ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ Нелин ейные динамические си стемы Вып. 41 Межвузовский сборник научных трудов 2009 УДК 621.865.8–5 А.В. Соколов г. Москва ОБ УСЛОВИЯХ АСИМПТОТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТРЕХЗВЕННОГО УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО МАНИПУЛЯТОРА Исследуются вопросы обеспечения асимптотической устойчивости программного движения электромеханических систем с голономными и неголономными связями. Находятся условия асимптотической устойчивости движения модели трехзвенного управляемого электромеханического манипулятора. Для теоретического изучения динамики манипуляционных роботов, определения конструктивных параметров и законов управления необходимо иметь расчетные механические модели, с достаточной точностью описывающие свойства реальных роботов. Выбор расчетной модели в каждом конкретном случае определяется кинематической схемой манипулятора, механическими свойствами (инерционными, упругими, диссипативными и т.п.) его деталей и узлов, типом и характеристиками приводов, а также необходимой точностью производимых расчетов. С математической точки зрения, расчетная модель манипуляционного робота представляет собой систему дифференциальных уравнений. Эта модель может содержать уравнения, описывающие также явления немеханической природы, например электрические процессы в цепях электродвигателей приводов. © Соколов А. В., 2009 156 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… 1. Исследование условий асимптотической устойчивости движения управляемого электромеханического манипулятора Поставим задачу нахождения условий, обеспечивающих асимптотическую устойчивость программного движения электромеханических систем с голономными и неголономными связями. Для электродвигателя постоянного тока, с независимым возбуждением выполняются соотношения [1]: L* d R * k 2 n* ku , dt (1.1) M * n * I 0 n * , 2 (1.2) где – угол поворота ведомой шестерни редуктора; n – передаточное число редуктора (отношение числа зубьев ведомой и ведущей шестерен); L* и R * – соответственно коэффициент индуктивности и электрическое (омическое) сопротивление обмотки ротора электродвигателя; и - управляющее электрическое напряжение; – момент электромагнитных сил, создаваемых * двигателем и приложенных к его ротору; I 0 – суммарный момент инерции ротора электродвигателя и ведущей шестерни редуктора относительно оси вращения; M * – момент сил реакции, действующих на ведущую шестерню; k – коэффициент, зависящий от напряжения на входе цепи возбуждения. Будем предполагать, что это напряжение постоянно. Тогда k = const. При описании динамики манипуляционных роботов обычно используют уравнения Лагранжа второго рода d L L M*. dt q q (1.3) Уравнения (1.1), (1.2) описывают электрические процессы, проходящие в электродвигателе звена манипулятора; (1.3) описывают динамику звена манипулятора. Аналогичные уравнения можно записать для каждого звена. Уравнения типа (1.1), (1.2), (1.3) можно объединить в систему [2]: 157 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 dq dt q , ~ dq M 1 n * , dt d R* k 2 n* k q * u. L* L* L dt (1.4) Заданной программой движения манипуляционной системы можно считать ограничения, наложенные на обобщенные координаты и скорости, которые в общем виде можно представить как совокупность уравнений голономных и неголономных связей: (1.5) f (q , t ) 0 , f (q , q , t ) 0 , В работе [3] было показано, что для обеспечения асимптотической устойчивости интегрального многообразия (t ) , описываемого уравнениями (1.5), следует использовать вместо уравнений связей (1.5) уравнения программных связей: f (q , t ) , f (q , q , t ) , f (q , q , t ) , f (q , q , q , t ) , f (q , q , q , t ) , (1.6) в которых возмущения связей , , , , рассматриваются как переменные, удовлетворяющие дифференциальным уравнениям * i i ( * , q , q , t ) , * i i ( * , * , q, q , q , t ) , (1.7) * ( 1 ,..., m , 1 ,..., m , 1 ,..., r ) , (0, q , q , t ) 0 , (0,0, q, q , q , t ) 0 . Правые части уравнений (1.7) можно выбрать так, чтобы их тривиальное решение 1 ... m 1 ... m 1 ... m 1 ... r 1 ... r 0 158 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… было асимптотически или экспоненциально устойчиво [4]. Будем считать, что из асимптотической или экспоненциальной устойчивости тривиального решения 0 уравнений (1.7) следует соответственно асимптотическая или экспоненциальная устойчивость интегрального многообразия (t ) . Подставим вместо q выражение, полученное из (1.4), q Q q , q , . Тогда получим f (q , t ) , f (q , q , t ) , f (q , q , t ) , , f (q , q , , t ) , f (q , q , , t ) . (1.8) Уравнения (1.7) подбираем так, чтобы они удовлетворяли системе дифференциальных уравнений d 1 1 1 1 1 dt A1 A2 A3 A4 A5 , (1.9) d 2 2 2 2 2 A1 A2 A3 A4 A50 , dt где матрицы имеют размерности: A01 , A11 , A21 – (mm), A31 , A41 – (mr), A02 , A12 , A22 – (rm), A32 , A42 – (rr) и состоят из коэффициентов, которые подбираются из условий асимптотической устойчивости движения. Рассмотрим более подробно поиск коэффициентов (матриц коэффициентов) Aij i 1,2 , j 1,...,5 из (1.9), которые подбираются из условий асимптотической устойчивости движения. Введем обозначения: 159 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 0 0 , A A11 g , g 0 A2 1 1 0 A21 0 A22 0 1 A31 0 A32 0 0 A51 . 1 A52 0 0 A41 0 2 A4 (1.10) Тогда можно записать уравнения (1.9) в виде (1.11) g A g , где в матрице Р на соответствующих местах находятся соответствующие блок-матрицы. Функцию Ляпунова возьмем в виде (1.12) 2V g T R g , R11 ... R15 где R ... ... ... , R RT ; Rij , i, j 1,...,5 – блок R ... R 55 51 матрицы соответствующих размерностей. Распишем подробнее (1.12): . 2V T R11 T R21 T R31 T R41 T R51 T R12 T R22 T R32 T R42 T R52 T R13 T R23 T R33 T R43 T R53 T R T R T R T R T R 14 T Так 24 34 44 54 R15 T R25 T R35 T R45 T R55 как вектора , , , , и (1.13) матрицы Rij , i, j 1,...,5 состоят из скалярных функций и Rij RTji , то будут выполняться равенства T Rij T R ji . Отсюда следует: T Rij T R ji 2 T Rij . 160 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… Перепишем выражение (1.13) с учетом вышеизложенного: 2V T R11 T R22 T R33 T R44 T R55 2 T R12 2 T R13 2 T R14 T R15 2 T R23 2 T R24 2 T R25 2 T R34 T R35 2 T R45 . (1.14) Будем искать функцию Ляпунова V в виде [5]: 2V T B 2 T C 2 T D T E T G (1.15) 2 T F T K 2 T L T M , где B,C,D,E,F,G,K,L,M – симметрические матрицы с постоянными коэффициентами. Сравнивая правые части в выражениях (1.12), (1.13), (1.15) для функций V, получим B C C E R D F 0 0 0 0 D 0 F 0 G 0 0 K 0 L 0 0 0 . L M (1.16) Таким образом, R11 B , R12 R21 C , R13 R31 D , R22 E , R23 R32 F , R33 G , R44 K , R45 R54 L , R55 M , остальные Rij 0 . Найдем производную V . Для этого продифференцируем выражение (1.15). Получим T E V T B T C T C T D T D T G T K T L T L , T F T F T M . (1.17) и выражения из (1.9): Подставим в (1.17) вместо 161 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 V T B T C T C T D T D A11 A21 A31 A41 A51 T E T F T F A11 A21 A31 A41 A51 (1.18) T G A11 A21 A31 A41 A51 T K T L T L A12 A22 A32 A42 A52 T M A12 A22 A32 A42 A52 . Производная от функции Ляпунова V имеет структуру вида (1.19) V g T H g . Распишем подробнее (1.19): H11 H12 H13 H14 H15 H 21 H 22 H 23 H 24 H 25 V T , T , T , T , T H 31 H 32 H 33 H 34 H 35 H 41 H 42 H 43 H 44 H 45 H 51 H 52 H 53 H 54 H 55 T H T H T H T H T H 11 21 31 41 51 H 12 T H 22 T H 32 T H 42 T H 52 T H 13 T H 23 T H 33 T H 43 T H 53 T H 14 T H 24 T H 34 T H 44 T H 54 T H 15 T H 25 T H 35 T H 45 T H 55 . T (1.20) Перегруппируем слагаемые в выражении (1.18) к виду (1.20), тогда получаем вид матрицы Н: DA11 B DA21 C DA31 DA41 DA51 FA51 FA11 C FA21 E D FA31 FA41 H GA11 GA21 F GA31 GA41 GA51 . (1.21) LA12 LA22 LA32 LA42 K LA52 2 MA22 MA32 MA42 L MA52 MA1 162 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… Рассмотрим случай: A41 0, A51 0, A12 0, A22 0, A32 0. (1.22) Тогда матрица Н будет иметь вид DA11 1 FA1 H GA11 0 0 C FA21 E D FA31 0 0 . (1.23) 1 1 GA2 F GA3 0 0 0 0 LA42 K LA52 0 0 MA42 L MA52 Функцию Ляпунова V и ее производную V можно запиB DA21 C DA31 0 0 сать еще так: где V V , , , , V1 , , V2 , , V V , , , , V1 , , V2 , , B C D 2V1 T , T , T C E F , D F G K L , 2V2 T , T L M DA11 V1 T , T , T FA11 GA1 1 B DA21 C FA21 GA21 LA2 V2 T , T 42 MA4 C DA31 E D FA31 , F GA31 K LA52 . L MA52 (1.24) По теореме Ляпунова об асимптотической устойчивости, будем добиваться положительной определенности функции V и отрицательной определенности функции V . Это эквивалентно требованию положительной определенности матрицы R и отрицательной определенности матрицы H . 163 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 1. Положительная определенность матрицы R : главные миноры матрицы R удовлетворяют условию i 1,...,2m r . (1.25) i ( R) 0 , 2. Отрицательная определенность матрицы H : главные миноры матрицы H удовлетворяют условию i – нечетное, i [1;2m r ] , i (H ) 0 , j (H ) 0 , j – четное, j [1;2m r ] . (1.26) Таким образом, мы будем иметь 2( 2m r ) условий (1.25), (1.26) типа неравенств, наложенных на искомые коэффициенты матриц Aij , i 1,2 , j 1,...,5 и на коэффициенты матриц B,C,D,E,F,G,K,L,M. В общем случае условий (1.25), (1.26) недостаточно для однозначного нахождения коэффициенты матриц Aij . Поэтому при решении конкретных задач используется произвол при выборе постоянных коэффициентов матриц B,C,D,E,F,G,K,L,M, а также дополнительные условия задачи. 2. Исследование условий асимптотической устойчивости движения трехзвенного управляемого электромеханического манипулятора Найдем коэффициенты матриц Aij , обеспечивающих асимптотическую устойчивость движения, при попадании схвата трехзвенного электромеханического манипулятора из произвольной точки X 0 ( x0 , y0 ) рабочей зоны, полуплоскость левее прямой x = 6, в точку X * (6,5) , минуя препятствие, которое ограничено замкнутой кривой : ( x 3) 2 ( y 3) 2 1 0 . К тому же потребуем, чтобы схват манипулятора во время движения был параллелен оси Ox (см. рисунок). 164 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… Связи, голономные и неголономные, накладываемые на движения манипулятора, имеют вид [6]: f1 Cos(q1 q2 q3 ) 1 0, 1 f 2 x x 6 ( x 3) 2 ( y 3) 2 1 y 32 x 3 y 3 0, 8 (2.1) 1 2 2 f 3 y 2 x 3 y 3 ( x 3) ( y 3) 1 x 3x 6 24 1 ( x 3) 2 ( y 3) 2 1 x 6 0, 3 где координаты схвата x и y, используя кинематику, выражаются через обобщенные координаты q (q1 , q2 , q3 ) : x L1Cosq1 L2 Cos(q1 q 2 ) L3 Cos(q1 q 2 q3 ) . y L1 Sinq1 L2 Sin (q1 q 2 ) L3 Sin (q1 q 2 q3 ) Уравнения (1.8) примут вид f1 (q , t ) 1 , f1 (q , q , t ) 1 , f (q , q , t ) , 2 2 f 3 (q , q , t ) 3 , f1 (q , q , , t ) 1 , f (q , q , , t ) 2 2 f 3 (q , q , , t ) 3 . (2.2) 165 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 Уравнения (1.9) примут вид 1 a111 a121 a131 a14 2 a15 3 a16 2 a17 3 , 2 a211 a221 a231 a24 2 a25 3 a26 2 a27 3 , (2.3) a a a a a a a . 31 1 32 1 33 1 34 2 35 3 36 2 37 3 3 Обозначим вектора g, g и матрица A 1 1 1 0 0 1 0 1 a a 1 11 12 1 g 2 , g 2 , A 0 0 0 0 3 3 2 a 21 a 22 2 3 a31 a32 3 0 1 0 0 0 0 0 0 a13 a14 a15 a16 0 0 0 0 0 0 0 0 a 23 a 24 a 25 a 26 a33 a35 a36 a34 0 0 a17 1 . 1 a 27 a37 (2.4) Тогда можно записать g P g . Будем искать функцию Ляпунова V в виде (1.15): 2V 1 b 1 21 c 1 21 d 1 1 e 1 1 f 1 (2.5) 21 g 1 T K 2 T L T M , 2 ; b, c, d, e, f, g – постоянные коэффициенты, 3 k l m12 k m l – матрицы с K 11 12 , L 11 12 , M 11 k21 k22 m21 m22 l21 l22 постоянными коэффициентами, причем k12 k21 , l12 l21 , m12 m21 . В уравнении (1.12) 2V g T R g матрица R будет иметь где, вид 166 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… b c d R 0 0 0 0 или c d 0 0 0 e f f g 0 0 0 0 0 0 0 0 k11 k12 l11 0 0 0 0 k 21 l11 k 22 l12 l 21 m11 0 0 l 21 l 22 m21 0 0 0 l12 l 22 m12 m22 R 0 . (2.6) R 1 0 R2 Найдем производную V . Для этого продифференцируем выражение (2.5). Получим V 1 b 1 1 c 1 1 c 1 1 d 1 1 d 1 1 e 1 1 f 1 (2.7) f g T K T L T L T M . 1 1 1 1 и выражения из (2.3). Подставим в (2.7) вместо Производная от функции Ляпунова V имеет структуру вида V g T H g , где из (1.21) мы получаем вид матрицы Н: da11 fa11 H ga11 LA12 2 MA1 Здесь b da12 c da13 dA41 c fa12 ga12 e d fa13 f ga13 fA41 gA41 LA22 MA22 LA32 MA32 LA42 MA42 A41 a14 a15 , a A12 21 , a31 a25 a27 a , A52 26 . a35 a36 a37 A51 a16 a a a A22 22 , A32 23 , A42 24 a32 a33 a34 fA51 gA51 . (2.8) K LA52 L MA52 dA51 a17 , 167 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 Рассмотрим случай A41 0, A51 0, A12 0, A22 0, A32 0. (2.9) Тогда матрица Н будет иметь вид da11 b da12 fa11 c fa12 H ga11 ga12 0 0 0 0 c da13 e d fa13 0 0 f ga13 0 0 LA42 0 MA42 H H 1 0 или 0 K LA52 L MA52 0 0 0 . H 2 (2.10) Функцию Ляпунова V и ее производную V можно записать еще так: V V 1 , 1 , 1 , 2 , 3 , 2 , 3 V1 1 , 1 , 1 V2 2 , 3 , 2 , 3 , V V 1 ,1 , 1 , 2 , 3 , 2 , 3 V1 1 ,1 ,1 V2 2 , 3 , 2 , 3 , где 2V1 1 1 2V2 2 3 2 V1 1 1 168 b 1 c d k11 k 3 12 l 11 l 12 c e f k12 k 22 l12 l 22 da11 b da12 1 fa11 c fa12 ga ga12 11 d 1 f 1 , g 1 l11 l12 m11 m12 l12 2 l 22 3 , m12 2 m22 3 c da13 1 e d fa13 1 , f ga13 1 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… V2 2 3 2 2 3 H 2 3 , 2 3 (2.11) где H 2 имеет вид l11a25 l12a35 k11 l11a26 l12a36 k12 l11a27 l12a37 l11a24 l12a34 l12a25 l22a35 k12 l12a26 l22a36 k 22 l12a27 l22a37 l12a24 l22a34 H2 . m a m a m a m a l m a m a l m a m a 11 24 12 34 11 25 12 35 11 11 26 12 36 12 11 27 12 37 m a m a m a m a l m a m a l m a m a 12 24 22 34 12 25 22 35 12 12 26 22 36 22 12 27 22 37 По теореме Ляпунова об асимптотической устойчивости, будем добиваться положительной определенности функции V и отрицательной определенности функции V . Это эквивалентно требованию положительной определенности матрицы R и отрицательной определенности матрицы H . Так как V V1 V2 и V V1 V2 , то будем добиваться положительной и отрицательной определенности квадратичных форм V ,V и V ,V , имею1 2 1 2 щих вид (2.11) и содержащих коэффициенты a11 , a12 , a13 , a24 , a25 , a26 , a27 , a34 , a35 , a36 , a37 . 1. Для положительной определенности квадратичной формы V1 и отрицательной определенности квадратичной формы V1 необходима положительная и отрицательная определенность матриц R1 и H 1 . Из этих условий следует: 1 ( R1 ) 0 2 ( R1 ) 0 ( R ) 0 3 1 и 1 ( H1 ) 0 2 ( H 1 ) 0 ( H ) 0 3 1 (2.12) 2. Для положительной определенности квадратичной формы V2 и отрицательной определенности квадратичной фор169 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 мы V2 , необходима положительная и отрицательная определенность матриц R2 и H 2 . Из этих условий следует: 1 ( R2 ) 0 ( R ) 0 2 2 3 ( R2 ) 0 4 ( R2 ) 0 и 1 ( H 2 ) 0 ( H ) 0 2 2 3 ( H 2 ) 0 4 ( H 2 ) 0 (2.13) Найдем частное решение задачи поиска коэффициентов aij , обеспечивающих асимптотическую устойчивость заданного движения манипулятора. Возьмем коэффициенты b, c, d, e, f, g: b = 4, c = 1, d = 1, e = 2, f =1, g =2. Матрица R1 будет иметь вид (2.14) 4 1 1 R1 1 2 1 . 1 1 2 Условия положительной определенности матрицы R1 в (2.12) выполняются. Матрица H1 будет иметь вид a11 4 a12 1 a13 H1 a11 1 a12 3 a13 . 2a 11 2a12 1 2a13 Условия отрицательной определенности матрицы H1 : a11 0 , a12 0 , a13 0 , a12a13 a11 0 . a13 2 . Пусть a11 1, a12 2 , Тогда (2.15) 1 2 1 H1 1 1 1 . 2 4 3 Условия отрицательной определенности матрицы H1 в (2.12) выполняются. 170 А.В. Соколов. Об условиях асимптотической устойчивости движения… Пусть: k12 0 , l12 0 , m12 0 , k11 3 , k22 2 , l11 1 , l22 1 , m11 2 , m22 1. 3 0 0 2 Матрица R 2 будет иметь вид R2 1 0 0 1 (2.16) 1 0 2 0 0 1 . 0 1 Условия положительной определенности матрицы R2 в (2.13) выполняются. Матрица H 2 будет иметь вид a 25 3 a 26 a 27 a 24 a35 a36 2 a37 a34 . H2 2a 24 2a 25 2a 26 2a 27 a a35 a36 a37 34 Пусть a25 0 , a27 0 , a34 0 , a36 0 , a24 2 , (2.17) a26 1 , a35 2 , a37 1 . Условия отрицательной определенности матрицы H 2 в (2.13) выполняются. Таким образом, мы нашли все искомые коэффициенты aij , i 1,2,3 , j 1,...,7 , при помощи которых будет обеспечиваться асимптотическая устойчивость заданного движения (2.1) трехзвенного электромеханического манипулятора. В результате матрица коэффициентов aij из (2.4) примет вид 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 2 2 0 0 0 0 A 0 0 0 0 0 0 1 . 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 1 0 0 0 0 2 0 1 0 (2.18) 171 ПРОБЛЕМЫ МЕ ХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ – 2009 Библиографический список 1. Чиликин М.В. Теория автоматизированного электропривода / М.В.Чиликин, В.И.Ключев, А.С.Сандлер. М.: Энергия, 1979. 2. Соколов А.В. Об управлении движением электромеханического манипулятора / А.В.Соколов // Проблемы механики и управления: межвуз. сб. науч. тр. Пермь, 2003. Вып. 35. С.136–151. 3. Мухарлямов Р.Г. Математическое моделирование динамики несвободных механических систем / Р.Г.Мухарлямов // Вестн. РУДН. Сер. Прикладн. матем. и информ. 1996. № 1. С.31–37. 4. Мухарлямов Р.Г. О построении множества систем дифференциальных уравнений устойчивого движения по интегральному многообразию / Р.Г.Мухарлямов // Дифференц. уравнения. 1969. Т.5, № 4. С.688–699. 5. Программное движение механических систем / под ред. А.С.Галиуллина. М., 1971. 158 с. 6. Соколов А.В. Управление программным движением многозвенного манипулятора / А.В.Соколов // Проблемы механики и процессов управления: межвуз. сб. науч. тр. Пермь, 2002. Вып. 34. С.6–93. 7. Черноусько Ф.Л. Манипуляционные роботы: динамика, управление, оптимизация / Ф.Л.Черноусько, Н.Н.Болотник, В.Г.Градецкий. М.: Наука, 1989. 368 с. 172