Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 20, № 4 (2019)
Скачать выпуск PDF ()

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

195-205 111
Аннотация

Предложен подход к анализу структурной идентифицируемости (СИ) нелинейных динамических систем в условиях неопределенности. Данный подход имеет отличие от методов, применяемых для оценки СИ динамических систем в параметрическом пространстве. СИ трактуется как возможность структурной идентификации нелинейной части системы. Введено понятие S-синхронизируемости системы. Показано, что вход системы должен обеспечивать синхронизацию (S-синхронизируемость) системы для решения задачи СИ. Несинхронизируемый вход приводит к получению незначимой структуры, которая не дает решение задачи структурной идентификации. Это приводит к структурной неидентифицируемости системы. Выделено подмножество входов, обладающих свойством S-синхронизируемости, на которых системы являются неразличимыми. Метод оценки СИ основан на анализе специального класса структур. Для класса симметричных нелинейностей предложен метод оценки СИ.

Изучено влияние параметров входа на возможность оценки СИ системы. Показано, что требования постоянства возбуждения входа в адаптивных системах и системах СИ различаются.


РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

206-214 139
Аннотация

Развитие минимально инвазивной хирургии требует разработки методов очувствления. Данное исследование связано с созданием мехатронного зажимного лапароскопического устройства, позволяющего передать тактильные ощущения с губок зажима на рукоятки мастер-манипулятора, управляемого хирургом. Хирург сжимает рукоятки манипулятора. Изменение угла между рукоятками синхронизируется с изменением угла между губками зажима (исполнительного звена), который сдавливает мягкую ткань. Контактная нагрузка идентифицируется по напряжению в электрической цепи привода зажима и затем передается в блок управления. Блок управления задает рабочую частоту пьезоэлектрического привода, формирующую силу, соответствующую измеренной нагрузке. Эта сила прикладывается к рукоятке манипулятора. Создается момент в рукоятке, который ощущается пользователем. Таким образом, система обеспечивает тактильную обратную связь. Для описания динамики пьезоэлектрического привода, контактирующего с ползуном, используется конечномерная эмпирическая модель. Разработана математическая модель зависимости момента, действующего со стороны мягкой ткани на зажим, от угла раствора зажима. Предложен алгоритм идентификации момента, действующего со стороны ткани на зажим. Проведено численное моделирование динамики системы. Результаты расчетов подтверждают работоспособность алгоритма идентификации момента, создаваемого тканью.

215-218 104
Аннотация

Представлен алгоритм адаптивного оценивания магнитного потока для неявнополюсного синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM) для случая, когда измеряемые электрические сигналы искажены постоянным смещением. Предложена новая нелинейная параметризация модели электрического двигателя, основанная на процедуре динамического расширения и смешивания регрессора (DREM). Благодаря этой параметризации проблема оценивания магнитного потока транслируется во вспомогательную задачу идентификации неизвестных постоянных параметров, зависящих от ошибок измерения. Доказано, что наблюдатель магнитного потока гарантирует глобальную экспоненциальную сходимость ошибок оценивания к нулю, если соответствующий регрессор удовлетворяет условию неисчезающего возбуждения. Также наблюдатель обеспечивает асимптотическую сходимость, если функция регрессора является квадратично интегрируемой. В сравнении с известными аналогами в этой статье дан конструктивный способ восстановления магнитного потока синхронного двигателя с гарантированными показателями качества (монотонность, скорость сходимости), а также простая с инженерной точки зрения реализация на вычислительных платформах.

219-229 55
Аннотация

Получены параметрические структурные схемы, структурно-параметрические модели и передаточные функции электроупругих актюаторов для наномехатронных систем. Передаточные функции пьезоактюатора определены при обобщенном пьезоэлектрическом эффекте. Изменения упругой податливости и жесткости пьезоактюатора найдены с учетом типа управления. Получены решение волнового уравнения и структурно-параметрические модели электроупругих актюаторов. Определено влияние геометрических и физических параметров электроупругого актюатора и внешней нагрузки на его статические и динамические характеристики. Получены в общем виде параметрические структурные схемы электроупругих актюаторов для наномехатронных систем. Выведены передаточные функции пьезоактюатора при обобщенном пьезоэффекте. Для расчета систем автоматического управления нанометрическим движением с электроупругим актюатором получены параметрические структурные схемы и передаточные функции электроупругих актюаторов. Определены статические и динамические характеристики электроупругих актюаторов. Применение электроупругих актюаторов решает задачи точного совмещения в микроэлектронике и нанотехнологии, компенсации температурных и гравитационных деформаций, атмосферной турбулентности путем коррекции волнового фронта. На основе решения волнового уравнения с учетом соответствующих уравнений пьезоэффекта, граничных условий на нагруженных рабочих поверхностях электроупругого актюатора, деформаций вдоль координатных осей построена структурно-параметрическую модель электроупругого актюатора. Передаточные функции и параметрические структурные схемы электроупругого актюатора выведены из уравнений, описывающих соответствующие структурно-параметрические модели и учитывающих противоэлектродвижущую силу электроупругого актюатора для наномехатронных систем.

230-235 63
Аннотация

Рассматривается движение ветрового транспортного средства (буера), движущегося под углом к ветру. Подобные аппараты могут представлять интерес для организации перевозок на больших открытых пространствах, где имеется доступ к свободному ветру. В работе построена математическая модель буера с закрепленным на нем ротором Савониуса. Ротор Савониуса представляет собой ветротурбину, ось вращения которой перпендикулярна направлению ветра. При вращении ротора Савониуса формируется сила Магнуса, которая приводит в движение буер. Для описания аэродинамических сил и моментов, действующих на систему, используется квазистационарный подход, при этом коэффициенты сил и моментов аппроксимируются на основе экспериментальных данных. Движение корпуса буера предполагается прямолинейным. Уравнения модели представлены в виде динамической системы второго порядка. Получены условия существования стационарных режимов движения динамической системы, доказана их устойчивость. Описана зависимость скорости стационарного движения от угла, образуемого вектором скорости корпуса и направлением ветра.

236-243 77
Аннотация

Работа посвящена исследованию поведения в полете прыгающего робота, состоящего из корпуса, оснащенного колесной платформой, и разгонного модуля, установленного внутри корпуса и позволяющего устройству разгоняться под заданным углом к горизонту до необходимой скорости отрыва от поверхности. Целью проводимого в рамках работы исследования является разработка системы управления колесами устройства, обеспечивающей их вращение в полете для достижения роботом к моменту приземления заданной ориентации, позволяющей ему приземлиться одновременно на передние и задние колеса без опрокидывания. Рассматривается отрыв и приземление на опорную поверхность, описываемую кусочно-линейной функцией, определенной на двух интервалах. На каждом из интервалов эта функция может быть горизонтальной или наклонной. В работе выделены четыре типа поверхностей в зависимости от диапазонов углов их наклона к горизонту; еще одним варьируемым критерием выступает расположение упомянутых выше интервалов — расстояние, на котором линейные поверхности приземления и посадки "сшиваются" (соединяются) между собой. Для проведения исследований разработана кинематическая модель прыгающего робота и динамическая модель его полета, а также предложена система управления, обеспечивающая построение траекторий полета робота в конфигурационном пространстве для осуществления приземления в заданное конечное положение с некоторой точностью и требуемой точностью и заданной ориентацией. Данная проблема решается средствами численной оптимизации и сформулирована как задача квадратичного программирования. В результате численного моделирования установлено влияние трех параметров поверхностей (двух углов наклона и расстояния "сшивки") на время полета робота, угловые скорости вращения колес и обеспечивающие их управляющие моменты приводов при использовании предложенного подхода к управлению устройством. Также выявлено влияние ранее указанных параметров на максимальные и минимальные значения угловых скоростей колес и моментов приводов, достигаемые в процессе движения робота, что может быть использовано при проектировании опытного образца прыгающего робота для задания требований к приводам колесной платформы.

244-250 71
Аннотация

Рассмотрены принцип работы устройства робота-манипулятора ARMino и схема подключения его электрических компонентов. В состав устройства входят: управляющая плата Arduino Mega, четыре сервопривода, четыре потенциометра, макетная плата, компьютер. Поворот ручек потенциометра регулирует положение шпинделей сервоприводов. При изменении напряжения на ножке потенциометра изменяется напряжение на аналоговых входах микроконтроллера. Затем в микроконтроллере напряжение масштабируется в значение угла поворота сервопривода, после этого осуществляется поворот звеньев робота-манипулятора. В процессе работы устройства робота-манипулятора ARMino возникла проблема дребезга контактов, значительно уменьшающая точность позиционирования и плавность хода звеньев ARMino. Для решения этой проблемы был разработан нечеткий цифровой фильтр.

Описан алгоритм работы цифрового фильтра, состоящего из четырех шагов. Одним из шагов является нахождение коэффициентов цифрового фильтра, от которых зависят уровень напряжения, передаваемого на сервоприводы сигнала, и время переходного процесса формирования фронтов этого сигнала. Основной проблемой при реализации цифрового фильтра является тот факт, что при стандартной методике нахождения коэффициентов цифрового фильтра его коэффициенты задаются диапазоном рекомендуемых значений, что затрудняет выбор из этого диапазона единственного значения и передачи его на сервоприводы. Для решения этой проблемы был разработан нечеткий цифровой фильтр, алгоритм работы которого состоит из шести шагов. На первом шаге определяются степени истинности входных переменных. Второй шаг — это расчет степеней истинности предпосылок нечетких правил. На третьем шаге осуществляется расчет степеней истинности заключений нечетких правил с помощью операции нахождения максимумов. Четвертым шагом является этап дефаззификации, при котором осуществляется расчет четкого значения коэффициента нечеткого цифрового фильтра. На пятом шаге находится выходное напряжение, передаваемое на сервоприводы. На последнем шаге выходное напряжение в микроконтроллере преобразуется в значение угла поворота и сервоприводу дается команда для поворота.

Представлено численное моделирование алгоритма работы нечеткого цифрового фильтра на примере работы сервопривода, перемещающего основание ARMino.

Проведены экспериментальные исследования функционирования нечеткого цифрового фильтра, подтверждающие целесообразность его использования. Приведены графики переходного процесса движения основания робота-манипулятора без применения и с применением нечеткого цифрового фильтра.


ДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

251-256 101
Аннотация

В настоящее время разработаны разнообразные системы самонаведения ракет. Однако в открытой литературе до сих пор лишь изложены методы синтеза системы самонаведения ракет без учета динамических свойств измерительных элементов. Это справедливо только в том случае, когда измерительные элементы имеют малую инерционность и достаточное демпфирование. В общем случае необходимо учитывать динамику измерительных элементов с значительной постоянной времени. Вместе с тем большая инерционность измерительных элементов улучшает фильтрацию высокочастотных помех системы в целом. Учет динамики измерительных элементов приводит к осложнению в определении передаточной функции системы стабилизации нормального ускорения и синтезе самонаведения ракет в целом. Поэтому в данной статье мы предложим математическую модель системы самонаведения ракет с учетом динамических свойств измерительных элементов. Эта модель позволяет синтезировать системы самонаведения ракет с большой точностью и применять измерительные элементы с постоянной времени, сравнимой с постоянной времени рулевого привода. Для этого предлагаемая система рассматриваеся на двух этапах. На первом этапе подробно обсуждается система самонаведения ракет без учета динамических характеристик измерительных элементов. Исследовано влияние динамических свойств измерительных элементов на качество системы самонаведения ракет. На втором этапе представлена методика синтеза системы самонаведения ракет с учетом динамических свойств измерительных элементов. Учет динамических свойств измерительных элеменов осуществлен с помощью команд пакета Control system toolbox (MATLAB). Синтез системы самонаведения ракет выполнен методом параметрической оптимизации, благодаря чему уменьшается отрицательное влияние динамических свойств измерительных элементов на качество системы самонаведения ракет.



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