Разработка систем автоматического управления приводом шагающего робота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Техническое задание

1. Анализ существующих конструкций

2. Моделирование системы автоматического управления

3. Настройка ПИД регулятора

4. Определение передаточной функции разомкнутой системы

5. Исследование системы на устойчивость

6. Исследование системы на устойчивость методом Михайлова

7. Исследование системы на устойчивость методом Найквиста

Заключение

Введение

Цель данного проекта - разработать систему автоматического управления приводом шагающего робота.

При разработке системы автоматического управления следует учесть повышенные требования, предъявляемые к точности системы автоматического управления, связанные с особенностями конструкции.

С развитием научно-технического прогресса, внедрением новых технологий в различных областях производства, в том числе вредного и опасного, возникает необходимость в мобильных устройствах специального назначения, способных работать, например, в зоне высокой радиоактивности (при обслуживании ядерных реакторов), при тушении лесных пожаров или в зонах стихийных бедствий.

Наиболее полно этим требованиям, скорее всего, будут отвечать шагающие роботы

Шагающий способ представляет основной интерес для движения по заранее неподготовленной местности с препятствиями. Традиционные колесные и гусеничные транспортные машины оставляют за собой непрерывную колею, тратя на это значительно большую энергию, чем в случае передвижения шагами, когда взаимодействие с грунтом происходит только в местах упора стопы. Помимо этого шагающий способ передвижения обладает и большей проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, преодолевать препятствия и т.п. При шагающем способе меньше разрушается грунт.

Создание промышленных роботов-манипуляторов, способных заменить человека на многих участках современного производства, а также автоматических систем, которые могут быть использованы в условиях, опасных для человека, является актуальной научной и технической проблемой. Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности.

Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.

Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом - центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.

Техническое задание на курсовую работу

Разработать систему автоматического управления приводом шагающего робота по закону (график 1).

Время переходного процесса < 0,3секунды.

Колебательность САУ - не более одного колебания.

Коэффициент перерегулирования САУ < 0,1%

Точность (качество) САУ: статическая ошибка < 0,0001

Температура: -10 - +30°С

Влажность: нормальная

Давление: нормальное

1. Анализ существующих конструкций

Обзор существующих шагающих роботов.

В качестве достойного примера шагающей машины можно рассмотреть разработку Донецкого Национального Технического Университета - шагающий аппарат «Катарина».

Шагающий аппарат содержит корпус, снабженный шестью ногами. В центре корпуса расположен гироскопический датчик, сообщающий системе управления информацию об ориентации корпуса по отношению к вектору силы тяжести; в передней части укреплен оптический дальномер, доставляющий информацию о поверхности, по которой перемещается шагающий робот. Шестиугольный корпус служит как носитель (основа) для шести конечностей, а также для рабочей платформы. Внутри корпуса размещается микропроцессорная система управления и силовая часть.

Шагающий робот, переносящий людей. Создатели робота из Васедовского университета (Waseda University) в Токио и японская робототехническая компания Tmsuk

Бегающий робот агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США в сотрудничестве с Boston Dynamycs.

Шагающий робот размером с собаку, является детищем Франка Кирхнера, специалиста по робототехнике из Бременского университета в Германии.

Робот BigDog творений компании Boston Dynamics

Функциональная схема

Схема.1

1. Двигатели

2. Диски

3. Аккумуляторы

4. Зубчатые колёса

Схема объекта управления

Структурная схема

Рисунок 10 Структурная схема

W_PID (p) - передаточная функция регулятора.

W_{двигателя} (p) - передаточная функция привода

W_{редуктора} (p) - передаточная функция редуктора

W_ос (p) - передаточная функция обратной связи

W_{возм возд}(p) - передаточная функция возмущающего воздействия

Датчик, установленный на выходном валу редуктора измеряет угол поворота вала и передаёт данные о ней через преобразователь на компаратор, где происходит сравнение их с управляющим воздействием, после чего полученная ошибка, в виде управляющего напряжения, поступает на усилитель; усиленный сигнал подаётся на двигатель, приводящий в движение редуктор (таким образом отрабатывается ошибка).

Определим передаточные функции:

Работу привода можно описать следующими уравнениями:

(1)

Выбрали привод A_max 26 _26 mm, Precious Metal Brushes CLL, 4 Watt, _ approved из каталога фирмы Maxon.

Основные параметры двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры двигателя.

Константы С_е и C_m найдём по следующим формулам:

Запишем уравнение (1) для пространства Лапласа:

(4)

Выразим из второго уравнения системы (4) ток и подставим в первое

(5)

Преобразуем выражение к виду:

(6)

Отсюда находим передаточную функцию:

(7)

и передаточную функцию по возмущающему воздействию:

(8)

Передаточная функция обратной связи:

W_ос (p) = 1.

Передаточная функция редуктора

W_{редуктора} (p) = 1/500.

2. Моделирование системы автоматического управления

Исследование синтезированной системы

Проведём моделирование системы автоматического управления средствами программного пакета MATLAB. Воспользуемся расширением данного программного продукта - средой моделирования Simulink.

Рисунок 9. Модель системы автоматического управления в среде Simulink.

Используя встроенные средства среды Simulink, получим график переходного процесса системы, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала (см. рис. 10).

Из графика можем определить следующие параметры система автоматического управления:

· величина статической ошибки - 0%;

· время переходного процесса -30 с;

· колебательность присутствует;

· коэффициент перерегулирования - 55.5%.

Исходя из этих данных можно сделать вывод о том, что система автоматического управления не соответствует техническому заданию и нуждается в корректировке. В качестве корректирующего звена выберем ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор.

Рисунок 10. График переходного процесса системы, при воздействии на неё единичного ступенчатого сигнала .

3. Настройка ПИД регулятора

шагающий робот автоматический регулятор устойчивость

Для настройки ПИД регулятора - определения значений коэффициентов регулятора - воспользуемся встроенными средствами среды Simulinc. Подбор коэффициентов будем осуществлять с помощью блока NCD OutPort. Включим его в схему как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Схема, собранная для настройки ПИД регулятора.

Блок NCD OutPort производит автоматическую коррекцию параметров Kp, Ki и Kd. Значения коэффициентов, полученных оптимизацией в блоке NCD OutPort:

Рисунок 12. Полученные коэффициенты Кр, Кi и Кd с помощью NSD блока

После корректировки переходная функция удовлетворяет техническому заданию (см. рис. 13).

Получены следующие характеристики:

Время переходного процесса - 0.207 с.

Количество колебаний - 0.

Коэффициент перерегулирования - 0.

Статическая ошибка - 0.004.

Рисунок 13. Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие.

4. Определение передаточной функции разомкнутой системы

W_раз = W_ус (p) • W_{двигателя} (p) • W_{редуктора} (p) • W_{ПИД-регулятора} (p)

Определим передаточную функцию замкнутой системы:

Характеристическое уравнение замкнутой системы имеет вид:

5. Исследование системы на устойчивость

Исследование системы на устойчивость методом Гурвица

Для исследования системы на устойчивость методом Гурвица требуется составить матрицу Гурвица. Для этого определим коэффициенты характеристического уравнения:

Расчеты проведём, используя программный пакет MathCAD.

Определители диагональных миноров матрицы Гурвица больше нуля, следовательно, система устойчива.

6. Исследование системы на устойчивость методом Михайлова

Требуется построить годограф Михайлова для замкнутой системы.

Рисунок 14. Годограф Михайлова замкнутой системы.

Годограф Михайлова разомкнутой системы располагается в трёх четвертях координатной плоскости. Так как характеристическое уравнение системы имеет третий порядок, можно сделать вывод о том, что система устойчива.

7. Исследование системы на устойчивость методом Найквиста

Построим АФЧХ для разомкнутой системы.

Рисунок 15. АФЧХ разомкнутой системы.

АФЧХ замкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1; 0) (см. рис. 15). Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что система устойчива.

Заключение

В ходе данной работы был проведён синтез аналоговой системы автоматического управления приводом ноги мобильного робота. Синтезированная система была исследована и скорректирована введением ПИД-регулятора. Скорректированная система полностью удовлетворяет техническому заданию. Было произведено исследование системы с учётом нелинейности, исследование поведения системы в условиях, близких к реальной эксплуатации, настройка системы на робастность.

Список использованной литературы

1. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для студентов вузов. // М.: Машиностроение, 2006 - 256 с.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. // СПб.: Профессия, 2003 - 752 с.

3. Воронов А.А., Титов В.Н., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. Учеб. Пособие для вузов. // М.: Высшая школа, 1977 - 519 с.

4. http://www.prorobot.ru/myrobot/robot-diana.php

5. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П., Соломенцев Ю.М., Султан-Заде Н.М., Схиртладзе А.Г. Теория автоматического управления. // М.: Высшая школа. 2000 - 268 с.

6. Мошкин В.И., Петров А.А., Титов В.С., Якушенков Ю.Г. Техническое зрение роботов // М.: Машиностроение, 1990 - 272с.

7. Савин С.И.. Мобильная платформа передвижного диагностического комплекса // Сб. научн. тр. Междунар. научно-техн. конф. «Диагностика 2009. Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы». 2009 г.

8. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. // М.: Техносфера, 2005 - 592с.

9. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей // М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», 2004 - 360с.

Размещено на Allbest.ru