Оптимальные и адаптивные системы управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АстРаханский государственный технический университет

Институт информационных технологий и коммуникаций

Специальность: Автоматизация технологических процессов и производств

Форма обучения: заочная

Реферат

по дисциплине «Системы оптимального управления»

на тему «Оптимальные и адаптивные системы управления»

Исполнитель студент

Кель В.В.

Преподаватель

Кокуев А.Г.

Астрахань 2016 г



Содержание

1. Система управления и ее принципы

2. Оптимальное управление

3. Задачи оптимального управления

4. Адаптивное управление

5. Классификация адаптивных систем

6. Адаптация

7. Уровни адаптации

8. Особенности адаптивных систем управления

9. Структура адаптивных систем управления

10. Программное обеспечение систем управления адаптивных роботов

11. Основные функции программного обеспечения

Заключение

Список литературы



1. Система управления и ее принципы

Система - это целое, созданное из частей и элементов, взаимодействующих между собой, для целенаправленной деятельности. Среди её основных признаков следует назвать: множественность элементов, целостность и единство между ними, наличие определённой структуры и т.д. Вместе с тем система имеет свойства, отличные от свойств своих элементов. Всякая система, в общем виде, имеет входное воздействие, систему обработки, конечные результаты и обратную связь.

Управление - это процесс воздействия на систему с целью поддержания заданного или перевода её в новое состояние.

Система управления - совокупность всех элементов, подсистем и коммуникаций между ними, а также процессов, обеспечивающих заданное (целенаправленное) функционирование организации.

Одно из первых определений понятия «система» встречается в работе К. Болдуинга: «система - это совокупность из двух или более элементов, удовлетворяющих следующим условиям:

- поведение каждого элемента влияет на поведение целого;

- поведение элементов и их взаимодействие на целое взаимозависимы;

- если существуют подгруппы элементов, то каждая из них влияет на поведение целого и ни одна из них не оказывает такого влияния независимо».

Из этого следует, что система представляет собой некое единство, а не простую совокупность составляющих ее частей. По этому поводу Р. Акофф отмечает, что, «когда система расчленена, она теряет свои сущностные свойства».

Основными системными принципами являются:

1) целостность - несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого;

2) структурность - возможность описания системы через установление ее структуры, т. е. обусловленность поведения системы не столько поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры;

3) взаимозависимость структуры и среды - система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом активным элементом взаимодействия;

4) иерархичность - каждый элемент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая система представляет собой один из элементов более широкой, глобальной системы;

5) множественность описания каждой системы, дающее макроскопическое, микроскопическое, иерархическое, функциональное и процессуальное представление о системе. В связи с этим задачей системного подхода является идентифицировать целое, объяснить поведение и свойства целого с точки зрения его роли и функции.

Система управления с позиции системного подхода может быть определена как:

- концептуальная, если она рассматривается как модель системы управления;

- эмпирическая, если рассматривается конкретная организация;

- искусственная, поскольку она создана и используется людьми;

- «человекомашинная» («человекокомпьютерная»), поскольку в контур управления включена автоматизированная информационная система;

- замкнутая или открытая в зависимости от решаемых задач и используемой для этого информации - только внутренней или связанной с окружающей средой;

- временная, поскольку она периодически подвергается формальным или неформальным изменениям.

Существуют два основных вида систем: закрытые и открытые. Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы от среды, окружающей системы. Часы - знакомый пример закрытой системы.

Открытая система характеризуется взаимодействием с внешней средой. Энергия, информация, материалы - это объекты обмена с внешней средой проницаемые границы системы. Такая система не является само обеспечивающейся, она зависит от энергии, информации и материалов, поступающий извне. Кроме того, открытая система имеет способность приспосабливаться к изменениям во внешней среде и должна делать это для того, чтобы продолжить свое функционирование.

Руководители в основном занимаются системами открытыми, потому что все организации являются открытыми системами. Выживание любой организации зависит от внешнего мира.

Принципы управления - не что иное, как исходные, фундаментальные, базовые идеи управленческой деятельности, а так же важнейшие требования, соблюдение которых обеспечивает ее эффективность. Принципы управления являются важнейшим элементом механизма управления, так как произрастают они из законов и закономерностей управления, и тем самым отражают объективную реальность. Вместе с тем, принципы принадлежат субъекту, и в этой связи они имеют субъективный характер. Такая двойственность природы принципов уп¬равления требует определенного, взвешенного отношения к ним как руководству к действиям.

Принципы системы управления весьма разнообразны и они достаточно жестко определяют характер связей в системе, структуру органов управления, принятие и реализацию управленческих решений.

К числу основных принципов системы управления могут быть отнесены:

- принцип научной обоснованности.

- принцип системности и комплексности.

- принцип единоначалия и коллегиальности в управлении.

- принцип демократического централизма.

- принцип единства отраслевого и территориального управления.

- принцип иерархичности и обратной связи.

Основное предназначение системы управления - обеспечение устойчивости и целостности деятельности. Об устойчивости деятельности можно говорить тогда, когда заданное направление выдерживается несмотря на постоянно изменяющиеся обстоятельства. О целостности - когда все органы большого сложного организма действуют как одно целое, только в этом случае и возможно двигаться, не отклоняясь от заданного курса. Чтобы обеспечить устойчивость и целостность деятельности, система управления должна быть адаптивной и управляемой соответственно.

Адаптивность системы управления - это свойство, отражающее её способность быстро и гибко реагировать на любые изменения и вырабатывать адекватные управленческие команды, позволяющие сводить к минимуму действие возмущающих факторов. Адаптивность - основное свойство, обеспечивающее устойчивость деятельности.

В данном случае под адаптивностью понимается способность системы управления не только реагировать на внешние изменения, но также предвидеть их. Дело в том, что изменения, особенно в сфере экономики, не происходят одномоментно, поскольку основаны на предпочтениях множества людей, т.е. речь идет о тенденциях, не явных в самом начале и все более очевидных по мере их проявления. Адаптивность тем выше, чем раньше замечаются и правильно оцениваются эти тенденции. Соответственно, чем выше адаптивность, тем эффективнее система управления самообучается и совершенствуется, тем быстрее и гибче реагирует на внешние изменения.

Адаптивность - это не только способность своевременно реагировать на внешние изменения, это еще и способность учитывать внутренние возможности системы. Что именно изменить в деятельности, чтобы она оставалась устойчивой, как перестроить систему управления, чтобы она соответствовала изменившимся требованиям, кого и чему нужно обучить, чтобы не отставать от жизни - все это и еще многое другое зависит от того, насколько адекватными и приемлемыми в каждый момент времени будут принимаемые управленцами решения. Адаптивность тем выше, чем более точно оцениваются возможности системы к изменению и чем более полно используются эти возможности для изменения деятельности в нужном направлении.

Таким образом, обеспечение высокой адаптивности деятельности предъявляет особые требования к организации управления: ключевые посты в системе должны занимать наиболее способные управленцы. Пост считается ключевым, если полномочия руководителя на этом посту позволяют ему существенно влиять на деятельность предприятия в целом. А способности данного руководителя должны быть такими, чтобы он не зависел от мнения большинства, догм и стереотипов, был способен самостоятельно мыслить и умел принимать оптимальные решения в нестандартных ситуациях, был ответственным и умел вести за собой людей.

Управляемость - это такое свойство системы управления, которое отражает ее способность своевременно и без искажений доводить управленческие команды до каждого работника предприятия. Только в этом случае деятельность всех работников предприятия будет направлена на достижение общего результата, и все они будут действовать согласованно и слаженно. Управляемость - это основное свойство, обеспечивающее целостность деятельности.

Как уже говорилось, при большой численности работников управление выделяется в особую деятельность со своим собственным результатом, с необходимостью согласования усилий управленцев и обеспечения их результативности. В связи с этим становится актуальным, насколько согласованно действуют собственно управленцы: стоит кому-то из них начать действовать самому по себе, в отрыве от всех остальных, реализуя собственные цели, как тут же целостность деятельности начинает разрушаться. Как правило, это происходит в тех случаях, когда такой руководитель ориентирован на достижение личных интересов в противовес производственным, действует своекорыстно и безответственно, не способен справиться со своими настроениями и зависит от своих предпочтений. Возможны также ситуации, когда с ответственностью у руководителя все в порядке и он ориентирован на решение производственных задач, но его способностей не хватает для того, чтобы успешно управлять более способными руководителями, находящимися у него в подчинении. В этом случае у такого руководителя остаются только крайне неэффективные формальные рычаги воздействия.

Фактически, в обоих случаях происходит разрыв одной или нескольких управленческих связей, что означает невозможность в полной мере добиваться согласованности деятельности на отдельных участках производства: управленческие воздействия искажаются или попросту не доходят с верхнего уровня управления на нижний. Это приводит к снижению управляемости, то есть “отрезанная” часть деятельности начинает отклоняться от общего направления движения. В конечном итоге, нарушается целостность деятельности и снижается ее устойчивость.

Таким образом, обеспечение высокой управляемости также предъявляет особые требования к организации системы управления: расстановка руководителей должна осуществляться с учетом их способностей к управлению так, чтобы повсеместно обеспечить целостность управленческих связей. Поэтому минимально необходимое условие для обеспечения управляемости заключается в том, чтобы все руководители были надежными и ответственными, не зависели от своих настроений и предпочтений, были бы ориентированы на интересы производства, а не на удовлетворение собственных потребностей. Только в этом случае можно быть достаточно уверенным, что приказы будут надежно отрабатываться.

2. Оптимальное управление

Оптимальное управление -- это задача проектирования системы, обеспечивающей для заданного объекта управления или процесса закон управления или управляющую последовательность воздействий, обеспечивающих максимум или минимум заданной совокупности критериев качества системы [1].

Для решения задачи оптимального управления строится математическая модель управляемого объекта или процесса, описывающая его поведение с течением времени под влиянием управляющих воздействий и собственного текущего состояния. Математическая модель для задачи оптимального управления включает в себя: формулировку цели управления, выраженную через критерий качества управления; определение дифференциальных или разностных уравнений, описывающих возможные способы движения объекта управления; определение ограничений на используемые ресурсы в виде уравнений или неравенств

Согласно сложившейся в последнее время точке зрения, оптимальное управление представляет собой определенный раздел теории экстремальных задач (теории оптимизации), посвященный исследованию и решению вопросов максимизации и минимизации функционалов на множествах функций специального вида. С другой стороны, - оптимальное управление тесно связано с выбором наиболее выгодных (оптимальных) режимов управления сложными объектами, которые описываются при помощи систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Если первая точка зрения непосредственно согласуется с классификацией, принятой в «классической» матема- тике, то вторая - более прикладная, поскольку ориентирована на решение различного рада задач из экономики и техники. При изложении материала данного пособия предпочтение отдается именно второй точке зрения.

3. Задачи оптимального управления

Задачи оптимального управления относятся к теории экстремальных задач, то есть задач определения максимальных и минимальных значений. Уже то обстоятельство, что в этой фразе встретилось несколько латинских слов (maximum - наибольшее, minimum - наименьшее, extremum - крайнее, optimus - оптимальное), указывает, что теория экстремальных задач была предметом исследования с древних времен. О некоторых таких задачах писали еще Аристотель (384-322 годы до н.э.), Евклид (III в. до н.э.) и Архимед (287-212 годы до н.э.). Основание города Карфагена (825 год до н.э.) легенда ассоциирует с древнейшей задачей определения замкнутой плоской кривой, охватывающей фигуру максимально возможной площади. Подобные задачи именуются изопериметрическими.

Характерной особенностью экстремальных задач является то, что их постановка была порождена актуальными запросами развития общества. Более того, начиная с XVII века доминирующим становится представление о том, что законы окружающего нас мира являются следствием некоторых вариационных принципов. Первым из них был принцип П. Ферма (1660 год), в соответствии с которым траектория света, распространяющегося от одной точки к другой, должна быть такова, чтобы время прохождения света вдоль этой траектории было минимально возможным. Впоследствии были предложены раз- личные широко используемые в естествознании вариационные принципы, например: принцип стационарного действия У.Р. Гамильтона (1834 год), принцип виртуальных перемещений, принцип наименьшего принуждения и др. Параллельно развивались и методы решения экстремальных задач. Около 1630 года Ферма сформулировал метод исследования на экстремум для полиномов, состоящий в том, что в точке экстремума производная равняется нулю. Для общего случая этот метод получен И. Ньютоном (1671) и Г.В. Лейбницем (1684), работы которых знаменуют зарождение математического анализа. Начало развития классического вариационного исчисления датируется появлением в 1696 году статьи И. Бернулли (ученика Лейбница), в которой сформулирована постановка задачи о кривой, соединяющей две точки А и В, двигаясь по которой из точки А в В под действием силы тяжести материальная точка достигнет В за минимально возможное время.

В рамках классического вариационного исчисления в XVIII-XIX веках установлены необходимые условие экстремума первого порядка (Л. Эйлер, Ж.Л. Лагранж), позднее развиты необходимые и достаточные условия второго порядка (К.Т.В. Вейерштрасс, А.М. Лежандр, К.Г.Я. Якоби), построены теория Гамильтона-Якоби и теория поля (Д. Гиль- берт, А. Кнезер). Дальнейшее развитие теории экстремальных задач привело в XX веке к созданию линейного программирования, выпуклого анализа, математического программирования, теории минимакса и некоторых иных разделов, одним из которых является теория оптимального управления.

Эта теория подобно другим направлениям теории экстремальных задач, возникла в связи с актуальными задачами автоматического регулирования в конце 40-х годов (управление лифтом в шахте с целью наискорейшей остановки его, управление движением ракет, стабилизация мощности гидроэлектростанций и др.). Заметим, что постановки отдельных задач, которые могут быть интерпретированы как задачи оптимального управления, встречались и ранее, например в “Математических началах натуральной философии” И. Ньютона (1687). Сюда же относятся и задача Р. Годдарда (1919) о подъеме ракеты на заданную высоту с минимальными затратами топлива и двойственная ей задача о подъеме ракеты на максимальную высоту при заданном количестве топлива. За прошедшее время были установлены фундаментальные принципы теории оптимального управления: принцип максимума и метод динамического программирования.

Указанные принципы представляют собой развитие классического вариационного исчисления для исследования задач, содержащих сложные ограничения на управление.

Сейчас теория оптимального управления переживает период бурного развития как в связи с наличием трудных и интересных математических проблем, так и в связи с обилием приложений, в том числе и в таких областях, как экономика, биология, медицина, ядерная энергетика и др.

Все задачи оптимального управления можно рассматривать как задачи математического программирования и в таком виде решать их численными методами.

При оптимальном управлении иерархическими многоуровневыми системами, например, крупными химическими производствами, металлургическими и энергетическими комплексами, применяются многоцелевые и многоуровневые иерархические системы оптимального управления. В математическую модель вводятся критерии качества управления для каждого уровня управления и для всей системы в целом, а также координация действий между уровнями управления.

Если управляемый объект или процесс является детерминированным, то для его описания используются дифференциальные уравнения. Наиболее часто используются обыкновенные дифференциальные уравнения вида . В более сложных математических моделях (для систем с распределёнными параметрами) для описания объекта используются дифференциальные уравнения в частных производных. Если управляемый объект является стохастическим, то для его описания используются стохастические дифференциальные уравнения.

Если решение поставленной задачи оптимального управления не является непрерывно зависящим от исходных данных (некорректная задача), то такая задача решается специальными численными методами[5].

Система оптимального управления, способная накапливать опыт и улучшать на этой основе свою работу, называется обучающейся системой оптимального управления[6].

Реальное поведение объекта или системы всегда отличается от программного вследствие неточности в начальных условиях, неполной информации о внешних возмущениях, действующих на объект, неточности реализации программного управления и т.д. Поэтому для минимизации отклонения поведения объекта от оптимального обычно используется система автоматического регулирования.[7]

Иногда (например, при управлении сложными объектами, такими как доменная печь в металлургии или при анализе экономической информации) в исходных данных и знаниях об управляемом объекте при постановке задачи оптимального управления содержится неопределённая или нечёткая информация, которая не может быть обработана традиционными количественными методами. В таких случаях можно использовать алгоритмы оптимального управления на основе математической теории нечётких множеств (Нечёткое управление). Используемые понятия и знания преобразуются в нечёткую форму, определяются нечёткие правила вывода принимаемых решений, затем производится обратное преобразование нечётких принятых решений в физические управляющие переменные.

4. Адаптивное управление

Адаптивное управление -- совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Подобные системы управления называются адаптивными.

5. Классификация адаптивных систем

По характеру изменений в управляющем устройстве адаптивные системы делят на две большие группы:

-самонастраивающиеся (изменяются только значения параметров регулятора)

-самоорганизующиеся (изменяется структура самого регулятора).

По способу изучения объекта системы делятся на поисковые и беспоисковые.

В первой группе особенно известны экстремальные системы, целью управления которых является поддержание системы в точке экстремума статических характеристик объекта. В таких системах для определения управляющих воздействий, обеспечивающих движение к экстремуму, к управляющему сигналу добавляется поисковый сигнал. Беспоисковые адаптивные системы управления по способу получения информации для подстройки параметров регулятора делятся на

-системы с эталонной моделью (ЭМ)

-системы с идентификатором, в литературе иногда называют, как системы с настраиваемой моделью (НМ).

Адаптивные системы с ЭМ содержат динамическую модель системы, обладающую требуемым качеством. Адаптивные системы с идентификатором делятся по способу управления на прямой и косвенный(непрямой).

При косвенном адаптивном управлении сначала делается оценка параметров объекта, после чего на основании полученных оценок определяются требуемые значения параметров регулятора и производится их подстройка. При прямом адаптивном управлении благодаря учёту взаимосвязи параметров объекта и регулятора производится непосредственная оценка и подстройка параметров регулятора, чем исключается этап идентификации параметров объекта. По способу достижения эффекта самонастройки системы с моделью делятся на

-системы с сигнальной (пассивной)

-системы с параметрической (активной) адаптацией.

В системах с сигнальной адаптацией эффект самонастройки достигается без изменения параметров управляющего устройства с помощью компенсирующих сигналов. Системы, сочетающие в себе оба вида адаптации называют комбинированными.

Применение

Применяется для управления нелинейной системой, или системой с переменными параметрами. К примерам таких систем относят, например, асинхронные машины, транспортные средства на магнитной подушке, магнитные подшипники и т.п. Среди механических систем можно назвать инверсный маятник, подъемно транспортные машины, роботы, шагающие машины, подводные аппараты, самолеты, ракеты, многие виды управляемого высокоточного оружия и т.п.

6. Адаптация

Адаптация (аккомодация) является основной реакцией живого организма, обеспечивающей ему возможность выживания. Она означает приспособление организма к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Реализация этого принципа в технических системах, а именно в робототехнике, по-видимому, имеет много достоинств, а иногда и просто необходима. Понятие адаптации или адаптивности в технике носит очень широкий характер и имеет поэтому много толкований. К сожалению, до сих пор нет точного общепринятого определения адаптивной системы, поэтому попытаемся пояснить смысл этого термина следующими рассуждениями.

Как известно, с помощью разомкнутого управления без обратной связи можно исключить влияние на выходные параметры объекта некоторых предсказуемых внешних возмущений при условии, что характеристики отдельных компонент и элементов системы управления достаточно просты и их свойства не изменяются.

Ликвидировать влияние непредсказуемых внешних возмущений на поведение объекта возможно в рамках традиционной теории управления. Для этого необходимо использовать принцип обратной связи, т.е. организовать замкнутую систему управления, свойства всех элементов которой полагаются известными и не изменяющимися во времени. Иногда может допускаться дрейф некоторых характеристик, но в очень незначительных пределах. Однако на практике часто встречаются такие объекты управления, амплитудные и частотные параметры которых варьируются в широких пределах под действием внешних причин с течением времени и в силу свойств самого объекта. В несколько раз может изменяться момент инерции манипулятора в сложенном состоянии по отношению к полностью вытянутому; вязкость рабочей жидкости в полостях гидроцилиндров подводного робота, работающего на разных глубинах моря при различных глубинах и температуре воды; трение в опорах двигателей в процессе загрязнения и старения смазки и многие другие характеристики. В то же время при управлении сложными объектами - гибкими производственными модулями, линиями или участками, состоящими из многих единиц оборудования, количество внешних и внутренних факторов, оказывающих возмущающее действие на их работу, резко возрастает. Среди них могут быть ошибки позиционирования заготовок или даже их отсутствие в нужный момент, износ обрабатывающего инструмента, отклонение стыка свариваемых деталей от заданной траектории движения электрода сварочного автомата, раскачивание деталей на подвесном конвейере в процессе захвата их роботом и другие подобные факторы, требующие адаптации управляющей системы, т.е. самонастройки и приспособления к реальным условиям эксплуатации. Реакция системы управления проявляется в изменении структуры, параметров, а иногда и алгоритма действий так, чтобы гарантировать достижения поставленной цели.

Существуют общие свойства, характеризующие процесс адаптации:

- выходные параметры объекта регулирования и характеристики возмущающих факторов находятся под постоянным контролем и управлением с помощью устройств, дополнительно включаемых в состав управляющей системы;

- наблюдаемое поведение объекта описывается некоторым показателем качества, оценивающим в количественной форме характер протекания процесса управления;

- отклонение показателя качества за пределы допуска влечет за собой автоматическую настройку параметров регулятора или замену алгоритма управления, результатом которых является достижение желаемого показателя качества или реализации поставленной цели.

Описанные свойства присущи в более или менее ярко выраженной форме всем адаптивным системам управления, всегда являющимися системами с обратной связью.

7. Уровни адаптации

В зависимости от цели управления адаптивные системы в робототехнике можно условно разделить на следующие уровни.

Первый уровень характеризуется способностью самонастройки параметров регулятора на основе информации о состоянии объекта, находящегося под возмущающим действием внешней среды. Оценка состояния объекта может осуществляться либо прямым измерением требуемых параметров, либо путем их идентификации. В последнем случае на объект подаются определенные пробные управляющие воздействия, фиксируется его реакция и на основании анализа поведения объекта дается оценка априорно неизвестным или изменившимся его параметрам. Характерным примером этого уровня адаптации робототехнической системы может служить регулятор, управляющий замкнутым по положению электрогидравлическим приводом манипулятора подводного аппарата. Особенность эксплуатации подводных роботов заключается в необходимости поддержания на заданном уровне статических и динамических параметров гидроприводов в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды. Температура слоев воды может значительно отличаться, что может привести к изменению вязкости рабочей жидкости и, как следствие, к непредсказуемому дрейфу характеристик привода. Устранить это неприятное явление способна адаптивная система управления, идентифицирующая изменение характеристик и обеспечивающая соответствующую самонастройку параметров регулятора.

Для второго уровня адаптации робототехнических систем характерно включение в состав управляющего устройства дополнительных информационных средств, обеспечивающих сбор и обработку данных о состоянии внешней среды. На основании анализа изменений внешней среды осуществляется коррекция управляющей программы робота, позволяющая в новых условиях достичь поставленной цели. Хотя на этом уровне адаптации коррекция программных действий допускается лишь в небольших пределах, эффект от применения таких адаптивных систем управления на практике значителен. Примером может служить электродуговая роботизированная сварка крупногабаритных изделий. В этом технологическом процессе трудно обеспечить постоянство пространственного расположения линии стыка свариваемых частей от изделия к изделию. Поэтому сварочный робот должен уметь корректировать программную траекторию движения электрода в соответствии с реальным положением линии стыка, измеряемым специальными датчиками.

Понятие цели управления для адаптивных робототехнических систем третьего уровня вытекает из требования реализации максимальной производительности при обеспечении отсутствия брака. Характерны для этого уровня адаптации развитые средства для сбора информации о внешней среде, самодиагностирования, а, возможно, и саморемонта компонент управляемой производственной системы. Поясним сказанное примерами.

Одной из сложных с точки зрения автоматизации является операция абразивной зачистки литья, особенности которой заключаются в криволинейности формы отливок, отсутствии на них базовых поверхностей, которые можно было бы принять за начало отсчета для последующих точных перемещений и износ абразивного инструмента, поэтому выполнить абразивную зачистку или шлифование изделий, используя робот с программным управлением, практически невозможно. Решение этой задачи можно найти только в классе адаптивных систем, дополнив управляющее устройство робота средствами для контроля качества обработки поверхности отливки, датчиками сил резания и износа абразивного инструмента.

Система управления адаптивного модуля абразивной зачистки, анализируя степень шероховатости поверхности, может принять решение о повторном цикле обработки текущего участка детали или дать команду роботу переместить в зону шлифования следующий ее участок. Одновременно, используя информацию о силах резания и оценивая износ абразивного инструмента, адаптивная система управления может организовывать оптимальные с точки зрения производительности режимы обработки. программный обеспечение адаптивный робот

Другим примером адаптации робототехнической системы, при которой происходит изменение алгоритма управления, служит гибкая производственная система, например, механообработки, включающая в себя несколько единиц или десятков металлорежущих станков, объединенных автоматической транспортной складской системой. Такая система функционирует по заданной программе до тех пор, пока не произойдет какой-либо сбой. Если, например, выйдет из строя один из обрабатывающих центров, то система управления ГПС должна, оперативно оценив обстановку, принять решение о последующих действиях, разработать, возможно ценой снижения производительности, новую технологическую схему последовательной обработки изделий, выпускаемых данной гибкой производственной системой, и обеспечить функционирование станков и транспорта по новой маршрутной схеме до тех пор, пока ремонтная бригада не вернет в строй аварийный станок.

Рассмотренные уровни адаптации робототехнических систем различаются не столько количеством дополнительных устройств, обеспечивающих сбор и обработку информации об изменении параметров оборудования, внешней среды и характере их взаимодействия, сколько возможностью организовывать системы, способные функционировать во все более сложных, непредсказуемых изменениях условий эксплуатации.



8. Особенности адаптивных систем управления

Общие принципы организации адаптивной системы управления можно проследить на примере промышленного робота, осуществляющего съем деталей с подвесного конвейера и укладку их в тару.

Если момент прохождения деталью заданного положения известен, то задание может быть выполнено роботом, управляемым по жесткой программе. Для этого достаточно задать координаты точек позиционирования в исходном положении, положении захвата и положении тары, в которую ориентированно укладываются детали. Алгоритм, лежащий в основе программы действий робота, можно представить в следующем виде:

1 - задать координаты точек позиционирования;

2 - перенести захватное устройство в положение захвата детали;

3 - перейти в положение захвата детали;

4 - включить пневматическое захватное устройство;

5 - перейти в исходное положение;

6 - перенести захватное устройство с деталью к таре;

7 - выключить пневматическое захватное устройство;

8 - повторить с метки 2.

Однако успешная перегрузка деталей с конвейера в тару будет продолжаться, пока не возникнет пусть даже незначительное отклонение положения детали от заданного в программе. Причиной отклонения может быть неравномерность скорости движения конвейера или раскачивание детали. В этом случае деталь будет захвачена роботом неверно или не будет захвачена вовсе. Естественно, робот не заметит подобного сбоя и будет продолжать совершать ошибочные действия, пока не вмешается человек-оператор и не выключит его.

Сбои из-за неравномерности движения конвейера можно исключить, сохранив программный режим работы. Для этого достаточно оснастить конвейер датчиком, срабатывающим в момент прохождения крюком конвейера заданного положения захвата, установив в управляющей программе между метками 2 и 3 условный оператор, разрешающий переход на метку 3 только после получения сигнала датчика. Однако введение в систему управления датчика положения крюка конвейера не исключает сбоев от раскачивания деталей. Кроме того, программное управление оказывается бессильным, если детали неверно подвешены на конвейере. Очевидно, что решить данную задачу под силу только адаптивной системе управления. Для этого существующий робототехнический модуль необходимо оснастить не только датчиком положения крюка, а еще и средствами для распознавания деталей и измерения координат точки для их захвата. В этом случае рассмотренный выше алгоритм действий робота модифицируется в такую последовательность:

1 - задать координаты точек позиционирования: исходной и тары;

2 - перенести захватное устройство в исходное положение;

3 - по сигналу датчика положения крюка произвести распознавание детали, измерить координаты точки захвата и ориентацию детали;

4 - перейти в положение захвата, ориентировать захватное устройство по отношению к оси детали;

5 - включить пневматическое захватное устройство;

6 - перейти в исходное положение;

7 - перенести захватное устройство с деталью к таре;

8 - выключить пневматическое захватное устройство;

9 - повторить с метки 2.

Таким образом, дополнительные устройства, введенные в систему управления, и модификация исходной программы позволяют обслуживать конвейер, перемещающийся с априори неизвестной скоростью и произвольным, в определенных пределах, расположением деталей.



9. Структура адаптивных систем управления

Анализируя функции программной и адаптивной систем управления роботом, решающим рассматриваемую задачу, можно заметить, что они отличаются только устройствами, воспринимающими информацию о внешней среде. Эти устройства обрабатывают эту информацию и выбирают последовательность обхода уже имеющихся в программе робота точек позиционирования.

Компоненты адаптивной и программной среды, отвечающие за исполнение выбранной последовательности обхода заданных точек, оказываются сходными.

Таким образом, основное свойство адаптивных систем - реализация цели управления в условиях недетерминированной внешней среды и дрейфа параметров робота - отражается в структуре двумя новыми элементами: информационной системой, а также устройством для вычисления координат целевых точек и последовательности их обхода, использующим информацию об изменениях, произошедших во внешней среде и компонентах робота.

Функции управления адаптивным роботом выполняет вычислительное устройство, уровень сложности которого определяется уровнем адаптации робота. В простейшем случае это может быть микропроцессор или микроЭВМ, для сложных адаптивных робототехнических систем вычислительное устройство может представлять собой мультимикропроцессорную сеть.

Для современных адаптивных робототехнических систем характерно совмещение в вычислительном устройстве функции адаптации к изменениям внешней среды и параметров приводов робота с широким набором аппаратурных и программных средств самодиагностики и устранения мелких неисправностей в самой системе управления.

Несмотря на то, что микропроцессорные модули имеют одинаковую структуру, они выполняют различные функции. Так, один из них осуществляет сбор и обработку внешней информации, другой обеспечивает связь с терминалом и интерпретирует команды оператора, третий вычисляет управляющие воздействия и контролирует работу приводов робота, а четвертый отвечает за связь с внешним технологическим оборудованием и верхним уровнем управления автоматической линией или участком.

Особенностью данной структуры вычислительного устройства является возможность самодиагностики и саморемонта, которая реализуется с помощью блока контроля магистрали (БКМ). Функции самодиагностики и мелкого саморемонта относятся к одним из важнейших в современных системах управления адаптивным роботам, так как их выполнение обеспечивает безаварийную работу гибкого производственного модуля даже в условиях сбоев и частичного отказа аппаратуры.

Анализируя порядок прохождения сигналов по общей магистрали и их параметры, БКМ оценивает исправность отдельных микропроцессорных модулей и приемопередатчиков, связывающих микропроцессоры с общей магистралью. Если какой-либо микропроцессорный модуль вышел из строя, то наряду с сообщением о замеченной неисправности, передаваемым оператору на верхний уровень управления, блок контроля магистрали формирует команду на отключение аварийного модуля и передачу его функций работоспособным микропроцессорам. Если же вышел из строя только приемопередатчик микропроцессора, то по команде БКМ может измениться структура связей между микропроцессорами. Например, используя резервные каналы ввода-вывода, имеющие, как правило, меньшую пропускную способность, чем общая магистраль, можно осуществлять передачу информации между микропроцессорами, соединив их по принципу «каждый с каждым».

Конечно, саморемонт адаптивной системы является временной, вынужденной мерой, так как при этом несколько снижается производительность вычислительного устройства, однако живучесть робототехнического модуля оказывается очень высокой.

10. Программное обеспечение систем управления адаптивных роботов

Функции программного обеспечения адаптивного робота состоят в обслуживании внешних по отношению к системе управления объектов: человека-оператора, приводов робота, информационной системы, технологического оборудования и вычислительного устройства верхнего уровня управления.

Система управления взаимодействует с человеком-оператором в режиме активного диалога, в процессе которого человек выполняет следующие действия:

- формирует рабочую программу, которая может быть представлена в виде набора данных, описывающих точки позиционирования захватного устройства робота и управляющие сигналы на технологическое оборудование, или в виде набора инструкций на проблемно-ориентированном языке;

- редактирует рабочую программу с помощью программы-редактора данных или редактора текста, поскольку, как было сказано выше, программа может представлять собой либо данные, либо инструкции;

- создает объектный и загрузочный модули рабочей программы, обеспечивает удаление старых файлов, включение новых, переименование и хранение программ в библиотеке;

- отлаживает рабочую программу, т.е. при поддержке программного обеспечения осуществляет ее пошаговое исполнение, анализирует результаты отладки и при удовлетворительном качестве программы дает команду на ее исполнение;

- реализует функции контроля исправности оборудования, в частности, проверяет каналы связи с технологическим оборудованием, калибрует измерительные системы робота и выполняет другие операции диагностирования.

11. Основные функции программного обеспечения

По отношению к исполнительному устройству робота - манипулятору - функции программного обеспечения широки и многообразны. В зависимости от уровня интеллекта робота они могут включать: подробный анализ задания; разбиение его на подзадачи и элементарные действия; планирование движения инструмента или захватного устройства для реализации этих действий; определение последовательности точек позиционирования, обход которых позволит воспроизвести желаемую траекторию и, наконец, преобразование координат точек позиционирования инструмента в требуемые положения сочленений манипулятора и формирование команд управления приводами.

Важной с точки зрения организации взаимодействия гибких производственных модулей, составляющих линии и участки, является поддержка программным обеспечением робота информационного обмена с верхним по отношению к нему уровнем управления.

Конечно, существуют гибкие производственные модули с адаптивными роботами, работающие полностью автономно. Однако в этом случае на плечи системы управления робота и ее программного обеспечения ложатся функции координации действий всех компонент ГПМ. Кроме того, при появлении каких-либо неполадок или сбоев в работе невозможно послать запрос о помощи вышестоящей системе управления.

С другой стороны, если существует канал связи адаптивного робота с ЭВМ верхнего уровня и процесс обмена поддерживается с двух сторон программным обеспечением, появляется уникальная возможность создания иерархии уровней управления с четким разделением задач каждого и сопутствующей унификацией программного обеспечения и языков программирования каждого.

В этом случае ЭВМ, управляющая гибким производственным модулем, который, как правило, является верхним уровнем по отношению к роботу, берет на себя координацию действий оборудования ГПМ, устранение возможности аварийных ситуаций, например столкновения манипулятора с подвижными участками других устройств или столкновения двух манипуляторов, оперирующих в одной зоне, диагностирование оборудования ГПМ и ряд других функций, осуществляемых программным обеспечением адаптивного робота при автономной работе ГПМ под его управлением.

При обслуживании информационных систем функции программного обеспечения адаптивного робота зависят уже от уровня интеллекта его сенсоров. Если обработка информации о внешней среде осуществляется самой сенсорной системой, то программное обеспечение робота должно организовать лишь прием данных. В противном случае в его функции включается также обработка и выделение информации, пригодной для целей управления, а также определение адресата из числа программных модулей, ответственных за управление, которому эта сенсорная информация предназначена.

Кроме перечисленных функций программное обеспечение должно решать общесистемные задачи по обработке сигналов прерываний, по управлению вводом-выводом информации, распределению вычислительных ресурсов и т.д.

Оценивая изложенные выше основные функции программного обеспечения адаптивного робота, можно заметить их сходство с функциями универсальных операционных систем реального времени. Действительно, если сравнивать основные компоненты универсальных операционных систем и систем программирования адаптивных роботов, то прослеживается их аналогия.

Система программирования адаптивного робота:

- команды оператора;

- рабочее задание;

- проблемно-ориентированный язык программирования робота;

- обслуживание внешних устройств;

- обеспечение обмена с верхним уровнем управления.

Операционная система реального времени:

- команды монитора;

- файловая система;

- языки программирования;

- управление вводом-выводом;

- поддержка сетевого обмена.

Такая аналогия позволяет при проектировании систем программирования роботов использовать опыт, накопленный не только в области теории универсальных операционных систем, но и пользоваться самими операционными системами.



Заключение

Развитие теории оптимального управления связано с ростом требований к быстродействию и точности систем регулирования. Увеличение быстродействия возможно лишь при правильном распределении ограниченных ресурсов управления, и поэтому учет ограничений на управление стал одним из центральных в теории оптимального управления. С другой стороны, построение систем регулирования высокой точности привело к необходимости учета при синтезе регуляторов взаимовлияния отдельных частей (каналов) системы. Синтез таких сложных многомерных (многосвязных) систем также составляет предмет теории оптимального управления.

К настоящему времени построена математическая теория оптимального управления. На ее основе разработаны способы построения оптимальных по быстродействию систем и процедуры аналитического конструирования оптимальных регуляторов. Аналитическое конструирование регуляторов вместе с теорией оптимальных наблюдателей оптимальных фильтров) образуют совокупность методов, которые широко используются при проектировании современных сложных систем регулирования.

Сложность задач теории оптимального управления потребовала более широкой математической базы для ее построения. В названной теории используются вариационное исчисление, теория дифференциальных уравнений, теории матриц. Развитие оптимального управления на этой базе привело к пересмотру многих разделов теории автоматического управления, и поэтому теорию оптимального управления иногда называют современной теорией управления. Хотя это и преувеличение роли лишь одного из разделов, однако развитие теории автоматического управления определяется последние десятилетия во многом развитием этого раздела.

В построение теории оптимального управления внесли большой вклад советские ученые А. Н. Колмогоров, Л. С. Понтрягин, Н. Н. Красовский, А. М. Летов и зарубежные -- Н. Винер, Р. Бел- лман, Р. Е. Калман.

Развитие теории адаптивного управления вызвано все нарастающим количеством сложных объектов управления различной физической природы, параметры которых не определены. Причиной этой неопределенности могут являться: множество режимов работы объектов либо невозможность их экспериментального исследования с целью определения параметров без нарушения технологического процесса, наконец, сжатые сроки проектирования, не допускающие временных затрат на исследования и расчеты для определения параметров динамической модели объекта.

Регулятор объекта с неопределенными и изменяющимися параметрами должен изменяться (адаптироваться) так, чтобы работоспособность и точность системы оставались неизменными.



Список литературы

1. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. -- М.: Наука, 1975.

2. Тюкин И. Ю., Терехов В. А., Адаптация в нелинейных динамических системах, (Серия: Синергетика: от прошлого к будущему), Санкт-Петербург: ЛКИ, 2008.

3. Александров А. Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высшая школа, 1989.

4. Основы робототехники / Под ред. Е.П. Попова и Г.В. Письменного. М., 1990

5. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы / Под ред. Е.П. Попова и В.В. Клюева. М., 1985

6. Управляющие системы промышленных роботов / Под ред. И.М. Макарова и В.А. Чиганова. М., 1984

Размещено на Allbest.ru

...