Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 21, № 12 (2020)
Скачать выпуск PDF ()

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ 

667-674 150
Аннотация

Предложен новый подход для решения задачи управления нелинейным нестационарным многоканальным объектом с сосредоточенными параметрами и аддитивными возмущениями. Уравнения объекта представлены в векторно-матричном виде с числом выходных переменных, равным числу управляющих воздействий. Поставлена задача управления выходом объекта в условиях доступности для контроля выходных переменных и переменных состояния. Уравнения объекта предварительно преобразовываются к линейному виду с параметрами, зависящими от состояния, времени и управляющих воздействий (форма State Dependent Coefficient, SDC). Затем используется метод коррекции динамики объекта и компенсации возмущений. Проработан вариант преобразования к форме SDC на основе метода Е. А. Барбашина. Введены определения обратных моделей объекта по каналам отработки задания и возмущений. Представлены алгебраические уравнения, решением которых определяются функциональные матрицы обратных моделей. Введены определения фильтров-эталонов, позволяющих совместно с обратными моделями выполнить физическую реализацию управляющего устройства. Рассмотрены уравнения, которым должны удовлетворять матрицы фильтров-эталонов. На примерах выяснено, что часть коэффициентов фильтров-эталонов можно задавать произвольно. На основе метода коррекции динамики объекта и компенсации возмущений с использованием обратных моделей и фильтров-эталонов построен физически реализуемый алгоритм управления данным объектом. Составляющие итогового алгоритма находятся алгебраическими преобразованиями функциональных матриц математической модели объекта и фильтров-эталонов. Представлены уравнения, воспроизводящие процессы в замкнутой системе управления. Из уравнений следует асимптотическая устойчивость этой системы и соответствие переходных процессов своим фильтрам-эталонам. Несмотря на то, что при построении системы использован принцип компенсации, получена многоканальная система, работающая по принципу обратной связи. Преимуществом данного подходя является простая процедура структурного синтеза алгоритма управления по физически наглядным исходным данным. На примерах показана эффективность полученных алгоритмов. Компьютерным моделированием показано соответствие поведения систем заданным требованиям. Намечены дальнейшие направления исследований.

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 

675-681 105
Аннотация

Исследованы проблемы развития нефтегазового комплекса на последнем этапе эксплуатации, когда добыча нефти осуществляется механизированными способами. Описаны основные способы механизированной добычи в РФ и США. Особое внимание уделяется большой обводненности продукции на этой стадии добычи нефти. Проведен литературный обзор рассматриваемой проблемы и поставлена задача анализа и построения моделей процессов добычи нефти на стадии эксплуатации скважин механизированными способами с применением теории электрических цепей в целях рационального комплексного управления всеми процессами. Описывается типовая технологическая схема процесса добычи нефти механизированными способами. Обсуждается подобие технологических процессов добычи нефти процессам в электрических цепях: процесс закачки очищенной пластовой воды в нагнетательные скважины посредством блочных кустовых насосных станций (БКНС) установок подобен процессу подпитки аккумуляторной батареи с помощью генератора электроэнергии; процесс заполнения добывающей скважины вытесненной из пласта газожидкостной смесью под давлением нагнетательных скважин подобен процессу заряда конденсатора от аккумуляторной батареи; процесс подъема жидкости из добывающих скважин с помощью насосов добычи — процессу разрядки конденсатора на активную нагрузку. Приведена упрощенная электрическая схема типовой технологической схемы процессов добычи нефти на этой стадии. По приведенной электрической схеме замещения технологических процессов согласно законам теоретической электротехники построены модели процессов заряда аккумуляторной батареи, заряда и разряда конденсатора. Приведена таблица соответствия параметров технологических и электрических схем, на основе которой предложены упрощенные модели процессов закачки очищенной пластовой воды в нагнетательные скважины посредством БКНС, заполнения добывающей скважины под давлением нагнетательной скважины, подъема жидкости из добывающих скважин посредством насосов откачки, и условия, при которых достигаются различные режимы работы процессов механизированного способа добычи нефти.

682-688 132
Аннотация

Предлагается метод автоматического управления мостовым краном, нацеленный на непосредственное отслеживание горизонтального перемещения груза на заданной высоте в назначенную точку в условиях текущей априорной неопределенности параметров груза и внешних возмущений. К последним относятся воздействия ветра, изменения трения перемещения тележки крана и др. Рассматриваемый в статье подход заменяет решение двух традиционных задач: отслеживание перемещения тележки крана в заданную точку и демпфирование угловых колебаний груза. Кроме того, предлагаемый метод управления основан на схеме адаптивного управления, включающей идентификатор, неявную эталонную модель и использование "упрощенных" условий адаптируемости. Последние сводятся лишь к требованию сходимости невязки идентификации при функционировании алгоритма текущей идентификации и к выбору в определенном диапазоне постоянной оценки коэффициента при управлении. Эта оценка выбирается достаточно большой по модулю, чтобы обеспечить наибольший запас устойчивости замкнутой системы управления по амплитуде с обеспечением требуемого качества управления. Для текущей параметрической идентификации предлагается использовать рекуррентный метод наименьших квадратов с фактором забывания. Эталонная модель назначается в виде колебательного звена с собственной частотой, не превышающей таковую для объекта управления с неподвижным основанием и находящейся в экспериментально установленном диапазоне. Для уточнения собственной частоты эталона требуется оценка длины подвеса груза с точностью не хуже 30 %. Предложен простейший алгоритм для получения такой оценки. Он основан на средней скорости вертикального перемещения груза, которая, как правило, приблизительно известна. Приведены результаты компьютерных исследований эффективности предлагаемой адаптивной системы управления на основе параметров разработанной экспериментальной установки мостового крана с учетом характеристик типовых датчиков информации и приводов. Данный подход показал высокую эффективность в широком диапазоне вариантов груза и возмущений. Он может являться основой для создания реальных систем управления кранами любых типов, работающих с подвешенным грузом.

РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 

689-695 145
Аннотация

Рассматривается решение многокритериальной задачи, включающее распределение целей, планирование траекторий и оптимизацию расхода энергии, при реализации коллективного взаимодействия роботов. Для поиска оптимальной стратегии группового поведения предлагается использовать генетический алгоритм в соответствии с выбранными условиями (ограничениями) и критериями оптимальности. Существенную сложность при выборе способов управления группой автономных мобильных роботов представляет распределение задач между агентами, которые действуют в условиях параметрической и информационной неопределенностей, обладают "скромными" аппаратными, энергетическими и функциональными возможностями. Поэтому реализация многопараметрического поиска оптимального решения требует специализированного подхода, учитывающего весь комплекс динамических параметров, допускающего коррекцию целей в реальном масштабе времени и деградацию роботов вплоть до их выхода из строя. Основой предлагаемого нейрогенетического алгоритма является новый алгоритм расчета фитнесс-функции, в котором используются результаты нейросетевого метода планирования траекторий для группы роботов, а также информация о начальном заряде батарей роботов — агентов коллектива, энергопотреблении каждого агента и предварительная оценка энергозатрат, необходимых агенту на выполнение доступных ему отдельных заданий. Для обеспечения приемлемой производительности алгоритма и с учетом высокого динамизма внешнего окружения было принято решение ограничиться поиском решений только на один шаг (следующий рабочий такт коллектива). В работе приводятся результаты моделирования задачи поиска оптимальной стратегии поведения роботов, алгоритм расчета специализированной фитнесс-функции и варианты пошагового поиска глобальной стратегии распределения заданий, которые позволяют повысить эффективность использования коллектива роботов за счет гарантированного получения результат при минимизации суммарного времени выполнения всех поставленных заданий, а также увеличить время работы коллектива за счет корректного расхода энергии.

696-705 146
Аннотация

Рассмотрено решение задачи повышения производительности робототехнических систем, в состав которых входят многостепенные манипуляторы, а их исполнительные элементы имеют ограничения по мощности. Для решения этой задачи разработан метод автоматического формирования предельно высоких программных скоростей движения рабочих инструментов указанных манипуляторов, позволяющий сохранить заданную динамическую точность управления с учетом взаимовлияний между всеми их степенями подвижности и заданных ограничений на входные сигналы электроприводов. Созданный метод заключается в вычислении максимально допустимой скорости движения рабочего инструмента манипулятора. Основной особенностью метода являются условия выбора требуемых данных для быстрого расчета всех необходимых параметров управления. На основе предложенного метода синтезирована система формирования скорости движения рабочего инструмента трехзвенного манипулятора с поворотными степенями подвижности, приводимыми в движение двигателями постоянного тока. Этот манипулятор может перемещать рабочие инструменты по произвольным гладким пространственным траекториям, построенным с помощью параметрических сплайнов третьего порядка. Выполненное моделирование подтвердило высокую эффективность предложенного метода в сравнении с другими известными методами задания программной скорости и позволило существенно повысить программную скорость движения рабочих инструментов за счет непрерывной работы хотя бы одного из электроприводов манипулятора вблизи зоны насыщения его усилителя мощности без входа в нее. При этом повышение быстродействия системы происходило без уменьшения динамической точности. Разработанный метод может быть применен для формирования предельно высокой программной скорости движения рабочих инструментов манипуляторов с любыми кинематическими схемами и различным числом степеней подвижности.

706-715 115
Аннотация

Обсуждается разработка алгоритма динамического синтеза управляющих сигналов исполнительных приводов, обеспечивающих реализацию требуемых траекторий и законов движения рабочего органа манипулятора. Рассматривается манипулятор параллельно-последовательной структуры (гибридный), состоящий из манипулятора трипода, установленного на поворотном основании и манипулятора последовательной структуры с тремя управляемыми степенями свободы. Перемещение рабочего органа из известного положения в заданное конечное положение реализуется изменением длин исполнительных звеньев трипода и изменением углов поворота звеньев манипулятора последовательной структуры. В качестве математической модели управляемых движений манипулятора рассматриваются нелинейные уравнения динамики, полученные с помощью уравнений Лагранжа с неопределенными множителями с дополнительными голономными связями. Перемещения манипулятора определяются характером выполняемой технологической операции. В статье решена задача осуществления программных траекторий рабочего органа, заданных в параметрической форме. Сначала определяются законы изменения обобщенных координат манипулятора, удовлетворяющие заданным граничным условиям. С этой целью программные законы перемещения рабочего органа представляются в дискретной форме, и определяется множество точек, характеризующих последовательные положения исполнительных приводов трипода, путем решения оптимизационной задачи о конфигурации манипулятора (позиционная задача) из условия минимума изменения длин исполнительных звеньев в каждой точке траектории рабочего органа. Затем проводится интерполяция этих значений либо конечным набором сплайнов третьего и четвертого порядка, либо для первого и последнего участков траектории сплайнами пятого порядка и методом точечной квадратичной аппроксимации — для промежуточных участков траектории. Методика синтеза динамических алгоритмов стабилизации рабочего органа относительно заданного положения и реализации программных траекторий основана на формировании управляющих сигналов исполнительных приводов путем решения обратной задачи динамики с использованием алгоритма формирования управляющих сигналов из условия, чтобы отклонения от текущих значений программных траекторий были решениями дифференциального уравнения второго порядка. Контуры управления исполнительными двигателями синтезируются в процессе построения алгоритма траекторного управления. Приводятся результаты численного моделирования, подтверждающие работоспособность предложенного алгоритма на примере поступательного перемещения рабочего органа.



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