - моноблок, в состав которого входят телевизор и видеомагнитофон. Чем же руководствуются покупатели, отдавая вмагазине предпочтение видеодвойке по сравнению с покупкой раздельно ТВ и видеомагнитофона? Во-первых, безусловно, ощутимый выигрыш в стоимости. Во-вторых, не надо разбираться с подключением кабелей и разъемов, а затем регулярно следить за надежностью этих соединений. В-третьих, имеют значение преимущество в габаритах, общий солидный корпус, удобство установки. Но при этом покупатель должен четко отдавать себе отчет в том, что видеодвойка - система негибкая, оба устройства могут эксплуатироваться и при необходимости ремонтироваться только совместно.

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов различной физической природы. Другими словами, на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство по крайней мере один интерфейс при сохранении физической сущности

82

23

- рассчитывать идеальную реакцию по эталонной модели,

• вычислять коэффициенты регулятора в соответствии с программой настройки,

- определять текущую ошибку и выдавать сигнал управления на вход мехатронного модуля.

Помимо рассмотренной блок-схемы с эталонной моделью известны и другие методы автоматической настройки параметров и структуры регуляторов, с которыми можно ознакомиться по специальной учебной литературе (например, [1,47]).

5.4.2. Нечеткие регуляторы исполнительного уровня

Методологической основой для проектирования нечетких регуляторов является концепция нечеткой логики. С базовым математическим аппаратом и прикладными аспектами нечетких систем можно познакомиться по работам [27, 30,37], а с последними результатами -только по материалам текущей периодики, так как данная область теории управления начала быстро развиваться только в последнее время.

В основе стандартных современных компьютеров лежит логика "четкого мира". Они работают только с двумя базовыми логическими переменными "Да" и "Нет" и детерминированными числовыми данными , поэтому свойства этого мира описываются совокупностями нулей и единиц

Однако на практике очень часто приходится иметь дело с неопределенными, нестрогими свойствами объектов и процессов, которые не могут быть формализованы в понятиях "четкого мира".

Общий смысл этих понятий нам очевиден, но сделать однозначный вывод о принадлежности конкретного объекта к данному множествутолько с помощью слов "Да" и "Нет" зачастую затруднительно, необходимо узнать мнение нескольких экспертов. Английское слово "йкгу", буквально означающее "ворсистый", "пушистый" - специальный термин,определяющий свойство тканей. Рисунок ворсистой ткани кажется нам размытым, нечетким, неясно очерченным, что соответствует образам "нечеткого мира".

Зададим студентам потока вопрос: "Сложным ли оказался для Вас курс "Основы мехатроники"? Среди ответов большинство окажется достаточно неопределенными: "Затрудняюсь ответить", "Не оченьпростым", "Скорее легким, чем трудным". Или другой типичный вопрос, который часто задают соискателям на заседаниях диссертационных советов - "Можно ли достоверно судить о процессах в реальной технической системе по исследованиям ее линеаризованной математической модели?". И здесь, как правило, ответ содержит положения вероятностного характера. ,

В табл.1 мехатронные модули классифицированы по набору вошедших в их состав базового и дополняющих элементов (столбцы 1 и 2). В третьем столбце указаны интерфейсы, которые при проектировании исключаются как сепаратные блоки из традиционной структуры (рис.2.4). В таблице не рассматриваются интерфейсы И1 и И7, которые являются по сутивходными для мехатронного модуля, так как связывают его с источниками внешних сигналов и воздействий. Особенности построения интерфейсов И1, И2, И4 для устройства компьютерного управления подробно рассмотрены в следующей главе (п.3.5).

Важно подчеркнуть, что на практике целесообразно строить мехатронный модуль, опираясь сразу на несколько точек интеграции, и создание именно таких модулей представляет наибольший интерес с теоретической и прикладной точек зрения для мехатроники как новой области науки и техники. Безусловно, данная таблица не исчерпывает всех возможных способов объединения элементов в МС и оставляет большое поле для научного поиска и инженерного творчества.

Принципы построения, конструктивные схемы и технические описания современных мехатронных модулей указанных классов и мехатронных систем на их основе даны соответственно в гл. 3 и 4.

80

25

пять основных регуляторов: регулятор положения (РП), регулятор скорости (РС), регулятор момента или силы (РМ), регулятор прямой связи поскорости изменения управляющего воздействия (РПСС) и регулятор корректирующей связи по возмущающему воздействию (РСВВ). Входными воздействиями для системы могут быть в зависимости от поставленной цели управления управляющие сигналы по положению, скорости, либо по развиваемому усилию. В системе реализуется принцип замкнутогоуправления, что предусматривает наличие соответствующих обратных связей по фазовым координатам системы.

Методика структурного и параметрического синтеза регуляторов исполнительных приводов подробно дана, например, в учебном пособии [15]. Наиболее общим является алгоритм ПИД-регулирования, когда выходной сигнал описывается выражением:

«(*) = К_п ■ еЦ) + К_д-^ + К_и- \еЦ)■ <И ₍₅₁₀₎

"' о

где Кп, Кд, Ки - коэффициенты, соответственно, пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих сигнала, е(1) - сигнал ошибки в данном контуре управления (положения, скорости или момента). В конкретных случаях некоторые из этих коэффициентов можно положить равными нулю, фактически применяя упрощенные алгоритмы управления (П-алгоритм, ПИ-алгоритм и т.д.).

Традиционный подход предусматривает, что структура и коэффициенты всех корректирующих устройств определяются при проектировании системы и далее остаются фиксированными в процессе ее эксплуатации. В современных системах управления вид и параметры регуляторов автоматически модифицируются в зависимости от цели конкретного движения и условий, в которых оно фактическиосуществляется. Это позволяет адаптировать (приспособить) движение мехатрошюй системы к начальной неопределенности и изменяющимся условиям работы. Следуя подходу проф.Я.З.Цыпкина [50], адаптация по существу есть оптимизация в условиях недостаточной априорной информации.

Адаптивная настройка регуляторов необходима, если введенные отрицательные обратные связи в исполнительных приводах не способны парировать влияние возмущающих воздействий и изменения параметров (и, возможно, структуры) объекта управления, которые вызываютнедопустимое снижение показателей качества управляемого движения. Разработчик должен отдавать себе отчет в том, что адаптивные регуляторы по сравнению с традиционными имеют существенно более сложную структуру и техническую реализацию, их проектирование требует решения целого ряда теоретических проблем управления. Поэтому решение о

3.2. Мехатронные модули вращательного движения на базе высокомоментных двигателей

Следующим шагом в развитии приводной техники стало появление высокомоментных двигателей вращательного движения, применениекоторых позволило вообще исключить механический редуктор из состава электроприводов постоянного тока, работающих на низких скоростях.

Высокомоментными называются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и электронной коммутациейобмоток, которые допускают многократную перегрузку по моменту. Для определения положения полюсов на роторе вентильного ВМДустанавливают дополнительные технические средства (например, датчики Холла, индуктивные и фотоэлектрические датчики) [2, 17,19, 46]. Обычно высокомоментные двигатели (ВМД) устойчиво работают на частотах вращения 0.1-1 1/мин, которые типичны для металлорежущих станов и промышленных роботов.

Основные преимущества ВМД определяются отсутствием в приводе редуктора:

• снижение материалоемкости, компактность и модульность конструкции;

• повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров;

• исключение трения в механической трансмиссии позволяет существенно уменьшить погрешности позиционирования и нелинейные динамические эффекты на ползучих скоростях;

• повышение резонансной частоты.

ВМД выпускаются в настоящее время коллекторного и вентильного (иногда используется термин «бесщеточного», либо «бесконтактного») типов.

Основные преимущества вентильных двигателей по сравнению с коллекторными:

- высокая надежность, большой срок службы, минимальные затраты на обслуживание

(вследствие исключения искрения и износа щеток);

• улучшенные тепловые характеристики ( так как тепло рассеивается на обмотках статора, а на роторе тепловыделяющие элементы отсутствуют), отсюда возможность использования проводов малого сечения;

• высокое быстродействие за счет высокого соотношения развиваемый момент/ момент инерции ротора;

• большая перегрузочная способность по моменту ( типично Мщи/Мном = 8*10) в широком диапазоне регулирования скорости;

• близкие к линейным механические и регулировочные характеристики.

76

29

Тахогенератор

Тактический уровень выполняет преобразование команд управления движением, поступающих со стратегического уровня управления, в программу управления, которая определяет законы согласованногодвижения во времени всех звеньев механического устройства с учетом технических характеристик блока приводов (в первую очередь ограничений на обобщенные скорости, ускорения и силы).

Таблица 4

Двигатель

Рис. 3.3. Мехатронный модуль «двигатель - тахогенератор».

На рис.3.4 показана конструкция мехатронного модуля Г)упа8егу МоЮг, разработанного фирмой РАЕКЕК. Сотр. На базе высокомоментного двигателя [59]. В состав модуля входят: ротор двигателя, статор двигателя, подшипник, фотоимпульсный датчик. Вращающейся является внешняя часть модуля, которая базируется на опорных подшипниках. Модули комплектуются также электрическим кабелем.

Вращающаяся "часть

Редуктор Фотоимпульсный

датчик подшипникДвигатель \

Крышка

Датчик

Обмотка Обмотка ротора статора