Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 22, № 10 (2021)
Скачать выпуск PDF

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ 

507-517 117
Аннотация

Обсуждается решение задачи анализа и синтеза системы управления с нечетким регулятором методом фазовой плоскости. Нелинейное преобразование, построенное по нечеткой модели Сугено, аппроксимировано кусочно-линейной характеристикой, состоящей их трех участков: двух кусочно-линейных и одного кусочно-постоянного. Такой подход позволяет ограничиться тремя листами фазовых траекторий, каждый из которых строится на основе дифференциального уравнения второго порядка. С учетом этой особенности рассмотрена методика "сшивания" трех листов фазовых траекторий и получена аналитическая база, позволяющая определить условия "сшивания" фазовых траекторий для различных вариантов кусочно-линейной аппроксимации характеристики нечеткого регулятора. Ввиду специфики используемой аппроксимированной модели нечеткого регулятора приведены полезные аналитические соотношения, с помощью которых можно вычислить время движения изображающей точки по каждому участку с привлечением аппарата численной оптимизации. Для варианта аппроксимации из трех участков предложена методика синтеза нечеткого регулятора, позволяющая определить область параметров и диапазон входных сигналов, при которых обеспечивается апериодический процесс и заданное время регулирования. На модели системы автоматического управления приводным уровнем мехатронного модуля показано, что исследование нечеткой системы по такой аппроксимированной характеристике нечеткого регулятора дает вполне достоверные результаты. Проведенные исследования влияния степени аппроксимации на качество управления показывают, что аппроксимированная характеристика нечеткого регулятора дает незначительное ухудшение качества по сравнению с гладкой характеристикой нечеткого регулятора. Поскольку возможности метода фазовой плоскости ограничены вторым порядком линейной части системы автоматического управления, то на примере привода мехатронного модуля рассмотрено влияние третьего порядка на динамику системы. Показано, что учет электрической постоянной времени приводит к перерегулированию в пределах 5...10 %. Такое перерегулирование может быть устранено за счет предложенных рекомендаций по коррекции статической характеристики нечеткого регулятора.

518-526 83
Аннотация

Задача синтеза информационно-энергетических схем ставится как экстремальная задача, целью которой является построение взвешенного ориентированного графа минимальной длины от входной величины до выходной величины измерительно-преобразовательного устройства. Граф имеет несколько вершин, которыми являются блоки информационно-энергетической схемы. Ребрами графа являются физические величины, связывающие входы и выходы блоков. Математически ребра задаются квадратными диагональными матрицами, содержащими размерности величин в принятой системе измерения физических величин. Вершины графа задаются передаточными матрицами, равными произведению матрицы выходного ребра на обратную матрицу входного ребра. Вес элементов графа определяется нормой матриц, зависящей от показателей степени при основных единицах системы измерений. Полученная в результате синтеза схема пригодна для использования в технической документации для объяснения физического принципа действия устройства, а также для патентной защиты.

Функция любого блока схемы по преобразованию входной величины в выходную называется физическим эффектом. Передаточная матрица является математической моделью размерностей физического эффекта. В усиленной постановке экстремальной задачи вводятся численные значения входных и выходных величин блоков, которые являются ограничениями в экстремальной задаче. В этом случае размер передаточных матриц вершин и матриц ребер расширяется на единицу. Добавленный элемент на диагонали в передаточной матрице вершины является статическим коэффициентом передачи физического эффекта, а полученная матрица является статической моделью физического эффекта. В динамической модели физического эффекта в передаточной матрице вершины вместо статического коэффициента передачи записывается передаточная функция динамического звена, которое является динамической моделью физического эффекта. В результате передаточная матрица вершины содержит информацию не только о динамических свойствах эффекта, но и о размерностях физических величин на его входе и выходе.

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 

527-536 90
Аннотация

С ростом населения становится актуальным вопрос продовольственного снабжения городов качественными сельскохозяйственными культурами. Возникающие при этом проблемы снабжения могут быть решены с применением промышленных тепличных комплексов с искусственным освещением и беспочвенными технологиями. Развитие этих комплексов делает актуальной задачу разработки системы управления, позволяющей автоматизировать процессы выращивания. Имеющиеся промышленные тепличные комплексы используют значительное число операций с непосредственным участием персонала, которые возможно автоматизировать: контроль микроклимата теплицы, освещение, полив и подготовка состава питательного раствора. В данной работе представлена архитектура распределенной системы управления для промышленных тепличных комплексов. Система построена по модульному принципу и разделена на три уровня. Разработанная архитектура базируется на использовании типовых модулей, что позволяет сделать систему управления гибкой и масштабируемой. В работе также приведены основные расчетные соотношения, с помощью которых можно определить необходимое число модулей для трех уровней предложенной архитектуры. Использование беспроводной передачи данных между модулями на основе технологии LoRa позволяет отказаться от прокладки информационной шины и при этом разворачивать систему на больших площадях. Контроль системы и ее параметров возможен при непосредственном взаимодействии человека с интерфейсом модуля управления или при удаленном взаимодействии через облако. В состав архитектуры входят три вида исполнительных модулей, один комбинированный сенсорный модуль и модуль управления. Каждый из исполнительных модулей функционирует по заданному алгоритму, а его параметры контролирует модуль управления исходя из заданной программы выращивания и информации с датчиков. Данная особенность позволяет повысить надежность работы системы и продолжить работу в случае потери связи с облаком, а также исключить аварийные ситуации в случае потери связи между модулями. Разработанные решения позволяют адаптировать предложенную систему управления под тепличные комплексы различной конфигурации и для разных принципов выращивания.

РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 

537-546 93
Аннотация

Среди природоподобных технологий есть направление, в рамках которого исследуется применение навигационных механизмов насекомых для навигации автономных роботов. Данная работа относится к указанному направлению и посвящена использованию этого подхода для решения задач фуражирования и рекогносцировки. В качестве модельного вида взят муравей рода Formica rufa — рыжий лесной муравей, который активно использует коллективную фуражировку. Муравей-разведчик этого вида не только запоминает маршрут до пищи, но умеет передавать муравьям-фуражирам сведения о местонахождении пищи, и те самостоятельно, без сопровождающего, могут до нее дойти и вернуться домой. Рассматриваются основные аспекты навигационного механизма муравьев, которые используют для возвращения домой и повторного прохождения пути запомненные ранее визуальные ориентиры и врожденную систему интеграции пути. В основу предлагаемого метода положено запоминание пути по визуальным ориентирам и принципы нечеткого управления. Введена модель описания пути для анимата, состоящая из последовательности сцен. Создан алгоритм, имитирующий поисковое поведение муравья для анимата-разведчика. Разработан набор правил, которые позволяют анимату-последователю перейти от описания маршрута к действиям по его воспроизведению. В основе поведения последователя (фуражира) лежат те же принципы, что и у разведчика, только вместо запоминания сцен он использует процедуру распознавания и сопоставления сцен. Действия аниматов представлены в виде элементарных поведенческих процедур, каждая поведенческая процедура реализована с помощью конечного автомата. Приведены результаты имитационного моделирования для решения задачи фуражировки. Эксперименты проводились с помощью системы моделирования, основанной на фреймворке ROS. Результаты моделирования подтверждают работоспособность и достаточно высокую эффективность предложенного метода. Метод не требует от робота больших вычислительных мощностей и развитых сенсорных возможностей и может также применяться в задачах рекогносцировки и патрулирования.

547-552 64
Аннотация

Рассматривается задача моделирования динамики параллельного полноприводного тросового робота с включением конструктивной нелинейности тросов в математическую модель, реализуемую в компьютерной модели с возможностью использования символьных вычислений. Параллельные тросовые роботы как вид робототехники получили постепенное распространение и признание в последние три десятилетия. Вместе с расширением практического использования тросовых роботов осуществлялись исследования в теоретической области, и происходило уточнение математической модели тросовой системы. Составление динамической модели тросового робота является нетривиальной задачей. Тросовые роботы являются сильно нелинейными системами, основной причиной нелинейности становятся свойства тросовой системы. Как элемент механической системы трос является односторонней связью, поскольку трос работает только на растяжение, но не на сжатие. Таким образом, тросы являются конструктивно нелинейными элементами системы. Вместе с тем, тросы обладают свойством провисания под собственным весом. Таким образом, тросы являются геометрически нелинейными элементами системы. При условии высокой нагруженности тросовой системы, т. е. при массе полезной нагрузки, многократно превышающей массу каждого отдельно взятого троса, можно считать тросы натянутыми без провисания и пренебречь геометрической нелинейностью. Поскольку в компьютерной модели, реализующей математическую модель динамики тросового робота, могут использоваться символьные вычисления, становится необходимым включение условия конструктивной нелинейности таким способом, чтобы обеспечить возможность символьных вычислений.

Целью настоящего исследования является разработка метода, обеспечивающего включение конструктивной нелинейности тросовой системы в математическую модель с учетом возможной реализации компьютерной модели на символьных вычислениях. Рассматривается проблема включения математической модели тросов как односторонних связей в модели высоконагруженных тросовых роботов. Приводятся обоснования для включения функций активации в систему уравнений динамики тросового робота. С использованием предложенного метода и с учетом сопротивления тросов только растяжению, но не сжатию, получено численное решение прямой задачи динамики высоконагруженного параллельного тросового робота с включением функций активации в систему дифференциальных уравнений модели динамики.

ДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 

553-560 91
Аннотация

Рассматривается задача оценивания проекций скорости ветра в полете. Предложенный метод позволяет получить оценки для трех проекций скорости ветра в нормальной земной системе координат с использованием данных спутниковой навигационной системы, а также бортовых аэрометрических измерений воздушной скорости, углов атаки и скольжения. Основная идея, положенная в основу метода, состоит в том, что спутниковые измерения трех проекций скорости летательного аппарата относительно земной системы координат являются весьма точными (погрешности обычно не превышают 0,2 м/c). Это позволяет использовать спутниковые измерения скоростей в качестве своего рода эталона, подобно тому, как в практической метрологии для оценивания погрешностей средств измерений их сравнивают с эталоном, т. е. существенно более точным средством измерения. Чтобы реализовать такой подход не в метрологической лаборатории, а на борту летательного аппарата, предлагается использовать известные из динамики полета соотношения между проекциями скорости в земной и связанной системах координат, углами атаки и скольжения и скоростью ветра. Затем три проекции скорости ветра назначаются неизвестными параметрами, для нахождения которых применяется параметрическая идентификация. Предполагается, что на обрабатываемом участке полета ветер имеет постоянную скорость и направление.

Показатели точности предложенного алгоритма оценивались по данным, полученным на пилотажном стенде современного учебно-тренировочного самолета. В процессе стендового моделирования воспроизводились случайные погрешности измерений на уровнях, соответствующих летному эксперименту. Исследовалось также влияние вида маневров на точность идентификации трех проекций скорости ветра.

Показано, что для маневров типа "бочка", "дачи" по тангажу, "змейка" погрешности оценивания горизонтальных составляющих скорости ветра в основном не превышают 5 %, вертикальной составляющей — 10 % при длительностях скользящего интервала обработки 0,5 и 1,0 с, что позволяет не только оценивать постоянную скорость ветра, но и отслеживать ее изменение.



ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)