4.1. Принципы построения систем интеллектуального управления в мехатронике
Главная отличительная черта современной теории управления – это развитие интеллектуальных методов управления техническими системами, которая очень отчетливо проявляется в мехатронике как одной из передовых научно-технических областей. Именно интеллектуальные методы позволяют эффективно решать задачи управления мехатронными системами.
К основным признакам систем интеллектуального управления рассматриваемого класса применительно к задачам мехатроники следует отнести:
способность автономно (без участия человека-оператора) принимать решения о поведении системы в некоторых заранее не определенных ситуациях;
возможность адаптировать (приспосабливать) структуру и законы движения мехатронной системы к изменяющимся условиям внешней среды и возмущающим воздействиям;
способность системы управления к самообучению и накоплению знаний в процессе действий управляемой машины и их использование в последующих задачах управления;
применение процедур оптимизации на этапах планирования, программирования и исполнения всех функциональных движений машины;
оценка качества выполняемых движений и диагностика фактического состояния управляемой машины и протекающих процессов в реальном времени;
эффективное взаимодействие с человеком-оператором, использование его интеллекта как эксперта и навыков при планировании действий машины;
иерархичность структуры системы с четким выделением функций, информационного обеспечения и обратных связей для каждого уровня управления;
гибкое взаимодействие распределенных подсистем через компьютерные сети для достижения общих для всей системы целей управления;
повышенные показатели гибкости, робастности и точности управления.
4.2. Иерархия управления в мехатронных системах
Иерархическая структура – это многоуровневый набор взаимодействующих подсистем, каждая из которых ответственна за решение определенной задачи и имеет доступ к сенсорной информации, необходимой для решения задач управления данного уровня.
В современных мехатронных системах, как правило, используется иерархия «сверху – вниз», когда нижний уровень полностью подчинен вышестоящим.
Рассмотрим иерархию управления, типичную для мехатронных (в частности, робототехнических) систем. Данная структура была предложена в работах академика Е. П. Попова. Выделяются четыре уровня управления: интеллектуальный, стратегический, тактический и исполнительный (рис. 4.1).
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. Например, рассмотрим ситуацию, когда мобильный робот при движении в трубопроводе получает информацию от системы технического зрения о наличии препятствия. Возможные следующие постановки задачи движения:
остановить движение и вернуться в исходную позицию;
определить тип и характеристики препятствия и убрать обнаруженный объект;
продолжить исполняемое движение, игнорируя наличие внешнего объекта.
Функции интеллектуального уровня в современных мехатронных системах обычно выполняет человек – оператор либо мощный компьютер верхнего уровня управления.
Стратегический уровень управления предназначен для планирования движений мехатронной системы. Планирование движений предполагает разбиение задачи движения, поставленной интеллектуальным уровнем, на последовательность согласованных во времени элементарных действий и формализацию целей управления для каждого из этих действий.
Примерами элементарных действий мобильного робота может служить:
вывод рабочего органа в заданную позицию;
захват предмета;
тестовое движение для определения сил реакции со стороны объекта;
транспортировка объекта и возвращение робота в исходную позицию.
Рис. 4.1. Уровни управления в мехатронных системах
Формализация целей управления означает, что для каждого из элементарных действий должны быть записаны математические соотношения, выполнение которых обеспечивает успешное выполнение действия. Для технологических роботов на стратегическом уровне решается задача геометрического планирования движения рабочего органа.
Стратегический уровень выдает информацию о плане движения и целях управления в форме команд управления движением. Важно подчеркнуть, что структура и форматы языков управления движением существенно отличаются от универсальных языков программирования (типа С++, Паскаль и т. п.), хотя отдельные операторы могут совпадать (например, операторы задания цикла и логические функции).
Тактический уровень выполняет преобразование команд управления движением, поступающих со стратегического уровня управления, в программу управления, которая определяет законы согласованного движения во времени всех звеньев механического устройства с учетом технических характеристик блока приводов (в первую очередь ограничений на обобщенные скорости, ускорения и силы).
На тактическом уровне необходимо определить обобщенные координаты манипулятора, которые соответствуют желаемым декартовым координатам характеристической точки схвата. Для этого должна быть решена обратная задача о положении манипулятора.
Для управления скоростью движения программа управления строится как результат решения обратной задачи о скорости рабочего органа. Для реализации данных алгоритмов устройство компьютерного управления должно выполнять в реальном времени следующие основные функции:
прием информации от стратегического уровня в форме команд управления движением;
прием и обработку информации от датчиков положения манипулятора о текущей конфигурации для расчета элементов матрицы Якоби;
обращение матрицы Якоби;
умножение обратной матрицы Якоби на вектор-столбец программной скорости рабочего органа;
выдачу программы управления на исполнительный уровень.
Исполнительный уровень управления предназначен для расчета и выдачи управляющих сигналов на блок приводов мехатронной системы в соответствии с программой управления с учетом технических характеристик силовых преобразователей.
Для иерархических систем управления в мехатронике действует принцип, согласно которому по мере продвижения от высших к низшим уровням управления понижается интеллектуальность системы, но повышается ее точность. 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.
Рассмотрим несколько примеров мехатронных модулей и систем с интеллектуальным управлением, обладающих некоторыми из перечисленных признаков.