Актуальность темы
и подход к ее решению. В настоящее время задачи управления многостепенными взаимосвязанными нелинейными электромеханическими объектами с протяженной геометрией и упругими деформациями, обеспечивающие повышение эффективности функционирования мехатронных промышленных комплексов и подвижных объектов, занимают одно из передовых мест по числу применений для высокотехнологичных и прецизионных установок в промышленности. К таким мехатронным комплексам как объектам управления относятся конструкции высокоточных металлорежущих станков, экстремальных роботов-манипуляторов, быстроходных наземных и морских подвижных объектов, высокоманевренных летательных аппаратов, испытательных стендов, мобильных установок аэродромного обслуживания и т. д. При этом в условиях, когда возможности современного конструирования и применения новейших материалов с целью достижения высокой точности и высокой производительности сложных электромеханических объектов исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто только методами и средствами более сложного управления, и в последнее время на этом пути все чаще применяют интеллектуальные адаптивные системы управления.
Таким образом, задачи повышения динамической точности и быстродействия функционирования сложных механических объектов решаются созданием адекватных таким задачам более эффективных систем управления их движением, и этот путь не имеет альтернативы. Это позволяет говорить о том, что развитие высоких технологий и техники новых поколений выдвигает задачи создания так называемых мехатронных комплексов, объединяющих в одно взаимоувязанное целое теоретические, проектные и конструкторские решения в области точной механики и электроники, управления и автоматизации, информатики и вычислительной техники.
В свою очередь, в области адаптивного и интеллектуального управления в последние тоды, резко возрос интерес к разработке адаптивных, систем, специализированных для класса многостепенных механических объектов, к динамической точности^ пространственного движения которых предъявляются повышенные требования, Кроме того, остается актуальным-решение очень важной в технике задачи принудительного гашения упругих колебаний, вызывающих разрушительные явления в механических объектах и препятствующих попыткам^ реализовать в них? управление с предельным ' быстродействием, определяемым ресурсом исполнительных приводов.
Современный этап в проектировании сложных комплексовуправляющих высокоэффективными и прецизионными агрегатамии установками, связан с решением задач снижения влиянияразличных факторов, вызывающих нарушение рабочих режимов-управляемых объектов. К таким факторам можно' отнести отсутствие априорной информации о существенно нестабильных значениях массо-инерционных и упругих' параметровмеханических объектов— случайные изменения нагрузкивзаимовлияние степеней подвижности объектов-: варьирование параметров объектов от образца, к образцу и варьирование параметров стандартных систем регулирования при замене исполнительных приводов и отдельных блоков управления, при неточной или ошибочной их настройке.
Упругие деформации звеньев механических конструкций и передач являются одним из доминирующих факторов, препятствующих повышению эффективности управляемых механических объектов, подлежащих подавлению средствами управления. В многостепенных механических объектах с собственными частотами, лежащими в полосе пропускания исполнительных приводов, определяемой их предельно возможным быстродействием, упругие колебания возбуждаются при любой попытке реализовать это предельное быстродействие в управлении, что приводит к снижению качественных показателей объектов, повышенному износу, поломкам и авариям промышленного оборудования, тормозит рост его производительности. В силу приблизительно одинаковых требований к прочностным’характеристикам механических конструкций объектов в самых различных областях техники* значения низших собственных частот упругих колебаний в них всегда находятся* в одних и тех же пределах (2−15 Гц) независимо от масштабов (массогабаритных показателей) исполнения объектов, иопасность возбуждения упругих колебаний препятствует любым попыткам реализовать потенциально весьма высокие предельные возможности быстродействия собственно исполнительных электрических или гидравлических приводов механизмов степеней подвижности управляемых объектов [1, 6, 8, 9]. Однако построение подавляющего большинства современных систем автоматического управления, движением базируется на традиционной для техники управления последних десятилетий идеологии так называемого подчиненного управления, основным вычислительным электронным модулем реализации которого является операционный усилитель. Очевидно, что в силу самих предпосылок к расчету двухили трехконтурных следящих систем с подчиненным управлением такое их построение ни в коей мере не учитывает проявление упомянутых ранее особенностей (неидеальностей) динамики сложных многостепенных взаимосвязанных нелинейных упругих механических объектов с неопределенными параметрами, изменяющейся геометрией и внешними возмущениями, носящими периодический и ударный характер. Так, предельно возможное в рамках широко-распространенного в технике метода подчиненного управления быстродействие, отвечающее идеализированному представлению одной степени подвижности объекта в виде жестко присоединенной к исполнительному приводу нагрузки с неизменной инерционной характеристикой, соответствует полосе пропускания следящей системы до 100−250 рад/с, т. е. 16−40 Гц [9, 16]. Таким образом, при наличииупругих деформаций с частотами, лежащими в пределах 2−15 Гц, реальное быстродействие систем должно быть, снижено многократно, что приводит к значительному недоиспользованию потенциальных возможностей современных исполнительных приводов. Очевидно также, что снижение быстродействия систем не решает проблему, устойчивости к возникновению упругих. колебаний, так как последние могут беспрепятствённо возбуждаться^ под. действием ударной нагрузки [8]. С другой стороны, вынужденное снижение быстродействия'- (добротности) следящих систем с подчиненным управлением в такой значительной степени ухудшает реакцию систем на5 возмущения, что приводит к большим динамическим, ошибкам («провалам»), этих систем в режимах стабилизированного наведения: Таким образом, сами1 современные электрические (и гидравлические) приводы создают необходимые предпосылки для< совершенствования систем управленияисполнительным ядром которых они являются.
Другойнеобходимой предпосылкой создания более совершенных систем автоматического управления подвижными механическими объектами являетсяидущий в настоящее: время поистине революционный переход от реализуемой в течение предшествующих десятилетий аналоговой элементной базы электронных блоков бортовых систем управления к современной высокопроизводительной вычислительной микроконтроллерной технике бортового применения. Это создает условия для такого же кардинального пересмотра традиционных методов построения: систем управления подвижными объектами и перехода к: более современным-. методам управления. Привлечение же современной высокопроизводительной вычислительной техники только для реализации довольно простых: традиционных линейных средств, подчиненного управления такими механическими объектами и игнорирование действительной сложности их динамики является ничем не оправданным недоиспользованием потенциальных возможностей современной бортовой вычислительной техники.
Таким образом, — задачи, связанные с разработкой эффективных систем автоматического управленияклассом объектов1 с многорезонансными нелинейными: упругими деформациями, априорно неопределенными сложным описанием, неполными измерениями, быстро и' в широких, пределах изменяющимися параметрами и внешними возмущениями, являются актуальными-и решаются-вданной работе'-в рамках беспоискового (аналитического) и интеллектуального адаптивных подходов, получивших в последнее время значительное теоретическое и теоретико-прикладное развитие: в отечественной и зарубежной научно-технической литературе усилиями' многих российских и зарубежных ученых.
Цель и задачи работы. Выполненный обзор актуальности темы, а также расчетные и экспериментальные исследования на кафедре систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» позволяют сформулировать следующую цель диссертационной работы: разработка, исследование и компьютерная реализация аналитических и интеллектуальных: адаптивных систем управления¦:. многомассовыми подвижными объектами с упругими деформациями, обеспечивающих повышение их устойчивости, быстродействия и точности. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разработать и исследовать адаптивные системы с параметрической: настройкой и применением гауссовых функций дляуправлениянелинейными объектами с функциональной и параметрической неопределенностью.
2. Разработать и исследовать, адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой дляуправления нелинейными объектами с функциональной и параметрической неопределенностью.
3. Разработать и исследовать адаптивные системы с параметрической настройкой и применением гауссовых функций для управления двухи трехмассовым нелинейными упругими электромеханическими объектами с неопределенным описанием.
4. Разработать и исследовать адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой для управления двухи трехмассовым нелинейными упругими электромеханическими объектами с неопределенным описанием.
5. Разработать и отладить компьютерные аналитические и интеллектуальные адаптивные системы для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом с неопределенным описанием и неполными измерениями в режиме реального времени.
1 Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории устойчивости и диссипативности систем, основанных. на функциях Ляпуновабеспоисковых методов синтеза адаптивных систем управления линейными и нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их точных и приближенных с гауссовыми функциями математических моделяхалгебраических методов теории системметодов построения и обучения нейронной сетиметодов аналитической механики, уравнений Лагранжа и теории малых колебаний упругих системчисленных методов интегрирования дифференциальных уравненийкомпьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктовметодов проектирования и экспериментального исследования макетов и микроконтроллерных опытных образцов в лабораторных условиях.
Научные результаты, выносимые на защиту.
1. Аналитические (беспоисковые) адаптивные системы с параметрической настройкой и применением гауссовых функций для управления нелинейными объектами с функциональной и параметрической неопределенностью.
2. Адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой для управления нелинейными объектами — с функциональной и параметрической неопределенностью.
3. Аналитические- (беспоисковые) адаптивные системы с параметрическойнастройкой и применением гауссовых функций для управления двухи трехмассовым нелинейными упругими электромеханическими объектами с неопределенным описанием.
4. Адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой для управления двухи трехмассовым нелинейными упругими электромеханическими объектами с неопределенным описанием.
5. Компьютерные аналитические и интеллектуальные адаптивные системы для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом с неопределенным описанием и неполными измерениями в режиме реального времени.
Достоверность научных и практических результатов.
Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации 1 обуславливается корректным использованием указанных выше методов исследования, применением современных компьютерных средств и программных комплексов, а также результатами исследования моделирования построенных в работе аналитических и интеллектуальных адаптивных систем управления многомассовыми упругими электромеханическими объектами.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что: — созданы полезные в инженерном проектировании простые, лаконичные, прозрачные и легко поддающиеся компьютеризации методики расчета семейства реализуемых аналитических и интеллектуальных адаптивных систем управления электромеханическими объектами, требующие весьма ограниченного объема априорных сведений (паспортных данных исполнительных электроприводов, количества и приблизительного диапазона изменения учитываемых резонансных частот и массоинерционных параметров);
— создан метод обучения в режиме «off-line» интеллектуальных систем на основе аналитических алгоритмов, выполненных на одной из двух систем управления упругим объектом.
— подтверждены систематическим моделированием выводы, что в силу эвристичности нейросетевых систем и их построения, приобретаемые ими адаптивные свойства в процессе обучения их с помощью аналитических систем могут превосходить адаптивные свойства самих обучающих систем, при этом нейросетевые системы требуют при микроконтроллерной реализации меньше вычислительных ресурсов;
— разработано и отлажено на базе пакета MATLAB и платы сопряжения Advantech PCI-1711 семейство аналитических и интеллектуальных адаптивных систем управления для класса двухмассовых упругих электромеханических объектов, полезных в качестве основы НИОКР и внедрения в конкретные изделия.
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 4 международных и всероссийских научно-технических конференциях: на VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. (14−17 апреля 2009 года: Программа. — СПб: СПбГУ ИТМО) — на 63-я научно-технической конференции профессорско-преддавательского состава университета (научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 26 января — 6 февраля 2010) — на третьей международной научно-практической конференции (современные проблемы гуманитарных и естественных наук, Москва, июня 2010 г.) — на XIII международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (июня 2010 г. Санкт Петербург, Россия).
Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и конкретные структуры семейства адаптивных и интеллектуальных систем использованы в 4 НИОКР:
• «Теоретические основы технологий безопасности движения подвижных объектов» (2006 — 2007 г. г.). Шифр — ФИЕТ/САУ-77. Источник финансирования — федеральный бюджет;
• «Создание автоматизированных методов синтеза и тестирования интеллектуальных мехатронных модулей» (2006 — 2008 г. г.). № гос. регистрации — 1.11.06 САУ-76. Источник финансирования — федеральный бюджет;
• «Разработка новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных и автодорожных покрытий, основанной на электромеханическом способе торможения измерительного колеса» государственный контракт от 15 июня 2009 г. № 02.740.11.0010 (2009;2011);
• «Создание автоматически управляемых электромеханических систем торможения колес воздушных и наземных транспортных средств» государственный контракт № П 548 от 05 августа 2009 г.(2009;2011).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и докладах, среди которых 1 статья включена в перечень изданий рекомендованных ВАК, 1 статья в другом издании, 4 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Основный материал диссертации изложен на 172 страницах машинописного текста, включает 121 рисунок и содержит список литературы из 95 наименований, среди которых 52 отечественных и 43 иностранных авторов.
4.4. Выводы по четвертой главе.
В четвертом разделе диссертационной работы решены следующие задачи:
1. Проведен расчет промышленного макета двухмассового нелинейного упругого электромеханического объекта с подчиненным управлением, а также структур модального управления, эталонной модели и наблюдателя (по измерению угловой скорости первого диска) реального объекта, служащих дальнейшему построению аналитических и интеллектуальных адаптивных систем управления в режиме реального времени.
2. Разработана и построена в среде Matlab — Simulink и на базе платы сопряжения Advantech PCI-1711 прямая адаптивная система с параметрической настройкой, гауссовыми функциями и наблюдателем для управления в режиме реального времени двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом. Результаты экспериментов различных режимов работы построенной системы по сравнению с работой исходной следящей системы и модальной системы подтверждают хорошую работоспособность беспоисковой адаптивной системы в задачах подавления упругих колебаний, обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности и влияния внешних возмущений.
3. Разработана и построена в среде Matlab — Simulink и на базе платы сопряжения Advantech PCI-1711 адаптивная нейросетевая система с эталонной моделью для управления в режиме реального времени двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом. Осуществлено обучение в режиме off-line нейросетевого регулятора на основе обучающей адаптивной системы. Результаты экспериментов различных режимов работы показывают практически такую же работоспособность построенной адаптивной нейросетевой системы, как у прямой адаптивной системы с параметрической настройкой и гауссовыми функциями, в задачах подавления упругих колебаний, улучшения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности и внешних возмущающих воздействий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе осуществлена поставленная цель теоретически обосновать, разработать, исследовать и реализовать на базе пакета МАТЪАВ и платы сопряжения Аёуа^есЬ РС1−1711 беспоисковые и интеллектуальные адаптивные электромеханические системы для управления многомассовыми нелинейными упругими объектами с неопределенными параметрами, обеспечивающие предельно достижимое исполнительным электроприводом быстродействие упругих объектов с одновременным подавлением многорезонансных упругих колебаний в условиях широкого изменения параметров упругих связей и распределения массоинерционных характеристик, неполных измерений и действия нелинейностей и внешних возмущений.
В рамках заявленной цели в диссертационной работе поставлены, решены и достаточно изложены следующие вопросы:, 1 1. Разработаны и построены аналитические (беспоисковые) адаптивные системы с параметрической настройкой и применением гауссовых функций для управления нелинейными объектами с функциональной параметрической неопределенностью.
2. Разработаны и построены адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой для управления нелинейными объектами с функциональной параметрической неопределенностью.
3. Разработаны и построены аналитические (беспоисковые) адаптивные системы с параметрической настройкой и применением гауссовых функций для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами. Построены в Ма^аЬ — БипиПпк программы моделирования для широкого использования. Результаты исследований по этим программам подтверждают работоспособность адаптивных систем в задачах подавления упругих колебаний, обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.
1, 4. Разработаны и построены адаптивные системы с нейросетевой параметрической настройкой для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами. Сформулирован новый метод обучения в режиме «off-line» нейросетевой настройки на основе аналитических алгоритмов беспоискового адаптивного с параметрической настройкой.
5. Разработана и построена в среде Matlab — Simulink и на базе платы сопряжения Advantech PCI-1711 адаптивную систему с параметрической настройкой, гауссовыми функциями и наблюдателем для управления в режиме реального времени двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом. Результаты экспериментов различных режимов работы построенной системы по сравнению с работой исходной следящей системы и модальной системы подтверждают хорошую работоспособность беспоисковой адаптивной системы в задачах подавления упругих колебаний, обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной 1 неопределенности и влияния внешних возмущений.
6. Разработана и построена в среде Matlab — Simulink и на базе платы сопряжения Advantech PCI-1711 адаптивную нейросетевую систему с эталонной моделью для управления в режиме реального времени двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом. Осуществлено обучение в режиме off-line нейросетевого регулятора на основе обучающей адаптивной системы. Результаты экспериментов различных режимов работы показывают практически такую же работоспособность построенной адаптивной нейросетевой системы, как у прямой адаптивной системы с параметрической настройкой и гауссовыми функциями, в задачах подавления упругих колебаний, улучшения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности и внешних возмущающих воздействий. Все решенные вопросы направлены на ближайшее практическое приложение полученных в диссертации результатов к разработке нового поколения беспоисковых и интеллектуальных адаптивных регуляторов, обеспечивающих значительное повышение устойчивости, точности и быстродействия реальных промышленных электромеханических систем.
Все решенные вопросы направлены на ближайшее практическое приложение полученных в диссертации результатов к разработке нового поколения беспоисковых и интеллектуальных адаптивных регуляторов, обеспечивающих значительное повышение устойчивости, точности и быстродействия реальных промышленных электромеханических систем.