Подсистема расчета и визуализации характеристик качества систем управления для программного комплекса моделирования двухзвенных манипуляционных роботов

Работа успешно сдана в 2025 году.

Структура работы включает введение, литературный обзор, теоретическую и экспериментальную части, экономическую часть, заключение, список использованных источников и приложения.

Целью данной работы является разработка подсистемы расчета и визуализации характеристик качества систем управления для программного комплекса моделирования двухзвенных манипуляционных роботов.

Список терминов и сокращений 5

Введение 7

1. Анализ предметной области и существующих решений 9

2. Теоретические основы разработки подсистемы 13

2.1 Математическое моделирование динамики двухзвенного манипулятора 13

2.2 Алгоритмы ПИД-регулирования и их применение в робототехнических системах 16

2.3 Характеристики качества систем управления и методы их оценки 20

2.4 Методы численного интегрирования для решения дифференциальных уравнений 23

2.5 Особенности применения регуляторов в управлении робототехническими системами 25

2.6 Описание работы двухзвенного манипуляционного робота. 28

2.7 Разработка математической модели динамики двухзвенного манипулятора 33

2.8 Алгоритм ПИД-регулирования и его применение для управления роботом. 37

2.9 Характеристики качества систем управления. 40

2.10 Методы численного интегрирования для решения дифференциальных уравнений. 43

3. Проектирование архитектуры подсистемы 47

4. Программная реализация подсистемы 56

5. Экспериментальные исследования и тестирование 60

5.1 Создание программного модуля имитационного моделирования динамики двухзвенного манипулятора 60

5.2 Разработка и программная реализация адаптивного алгоритма ПИД-регулирования с функционалом настройки коэффициентов 63

6. Экспериментальные исследования и верификация разработанной подсистемы 65

6.1 Проведение комплексного тестирования системы на различных типах входных воздействий 65

6.2 Визуализация результатов моделирования: построение графиков траекторий движения звеньев, ошибок управления и управляющих воздействий 73

6.3 Исследование влияния параметров настройки ПИД-регулятора на показатели качества системы управления 76

7. Экономическое обоснование разработки 84

7.1 Расчет необходимой численности исполнителей и распределение трудовых ресурсов 86

7.2 Определение временных характеристик и трудоемкости этапов разработки 86

7.3 Калькуляция капитальных затрат на реализацию проекта 87

7.4 Расчет стоимости необходимого оборудования и технического оснащения 88

7.5 Определение энергетических затрат на обеспечение работы системы 89

7.6 Расчет накладных расходов и сводный расчет себестоимости разработки 90

7.7 Оценка экономической эффективности и ожидаемого эффекта от внедрения системы 91

7.8 Сводные выводы по организационно-экономическому разделу 95

Заключение 96

Список использованных источников 97

Приложение 1. Программа для визуализации параметров системы управления 100

Приложение 2. Программа для тестирования ПИД-регуляторов в Matlab 103

1.   Кравцов А.Г., Марусич К.В. Промышленные роботы : учебное пособие. Оренбург : ОГУ, 2019.

2.   Архипов М.А., Вартанов М.В., Мищенко Р.А. Промышленные роботы: управление манипуляционными роботами : учебное пособие для СПО. 2-е изд., испр. и доп. Москва : ЛитРес, 2020.

3.   Юревич Е.И. Основы робототехники. 4-е изд. Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2018.

4.   Артоболевский И.И. Теория машин и механизмов. Москва : Наука, 1988.

2.   Лесков А.Л., Бажинова К.А., Селиверстова Е.А. Кинематика и динамика исполнительных механизмов манипуляционных роботов. Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.

....

26. Kuwata Y. Real-time Trajectory Design for Unmanned Aerial Vehicles using Receding Horizon Control. Massachusetts Institute of Technology, 2003.

27. Habibi G., Masehian E., Beheshti M. Binary integer programming model of point robot path planning // IECON 2007 – 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2007. P. 2841–2845.

28. Glasius R., Komoda A., Gielen S. Neural network dynamics for path planning and obstacle avoidance // Neural Networks. 1995. Vol. 8. P. 125–133.

29. Moreno J., Castro M. Heuristic algorithm for robot path planning based on a growing elastic net // Progress in Artificial Intelligence. Vol. 3808. Berlin, Heidelberg : Springer, 2005. P. 447–454.