СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

РОБОТОТЕХНИКА 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 Вход (уставка) Регулятор Привод Объект Внешние возмущения Шумы измерения Датчики В статье представлены базовые понятия теории автоматического управления и рассмотрены практические моменты компьютерной реализации управления движением мобильного робота. Андрей Антонов (Волгоград) Специальный проект журнала «Современная электроника» и сайта robotosha.ru Теория и практика автоматического управления в робототехнике Р О Б О Т О ША А ВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ Одной из основных задач, решае- мых в робототехнике, является задача управления. Если техническая систе- ма работает без участия человека, то её называют «автоматическая систе- ма». Разработкой общих принципов реализации автоматического управле- ния, методов анализа и синтеза систем автоматического управления занимает- ся научная дисциплина под названием «Теория автоматического управления» (ТАУ). ТАУ является частью технической кибернетики – науки, изучающей про- цессы управления и обработки инфор- мации в технических системах. Зача- стую в качестве синонима названию «Теория автоматического управления» используется «Теория автоматического регулирования». В зарубежной литерату- ре применяется термин "Control Theory". Сталкиваясь с задачами управления, мы всегда имеем дело с двумя объек- тами – управляемым, или объектом управления, и управляющим, который называют регулятором или контролле- ром. Воздействие регулятора на объ- ект управления производится обыч- но через исполнительные устройства, называемые приводами. Приводы уси- ливают и преобразуют сигнал управле- ния. Например, электрический управ- ляющий сигнал трансформируется в перемещение руки манипулятора в промышленном роботе. Для «осяза- ния» регулятором объекта управления используются датчики – устройства, измеряющие те характеристики объ- екта, которыми необходимо управ- лять. Различные элементы обменивают- ся между собой информацией, исполь- зуя каналы связи, в качестве которых может выступать электрический ток, воздух (пневматические системы), жид- кость (гидравлические системы), ком- пьютерные сети [1]. Для реализации управления техниче- ской системой используется принцип обратной связи. Основная идея обрат- ной связи состоит в том, что текущее значение на выходе системы непре- рывно сравнивается с требуемым эта- лонным значением (уставкой) и состо- яние входа системы корректируется таким образом, чтобы свести к нулю любое отклонение выхода от уставки. Другими словами, если значение кон- тролируемого физического параметра на выходе велико, то производятся кор- ректировки параметра на входе, кото- рые приводят к снижению выходной величины. Если же значение на выхо- де меньше уставки, то вход корректи- руется таким образом, чтобы увеличить значение на выходе системы. Таким образом, реализуется управление по ошибке, стремящееся свести рассогла- сование к нулю. Поскольку информа- ция в системе с обратной связью пере- даётся по замкнутому контуру, то такие системы ещё называют замкнутыми системами. Обобщённо идея управления состоит в использовании информации о состо- янии объекта для выработки управля- ющего сигнала. Схема системы управ- ления с обратной связью показана на рисунке 1. Если же выход системы в расчёт не принимается, то такая система является разомкнутой. В ней регулятор не полу- чает никакой информации о реальном состоянии объекта. В этом случае, что- бы иметь возможность построить про- грамму управления, должно быть точно известно поведение объекта управле- ния. Разомкнутые системы часто назы- вают системами программного управ- ления. Примером системы программ- ного управления является электронное информационное табло. Структурная схема разомкнутой системы управле- ния приведена на рисунке 2. Типы задач, решаемых с исполь- зованием автоматических систем управления: ● стабилизация – это поддержание заданного режима работы (уставка равна константе); ● программное управление – это управление с использованием задан- ной программы. В этом случае зада- ющий сигнал меняется, но является заранее неизвестным; ● слежение за неизвестным сигналом. Рис. 1. Система автоматического управления с обратной связью © СТА-ПРЕСС