УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖИТЕЛЕМ ПОДВОДНОГО РОБОТА Российский патент 2000 года по МПК B25J13/08 

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для создания системы управления движителями подводного робота.

Известно устройство для управления приводом робота (Патент РФ N1782721, Бюллетень N 47, 1992 г.), содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом со входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен ко входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор, и со второго по пятый блоки умножения, датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен ко второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы, соответственно, ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора.

Недостатком данного устройства является то, что оно, будучи предназначенным только для управления манипулятором, не обеспечивает требуемую точность и устойчивость работы приводов подводных аппаратов.

Известно также устройство для управления приводом робота (Патент РФ N2066626, Бюллетень N26, 1996 г.), содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, первый усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом со входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен ко входу релейного элемента, второму входу второго сумматора, и выходу первого датчика скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, первый квадратор, шестой сумматор и со второго по пятый блоки умножения, датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен ко второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен, соответственно, к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы, соответственно, ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через первый квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий функциональный преобразователь и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, а выход - к пятому входу четвертого сумматора, а также последовательно соединенные второй усилитель, четвертый функциональный преобразователь, седьмой блок умножения, восьмой сумматор и восьмой блок умножения, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь, девятый и десятый блоки умножения, последовательно соединенные третий датчик скорости и второй квадратор, выход которого подключен ко второму входу восьмого блока умножения, выход которого соединен с шестым отрицательным входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала и девятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, его третий вход - к выходу датчика массы, а его выход - ко второму входу седьмого блока умножения, причем второй вход десятого блока умножения через шестой функциональный преобразователь подключен к выходу седьмого сумматора и входу второго усилителя, а его выход - ко второму положительному входу восьмого сумматора, второй вход девятого блока умножения соединен с выходом пятого сумматора, а вход пятого функционального преобразователя - с выходом второго датчика положения (прототип).

Данное устройство но своей сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

В заявляемом устройстве в отличие от прототипа исполнительным органом является гребной винт движителя подводного робота, совершающий вращательное движение в вязкой среде. Особенность данного объекта заключается в наличии дополнительного моментного воздействия на привод, нелинейно зависящего от скорости вращения винта, а также существенно нелинейной зависимости силы тяги движителя от скорости вращения винта. Устройство-прототип не может обеспечить качественного управления движителем подводного робота, так как не учитывает влияние указанных факторов на динамические свойства системы.

Технической задачей изобретения является построение устройства для управления приводом движителя подводного робота, которое обеспечит требуемые высокие показатели качества работы за счет компенсации дополнительных существенно нелинейных взаимосвязей, возникающих при вращении гребного винта в вязкой жидкости, а также учета эффектов, возникающих при реверсе и движении подводного аппарата по пространственной траектории.

Поставленная задача решается чем, что в устройство для управления движителем подводного робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости, дополнительно введены последовательно соединенные четвертый сумматор, второй блок умножения, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом квадратора, первый функциональный преобразователь, второй функциональный преобразователь, первый блок деления, второй вход которого через шестой сумматор соединен с выходом первого сумматора и входом квадратора, третий блок умножения, седьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, четвертый блок умножения, третий функциональный преобразователь, второй блок деления, второй вход которого через восьмой сумматор, своим вторым отрицательным входом подключенный к выходу первого блока умножения, соединен с выходом задатчика входного сигнала, а выход со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости, первый блок вычисления модуля, пятый блок умножения, выход которого соединен с первым отрицательным входом первого сумматора, причем выход второго датчика скорости соединен со вторым отрицательным входом первого сумматора, а также шестой блок умножения, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, вторым входом второго сумматора, вторым входом шестого сумматора, третьим входом седьмого сумматора, а выход с третьим входом третьего сумматора, а также седьмой блок умножения, первый вход которого соединен с выходом первого функционального преобразователя, а выход с третьим отрицательным входом второго сумматора, а также второй блок вычисления модуля, выход которого соединен со вторым входом первого блока умножения, вторым входом шестого блока умножения, вторым входом третьего блока умножения, первым входом четвертого сумматора, а также релейный элемент, вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, входом второго блока вычисления модуля, четвертым входом третьего сумматора, четвертым входом седьмого сумматора, вторым входом четвертого сумматора, третьим входом первого сумматора, вторым входом второго блока умножения, а выход со вторым входом четвертого блока умножения, вторым входом пятого блока умножения и вторым входом седьмого блока умножения.

Технический результат заявляемого решения выражается в формировании дополнительных сигналов управления, подаваемых на вход привода, которые обеспечивают компенсацию отрицательного влияния существенно нелинейных взаимосвязей, возникающих при вращении винта в вязкой жидкости и эффектов, проявляющихся при реверсе и движении подводного робота по пространственной траектории, на показатели качества работы системы. Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволила решить поставленную задачу.

В заявляемой системе в отличие от прототипа введены блоки и связи, реализующие дополнительную нелинейную обратную связь по скорости вращения вала движителя. Следовательно, заявляемое устройство является новым и обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного использования.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления движителем подводного робота.

На чертеже введены следующие обозначения:
τ_вх - входной сигнал, задающий требуемую силу тяги движителя;
ε - ошибка привода (разность между задаваемой и реальной силой тяги);
ω - угловая скорость вращения вала двигателя 6;
s, D - промежуточные сигналы;
u^* - усиливаемый сигнал;
u - сигнал управления двигателем 6.

Устройство для управления движителем подводного робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор 1, второй сумматор 2, первый блок 3 умножения, третий сумматор 4, усилитель 5 и двигатель 6, связанный непосредственно с первым датчиком 7 скорости, последовательно соединенные четвертый сумматор 8, второй блок 9 умножения, пятый сумматор 10, второй вход которого соединен с выходом квадратора 11, первый функциональный преобразователь 12, второй функциональный преобразователь 13, первый блок 14 деления, второй вход которого через шестой сумматор 15 соединен с выходом первого сумматора 1 и входом квадратора 11, третий блок 16 умножения, седьмой сумматор 17, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 2, четвертый блок 18 умножения, третий функциональный преобразователь 19, второй блок 20 деления, второй вход которого через восьмой сумматор 21, своим вторым отрицательным входом подключенный к выходу первого блока 3 умножения, соединен с выходом задатчика 22 входного сигнала, а выход со вторым входом третьего сумматора 4, последовательно соединенные второй датчик 23 скорости, первый блок 24 вычисления модуля, пятый блок 25 умножения, выход которого соединен с первым отрицательным входом первого сумматора 1, причем выход второго датчика скорости 23 соединен со вторым отрицательным входом первого сумматора 1, а также шестой блок 26 умножения, первый вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 8, вторым входом второго сумматора 2, вторым входом шестого сумматора 15, третьим входом седьмого сумматора 17, а выход с третьим входом третьего сумматора 4, а также седьмой блок 27 умножения, первый вход которого соединен с выходом первого функционального преобразователя 12, а выход с третьим отрицательным входом второго сумматора 2, а также второй блок 28 вычисления модуля, выход которого соединен со вторым входом первого блока 3 умножения, вторым входом шестого блока 26 умножения, вторым входом третьего блока 16 умножения, первым входом четвертого сумматора 8, а также релейный элемент 29, вход которого соединен с выходом первого датчика скорости 7, входом второго блока 28 вычисления модуля, четвертым входом третьего сумматора 4, четвертым входом седьмого сумматора 17, вторым входом четвертого сумматора 8, третьим входом первого сумматора 1, вторым входом второго блока 9 умножения, а выход со вторым входом четвертого блока 18 умножения, вторым входом пятого блока 25 умножения и вторым входом седьмого блока 27 умножения.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε c сумматора 21 после коррекции в блоках 20 и 4, усиливаясь, поступает па электродвигатель 6, приводя его вал во вращательное движение с частотой, зависящей от величины поступающего сигнала u и момента вязкого трения, возникающего при вращении гребного винта в жидкости и нелинейно зависящего от величин ω и v. Сила тяги (упор) и движителя также нелинейно зависит от чистоты вращения винта и скорости движения окружающей среды относительно подводного робота вдоль оси винта. Наличие указанных нелинейностей приводит к снижению качества работы движителей и значительному отклонению траекторий движения подводного робота от желаемых в большинстве режимов его эксплуатации.

Зависимость силы тяги и момента, действующего на винт со стороны жидкости, от частоты вращения винта и скорости перемещения окружающей среды относительно подводного робота в тех случаях, когда ω≫1 рад/с, определяется системой уравнений


где





H₁ - гидродинамический шаг винта; H - геометрический шаг винта; δH - гидродинамическая поправка на шаг винта; F_t, F_m - обобщенные коэффициенты упора и момента; m - величина, характеризующая профильные потери винта; ρ - плотность окружающей среды; A_s - площадь диска винта; T - упор, создаваемый винтом; M - момент на валу движителя; ω - скорость вращения винта; v - скорость движения окружающей среды относительно подводного робота вдоль оси движителя; s(ω,v_p) - абсолютное скольжение винта.

В качестве исполнительного элемента использован электродвигатель постоянного тока, описываемый линейным дифференциальным уравнением первого порядка

где J_д - момент инерции вращающихся частей движителя с учетом присоединенных моментов инерции; R - сопротивление якорной цени двигателя; k_m, k_w - коэффициенты момента и противоЭДС; k_у - коэффициент усиления усилителя мощности.

Датчик 23 скорости установлен на корпусе подводного робота и измеряет величину скорости перемещения окружающей среды относительно подводного робота. Релейный элемент 29 имеет следующую характеристику:
u_вых = sign(u_вх).

Сигнал v, после преобразования в блоке 24 и домножения на величину sign(ω), в блоке умножения 25 поступает на вход сумматора 1. Коэффициенты усиления входов сумматора 1 имеют следующие значения: коэффициент усиления первого отрицательного входа (со стороны блока умножения 25) равен 0.25, второго отрицательного входа (со стороны датчика скорости 23) - 0.25, третьего положительного входа (со стороны релейного элемента 29) k₁. В результате на выходе сумматора 1 получается сигнал (k₁ω-v_p/2).

Коэффициент усиления первого положительного входа сумматора 8 (со стороны блока 28 вычисления модуля) равен δH/(2π), а второго положительного входа (со стороны датчика 7 скорости) равен H/(2π). Таким образом сигнал на выходе сумматора 8 равен . После преобразования сигнала с выхода сумматора 1 в квадраторе 11 и после суммирования его с сигналом, поступающим с выхода блока 9 умножения, в сумматоре 10, коэффициент усиления которого по первому положительному входу (со стороны блока 9 умножения) равен 2k₁, а по второму положительному входу (со стороны квадратора 11) равен единице, на выходе сумматора 10 формируется сигнал (k₁ω-v_p/2)²+2k₁H₁ω². Затем в (функциональном преобразователе 12 происходит вычисление квадратного корня из сигнала, поступающего с выхода сумматора 10.

Сумматор 2 имеет единичный коэффициент усиления по первому (со стороны сумматора 1) и второму (со стороны сумматора 8) положительным и третьему (со стороны блока 27 умножения) отрицательному входам. Поэтому сигнал на его выходе с учетом перемножения сигналов в блоке 27 умножения равен

Функциональный преобразователь 13 описывается следующим выражением:

где δ - малая величина, определяемая зоной нечувствительности блока деления и предотвращающая случай деления на 0.

Первый положительный вход сумматора 15 (со стороны сумматора 1) имеет единичный коэффициент усиления, а второй положительный вход (со стороны сумматора 8) имеет коэффициент усиления, равный 2. После деления в блоке 14 деления сигнала с выхода сумматора 15 на сигнал с выхода функционального преобразователя 13, сигнал с выхода блока 14 деления домножается на в блоке 16 умножения.

Первый отрицательный вход (со стороны блока 16 умножения) и четвертый положительный и вход (со стороны датчика 7 скорости) сумматора 17 имеют коэффициент усиления, равный k₁, второй (со стороны сумматора 2) и третий (со стороны сумматора 8) положительные входы имеют единичные коэффициенты усиления. После домножения сигнала с выхода сумматора 17 на величину sign(ω), в блоке 18 умножения, формируется сигнал

Для того чтобы избежать деления на 0, сигнал D преобразуется в функциональном преобразователе 19, который описывается выражением

Коэффициент усиления первого положительного входа сумматора 21 (со стороны задатчика 22 входного сигнала) равен k_d, а его второй отрицательный вход (со стороны блока 3 умножения) имеет коэффициент усиления, равный . В результате на выходе сумматора 21 формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока умножения 3) имеет коэффициент усиления, равный второй положительный вход (со стороны блока 20 деления) имеет коэффициент усиления, равный , третий положительный вход (со стороны блока 26 умножения) имеет коэффициент усиления, равный , четвертый положительный вход (со стороны датчика 7 скорости) имеет коэффициент усиления, равный k_w/k_у. В результате на выходе сумматора 4 формируется сигнал вида

Подставив значение u^* (см. (2)) в выражение (1), получим выражение, описывающее динамику движителя с учетом введенной коррекции в виде

где k_d, T_d - желаемые коэффициент усиления и постоянная времени. Таким образом, в результате применения заявленного устройства движитель в целом в любых режимах его работы всегда будет иметь требуемые динамические свойства, соответствующие линейному апериодическому звену с постоянными коэффициентами, и показатели качества.

Изобретение относится к робототехнике и используется для создания системы управления движителями подводного робота. Технический результат - обеспечение требуемых динамических свойств и показателей качества работы системы управления движителем подводного робота в условиях существенного влияния вязкой среды. При формировании необходимых корректирующих сигналов учитываются основные эффекты взаимодействия винта с вязкой средой (профильные потери, изменение шага винта при реверсе, влияние скорости движения подводного робота). После коррекции движитель сохраняет требуемые показатели качества во всех режимах работы подводного робота. Для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается дополнительно ввести четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой сумматоры, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой блоки умножения, первый и второй блоки деления, первый и второй блоки вычисления модуля, первый, второй и третий функциональные преобразователи, квадратор, задатчик входного сигнала, второй датчик скорости, релейный элемент. 1 ил.

Устройство для управления движителем подводного робота, содержащее восемь сумматоров, семь блоков умножения, два датчика скорости, квадратор, три функциональных преобразователя, задатчик входного сигнала, релейный элемент, усилитель и двигатель, первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель соединены последовательно и двигатель соединен непосредственно с первым датчиком скорости, отличающееся тем, что оно снабжено двумя блоками деления и двумя блоками вычисления модуля, причем последовательно соединены четвертый сумматор, второй блок умножения, пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом квадратора, первый функциональный преобразователь, второй функциональный преобразователь, первый блок деления, второй вход которого через шестой сумматор соединен с выходом первого сумматора и входом квадратора, третий блок умножения, седьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, четвертый блок умножения, третий функциональный преобразователь, второй блок деления, второй вход которого через восьмой сумматор, своим вторым отрицательным входом подсоединенный к выходу первого блока умножения, соединен с выходом задатчика входного сигнала, а выход - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединены второй датчик скорости, первый блок вычисления модуля, пятый блок умножения, выход которого соединен с первым отрицательным входом первого сумматора, при этом выход второго датчика скорости соединен со вторым отрицательным входом первого сумматора, первый вход шестого блока умножения соединен с выходом четвертого сумматора, вторым входом второго сумматора, вторым входом шестого сумматора, третьим входом седьмого сумматора, а выход шестого блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора, первый вход седьмого блока умножения соединен с выходом первого функционального преобразователя, а выход - с третьим отрицательным входом второго сумматора, выход второго блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения, вторым входом шестого блока умножения, вторым входом третьего блока умножения, первым входом четвертого сумматора, вход релейного элемента соединен с выходом первого датчика скорости, входом второго блока вычисления модуля, четвертым входом третьего сумматора, четвертым входом седьмого сумматора, вторым входом четвертого сумматора, третьим входом первого сумматора, вторым входом второго блока умножения, а выход релейного элемента соединен со вторым входом четвертого блока умножения, вторым входом пятого блока умножения и вторым входом седьмого блока умножения.