Устройство для управления подводным роботом

 

Изобретение относится к робототехнике и используется для создания системы управления подводным роботом. Технический результат - обеспечение требуемых динамических свойств и показателей качества работы системы управления подводным роботом в условиях существенного влияния вязкой окружающей среды и изменения параметров объекта в широких пределах. Устройство для управления подводным роботом содержит три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно соединенные усилитель и движитель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также первый блок вычисления модуля, причем 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. Также устройство содержит последовательно соединенные интегратор, четвертый сумматор, первый релейный элемент и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок извлечения квадратного корня и третий блок умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя, а вторым входом через второй релейный элемент подключенный ко входу второго блока вычисления модуля и к выходу первого сумматора, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика. Причем второй вход третьего сумматора через квадратор подключен к выходу датчика скорости и второму входу четвертого сумматора, а его третий вход через третий блок вычисления модуля подключен ко входу интегратора и к выходу второго сумматора, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора. 1 ил.

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для создания системы управления подводным роботом.

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 подводного робота является то, что во многих практически важных режимах эксплуатации его параметры (в частности, присоединенные моменты инерции жидкости, коэффициенты вязкого трения) меняются в широких пределах и не могут быть точно определены на этапе проектирования системы управления. Кроме того, при выполнении сложных пространственных маневров качество процессов управления значительно снижается из-за наличия квадратичной зависимости упоров движителей от скоростей вращения гребных винтов, сильного взаимовлияния между степенями подвижности аппарата и внешних воздействий со стороны вязкой окружающей среды. Устройство-прототип предназначено только для отдельного движителя подводного робота с постоянными параметрами и не обеспечивает качественного управления подводным роботом в целом в указанных режимах, так как не учитывает влияния перечисленных отрицательных факторов на динамические свойства системы.

Технической задачей изобретения является построение устройства для управления подводным роботом, которое обеспечит требуемые высокие показатели качества работы при любых изменениях параметров объекта (в заданном диапазоне) за счет компенсации нелинейных взаимосвязей, возникающих при движении аппарата в вязкой жидкости и одновременном быстром изменении нескольких его пространственных координат, и осуществления сигнальной самонастройки по эталонной модели в случае отклонения этих параметров от заданных номинальных значений, а также наличия внешних воздействий.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно соединенные усилитель и движитель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также первый блок вычисления модуля, причем 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, дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, четвертый сумматор, первый релейный элемент и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок извлечения квадратного корня и третий блок умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя, а вторым входом через второй релейный элемент подключенный ко входу второго блока вычисления модуля и к выходу первого сумматора, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика, причем второй вход третьего сумматора через квадратор подключен к выходу датчика скорости и второму входу четвертого сумматора, а его третий вход через третий блок вычисления модуля подключен ко входу интегратора и к выходу второго сумматора, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора.

Технический результат заявляемого решения выражается в формировании дополнительных управляющих сигналов (в т.ч. разрывного сигнала самонастройки), подаваемых на входы движителей подводного робота, которые обеспечивают компенсацию отрицательного влияния на показатели качества работы системы параметрической неопределенности и нестационарности, а также нелинейных взаимосвязей, возникающих при воздействии на аппарат со стороны вязкой жидкости. 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 специальное нелинейное корректирующее устройство и 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 подводным роботом.

На чертеже приведены следующие обозначения:

υ_вх - входной сигнал, задающий скорость движения подводного робота;

υ - скорость движения подводного робота;

υ_м - выходной сигнал эталонной модели;

ε - ошибка привода (величина рассогласования);

ε_м - ошибка системы относительно модели;

u* - усиливаемый сигнал;

u - сигнал управления движителем 8;

z - сигнал самонастройки;

f_max - постоянный положительный сигнал.

Устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора 1, 2 и 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 и первый сумматор 1, последовательно соединенные усилитель 7 и движитель 8, соединенный непосредственно с датчиком 9 скорости, а также первый блок 10 вычисления модуля, причем выход датчика 9 скорости соединен с первым входом первого блока 6 умножения, входом первого блока 10 вычисления модуля и вторым входом первого сумматора 1, выход первого блока 10 вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока 6 умножения, последовательно соединенные интегратор 11, четвертый сумматор 12, первый релейный элемент 13 и второй блок 14 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 3, а выход - к третьему входу первого сумматора 1, последовательно соединенные второй блок 15 вычисления модуля, блок 16 извлечения квадратного корня и третий блок 17 умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя 7, а вторым входом через второй релейный элемент 18 подключенный ко входу второго блока 15 вычисления модуля и к выходу первого сумматора 1, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика 4, причем второй вход третьего сумматора 3 через квадратор 19 подключен к выходу датчика 9 скорости и второму входу четвертого сумматора 12, а его третий вход через третий блок 20 вычисления модуля подключен ко входу интегратора 11 и к выходу второго сумматора 2, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора 11, объект управления 21.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε c сумматора 1 после коррекции в блоках 15, 16, 17 и 18, усиливаясь, поступает на движитель 8, приводя во вращение гребной винт и осуществляя в результате движение подводного робота по заданной координате со скоростью υ, нелинейно зависящей от величины поступающего сигнала u, неконтролируемого внешнего возмущения f, включающего в себя взаимовлияние между каналами управления движением по отдельным координатам и воздействие со стороны окружающей жидкости, и момента вязкого трения в жидкости, нелинейно зависящего от величины υ. Параметры подводного робота (масса и моменты инерции с учетом присоединенных масс и моментов 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 подводного робота.

При условии безынерционности движителя и учета квадратичной зависимости силы тяги (упора) движителя от управляющего напряжения динамика движения подводного робота по любой координате описывается нелинейным дифференциальным уравнением первого порядка с переменными коэффициентами

где m - коэффициент, определяющий инерционные свойства подводного робота (с учетом присоединенных масс или моментов инерции жидкости); d - коэффициент вязкого трения, _у, К_д - коэффициенты усиления усилителя мощности 7 и движителя 8; К_т - коэффициент тяги движителя 8.

Уравнение (1) движения подводного робота является существенно нелинейным, а коэффициенты m и d могут принимать любые значения в некотором заданном диапазоне. Как следствие, процессы в системе с традиционной линейной 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 _н/(K_т(K_дK_у)²), его второй отрицательный вход (со стороны датчика 9 скорости) - коэффициент усиления m_н/(Т_жК_т(К_дК_у)²), третий положительный вход (со стороны блока 14 умножения) - коэффициент усиления 1/К_т(К_дК_у)²), а четвертый положительный вход (со стороны задатчика 4) - коэффициент усиления К_жm_н/(Т_жК_т(К_дК_у)²). Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны задатчика 4) имеет коэффициент усиления К_ж/Т_ж, а его второй отрицательный вход (со стороны интегратора 11) - коэффициент усиления 1/Т_ж. Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны задатчика 5) имеет единичный коэффициент усиления, его второй положительный вход (со стороны квадратора 19) имеет коэффициент усиления Кυ, а его третий положительный вход (со стороны третьего блока 20 вычисления модуля) - коэффициент усиления Кυ_м. Первый положительный и второй отрицательный входы сумматора 12 (со стороны интегратора 11 и датчика 9 скорости соответственно) имеют единичные коэффициенты усиления.

Поскольку датчик 9 скорости измеряет скорость движения подводного робота по заданной координате, то после преобразования его выходного сигнала в блоках 6 и 10 на выходе сумматора 1 формируется сигнал ошибки . С учетом преобразования сигнала ε в блоках 15, 16 и 18 на выходе блока 17 умножения окончательно будет сформирован сигнал вида

Последовательное соединение блоков 2 и 11 представляет собой эталонную модель, уравнение которой с учетом коэффициентов усиления входов сумматора 2 имеет вид

где Т_ж и К_ж - постоянные желаемые параметры.

В результате на выходе сумматора 12 формируется сигнал ошибки ε_м=υ_м-υ, а на выходе релейного элемента 13 - сигнал sign(ε_м).

На выходе сумматора 3 с учетом коэффициентов усиления его входов формируется сигнал . В результате сигнал z на выходе блока 14 умножения окончательно будет сформирован в виде

где Кυ_м и Kυ- постоянные желаемые параметры.

В тех режимах работы, когда параметры объекта m и d равны выбранным номинальным значениям m_н и d_н, сигналы на выходах системы υ и модели υ_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 движения подводного робота с учетом введенной нелинейной коррекции в виде

Если же m≠m_н и d≠d_н то и υ≠υ_м и z≠0. Однако при соблюдении условий и 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 υ→υ_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 подводным роботом 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_ж и К_ж) и показатели качества.

Формула изобретения

Устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно соединенные усилитель и движитель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также первый блок вычисления модуля, причем 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, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, четвертый сумматор, первый релейный элемент и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок извлечения квадратного корня и третий блок умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя, а вторым входом через второй релейный элемент, подключенный ко входу второго блока вычисления модуля и к выходу первого сумматора, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика, причем второй вход третьего сумматора через квадратор подключен к выходу датчика скорости и второму входу четвертого сумматора, а его третий вход через третий блок вычисления модуля подключен ко входу интегратора и к выходу второго сумматора, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1