КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОМ

COMPUTER SIMULATION OF AN ADAPTIVE MANIPULATOR CONTROL SYSTEM

Dmitriy Rozhkov

Master's Degree, Department of Robotics and Mechatronics, Moscow State Technological University "STANKIN",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Цель данной работы исследовать функциональные возможности манипулятора при помощи построения адаптивной системы управления, учитывающей статические и динамические свойства приводов, механических передач и звеньев манипулятора.

ABSTRACT

The purpose of this work is to investigate the functionality of the manipulator by building an adaptive control system that takes into account the static and dynamic properties of drives, mechanical gears and links of the manipulator.

Ключевые слова: компьютерная модель, двухзвенный манипулятор, система управления, динамическая модель.

Keywords: computer model, two-link manipulator, control system, dynamic model.

Под динамическим воздействием будем понимать инерцию звеньев манипулятора. Изменяющийся момент инерции звеньев манипулятора (при изменении конфигурации манипулятора, при выполнении технологической операции) может ухудшать качество переходных процессов [1, 2, 3]. Проведем построение динамической компьютерной модели двухзвенного робота.

Рисунок 1. Модель динамики двухзвенного манипулятора

Данная модель представляет из себя совокупность модульной модели (рисунок 1) и программной (рисунок 2 и 3).

Рисунок 2. Программа моделирования: настройка параметров

Рисунок 3. Программа моделирования

Модульная или блочная модель содержит вход, оснащённый программным переключателем, реализующем переключение вида входных координат: обобщённые координаты (заданы явно) звеньев или декартовы координаты (осуществляется вычисление в блоке «Пересчет координат» рисунок 4) рабочей точки.

Рисунок 4. Блок «Пересчет координат»

Далее расположен контур положения, оснащенный П-регулятором, на вход которого подается разность желаемого и реального положения. Из выходного сигнала регулятора положения вычитается сигнал обратной связи по скорости. Результирующий сигнал поступает на вход ПИ-регулятора скорости (рисунок 5, 6). Контур тока представлен блоком «Функция силовой части привода» (рисунок 3.13) и характеризуется постоянной времени контура тока в тексте программы.

Рисунок 5. ПИ-регулятор скорости привода №1

Рисунок 6. ПИ-регулятор скорости привода №2

Сигналы управления обоих приводов поступают на вход блока «Динамическая модель двухзвенного робота» рисунок 7 [1].

Рисунок 7. Блок «Динамическая модель двухзвенного робота»

Динамическая модель реализует уравнение динамики манипулятора:

где  и  – обобщенные координаты звеньев манипулятора,  и  – расстояние до центра масс звеньев,   и  – массы звеньев,  и  – длины звеньев,  и  – моменты инерции двигателей,  и  – момент инерции двигателя, приведенный к выходному валу,  – коэффициент передачи редукторов

где  – КПД механической передачи приводов.

Так же аппаратная модель оснащена блоком визуализации «XY График», который выполняет функцию визуализация пути движения рабочей точки. В программе моделирования реализована функция «RobotDraw», при помощи которой происходит визуализация текущей конфигурации манипулятора (рисунок 3).

Регуляторы контуров управления приводами настроены таким образом, чтобы в контуре положения отсутствовало перерегулирование и достигалось наименьшее время переходного процесса (рисунок 8-11).

Рисунок 8. ПП контура тока второго привода

Рисунок 9. ПП контура тока первого привода

Рисунок 10. ПП положения и скорости второго привода

Рисунок 11. ПП положения и скорости первого привода

Произведя настройку контуров управления, проведем исследование точности движения манипулятора. Исследование будет проводится при различных заданных координатах и с различными нагрузками. Как показатели точности движения будем использовать величину перерегулирования и время переходного процесса положения. Результаты исследований при различных задающих воздействия приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исследование точности движения манипулятора

На основании полученных результатов можно сделать вывод, наличие нагрузки в виде груза или постоянного действующего силового воздействия вызывает увеличение значения длительности переходного процесса позиционирования рабочего органа и появление перерегулирования. Причем данные явления проявляются во всех звеньях, но сильнее всего в наиболее нагруженном приводе – первом.

Для улучшения характеристик переходных процессов позиционирования и повышения жесткости манипулятора необходимо ввести адаптацию с учетом изменяющихся моментов инерции.

Рисунок 12. Адаптивная система управления

Модель на рисунке 12 представляет из себя совокупность модульной модели (рисунок 1) и программной (рисунок 2, 3).

Для создания адаптивной системы управления была доработана модель динамики двухзвенного манипулятора путем добавления дополнительных блоков, а именно после регуляторов скорости были добавлены блоки умножения, на которые подаются сигналы с регуляторов скорости и идентификаторов момента инерции, которые соответствуют блокам функций приводов.

После перенастройки коэффициентов усиления регуляторов было проведено исследование точности движения манипулятора. Исследование будет проводится при различных заданных координатах и с различными нагрузками. Как показатели точности движения будем использовать величину перерегулирования и время переходного процесса положения. Результаты исследований при различных задающих воздействия приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Исследование точности движения манипулятора

Из результатов проведенного исследования видно, что адаптивная система управления имеет наилучшие динамические характеристики в сравнении с классической системой управления. Величина перерегулирования снизилась в среднем на 50%, длительность переходного процесса увеличилась в пределах 10%. Стоит отметить, что полученные результаты не являются эталонными. Система управления может быть изменена и улучшена в части использования альтернативных методов построения или оптимизации представленной модели, учета дополнительных внешних и внутренних факторов.

Список литературы:

1. Илюхин Ю.В., Зеленский А.А., Электрические приводы роботов и мехатронных устройств: учебное пособие. – М.: ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН», 2020. – 440с. ISBN 978-5-6044658-7-5.
2. Е.И. Юревич Управление роботами и робототехническими системами . Спб.: 2000. 171 с.
3. Илюхин Ю.В. Создание высокоэффективных систем управления исполнительными движениями роботов и мехатронных устройств на основе технологически обусловленного метода синтеза: дис. ... Д-р тех. Наук: 05.02.05. - м., 2001. - 378 с.