4.1. Иерархия систем управления

Иерархическая структура – это многоуровневый набор взаимодействующих подсистем, каждая из которых несет свою функциональную нагрузку и ответственна за решение определенной задачи. В современных мехатронных системах, как правило, используется иерархия “сверху – вниз”, когда нижний уровень полностью подчинен вышестоящему.

На рис. 4.1 приведена типовая структура системы управления мехатронным модулем. Выделяются четыре уровня управления: интеллектуальный, стратегический, тактический и исполнительный.

Интеллектуальный уровень – высший уровень управления в системе. Назначение этого уровня – принятие решений о движении механической системы в условиях неполной информации о внешней среде и объектах работ. Функции интеллектуального уровня в современных промышленных мехатронных системах обычно выполняет человек – оператор, реже мощный компьютер верхнего уровня управления.

Стратегический уровень управления предназначен для планирования движений мехатронной системы. Планирование движений предполагает разложение задачи движения на последовательность согласованных во времени элементарных действий и формализацию целей управления для каждого из этих действий.

Формализация целей управления означает, что для каждого из элементарных действий должны быть записаны математические соотношения, реализация которых обеспечивает успешное выполнение действия. Так для технологических роботов на стратегическом уровне решается задача геометрического планирования движения рабочего органа.

Тактический уровень выполняет преобразование команд управления движением, поступающих со стратегического уровня, в программу управления. Программа управления определяет законы согласованного управления во времени всех звеньев механического устройства (технологического объекта) с учетом типа и технических характеристик исполнительных приводов.

Назначением исполнительного уровня управления является расчет и выдача управляющих сигналов исполнительным приводам мехатронной системы в соответствии с программой управления и учетом технических характеристик силовых преобразователей. Системы исполнительного уровня представляют собой локальные систем автоматического регулирования координат исполнительных двигателей.

Для всех без исключения иерархических систем управления мехатронными модулями действует незыблемый принцип, согласно которому по мере продвижения от высших к низшим уровням управления понижается интеллектуальность системы, но повышается ее точность (IPDI – Increasing Precision with Decreasing Intelligence). При этом под “интеллектуальностью” понимается способность системы приобретать специальные знания, позволяющие уточнить поставленную задачу и определить пути ее решения, а под “неточностью” – неопределенность в операциях по решению данной задачи.

4.2. Системы управления исполнительного уровня

Управление движением исполнительного двигателя требует одновременного регулирования нескольких координат. Так для системы электропривода – регулирование момента (тока), скорости и положения. По отношению к общей задаче управления функциональным движением регулирование отдельных координат представляет собой частные задачи.

По принципу работы локальные системы автоматического регулирования координат различают на:

- разомкнутые, в которых сигнал задания преобразуется и подается на силовой преобразователь и исполнительный двигатель без учета результата этого воздействия (рис. 4.2, а);

- замкнутые, учитывающие через обратные связи результат воздействия (рис. 4.2, б, в).

Замкнутые системы бывают с параллельными обратными связями, с подчиненным регулированием координат и комбинированные системы управления.

Рис. 4.2. К пояснению принципа работы локальных систем

автоматического регулирования координат

В мехатронных модулях применение находят замкнутые системы регулирования. Наиболее простой из замкнутых систем является система с параллельными обратными связями (рис. 4.2, б). В такой системе сигнал с единственного регулятора преобразуется силовым преобразователем и подается на исполнительный двигатель (объект регулирования) с координатами Y_i. На входе регулятора сигнал задания U_з сравнивается с сигналами обратной связи U_oi, несущими информацию о реальном состоянии регулируемых координат.

Недостатком подобных систем регулирования является взаимное влияние координат системы на качество регулирования и, в первую очередь, на качество переходных процессов регулируемых координат. Этот недостаток исключен в системах с подчиненным регулированием координат, схема которой приведена на рис. 4.2, б.

Система с подчиненным регулированием координат состоит из контуров регулирования, число которых равно числу координат исполнительного двигателя, каждый внутренний контур которой управляется от внешнего контура (подчинен внешнему контуру). Каждый контур строится по принципу регулирования по отклонению, имеет последовательно включенный регулятор и замыкается отрицательной обратной связью по регулируемой координате. Настройку контура (выбор структуры регулятора) обычно осуществляют так, чтобы получить оптимальный переходный процесс, т.е. такой процесс, при котором время нарастания регулируемой величины до установившегося значения было бы минимальным при допустимом перерегулировании.

На рис. 4.3 приведен пример переходного процесса координат электропривода с электродвигателем постоянного тока – тока якоря i_я и скорости вращения ω. При подаче напряжения на якорь двигателя первоначально в его цепи происходит нарастание тока. Следствием взаимодействия этого тока с магнитным потоком и является вращение двигателя. Именно поэтому ток якоря изменяется быстрее скорости.

Существуют и другие принципы построения систем автоматического регулирования, например, на основе нечетких регуляторов, построенных на принципах фаззи-логики (fuzzy-logic). Такие системы имеют возможность исключить колебания регулируемой координаты вокруг положения равновесия (см. рис. 4.3). Подробное изложение работы подобных систем можно найти в специализированной литературе.