Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 22, № 3 (2021)
Скачать выпуск PDF

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 

115-123 162
Аннотация

Рассматривается архитектура системы управления процессом проветривания подземных горнодобывающих предприятий (на примере калийного рудника), оснащенной цифровым двойником с онлайн функциями имитационного моделирования и предиктивной аналитики. Система ориентирована на реализацию управления главной вентиляторной установкой с учетом изменяющихся параметров наружного воздуха, подаваемого в шахтные стволы.
В отличие от существующих предложенный способ управления учитывает влияние параметров наружного воздуха на изменение общерудничной естественной тяги, от которой зависит общий объем воздуха, подаваемого в рудник. Известно, что системы проветривания таких предприятий потребляют от 30 до 50 % всей затрачиваемой на процесс добычи полезного ископаемого электроэнергии. В связи с этим разрабатываемая система, способная к анализу изменений общерудничной естественной воздушной тяги и, как следствие, объемов подачи воздуха, сможет работать в энергосберегающем режиме.
Предложенный способ управления включает в себя алгоритм расчета взаимосвязей физических параметров общерудничной естественной тяги, действующей между стволами; алгоритм расчета значения общерудничной естественной тяги; алгоритм расчета производительности и выбора требуемого режима работы ГВУ.
Для реализации способа предложена архитектура киберфизической системы (CPS) проветривания на базе платформы Интернета вещей (IoT) InfluxData стека TICK. Предложенная архитектура CPS состоит из четырех подсистем: подсистемы физического объекта, сетевой и вычислительной инфраструктур IoT, цифрового двойника, интерфейса пользователя.
Цифровой двойник системы проветривания выполнен с использованием базы данных временных рядов и базы данных атрибутов, хранящих сведения об изменении параметров оборудования во времени, показателях воздуха, индикаторах эффективности, статистике по авариям и наработке вентиляторов, характеристиках CPS и др. CPS данной архитектуры подразумевает подключение дополнительных источников данных, обеспечение расчетов рациональных объемов подачи воздуха с учетом правил безопасности и требований энергоэффективности.

РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 

125-133 193
Аннотация

Рассмотрена задача оценки вероятности столкновения с препятствием автономного мобильного робота, выполняющего движение по спланированной траектории. Проведены обзор и анализ методов решения данной задачи. Показано, что рассмотренные методы базируются на использовании периодически обновляемых клеточных карт проходимости (сеток занятости). Разработан новый метод оценки вероятности столкновения мобильного робота с препятствием, базирующийся на использовании клеточной вероятностной карты, в каждой ячейке которой хранится значение оценки вероятности нахождения в ней препятствия, и условной вероятности накрытия клеток карты с учетом возможных боковых и угловых отклонений мобильного робота от спланированной траектории (координатного закона накрытия клетки), обусловленных динамическими характеристиками системы управления движением. Для построения вероятностной карты использована динамически обновляемая многослойная карта проходимости, в которой каждый слой, за исключением результирующего, заполняется данными от классификаторов внешней среды, обрабатывающих информацию от информационно-измерительной системы мобильного робота. Результирующий слой представляет собой результат байесовского вывода по данным остальных слоев. Система управления движением автономного мобильного робота обеспечивает построение многослойной карты проходимости, карты вероятностей нахождения препятствий, определение координат робота, планирование траектории, контроль за следованием робота по ней и вычисление вероятности столкновения с препятствием.
Выполнена программная реализация разработанного метода оценки вероятности столкновения мобильного робота с препятствием в виде встраиваемого модуля в среде ROS (Robot Operating System). Приведено описание натурных экспериментов с мобильным роботом при возникновении на пути его следования перемещаемого препятствия. Приведены результаты анализа изменения вероятности столкновения робота с препятствием, и дана интерпретация результатов экспериментов. Обоснована необходимость вычисления вероятности столкновения мобильного робота с препятствием для оценки риска как основного показателя безопасности системы управления движением. Дана оценка результатам данной работы в решении задачи обеспечения безопасности движения автономных мобильных роботов.

134-144 154
Аннотация

В настоящее время автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) все активнее используются для решения задач, связанных с обслуживанием подводных коммуникаций и различных подводных производственных комплексов, а также при выполнении подводных технологических операций. Для эффективного выполнения указанных операций АНПА должны иметь высококачественные системы управления, которые обеспечат их точное движение как по протяженным пространственным траекториям, формируемым в процессе их передвижения к объектам работ, так и при выполнении сложных маневров вблизи объектов подводной инфраструктуры. При этом основной сложностью, возникающей в процессе синтеза систем управления АНПА, является существенная нелинейность указанных объектов управления, наличие перекрестных связей между их степенями свободы, а также неопределенность и переменность их параметров. В работе предложен метод синтеза системы управления пространственным движением АНПА, позволяющей учесть указанные негативные эффекты. Эта система имеет два контура. Первый включает в себя комбинированную систему, содержащую нелинейный регулятор для достижения желаемых динамических характеристик АНПА, когда его параметры равны номинальным значениям, и регулятор с самонастройкой по эталонной модели, обеспечивающей компенсацию неопределенной или переменной части параметров. При этом параметры регулятора с эталонной моделью выбираются так, чтобы уменьшить возможную амплитуду разрывного сигнала управления скоростью движения АНПА. Второй контур представляет собой нелинейный регулятор положения, позволяющий учесть динамические свойства контура управления скоростью и кинематические свойства АНПА. Преимуществом предложенной системы управления по сравнению с традиционными, построенными на основе ПИД регуляторов, является более высокая точность управления при движении по сложным пространственным траекториям независимо от изменения параметров АНПА. Результаты моделирования подтвердили высокую эффективность синтезированной двухконтурной системы управления.

145-154 144
Аннотация

В данной работе основным предметом исследования является система управления движением безэкипажного катера в неопределенной среде со стационарными и подвижными препятствиями. Актуальность разработки такой системы обусловлена тем, что безэкипажные катера функционируют вблизи портов, судоходных фарватеров и в других местах с плотным движением других судов. При этом из-за отсутствия экипажа нет возможности согласовывать движение с другими судами, поэтому система управления такого безэкипажного катера должна прокладывать маршрут, учитывая требования к своему положению в каждый момент времени.
В связи с этим в статье предложена процедура разработки терминального закона управления на основе программируемой траектории движения катера в полиномиальной форме, на основе которой реализованы позиционно-траекторные алгоритмы управления. При этом программная траектория строится как решение задачи терминального управления в сильной постановке, а позиционно-траекторный регулятор отрабатывает полученную траекторию в рамках слабого терминального управления. Для учета препятствий при планировании траектории используется гибридный метод, основанный на виртуальных полях и неустойчивых режимах движения с учетом скоростей и условий движения безэкипажного катера. В работе приводятся результаты численных и натурных экспериментов по апробации разработанных методов и алгоритмов. Получены оценки энергозатрат на управление, длины траектории и показателя безопасности при обходе препятствий.
Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании нового метода построения локальной траектории движения в поле с препятствиями и в гибридизации методов планирования траекторий. Такой подход позволяет обеспечить заданную безопасную дистанцию при обходе препятствий и практически исключить вероятность аварийного столкновения. Представленные результаты могут быть использованы в системах автономного управления движением катеров и позволяют безопасно обходить стационарные и динамические препятствия.

ДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 

156-167 186
Аннотация

В современном мире все большую популярность в качестве легких и недорогих инструментов как военного, так и гражданского применения находят беспилотные летательные аппараты (БПЛА) самолетного типа. Заключительным и одним из важнейших этапов полета данных БПЛА является посадка. В связи с этим задача автоматизации управления посадкой БПЛА в сложных метеорологических условиях становится все более актуальной. В ряде случаев для дозаправки и подзарядки БПЛА целесообразно использовать динамическую подвижную посадочную площадку (ППП) вместо традиционной статической (неподвижной) посадочной площадки (НПП). В данной работе рассматривается постановка и решение задачи управления терминальным посадочным маневром БПЛА как на НПП, так и на ППП, обеспечивающим его переход из текущего начального состояния в целевое терминальное состояние по «гибким» кинематическим траекториям. В качестве ППП рассматривается специальное устройство для «ловли» БПЛА, оборудованное на автомобиле.
Для решения задачи автоматической посадки БПЛА на НПП разработана математическая модель динамики его продольного движения с пространственной синхронизацией перемещений. Разработан и исследован алгоритм управления конечным вертикальным посадочным маневром БПЛА на НПП методом обратных задач динамики с использованием принципа «гибких» кинематических траекторий.
Для решения задачи автоматической посадки БПЛА на ППП разработана математическая модель динамики его пространственного движения с пространственной синхронизацией перемещений. Разработан и исследован алгоритм управления терминальным посадочным маневром БПЛА на ППП методом обратных задач динамики с использованием принципов «гибких» кинематических траекторий и наведения на точку прицеливания.
Разработано соответствующее программное обеспечение, позволяющее анализировать выполнение посадочного маневра БПЛА. В среде MATLAB проведена компьютерная апробация разработанных алгоритмов на примере управления посадочными маневрами БПЛА «Aerosonde" в условиях различных ветровых возмущений.



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