УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖИТЕЛЕМ ПОДВОДНОГО РОБОТА Российский патент 2002 года по МПК B25J13/00 

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

Известно устройство для управления приводом робота (Патент РФ 2066626, Бюллетень 26, 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.

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 движителем подводного робота (Патент РФ 2147001, Бюллетень 9, 2000 г.), содержащее три сумматора, два из которых по входам соединены с задатчиками, последовательно соединенные блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом блока умножения, входом блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход блока вычисления модуля соединен со вторым входом блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора (Прототип).

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

Существенной особенностью движителя подводного робота является то, что во многих практически важных режимах эксплуатации его параметры (в частности, присоединенный момент инерции жидкости, коэффициент вязкого трения винта) меняются в широких пределах и не могут быть точно определены на этапе проектирования системы управления. Устройство-прототип предназначено для работы только в условиях постоянства параметров объекта и не обеспечивает качественное управление движителем в указанных режимах, так как не учитывает влияние параметрической неопределенности и нестационарности на динамические свойства системы.

Технической задачей изобретения является построение устройства для управления приводом движителя подводного робота, которое обеспечит требуемые высокие показатели качества работы при любых изменениях параметров объекта (в заданном диапазоне) за счет компенсации нелинейных взаимосвязей, возникающих при вращении гребного винта в вязкой жидкости, и осуществления сигнальной самонастройки по эталонной модели в случае отклонения этих параметров от заданных номинальных значений.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления движителем подводного робота, содержащее три сумматора, два из которых по входам соединены с задатчиками, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и первый блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом первого блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом первого блока умножения, входом первого блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход первого блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные четвертый сумматор, интегратор, пятый сумматор, релейный элемент и второй блок умножения, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора, последовательно соединенные третий блок умножения и шестой сумматор, своим выходом соединенный со вторым входом второго блока умножения, а вторым входом через второй блок вычисления модуля подключенный к выходу четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, а второй вход - с выходом интегратора, причем первый вход третьего блока умножения подключен к выходу датчика скорости, а его второй вход и второй вход пятого сумматора подключены к выходу первого блока умножения.

Технический результат заявляемого решения выражается в формировании дополнительного сигнала самонастройки, подаваемого на вход привода, который обеспечивает компенсацию отрицательного влияния параметрической неопределенности и нестационарности, возникающей при воздействии вязкой жидкости на гребной винт, на показатели качества работы системы. Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволила решить поставленную техническую задачу.

В заявляемой системе в отличие от прототипа введены блоки и связи, реализующие дополнительный контур самонастройки по эталонной модели. Следовательно, заявляемое устройство является новым и обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

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

На чертеже приведены следующие обозначения:
τ_вх - входной сигнал, задающий требуемую силу тяги движителя;
τ_м - выходной сигнал эталонной модели;
ε - ошибка привода (величина рассогласования);
ε_м - ошибка системы относительно модели;
ω - угловая скорость вращения вала двигателя 8;
u* - усиливаемый сигнал;
u - сигнал управления двигателем 8;
z - сигнал самонастройки;
δ - малый постоянный положительный сигнал.

Устройство для управления движителем подводного робота содержит три сумматора 1, 2, 3, причем второй 2 и третий 3 сумматоры по входам соединены с первым 4 и вторым 5 задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок 6 умножения, первый сумматор 1, усилитель 7 и двигатель 8, соединенный непосредственно с датчиком 9 скорости, а также блок 10 деления и первый блок 11 вычисления модуля, причем выход второго сумматора 2 соединен с первым входом блока 10 деления, а его второй вход - с выходом первого блока 6 умножения, выход датчика 9 скорости соединен с первым входом первого блока 6 умножения, входом первого блока 11 вычисления модуля и вторым входом первого сумматора 1, выход первого блока 11 вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока 6 умножения и вторым входом третьего сумматора 3, выход которого соединен со вторым входом блока 10 деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора 1, последовательно соединенные четвертый сумматор 12, интегратор 13, пятый сумматор 14, релейный элемент 15 и второй блок 16 умножения, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора 2, последовательно соединенные третий блок 17 умножения и шестой сумматор 18, своим выходом соединенный со вторым входом второго блока 16 умножения, а вторым входом через второй блок 19 вычисления модуля подключенный к выходу четвертого сумматора 12, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика 4, а второй вход - с выходом интегратора 13, причем первый вход третьего блока 17 умножения подключен к выходу датчика 9 скорости, а его второй вход и второй вход пятого сумматора 14 подключены к выходу первого блока 6 умножения, объект управления 20.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε с сумматора 2 после коррекции в блоках 10 и 1, усиливаясь, поступает на электродвигатель 8, приводя его вал во вращательное движение с угловой скоростью, зависящей от величины поступающего сигнала u и момента вязкого трения, возникающего при вращении гребного винта в жидкости и нелинейно зависящего от величины ω. Сила тяги (упор) движителя также нелинейно зависит от скорости вращения винта, а параметры движителя (момент инерции с учетом присоединенного момента инерции жидкости и коэффициент вязкого трения) изменяются в процессе управления в широких пределах. Наличие указанных факторов приводит к снижению показателей качества работы традиционных систем и значительному отклонению процессов управления от желаемых в большинстве режимов эксплуатации движителя.

При условии применения электродвигателя постоянного тока и учета вязкого трения, возникающего при вращении гребного винта в жидкости, динамика движителя описывается нелинейным дифференциальным уравнением первого порядка с переменными коэффициентами:

где J_д - момент инерции вращающихся частей движителя с учетом присоединенных моментов инерции, К_с - коэффициент вязкого трения винта, K_m, K_w - коэффициенты момента и противоЭДС, R - сопротивление якорной цепи, К_у - коэффициент усиления усилителя мощности 7.

Сила тяги движителя τ_д связана со скоростью вращения вала ω нелинейным алгебраическим уравнением:
τ_д = K_тω|ω|,
где К_т - коэффициент тяги.

Коэффициенты J_д и К_с в уравнении (1) могут принимать любые значения в некотором заданном диапазоне. Как следствие, процессы в системе с традиционной коррекцией, рассчитанной для номинальных параметров объекта, не могут иметь стабильно высокие показатели качества во всех режимах работы.

В заявляемом устройстве первый положительный вход сумматора 1 (со стороны блока 6 умножения) имеет коэффициент усиления К_снR/(К_уК_m), его второй положительный вход (со стороны датчика 9 скорости) - коэффициент усиления K_w/K_y, а третий положительный вход (со стороны блока 10 деления) - коэффициент усиления R/(K_yK_m). Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны задатчика 4) имеет коэффициент усиления J_днК_д/(2Т_дК_т), его второй отрицательный вход (со стороны блока 6 умножения) - коэффициент усиления J_дн/(2Т_д), а третий положительный вход (со стороны блока 16 умножения) - единичный коэффициент усиления. Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны задатчика 5) и его второй положительный вход (со стороны блока 11 вычисления модуля) имеют единичные коэффициенты усиления. Первый положительный вход сумматора 12 (со стороны задатчика 4) имеет коэффициент усиления К_д/Т_д, а его второй отрицательный вход (со стороны интегратора 13) - коэффициент усиления 1/Т_д. Первый положительный вход сумматора 14 (со стороны интегратора 13) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход (со стороны блока 6 умножения) - коэффициент усиления К_т. Первый положительный вход сумматора 18 (со стороны блока 17 умножения) имеет коэффициент усиления К_h2, а его второй положительный вход (со стороны блока 19 вычисления модуля) - коэффициент усиления К_h1.

Поскольку датчик 9 скорости измеряет угловую скорость вращения вала двигателя, то после преобразования его выходного сигнала в блоках 6 и 11 на выходе сумматора 2 формируется сигнал J_днK_дτ_вх/(2T_дK_т)-J_днω|ω|/(2T_д)+z, а на выходе сумматора 3 - сигнал |ω|+δ (где δ - малый постоянный положительный сигнал с выхода задатчика 5, устраняющий ситуацию типа "деление на ноль" при малых скоростях вращения вала двигателя).

На выходе блока 10 деления формируется сигнал (J_днK_дτ_вх/(2T_дK_т)-J_днω|ω|/(2T_д)+z)/(|ω|+δ), который в рабочих режимах движителя ввиду малости δ может быть приближенно представлен в виде (J_днK_дτ_вх/(2T_дK_т)-J_днω|ω|/(2T_д)+z)/|ω|. С учетом указанных выше коэффициентов усиления входов сумматора 1 на его выходе окончательно будет сформирован сигнал вида:

Последовательное соединение блоков 12 и 13 представляет собой эталонную модель, уравнение которой с учетом коэффициентов усиления входов сумматора 12 имеет вид:

где Т_д и К_д - постоянные желаемые параметры.

В результате на выходе сумматора 14 формируется сигнал ошибки ε_м = τ_м-τ_д, а на выходе релейного элемента 15 - сигнал sign(ε_м).
На выходе сумматора 18 с учетом коэффициентов усиления его входов формируется сигнал K_h1|τ_м|+K_h2|ω³|. В результате сигнал z на выходе блока 16 умножения окончательно будет сформирован в виде:

В тех режимах работы, когда параметры объекта J_д и К_c равны выбранным номинальным значениям J_дн и К_сн, сигналы на выходах системы τ_д и модели τ_м совпадают, поэтому ε_м= 0 и, согласно (4), z=0. В этом случае, подставив значение u* (см. (2)) в уравнение (1), получим выражение, описывающее динамику привода с учетом введенной коррекции в виде:

Если же J_д≠J_дн и К_с≠К_сн, то τ_д≠τ_м и z≠0. Однако при соблюдении условий К_h1>(1/(2К_т)) mах|J_д-J_дн| и К_h2 > mах|K_c-K_сн| принятый закон формирования сигнала самонастройки z, как следует из теоремы Ляпунова, обеспечивает устойчивость состояния ε_м=0. Следовательно, ε_м _→ 0 при любых параметрах объекта из заданного диапазона. В результате τ_д _→ τ_м, и процесс в системе, начиная с некоторого момента времени, по-прежнему будет определяться уравнением модели (3), а значит, желаемым уравнением (5).

Таким образом, в результате применения заявленного устройства система управления движителем в целом при любых значениях параметров объекта будет иметь требуемые динамические свойства (соответствующие линейному апериодическому звену и зависящие только от задаваемых на этапе проектирования коэффициентов Т_д и К_д) 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 окружающей среды и изменения параметров объекта в широких пределах. Для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается в устройство для управления движителем подводного робота, содержащее три сумматора, два из которых по входам соединены с задатчиками, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и первый блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом первого блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом первого блока умножения, входом первого блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход первого блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора, дополнительно ввести последовательно соединенные четвертый сумматор, интегратор, пятый сумматор, релейный элемент и второй блок умножения, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора, последовательно соединенные третий блок умножения и шестой сумматор, своим выходом соединенный со вторым входом второго блока умножения, а вторым входом через второй блок вычисления модуля подключенный к выходу четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, а второй вход - с выходом интегратора, причем первый вход третьего блока умножения подключен к выходу датчика скорости, а его второй вход и второй вход пятого сумматора подключены к выходу первого блока умножения. 1 ил.

Устройство для управления движителем подводного робота, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и первый блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом первого блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом первого блока умножения, входом первого блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход первого блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый сумматор, интегратор, пятый сумматор, релейный элемент и второй блок умножения, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора, последовательно соединенные третий блок умножения и шестой сумматор, своим выходом соединенный со вторым входом второго блока умножения, а вторым входом через второй блок вычисления модуля подключенный к выходу четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика, а второй вход - с выходом интегратора, причем первый вход третьего блока умножения подключен к выходу датчика скорости, а его второй вход и второй вход пятого сумматора подключены к выходу первого блока умножения.