Управление движением мехатронных систем

 

 
 
 
 
 
 
 

В. К. ИВАНОВ 

 
 
 

УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ  

МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 

 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2020 

УДК 004.89(075.8) 
ББК 32.81я7 

 И 20 

 

Рецензенты 

доктор технических наук, профессор кафедры прикладной  

математики и информационных технологий ПГТУ В. В. Иванов; 

доктор технических наук, заведующий кафедрой транспортно- 

технологических машин ПГТУ, профессор А. И. Павлов 

 
  
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 

Иванов, В. К. 

И 20  
Управление движением мехатронных систем: учебное посо
бие / В. К. Иванов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный 
технологический университет, 2020. – 118 с.  
ISBN 978-5-8158-2187-3 
 

Рассмотрены проблемы и современные методы управления мехатрон
ными системами, иерархия управления, вопросы адаптивного и интеллектуального управления и управления движением мехатронных систем на основе искусственного интеллекта. Приведены темы курсовых проектов, рекомендации по их структуре и содержанию.  

Для студентов направления подготовки 15.04.06 – «Мехатроника и ро
бототехника», программа магистратуры «Проектирование и автоматизация 
управления системами мехатроники». 

 

УДК 004.89(075.8) 

ББК 32.81я7 

 

ISBN 978-5-8158-2187-3 
 Иванов В. К., 2020 
 Поволжский государственный  
технологический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие .................................................................................................. 4 

 
Список основных сокращений .................................................................... 6 

 
Введение  ....................................................................................................... 7  

 
1. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ В МЕХАТРОННЫХ  
СИСТЕМАХ .................................................................................................. 9 

1.1. Принципы построения мехатронных систем ................................. 9 
1.2. Проблемы и современные методы управления  
мехатронными системами .................................................................... 17 
1.3. Иерархия управления в мехатронных системах .......................... 20 
1.4. Программное управление мехатронными системами ................. 29  

Контрольные вопросы ................................................................................ 49 

 
2. АДАПТИВНОЕ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ  
МЕХАТРОННЫМИ СИСТЕМАМИ ......................................................... 50 

2.1. Адаптация и обучение ................................................................... 50 
2.2. Классификация адаптивных систем ............................................. 54 
2.3. Проблемы в создании адаптивных мехатронных систем ........... 61 
2.4. Примеры адаптивных систем управления роботами .................. 72 

Контрольные вопросы ................................................................................ 79 

 
3. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ  
НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ............................. 80  

3.1. Направления развития систем искусственного  
интеллекта .............................................................................................. 80 
3.2. Развитие и применение интеллектуальных систем ..................... 89 
3.3. Принципы построения систем интеллектуального  
управления в мехатронике ................................................................... 96 

Контрольные вопросы ............................................................................. 109 

 
Заключение ............................................................................................... 111 

 
Список литературы .................................................................................. 112 

 
Приложение. Темы, структура и содержание курсовых проектов ...... 114 

Предисловие 

 

Настоящее издание предназначено для студентов направления 

подготовки 15.04.06 – «Мехатроника и робототехника», обучающихся по программе магистратуры «Проектирование и автоматизация управления системами мехатроники». Содержание учебного пособия соответствует действующим федеральным государственным 
образовательным стантартам.  

Предлагаемое вниманию читателя издание посвящено пробле
мам управления мехатронными системами. Основа этих актуальных 
вопросов заложена в классической теории автоматического управления. 

В первой главе представленной работы «Управление движением в 

мехатронных системах» рассмотрены проблемы, перспективы и современные методы управления мехатронными системами, показана 
иерархия управления, обсуждены вопросы программного и адаптивного управления.  

Во второй главе «Адаптивное и интеллектуальное управление 

мехатронными системами» приведена классификация адаптивных систем, изложены проблемы и перспективы их создания и реализации, обобщены и проанализированы примеры адаптивных 
систем управления.  

В настоящее время наиболее актуальными являются вопросы 

построения систем интеллектуального управления в мехатронике, 
которым посвящена третья глава учебного пособия «Управление 
движением мехатронных систем на основе искусственного интеллекта». Здесь рассмотрены основные направления развития систем 
искусственного интеллекта, совершенствование и применение интеллектуальных систем, а также функции сенсорных систем человека с 
точки зрения кибернетики и принципы построения систем интеллектуального управления в мехатронике. 

Контрольные вопросы в конце каждой главы призваны помочь 

студентам обобщить и систематизировать изучаемый материал, организовать самостоятельную работу по его освоению, а кроме того, осуществлять самопроверку знаний.  

В источниках, приведенных в списке литературы, статьях, опуб
ликованных в современных научных журналах, а также на интернетсайтах, заинтересованный читатель найдет дополнительную информацию по рассматриваемой тематике. 
 
 

Список основных сокращений 

 
АТСС – автоматическая транспортно-складская система 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
БВУ – блок выходных усилителей 
БЗП – блок задания программ 
БУ – блок управления 
БФК – блок формирования команд 
ДЭС – динамическая экспертная система 
М – манипулятор 
МП – микроэлектронные приборы 
НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках 
НК – нейрокомпьютер 
ОСРВ – операционные системы реального времени 
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство 
ПИД – пропорционально интегрально дифференциальный закон 

регулирования 

ПК –программируемые контроллеры 
ПО – пульт обучения 
ПП –пульт программирования 
ПУ – пульт управления 
РМ – регулятор момента сил или силы 
РП – регулятор положения 
РПСС – регулятор прямой связи по скорости изменения управля
ющего воздействия 

РС – регулятор скорости 
РСВВ – регулятор корректирующей связи по возмущающему воз
действию 

РТК – робото-технологический комплекс 
СТЗ – системы технического зрения 
ТАУ – теория автоматического управления 
ТО – технологическое оборудование 
ТС – транспортное средство 
УЦВМ – управляющая ЦВМ 
ФВИ – формирователь временных импульсов 
ФП – функциональный преобразователь 
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Объектом управления в мехатронике является сложная многосвяз
ная система, в состав которой входят: комплекс исполнительных 
приводов, механическое устройство с рабочим органом, блок сенсоров, объект работ, с которым взаимодействует рабочий орган. Указанная структура объекта управления определяет требования и постановку задачи управления мехатронными системами. Очевидно, что 
воспроизведение заданных движений мехатронными модулями основывается на выполнении классических требований теории управления: устойчивости, точности и качества процесса управления. 

Однако дополнительно необходимо учитывать следующие специ
фические особенности мехатронных систем:  

- движение рабочего органа как конечного управляемого звена 

обеспечивается взаимосвязанными (кинематически и динамически) 
перемещениями нескольких исполнительных приводов и звеньев механического устройства;  

- задача управления мехатронной системой должна быть решена в 

пространстве (т.е. найдены оптимальные траектории движения всех 
звеньев, включая рабочий орган) и во времени (т.е. определены и реализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия для 
всех приводов системы);  

- для многих технологических задач параметры внешних и возму
щающих воздействий, приложенных к рабочему органу и отдельным 
мехатронным модулям, заранее не определены;  

- сложность построения адекватных математических моделей ме
хатронных систем традиционными аналитическими методами. 

Для планирования заданного движения мехатронной системы 

необходимо решить обратную задачу, суть которой состоит в определении требуемых перемещений звеньев системы по заданному закону движения рабочего органа. 

Целью преподавания дисциплины «Управление движением в ме
хатронных системах» является формирование у студентов знаний основных принципов управления мехатронными системами для дости- 

жения оптимальных результатов при проектировании, создании и исследовании мехатронных устройств, а также достижение планируемых результатов обучения: знаний, умений, навыков деятельности, 
характеризующих формирование компетенций: способность составлять алгоритмы управления и математические модели мехатронных и 
робототехнических систем, их подсистем, включая исполнительные, 
информационно-сенсорные и управляющие модули, с применением 
методов теории автоматического (оптимального) управления, формальной логики, методов конечных автоматов, сетей Петри, методов 
искусственного интеллекта, нечеткой логики, искусственных нейронных сетей. 

Применяемые для решения задач управления мехатронными си
стемами способы можно классифицировать следующим образом: 

- по степени участия человека в процессе управления: системы ав
томатического; автоматизированного; ручного управления; 

- типу алгоритма автоматического управления различают си
стемы: программного; адаптивного; интеллектуального управления; 

- типу движения существуют системы управления: непрерывные 

(контурные); дискретные позиционные, дискретные цикловые; 

- виду управляемых переменных различают системы управления: 

положением (позицией); скоростью; силой (моментом).  

Часто перечисленные способы управления применяются в комби
нации одновременно по разным координатам, в виде некоторой функциональной зависимости одной управляемой переменной от другой 
или путем последовательного перехода от одного способа управления 
к другому. 
 
 

1. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ В МЕХАТРОННЫХ 

СИСТЕМАХ

 

1.1. Принципы построения мехатронных систем 

 

Рассмотрим обобщенную структуру мехатронных систем с компь
ютерным управлением, которая представлена на рисунке 1.1. В основу 
построения данной схемы положена широко известная структура автоматических роботов, введенная академиком Е. П. Поповым [2]. 

 

 

 

Рис. 1.1  Обобщенная структура мехатронных систем 

Внешней средой для машин рассматриваемого класса является 

технологическая среда, которая содержит различное основное и 
вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ. 

При выполнении мехатронной системой заданного функциональ
ного движения объекты работ оказывают возмущающие воздействия 
на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы 
резания для операций механообработки, контактные силы и моменты 
сил при сборке, сила реакции струи жидкости при операции гидравлической резки. 

Внешние среды укрупнено можно разделить на два основных 

класса: детерминированные и недетерминированные. К детерминированным относятся среды, для которых параметры возмущающих 
воздействий и характеристики объектов работ могут быть заранее 
определены с необходимой для проектирования мехатронных систем 
степенью точности. Некоторые среды являются недетерминированными по своей природе (например, экстремальные среды: подводные, 
подземные и т.п.).  

Характеристики технологических сред как правило могут быть 

определены с помощью аналитико-экспериментальных исследований 
и методов компьютерного моделирования. Например, для оценки сил 
резания при механообработке проводят серии экспериментов на специальных исследовательских установках, параметры вибрационных 
воздействий измеряют на вибростендах с последующим формированием математических и компьютерных моделей возмущающих воздействий на основе экспериментальных данных. 

Однако для организации и проведения подобных исследований за
частую требуются слишком сложные и дорогостоящие аппаратура и 
измерительные технологии. Так, для предварительной оценки силовых воздействий на рабочий орган при операции роботизированного 
удаления облоя с литых изделий необходимо измерять фактические 
форму и размеры каждой заготовки. В таких случаях целесообразно 
применять методы адаптивного управления, которые позволяют автоматически корректировать закон движения мехатронной системой 
непосредственно в ходе выполнения операции. 

В состав традиционной машины входят четыре основные части:  
- механическое устройство, конечным звеном которого явля
ется рабочий орган;  

- блок приводов, включающий силовые преобразователи и испол
нительные двигатели;  

- устройство компьютерного управления, верхним уровнем для 

которого является человек-оператор, либо другая ЭВМ, входящая в 
компьютерную сеть;  

- информационное устройство (сенсоры), предназначенные для 

получения и передачи в устройство компьютерного управления информации о реальном движении машины и о фактическом состоянии 
ее подсистем. 

Механическое устройство и двигатели объединены в группу ис
полнительных устройств. В состав группы интеллектуальных 
устройств включены электронная, управляющая и информационная 
части машины. 

Электромеханическая часть включает механические звенья и 

передачи, рабочий орган, электродвигатели, сенсоры и дополнительные электротехнические элементы (тормоза, муфты). Механическое 
устройство предназначено для преобразования движений звеньев в 
требуемое движение рабочего органа. Электронная часть состоит из 
микроэлектронных устройств, силовых преобразователей и электроники измерительных цепей. 

Информационное устройство (сенсоры) предназначено для 

сбора данных о фактическом состоянии внешней среды и объектов 
работ, механического устройства и блока приводов с последующей 
первичной обработкой и передачей этой информации в устройство 
компьютерного управления. 

Таким образом, наличие трех обязательных частей  механиче
ской (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, 
связанных энергетическими и информационными потоками, является 
первичным признаком, отличающим мехатронные системы. 

Устройством компьютерного управления будем называть ком
плекс аппаратных и программных средств, вырабатывающий сигналы 
управления для блока приводов машины. В состав комплекса обычно