Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс приводит к появлению новых транспортных и промышленных средств, бытовой техники, исследовательского оборудования и пр., которые предназначены для функционирования в априори неопределенных условиях при предъявлении повышенных требований к их режимам функционирования. Указанные факторы обуславливают неослабевающий интерес к решению проблемы синтеза систем управления в условиях неопределенности, основанных на адаптивных, робастных и интеллектуальных подходах. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы как отечественных (А.Г. Александров, Д.В. Баландин, А.А. Бобцов, В.Н. Буков, С.Н. Васильев, А.Р. Гайдук, Н.А. Глебов, С.В. Емельянов, С.Д. Земляков, А.А. Колесников, А.А. Красовский, А.Б. Куржанский, В.М. Лохин, Р.А. Нейдорф, В.О. Никифоров, Б.Н. Петров, И.И. Перельман, Б.Т. Поляк, В.Х. Пшихопов, Е.С. Пятницкий, В.Ю. Рутковский, Л.К. Самойлов, В.А. Терехов, А.В. Тимофеев, В.И. Уткин, Н.В. Фалдин, А.А. Фельдбаум, Н.Б.Филимонов, А.Л. Фрадков, В.Л. Харитонов, А.М. Цыкунов, Я.З. Цыпкин, Ф.Л. Черноусько, Р.М. Юсупов, В.А. Якубович и др.), так и зарубежных ученых (J. Ackerman, M. Arcak, V. Balakrishnan, G. Bastin, S. Boyd, R. Bucy, J.C. Doyle, E. Feron, E. Ghaoui, M.R. Gevers, D.J. Hill, A. Isidori, R. Kalman, H.K. Khalil, P.V. Kokotovi, C.T. Leondes, R. Marino, D.C. McLernon, J. Saridis, S.S. Sastry, H.J. Sussman, P. Tomei, Z. Wang, C. Wen, L.A. Zadeh, G. Zames, J. Zhang, и др.).
Однако, при наличии достаточно большого числа публикаций, результатов и подходов к построению систем управления в условиях неопределенности, решение ряда задач в нелинейной многосвязной постановке, удовлетворяющей современным требованиям, по мнению ряда ведущих ученых (С.Д. Земляков, А.А. Красовский, А.Б. Куржанский, В.Ю. Рутковский), на настоящее время не получено. С нашей точки зрения, основные проблемы, требующие дальнейшего исследования при синтезе систем управления, заключаются в следующем:
- в необходимости создания теоретических основ и методов синтеза, учитывающих параметрические, внешние и структурные возмущения, и не накладывающих ограничений в виде квазистационарности неопределенностей, что существенно усложняет задачи оценивания и адаптации. Так, гипотеза квазистационарности является типичным условием работ по идентификации и адаптации. Для непрямых методов адаптивного управления центральной проблемой является синтез алгоритмов оценивания и идентификации, что подтверждается большим количеством работ, исчисляемых десятками тысяч;
- в усложнении процедуры синтеза при учете нелинейности и многосвязности управляемых объектов. Большинство беспоисковых методов адаптивного управления основано на линейном представлении модели объекта управления с заранее заданной структурой. Для такого объекта строится основной контур управления, коэффициенты которого настраиваются таким образом, чтобы обеспечить асимптотическую устойчивость замкнутой системы или равенство какой-либо характеристики замкнутой системы эталонному значению;
- в необходимости учета ограничений на управляющие воздействия и переменные состояния при синтезе алгоритмов автоматического управления. Данная проблема возникает при синтезе как адаптивных, так и неадаптивных законов управления, независимо от линейной или нелинейной, односвязной или многосвязной постановок задачи. Известные подходы к синтезу ограниченных управляющих воздействий, например, принцип максимума Понтрягина, приводят к двухпозиционному управлению и имеют ограничения по размерности решаемой задачи.
Большинство известных подходов предполагают синтез адаптивных систем на базе специальных управляемых форм объектов, преобразование к которым для нелинейных многосвязных систем является отдельной сложной проблемой. Так существует значительное число методов, основанных на канонической управляемой форме Фробениуса, управляемой форме Жордана, блочной (каскадной) форме.
Таким образом, необходимость и актуальность развития теории и методов синтеза управлений нелинейными многосвязными динамическими объектами, с одной стороны, определяется насущной необходимостью создания систем управления объектами в условиях существенной, в том числе параметрической и структурной, неопределенности, а с другой стороны, – трудностями реализации указанных задач на базе классических подходов.
Тематика исследования диссертации соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Транспортные, авиационные и космические системы», «Перспективные вооружения, военная и специальная техника», а также критическим технологиям «Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии», «Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем».
Целью диссертационной работы является решение фундаментальной научной проблемы расширения области устойчивого функционирования автоматических систем, повышение их производительности и точности, расширения их функциональных возможностей посредством разработки теоретических основ и методов синтеза управлений многосвязными нелинейными объектами в условиях неопределенности с учетом ограничений на управляющие воздействия и переменные состояния.
Объектом исследования в диссертации являются системы управления нелинейными многосвязными динамическими объектами, функционирующими в условиях внешних, параметрических и структурных возмущений.
Предметом исследования являются методы анализа, синтеза и структурно-алгоритмической реализации адаптивных и робастных систем управления нелинейными многосвязными объектами.
Методы исследования основаны на использовании методов теории управления, теории устойчивости А.М. Ляпунова, принципа максимума Понтрягина, методов беспоисковых адаптивных систем, на положениях метода структурного синтеза Л.М. Бойчука, методах асимптотического оценивания, а также на результатах автора, полученных в кандидатской диссертации.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором, и степень их новизны:
1) Метод блочного синтеза робастных управлений многосвязными нелинейными объектами, включая неаффинные по управлению, отличающийся новым способом построения функции Ляпунова, что позволяет обеспечить максимальную степень асимптотической устойчивости синтезированных систем в условиях неопределенности правых частей, учесть ограничения на управляющие воздействия и координаты состояния.
2) Метод синтеза субоптимальных управлений, основанный на принципе максимума Понтрягина, отличающийся новым рекуррентным способом построения управления в замкнутой форме, с учетом нелинейности и многосвязности объекта, в том числе, для неаффинных по управлению объектов.
3) Нелинейные методы оценивания производных, отличающиеся от известных результатов новым способом формированием коэффициентов усиления в зависимости от текущего состояния, что позволяет обеспечить свойство грубости к неопределенным параметрам шумов и математической модели объекта, и повысить быстродействие процесса оценивания.
4) Методы синтеза прямых и непрямых беспоисковых адаптивных систем управления нелинейными многосвязными объектами, отличающиеся новыми робастными алгоритмами оценивания возмущений, что позволяет адаптироваться к внешним, параметрическим и структурным возмущениям, представляемым в аддитивной форме.
5) Метод исследования управляемости нелинейных систем, отличающийся тем, что условия управляемости сформулированы в виде скалярных неравенств, связных с ранговыми условиями, что позволяет при анализе устойчивости и управляемости использовать условия Е.С. Пятницкого, сформулированные в виде ограничений на абсолютные значения и секторных ограничений на нелинейные правые части уравнений объекта.
Теоретическая значимость работы. Представленные в диссертации результаты позволяют получить новые структурно-алгоритмические решения при организации систем управления многосвязными нелинейными динамическими объектами, позволяющие функционировать замкнутым системам в условиях неопределенности математической модели объекта, а также учитывать в процедуре синтеза ограничения на переменные состояния и управляющие воздействия. Кроме того, обеспечивается максимально возможная область асимптотической устойчивости, осуществляется оптимизация замкнутых систем по быстродействию, оцениваются внешние, параметрические и структурные возмущения (в непараметрическом виде), действующие на объект. Основные теоретические положения работы получены в рамках грантов РФФИ «Синергетические методы синтеза и нейрокомпьютерная реализация систем планирования и управления интеллектуальных роботов» (рук. Пшихопов В.Х.), «Разработка принципов построения и методов исследования автономных роботизированных комплексов на базе воздухоплавательных средств, функционирующих в априори неформализуемых средах» (рук. Пшихопов В.Х.), «Разработка метода аналитического синтеза оптимальных многосвязных нелинейных систем управления» (рук. Медведев М.Ю.), «Разработка теоретических основ построения и исследование систем управления подвижными объектами, функционирующими в априори неформализованных средах, с использованием неустойчивых режимов» (рук. Пшихопов В.Х.) и грантов Минобразования РФ «Разработка методов синтеза и исследование интеллектуальных мобильных роботов на базе мини-дирижаблей» (рук. Пшихопов В.Х.), «Методы аналитического синтеза и нейрокомпьютерная реализация оптимальных по быстродействию управлений динамических систем вдоль заданных траекторий» (рук. Пшихопов В.Х.).
Практическая значимость работы. Предложенные методы и подходы позволяют снизить сроки и стоимость проектирования систем управления новыми и сложными объектами управления за счет снижения сроков и стоимости создания, идентификации и верификации их математических моделей. Кроме того, применение разработанных методов позволяет повысить точность и устойчивость управляемых объектов, функционирующих под воздействием внешних, параметрических и структурных возмущений, повысить производительность подвижных объектов, транспортных систем и технологических процессов, а также согласовывать сложные системы с большим числом каналов управления.
Реализация результатов работы. На основании полученных в диссертации теоретических и практических результатов реализованы:
1. Система управления роботизированным воздухоплавательным комплексом на базе дирижабля для задач диагностики, наблюдения и мониторинга (2008 г.). Использование в этом проекте методов оценивания возмущений и методов синтеза беспоисковых адаптивных систем, полученных в диссертации, позволяет повысить точность отработки траекторий по сравнению с классическими системами управления в 3 – 4 раза, значительно снизить стоимость разработки системы управления за счет снижения затрат на создание математической модели и осуществление аэродинамической продувки объекта, а также повысить быстродействие при решении позиционных задач.
Работы в данном направлении осуществляются в рамках Государственной программы вооружений по темам «Разработка экспериментального образца роботизированного воздухоплавательного комплекса» (шифр «Автокорд-ТГ») и «Исследование возможностей создания системы управления беспилотного стратосферного дирижабля длительного барражирования для решения информационных задач» (шифр «Аэронавт-ПВО»).
2. Колесный автономный мобильный робот (АМР) «Скиф-3» (2009 г.) в системе управления которого использованы разработанные в диссертации методы синтеза робастных систем управления и оценивания, позволившие повысить быстродействие на 20 % и обеспечить грубость системы управления по отношению к погрешностям параметров до 1000 %, к ошибкам навигационной системы до 10 %.
3. Ряд теоретических результатов, полученных в диссертации, связанных с анализом управляемости и устойчивости, реализованы в ходе проекта «Разработка методического обеспечения испытаний авиационных комплексов и их систем». Использование полученных в диссертации результатов позволило создать новые методики оценки управляемости и устойчивости систем управления объекта Т-50, учитывающие ограничения на управляющие воздействия и переменные состояния.
4. Методы синтеза робастных систем управления и оценивания возмущений, разработанные в диссертации внедрены в учебный процесс и активно используются при организации научно-исследовательской работы студентов в рамках межкафедрального студенческого КБ «Робототехника и интеллектуальные системы» (руководители – Пшихопов В.Х., Чернухин Ю.В.).
Достоверность полученных результатов:
– обеспечивается применением принципов и методов теории систем и систем автоматического управления, теории устойчивости и принципа максимума Понтрягина, а также строгими математическими выводами;
– подтверждается результатами анализа поведения замкнутых систем и компьютерного моделирования, экспериментальной реализацией алгоритмов управления, а также согласованностью с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.
Апробация работы. Теоретические положении и практические результаты диссертационной работы докладывались на: всероссийской НТК с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности». (Таганрог, 1998, 2000 г.); всероссийской НТК «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» (Таганрог, 1997 г.); всероссийской НТК «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 1998 г.); ежегодных конференциях ППС ТРТУ (ТТИ ЮФУ); международной конференции по системам управления и измерения SAUM (Сербия, 2001, 2007, 2010 г.); научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (СПб., 2001 г.); VII Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» (Москва, ИПУ РАН, 2002 г.); научно-технической конференции «Повышение качества регулирования частоты в ЕЭС» (Москва, ВВЦ, 2002 г.); всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург, 2003 г., 2005 г., Пятигорск, 2004 г.); всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (п. Домбай, 2006 – 2010 г.); 9-м симпозиуме ИФАК по управлению роботами SIROCO-2009 (Гифу, Япония, 2009 г.); Всероссийской конференции «Мехатроника, автоматизация и управление» (п. Дивноморское, Санкт-Петербург, 2004, 2009, 2010 г.); международной IEEE конференции по коммуникациям Andescon 2010 (Колумбия, г. Богота, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, включая 5 монографий в центральных издательствах, 28 статей (в том числе 19 статей в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени доктора технических наук), 24 доклада в материалах Всероссийских и международных конференций. Получено свидетельство на полезную модель. Основные научные и практические результаты опубликованы в монографиях [3, 4].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 332 наименований, 3-х приложений, подтверждающих внедрение, использование и общественное признание результатов. Общий объем работы 372 страницы основного текста, рисунков – 172, таблиц – 2.
