WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
На правах рукописи

МАХМУД Бассам Юнес

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РОБОТОВ НА ОСНОВЕ ФАЗЗИ - РЕГУЛЯТОРОВ И НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05. 09. 03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сафонов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шевырев Юрий Вадимович,

кандидат технических наук

Безаев Владимир Григорьевич.

Ведущая организация: ОАО «Электропривод», г. Москва

Защита диссертации состоится «5» декабря 2008 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » _____ 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с ростом необходимости автоматизации технологических процессов и замены человека в опасных для него условиях работы широкое применение в современном производстве и научных исследованиях находят роботы. В большинстве случаев под роботом подразумеваются программно-управляемые автоматические манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

При выполнении технологической задачи меняется конфигурация робота. Из-за взаимного влияния звеньев робота их многосвязные электроприводы (ЭП) характеризуются переменными моментами инерции и моментами статической нагрузки. Это создает заметные проблемы при оптимизации контуров скорости и положения механизмов роботов. Многие роботы имеют автономные источники питания, например, аккумуляторные или солнечные батареи. В связи с ограниченностью ресурсов таких источников питания остро стоит задача экономии расхода потребляемой энергии приводами роботов, поэтому главной задачей оптимизации управления позиционным электроприводом роботов по технологическому признаку является реализация таких траекторий перемещения рабочих органов робота, при которых минимизируется расход энергии при наибольшем быстродействии движения в пределах требуемой точности позиционирования.

Применение классических систем позиционирования механизмов робота не обеспечивает перечисленные требования. Для электроприводов роботов, как систем с высокой сложностью и неполной информацией об объекте управления, наиболее эффективными могут оказаться интеллектуальные методы управления приводом (фаззи-управление и системы на базе нейронных сетей), которые позволяют сформулировать на логической основе необходимые алгоритмы управления при многих входных переменных.

Цель диссертационной работы. Разработка и совершенствование систем управления электроприводом роботов с изменяющимися в широком диапазоне параметрами механической части на основе фаззи-регуляторов и нейронных сетей с целью повышения качества работы привода при минимизации его электрических потерь.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создание математической модели манипулятора робота.

2. Разработка регулятора положения с применением методов нечеткой логики.

3. Формирование оптимальной траектории перемещения с применением нейронных сетей.

4. Разработка схем управления и программного обеспечения для реализации разработанных алгоритмов.

5. Экспериментальное исследование разработанных способов управления на промышленном роботе ТУР-10.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились путем анализа и синтеза уравнений движения робота с применением стандартных пакетов символьных вычислений, с применением теории электропривода и цифрового управления на основе принципов фаззи-управления и нейросетевого подхода. Результаты теоретического исследования проверялись компьютерным моделированием на основе программного пакета Matlab (Simulink), а также экспериментально на разработанной лабораторной установке.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается математической строгостью всех преобразований, а также экспериментальными исследованиями на промышленном роботе ТУР-10 с синтезированной структурой системы управления его приводом.

Новые научные положения, выносимые на защиту.

1. Методика вывода уравнений движения манипулятора робота.

2. Разработка фаззи-регулятора положения с тремя входными переменными для позиционного электропривода.

3. Формирование набора правил и функций принадлежности для фаззи-регулятора положения с применением нейронных сетей.

4. Выбор оптимальной траектории перемещения на основе нейронно-сетевого подхода, обеспечивающего минимизацию электрических потерь при высоком быстродействии и точности позиционирования.

5. Определение оптимальной нейронной сети по минимуму ошибки позиционирования и времени обучения сети при ограниченных ресурсах микроконтроллера.

Практическая ценность работы.

1. Процедура автоматического вывода уравнений движения робота позволяет получить математические соотношения, описывающие модель робота любой сложности и удобные для применения в электроприводах роботов.

2. Применение фаззи-регулятора с тремя входными переменными позволяет уменьшать колебания тока и скорости в переходных процессах и в установившемся режиме работы привода, а также увеличивать точность позиционирования в широком диапазоне изменения момента инерции технологического объекта.

3. Применение нейронных сетей для оптимизации траектории движения схвата робота, позволяет сократить потребление энергии, а также повысить быстродействие системы с ограниченным ресурсом источника питания.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII-ой международной научно-технической конференции «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, РГГРУ, 2007 г); на XIII-ой и XIV-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ(ТУ), 2007 г., 2008 г.); на научно- практической конференции «Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» (г. Москва, РГГРУ, 2008 г.); на заседании кафедры АЭП МЭИ(ТУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано пять печатных работ, в том числе одна публикация в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 35 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 191 страницах, содержит 125 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и конкретизированы основные задачи и способы их решения.

В первой главе дана классификация роботов, проведен обзор основных разработок и исследований в области решения уравнений движения манипуляторов роботов.

Способ расчета кинематических и динамических величин, определяющих математическую модель манипулятора, является одной из характеристик математического моделирования манипуляторов.

При выводе уравнений движения манипуляторов используются различные законы. Среди них можно выделить методы, основанные на уравнениях Лагранжа, Ньютона-Эйлера, Д'Аламбера, Кейна, которые были исследованы в работах Попова Е.П., Denavit J, Hollerbach J., Hartenberg R.S. и др.

Взаимное расположение звеньев и конфигурация манипулятора определяют способ задания систем координат и выбор параметров этих звеньев. В работе Hollerbach J. показано, что в большинстве случаев наиболее подходящим способом описания динамики являются уравнения Лагранжа второго рода. Поэтому в данной работе используется метод формирования уравнений движения манипулятора в форме Лагранжа. В отличие от вышеуказанных работ, предложено локальные системы координат звеньев манипулятора привязать к валам соответствующих двигателей.

В работе предложена универсальная методика вывода уравнений движения робота с применением пакета символьных вычислений на основе уравнений Лагранжа второго рода.

Исходя из полученных уравнений движения, строятся нагрузочные диаграммы механизма согласно требованиям к выполнению технологической задачи, на основе которых осуществляется выбор двигателей. Решение обратной задачи динамики необходимо для процесса управления выбранным двигателем таким образом, чтобы он развивал момент, необходимый для выполнения технологической задачи.

Используя полученные уравнения движения, можно также оценить взаимовлияние звеньев. Показано, что возникающие при сложном движении кориолисовы моменты и центробежные силы искажают нагрузочные диаграммы двигателей, увеличивая среднеквадратичные моменты и соответственно потери энергии.

Во второй главе исследуются способы автоматического регулирования положения позиционных электроприводов (ПЭП). Система автоматического управления (САУ) положения предусматривается лишь на участках движения в районе заданных рабочих позиций, а на основной части пути перемещения от одного положения к другому система разомкнута по выходной координате. Датчики подключаются в зоне точного останова. Они обеспечивают автоматическое регулирование положения по отклонению от заданной точки пути перемещения с требуемой точностью. Для электроприводов позиционных механизмов кроме регулирования положения обычно требуются регулирование скорости и ограничение тока якоря в переходных процессах допустимым значением Iя =Iстоп.

Первоначально исследовалась трехконтурная система ПЭП с использованием параболического регулятора положения. Ограничение по току якоря приводит к необходимости усложнения регулятора положения. Поэтому строится сложный трехступенчатый регулятор положения, который работает на трёх участках в зависимости от значения отрабатываемого перемещения при торможении.

В качестве объекта исследования в работе принят промышленный робот (ПР) ТУР-10, моделирование осуществлялось в пакете Matlab (Simulink).

Анализ результатов моделирования трехконтурной системы ПЭП показал, что применение типовых методов управления не обеспечивает качественную настройку САУ ЭП при возможных изменениях момента инерции в процессе выполнения роботом технологической задачи.

В работе решение подобной задачи предложено на основе программного фаззи-управления в контуре положения. В существующих работах (Постников В.Г., Коротков А.В.) по применению фаззи-логики в ряде электротехнических систем и, в частности, в электроприводах, фаззи-регуляторы (ФР) были применены для однокоординатных ЭП. В отличие от этих работ предложено рассматривать прямое фаззи - управление в многокоординатном ЭП где фаззи-регулятор выполняет основную задачу управления при взаимовлиянии частей механизма робота между собой.

Сильные стороны такого подхода: описание условий и метода решения задачи на языке, близком к естественному языку; универсальность, любая математическая система может быть аппроксимирована системой, основанной на нечеткой логике.

Для каждой входной переменной предложено задать необходимое количество составляющих ее фаззи-множеств и определить вид функций принадлежности этой переменной к данным фаззи-множествам. Количество фаззи-множеств для каждой входной переменной выбирается логически и технически целесообразным, исходя из следующего рассуждения: увеличение количества фаззи-множеств с одной стороны приводит к уточнению создаваемого закона регулирования, а с другой стороны усложняет процедуру синтеза алгоритма, т.к. увеличивает общее количество правил и требуемую для ее хранения память.

Структурно ФР различаются по числу входных переменных и числу фаззи-множеств для каждой входной переменной, например, согласно принятому в работе обозначению, ФР3-3 - соответствует фаззи-регулятор с тремя входными переменными и тремя фаззи-множествами для каждой входной переменной.

Для ФР3-3 получаются три таблицы правил, которые формируют куб правил с числом правил (27).

При разложении куба правил ФР3-3 получаются три таблицы правил, соответствующие трем входным переменным: «рассогласование», «скорость» и «ток». Таблица 1 отражает правила соответствующие всем возможным вариантам фаззи-множеств указанных переменных.

Таблица 1.

I=nb

I=z

I=pb

nb

z

pb

nb

nm

ps

pb

z

nb

z

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»