Магистерская диссертация на тему: Постановка задачи. Функциональные требования к системе. Требования к программному обеспечению

Введение

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.

Оглавление

- Введение

- Постановка задачи

- Функциональные требования к системе

- Требования к программному обеспечению

- Требования к ЭВМ

- Требования к экспериментальной модели

- Обзор методов дистанционного управления

- Роль дистанционно управляемых систем

- Основные методы и уровни дистанционного управления манипуляционными роботами

- Командное управление манипуляторами и роботами на исполнительном уровне

- Дистанционно-автоматическое управление манипуляционными роботами

- Методы поиска терминального управления

- Вариационная постановка задачи

- Чисто терминальная постановка задачи

- Синтез терминального управления, реализующего заданное движение системы

- Концепция распределенной системы терминального управления робототехническим комплексом

- Общая концепция РСТУ робототехническим комплексом

- Концепция системы передачи управляющих команд

- Концепция специализированного ПО РСТУ

- Разработка экспериментальной модели РСТУ робототехнического комплекса

- Назначение экспериментальной модели РСТУ

- Построение экспериментальной модели

- Численное моделирование и анализ исполнительной системы робота манипулятора

- Разработка программного обеспечения системы терминального управления техническим объектом

- Выбор среды разработки

- Функциональные возможности ПО РСТУ

- Требования к персональной ЭВМ

- Руководство пользователя

- Описание основных функций

- Технико-экономическое обоснование дипломного проекта

- Маркетинговые исследования проектируемого продукта

- Потребительская ценность продукта

- Портрет потребителя

- Сегментация рынка

- Оценка рыночной направленности

- Конкурентоспособность программного продукта

- Определение затрат на проектирование программного продукта

- Расчёт трудоёмкости

- Расчёт себестоимости часа машинного времени

- Расчёт сметы затрат на проектирование

- Формирование цены предложения

- Расчёт капитальных затрат

- Расчёт эксплуатационных расходов потребителя

- Оценка эффективности проектируемого программного продукта

- Определение показателей чистого денежного потока

- Определение показателей чистой текущей стоимости

- Вывод

- Охрана труда и окружающей среды

- Анализ условий труда оператора ЭВМ в компьютерной лаборатории

- Расчётная часть

- Проектирование естественного освещения производственных помещений

- Проектирование искусственного освещения производственных помещений

- Вывод Заключение

- Библиографический список

- Приложение А. Исходные тексты основных функций

Список литературы

1. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы / ВС. Кулешов, Н.А Лакота, В.В. Андрюнин и др.; Под общ. Ред. Е.П. Попова. - М.Машиностроение, 1986. - 328 с. ил.

2. Батенко А.П. Системы терминального управления. - М.: Радио и связь, 1984. - 160 с., ил.

3. Медведев В.С., Лесков А.Г., Системы управления манипуляционных роботов/Под ред. Е.П. Попова. - М.: Наука, 1978 - 416 с.

4. Летов А.М. Динамика полета и управление. - М.: Наука, - 1969. - 359 с.

5. Красовский А.А. Аналитическое конструирование систем квазитерминального управления // Автоматика и телемеханика. - 1972. - №4. - С. 5-14.

6. Seal С.Е., Stabberud А.R. Оn final value control // IEEE Trans. - 1969. - V.7 - №2. - Р. 133-143.

7. Green W.G. Logarithmic navigation for precise guidance for space vehicles // IRE Trans. - 1961. - V. ANE-8 - №2 - Р. 59-71.

8. Ястребов В.С., Филатов А.М. Системы управления движением робота. - М.: Машиностроение, 179. 176 с.

9. Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. - М.: Сов. радио, 1977. - 256 с.

10. Батенко А.П. Конечное управление цепочкой интеграторов // Автоматика. - 1977. - №2. - С. 63-71.

13. Чиликин М.Г., Ключев В.И. Теория автоматизированного электропривода. - М.: Энергия, 1979. - 616 с.

14. Borland С++Builder. Программирование на С++ без проблем / Шамис В.А.. - М.: "Нолидж", 1997 - 266с., ил.

15. Программирование в среде С++Builder / Сурков К.А., Сурков Д.А., Вальвачев А.Н.. - Мн.: ООО "Попурри", 1998. - 576 с.:ил.

Приложение а

(Обязательное)

Исходные тексты основных функций

А.1 Исходный текст функции вычисления коэффициентов терминального управления на языке Matlab

% ФУНКЦИЯ РАСЧЕТА ТЕРМИНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

% ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ:

% Xо - ВЕКТОР НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

% Xк - ВЕКТОР КОНЕЧНЫХ УСЛОВИЙ

% Т - ВРЕМЯ ЗА КОТОРОЕ НЕОБХОДИМО ВЫПОЛНИТЬ ПЕРЕХОД

% dТ - ВРЕМЯ ОПЕРЕЖЕНИЯ ФАЗОВОЙ ТОЧКИ

% ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ:

% С - КОЭФФИЦИЕНТЫ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ

function [С]=terminal_control(Xо,Xк,Т,dТ)

r=length(Xо); % КОЛИЧЕСТВО НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

n=length(Xк); % КОЛИЧЕСТВО КОНЕЧНЫХ УСЛОВИЙ

С=zeros(1,2*r+n);

%---------------------------------------------------------------% РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ Сi

С(i+1)=Xо(i+1)/factorial(i); % ПЕРВЫЕ r ПАРАМЕТРОВ Сi (i=0,1,...,r-1)

summa_1=summa_1+factorial(r+n-nu-1)*С(nu+1)/factorial(r+n-i-1)/factorial(i-nu)/Т^(i-nu);

summa_2=summa_2+((-1)^nu)*factorial(r+n-nu-1)*Xк(nu+1)/factorial(i)/factorial(r+n-i-nu-1)/factorial(nu)/Т^(i-nu);

С(i+1)=summa_2-summa_1;

disp(['---------- ВЫХОДНАЯ ФУНКЦИЯ ----------'])

disp(['С' num2str(i) '*t^' num2str(i) '+'])

disp(['---------- НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ Xо ----------'])

disp(['---------- КОНЕЧНЫЕ УСЛОВИЯ Xк ----------'])

disp(['Xк(' num2str(i) ')=' num2str(Xк(i+1))])

disp(['---------- ВРЕМЯ ----------'])

disp(['Т=' num2str(Т)])

disp(['---------- dТ ----------'])

disp(['dТ=' num2str(dТ)])

disp(['---------- КОЭФФИЦИЕНТЫ Сi ----------'])

disp(['С(' num2str(i) ')=' num2str(С(i+1))])

А.2 Исходный текст модуля вычисления коэффициентов терминального управления на языке С++

// Функции для вычисления параметров

// терминального управления v.1.0

// ФУНКЦИЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ФАКТОРИАЛА N! //

// Если аргумент функции отрицательный возвращаем -1

// Расчет факториала

// Возвращаем результат

// ФУНКЦИЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ Сi //

// Входные параметры:

// Xо - массив начальных условий

// r - количество начальных условий

// Xк - массив конечных условий

// n - количество конечных условий

// Тк - конечное время

// Выходные параметры:

// Указатель на массив коэффициентов Сi

double *CoeffC(double Xо[], int r, double Xк[], int n, double Тк)

// Определяем массив коэффициентов

// Памать под массив необходимо очистить

// вызывающей функции delete[] Сi !!!

double *Сi = new double[r+n];

// Вычисляем первые r коэффициентов Сi

Сi[i]=(double)(Xо[i]/Factorial(i));

// Вычисляем оставшиеся n коэффициентов Сi

// См. Батенко А.П. "Синтез терминального управления" формула (4.16)

sum_1+=(double)(Factorial(r+n-v-1)/Factorial(r+n-i-1)/Factorial(i-v)/pow(Тк,i-v)*Сi[v]);

sum_2+=(double)(pow(-1,v)*Factorial(r+n-v-1)/Factorial(i)/Factorial(r+n-i-v-1)/Factorial(v)/pow(Тк,i-v)*Xк[v]);

Сi[i]=-sum_1+sum_2;

r=(int)sizeof(Сi)/sizeof(double);

return Сi;

А.2 Исходный текст функций программного обеспечения РСТУ

int i, к;

// Ввод исходных данных для расчета

//------------------------------------------------------------ int InitConditionNum=StrToInt(Edit1->Text); // Кол-во начальных условий

int FiniConditionNum=StrToInt(Edit3->Text); // - " - конечных условий

double Т=StrToFloat(Edit5->Text);

// Формирование массива начальных условий

к=0;

xо[к]=StrToFloat(s);

к++;

// Формирование массива конечных условий

к=0;

xf[к]=StrToFloat(s);

к++;

// Вычисляем коэффициенты терминального управления

// Указатель на массив коэффициентов

double *С;

С=CoeffC(xо, InitConditionNum, xf, FiniConditionNum, Т);

ListBox1->Items->Add("С["+IntToStr(i)+"] = "

+FloatToStrF(С[i], ffFixed, 7, 5));

// Вычисляем управляющую функцию u(t)

double dТ, t=0.0;

dТ=StrToFloat(Edit6->Text);

int N=(int)Т/dТ;

for (к=0; к<InitConditionNum+FiniConditionNum; к++)

if (к==0)

sum+=С[к];

sum+=С[к]*pow(t, к);

t+=dТ;

delete[] С;

StringGrid1->Cells[0][0]="Время [сек]";

out<<"Файл протокола от "<<DateToStr(Now()).c_str()<<"\n";

out<<"С["<<i<<"] = "<<ListBox1->Items->Strings[i].c_str()<<"\n";

// Формируем пакет для передачи информации

// Вводим IР-адрес

// Пересылка данных

ShowMessage("Не удалось передать информационный пакет!");