Дипломная работа: Распределенная система терминального управления техническим объектом
Распределенные системы автоматического управления находят самое широкое применение во многих областях деятельности человека. В том числе это относится и к системам, в состав которых входят дистанционно управляемые роботы и манипуляторы, относящиеся к классу манипуляционных робототехнических систем. Бурное развитие промышленной робототехники, основной базой которой стали автоматически действующие манипуляционные роботы с программным управлением, позволило подойти к решению одной из наиболее актуальных задач – исключения ручного труда человека из сферы производства. При этом не только обеспечивается повышение производительности за счет интенсификации технологических процессов, но и существенно улучшается качество проводимых работ, повышается надежность выполнения операций [1].
Все это свидетельствует об актуальности разработок, связанных с использованием методов построения распределенных систем управления. В первую очередь это касается систем функционирующих в недетерминированных условиях экстремальных сред, где необходимо выполнять сложные операции исследовательского характера, проводить монтажно-сборочные работы с использованием универсального инструмента или оснастки. К таким средам в первую очередь относятся зоны с наличием радиоактивных излучений, опасных для здоровья человека. Подводно-технические работы, осуществляемые на больших глубинах, также рациональнее проводить с помощью манипуляционных роботов с дистанционно-автоматическим управлением.
Принципы дистанционно-автоматического управления представляются весьма перспективными при создании манипуляционных роботов, обслуживающих атомные электростанции и, в будущем, термоядерные энергетические установки. Большие возможности открывает использование манипуляционных роботов с дистанционно-автоматическим управлением в горнодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Как было сказано выше, системы дистанционного управления в первую очередь ориентированны на работу в экстремальных условиях, что накладывает дополнительные требования к повышению точности работы сложных робототехнических устройств. Повысить точность управления можно за счет использования принципов терминального управления [2]. При таком управлении объект управления переходит из начального фазового состояния в предписанное конечное за заданный промежуток времени. Алгоритмы терминального управления получили весьма широкое распространение ввиду простой реализации с помощью ЭВМ. Это позволяет использовать в составе распределенной системы терминального управления микропроцессорную технику, что в свою очередь позволит миниатюризировать достаточно сложные технические решения.
Данный проект ставит своей целью разработку концепции и программного обеспечения для распределенной системы терминального управления техническим объектом, в роли которого выступает робототехнический комплекс. Такая система может быть эффективно использована при решении задач, связанных с построением систем автоматического управления, функционирующих в экстремальных условиях.
В первом разделе выполняется постановка задачи на дипломное проектирование. Во втором разделе дается обзор существующих методов построения дистанционно управляемых систем автоматического управления. В третьем разделе описывает основные принципы, использующиеся при синтезе терминальных управлений. Четвертый раздел описывает концепцию распределенной системы терминального управления, разрабатываемой в проекте. Пятый раздел связан с экспериментальной моделью проектируемой системы. Шестой раздел посвящен разработке программного обеспечения для распределенной системы терминального управления. Седьмой раздел связан с технико-экономическим обоснованием дипломного проекта. Восьмой раздел посвящен вопросам охраны труда и окружающей среды. Общие вопросы гражданской обороны освещены в девятом разделе.
1 постановка задачи
В рамках дипломного проекта необходимо разработать концепцию и программное обеспечение распределенной системы терминального управления техническим объектом. В качестве технического объекта необходимо рассматривать робототехнический комплекс.
1.1 Функциональные требования к системе
Разрабатываемая система терминального управления (РСТУ) техническим объектом должна быть адаптирована к функционированию в экстремальных условиях, т.е. условиях, в которых существует угроза жизни и здоровью человека. Система не должна быть полностью автоматической, в ее составе должна быть отведена роль для оператора – лица, принимающего решения и выполняющего установку необходимых параметров для функционирования системы, а также задающего команды исполнительным частям системы. Поскольку условия, в которых работает разрабатываемая система предполагает наличие экстремальных условий работы, необходимо построить распределенную систему терминального управления. В этом случае оператор, осуществляющий контроль и управление системой, и объект управления (робототехническая система), находятся на значительном удалении друг от друга, достаточном для обеспечения безопасности оператора. При формировании закона терминального управления возможно использование информации об окружающей обстановке от распределенных в пространстве датчиков, поэтому необходимо предусмотреть возможность оперативного обновления и поступления информации от измерительных систем датчиков на пульт управления оператору РСТУ.
Контроль и управление должны осуществляться с помощью специализированного программного обеспечения. Пересылка команд объекту управления может быть осуществлена с использованием сетевых технологий. Разрабатываемая система должна отвечать повышенным требованиям к надежности функционирования всех отдельных частей системы, поэтому рекомендуется рассмотреть возможность подключения резервных элементов, наиболее важных для обеспечения работоспособности системы.
1.2 Требования к программному обеспечению
Программное обеспечение (ПО) для РСТУ должно быть ориентировано на работу под управлением операционной системы семейства WindowsNT. Использование операционной системы семейства NT позволит повысить отказоустойчивость ПО. Разрабатываемое ПО должно обладать графическим интерфейсом пользователя, обеспечивающим интуитивно понятную работу оператора РСТУ с программой управления системой. Для представления результатов работы необходимо предусмотреть возможность отображения экспериментальных данных в виде таблиц и графических зависимостей. Для анализа аварийных и чрезвычайных ситуаций необходимо предусмотреть возможность протоколирования работы программы управления РСТУ.
При разработке следует использовать модульный подход к разработке программного обеспечения. Это позволит обеспечить возможность адаптации ПО к различным техническим объектам. В соответствии с функциональной спецификой РСТУ, разрабатываемое ПО должно поддерживать возможность обмена данными по локальным (или глобальным) сетям с использованием протокола TCP/IP.
1.3 Требования к ЭВМ
Разрабатываемое ПО пульта управления РСТУ должно быть ориентировано на работу на IBMPC совместимых персональных компьютерах. Минимальная конфигурация должна отвечать следующим условиям:
- процессор класса Intel Pentium/Celeron с тактовой частотой не менее 1 ГГц;
- объем оперативной памяти не менее 256 Мб;
- объем жесткого диска не менее 20 Гб;
- объем видеопамяти не менее 32 Мб;
- наличие сетевой платы, обеспечивающей пропускную способность 100 Мбит в секунду.
Персональная ЭВМ должна быть подключена к источнику бесперебойного питания.
1.4 Требования к экспериментальной модели
Для апробации алгоритмов управления рекомендуется создать имитационную модель, позволяющую промоделировать реакцию робототехнической системы на поданное терминальное управление. Использование экспериментальной имитационной модели позволит сэкономить значительные средства, необходимые для проведения натурных испытаний. Для построения такой модели рекомендуется использовать среду инженерных расчетов и моделирования Matlab. Разработанная модель может быть использована для исследовательских целей. При разработке модели, также как и при разработке программного обеспечение следует использовать модульный подход.
2 обзор методов дистанционного управления
2.1 Роль дистанционно управляемых систем
Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы, относящиеся к классу манипуляционных робототехнических систем, находят самое широкое применение во многих областях деятельности человека.
Бурное развитие промышленной робототехники, основной базой которой стали автоматически действующие манипуляционные роботы с программным управлением, позволило подойти к решению одной из наиболее актуальных задач – исключения ручного труда человека из сферы производства. При этом не только обеспечивается повышение производительности за счет интенсификации технологических процессов, но и существенно улучшается качество проводимых работ, повышается надежность выполнения операций.
Однако использование автоматически действующих роботов, часто называемых манипуляторами с программным управлением, требует серьезной подготовки производства, организации более тесного их взаимодействия с другим технологическим оборудованием. Как правило, действия робота в составе оборудования автоматизированного производства строго определены его назначением, т.е. ограничены какой-либо одной сферой применения.
Специализация промышленных роботов позволяет обеспечить наиболее эффективную их эксплуатацию при выполнении определенных работ, например сборки, сварки, окраски и т.п. При этом эффективность эксплуатации робота и качество выполняемой им работы определяются во многом степенью его согласования с другим технологическим оборудованием в строго детерминированных условиях рабочей зоны.
Очевидно, что изменение условий в рабочей зоне требует адаптации самого промышленного робота при его программном управлении. Средства адаптации, входными элементами которых являются как датчики очувствления манипуляционного устройства, так и датчики информации об условиях в рабочей зоне, существенно усложняют робототехническую систему, уменьшая при этом и надежность ее работы. Достаточно большую сложность представляет формализованное описание внешней среды – рабочей зоны робота, необходимое при программировании действий робота в недетерминированных условиях рабочей зоны.
Этим определяется высокая эффективность дистанционного управления в период ввода программы в систему автоматического управления, т.е. в режиме обучения. Действительно, при дистанционном обучении робота человек-оператор имеет возможность непосредственно оценивать условия в рабочей зоне. Зрительный и слуховой аппараты человека достаточно совершенны, чтобы обеспечить действия манипуляционного робота при выполнении весьма сложных операций без привлечения каких-либо систем технического зрения и стереофонических систем, входящих в информационное обеспечение автоматически действующего робота [1].
Степень участия человека-оператора в управлении манипуляционным роботом не только определяется сложностью выполняемой операции, но и существенно зависит от структуры системы и принципа дистанционного управления. Так, при командном, копирующем и полуавтоматическом управлении манипулятором человек постоянно обеспечивает формирование движений его исполнительного устройства.
Супервизорное и диалоговое управления позволяют в значительной степени освободить человека от выполнения простейших, повторяющихся движений, работать в режиме диспетчирования действий робота. Очевидно, что при этом используется микропроцессорная система управления движением манипулятора. В ряде случаев требуется силомоментное или тактильное очувствление робота, позволяющее организовать наиболее рациональное взаимодействие с объектами работы.
Весьма эффективными при выполнении разнообразных операций с помощью манипуляторов универсального назначения являются системы комбинированного дистанционно-автоматического управления. В подобных робототехнических системах оператор подключается к управлению лишь в моменты выполнения наиболее сложных действий манипуляционного робота.
Наличие дистанционного режима позволяет обеспечить и оперативную коррекцию программы движения автоматически действующего робота, которую осуществляет человек-оператор, непосредственно наблюдающий за ходом работы.