Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Проблема компенсации внешнего заранее неизвестного возмущения является одной из фундаментальных и актуальных задач в теории автоматического управления. Технические системы, которые функционируют в условиях неизвестных возмущений, получили широкое распространение (системы виброзащиты, робото-технические системы, системы управления морскими, летательными и космическими объектами). Внедрение цифровых технологий позволило повысить гибкость и эффективность управления этими системами. При этом, для расчета сложных алгоритмов управления требуется дополнительное время. В результате в канале управления системы возникает запаздывание, которое может привести к ухудшению показателей качества процесса управления системой и даже к потере устойчивости.
В настоящий момент разработано большое количество алгоритмов компенсации внешних возмущений. Основные методы управления возмущенными системами базируются на применении обратной связи с большим коэффициентом, на организации скользящих режимов, на внедрении Н–оптимизации и на использовании внутренней модели. Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки, соответственно никакой из них может быть признан универсальным.
В рамках диссертационной работы применялся метод внутренней модели. В этом случае внешнее возмущение рассматривается в качестве выхода автономной динамической модели (генератор возмущений), структура которой должна быть воспроизведена в алгоритме управления. Изначально данный метод был разработан для линейных систем и генераторов возмущений с известными параметрами (Э. Дэвисон, М. Уонем), а позже был распространен на нелинейные системы (А. Айсидори, А. Серрани).
На практике в большинстве случаев параметры модели возмущения являются априорно неизвестными. Тогда генератор возмущения представляет собой
автономную систему с неизвестными параметрами. Для управления системой в условиях недостаточной априорной информации о внешнем возмущении используется адаптивный подход (Э. Эллиот, Г. Гудвин, К. Нарендра, А. Аннас-вами, М. Бодсон, С. Састри, Р. Ортега, В.О. Никифоров).
Наличие запаздывания в канале управления оказывает сильное влияние на устойчивость и качество работы системы. Решению задачи управления объектом с запаздыванием посвящено большое число статей (А.М. Цыкунов, О. Смит, А. Манитиус, А. Олброт, В. Квон, А. Пирсон, З. Артштейн, Ж.П. Ришар, М. Крстич). При этом проблема управления системами с запаздыванием в канале управления в условиях внешних возмущений остается недостаточно изученной. Ряд работ посвящен идентификационному методу (Р. Марино, П. Томей, А.А. Пыркин, А.А. Бобцов), при котором сначала оцениваются (идентифицируются) неизвестные параметры возмущения, а затем на основе полученных оценок синтезируется закон управления. Но использование идентификационного метода, как правило, подразумевает априорное знание граничных оценок неизвестных частот возмущения.
Другим методом управления возмущенными объектами с запаздыванием в канале управления является метод прямого адаптивного управления. В этом случае осуществляется непосредственная настройка параметров алгоритма управления для обеспечения работы замкнутой системы с желаемыми показателями качества без проведения идентификации параметров возмущения. При этом для синтеза закона управления из априорной информации о внешнем возмущении используется только количество гармоник в сигнале, информация об амплитудных и частотных параметрах гармоник не требуется.
Таким образом, развитие методов прямого адаптивного управления объектами с запаздыванием, подверженными внешним заранее неизвестным возмущениям, является актуальной научно-технической задачей.
Цели и задачи. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов прямой адаптивной компенсации внешних детерминированных возму-
щений для класса линейных стационарных объектов с запаздыванием в канале управления.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
-
Разработка наблюдателя внешних возмущений с известными количеством гармоник и неизвестными параметрами и формирование оценки упреждающего значения внешнего возмущения.
-
Разработка алгоритмов адаптивной компенсации для линейных неустойчивых стационарных объектов с сохранением устойчивости замкнутой системы для произвольного значения запаздывания в канале управления.
-
Разработка робастных алгоритмов адаптивной компенсации по отношению к неучтенным во внутренней модели сигналам внешнего возмущения.
-
Разработка алгоритмов адаптивной компенсации с улучшенными показателями качества переходных процессов.
Научная новизна. В диссертационной работе разработаны новые алгоритмы адаптивного управления линейными стационарными объектами в условиях внешних возмущений с запаздыванием в канале управления. Алгоритмы синтезированы на основе метода внутренней модели и не требуют идентификации параметров возмущения. Решена задача адаптивной компенсации для класса объектов с измеряемым и неизменяемым вектором состояниям. Предложены алгоритмы адаптивной компенсации для многоканальных систем. Синтезированы алгоритмы адаптации с робастной модификацией, позволяющие сохранить устойчивость замкнутой системы при возникновении во внешнем возмущении дополнительных сигналов, неучтенных в структуре внутренней модели. Разработаны алгоритмы адаптивной компенсации с улучшенным качеством переходных процессов в замкнутой системе.
Теоретическая и практическая значимость работы. В диссертационной работе развиваются методы адаптивной компенсации внешних неизвестных мультигармонических возмущений для широкого класса линейных систем с запаздыванием в канале управления. Разработанные алгоритмы адаптивной компенсации могут быть внедрены в различные технические системы, работающие
в условиях внешних возмущений. Алгоритмы могут быть применены в системах виброзащиты, где несколько доминирующих гармоник могут быть определены как спектр сигнала вибрации; в корабельных системах, подверженных воздействию порывов ветра, морских волн и речного течения; в робототехниче-ских системах, реализующих повторяющиеся технологические операции. В диссертационной работе продемонстрированы результаты синтеза и моделирования системы управления бесконтактным электродвигателем с адаптивным подавлением пульсаций магнитного поля ротора.
Методология и методы исследования. В ходе решения поставленных задач были использованы методы современной теории управления, аппарат пространства состояний, аппарат передаточных функций, аппарат функций Ляпунова, интегральные неравенства и критерий устойчивости Найквиста. Компьютерное моделирование числовых примеров осуществлялось в программной среде MATLAB/Simulink.
Положения, выносимые на защиту:
-
Группа алгоритмов управления по состоянию и выходу линейными и многоканальными объектами с прямой адаптивной компенсацией неточного известного внешнего возмущения в условиях запаздывания сигнала управления и присутствия во внешнем возмущении нерегулярной составляющей.
-
Алгоритмы прямой адаптивной компенсации внешнего неточно известного возмущения с улучшенной сходимостью, применимые для объектов с запаздыванием в сигнале управления.
-
Алгоритм управления бесконтактным двигателем с адаптивной компенсацией пульсаций вращающего момента с учетом запаздывания в расчете сигнала управления.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
1. 2015 IEEE Multi-Conference on Systems and Control, Сидней, Авст-
ралия, 2015.
-
8th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), Лиссабон, Португалия, 2016.
-
XLVI научная и учебно-методическая Конференция Университета ИТМО, 2017.
-
International Federation of Automatic Control 2017 World Congress, Тулуза, Франция, 2017.
-
International Workshop Navigation and Motion Control (NMC 2017), Ленинградская область, Приозерский район, мыс Черемухин, 2017.
-
XLVII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2018.
-
European Control Conference 2018 (ECC18), Лимассол, Кипр, 2018.
Результаты диссертационной работы были использованы в проекте «Алгоритмы адаптивного управления возмущенными системами с неизвестным запаздыванием» для Конкурса грантов 2016 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (диплом ПСП № 16282, распоряжение от 28.11.2016 № 148).
Публикации. Материалы по теме диссертационной работы опубликованы в 7 работах, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК [1-3], и 4 статьи в рецензируемых сборниках трудов международных конференций, индексируемых в системах Web of Science и Scopus [4-7].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 153 страницы с 35 рисунками. Список литературы содержит 166 наименований.