<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.26.503-514</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-1836</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>SYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSING</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Метод синтеза алгоритмов оптимального управления нелинейными объектами</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Method of Synthesis of Algorithms for Optimal Control of Nonlinear Objects</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Ловчаков</surname><given-names>В. И.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Lovchakov</surname><given-names>V. I.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>В. И. Ловчаков, д-р техн. наук, проф.</p><p>Тула</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Lovchakov Vladimir I., Dr. Sc., Full Professor, department of electrical engineering and electrical equipment</p><p>Tula, 300600</p></bio><email xlink:type="simple">lovvi50@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Тульский государственный университет</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Tula State University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2025</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>13</day><month>10</month><year>2025</year></pub-date><volume>26</volume><issue>10</issue><fpage>503</fpage><lpage>514</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2025</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1836">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1836</self-uri><abstract><p>Рассматривается задача аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) в постановке Летова—Калмана для устойчивых одноканальных объектов высокого порядка, движение которых описывается системой дифференциальных уравнений с непрерывными нелинейностями от фазовых координат объекта при линейном вхождении сигнала управления. Исследуемый класс объектов управления является относительно широким для приложений, например, он включает в себя большинство устройств электромеханики.Предложенный метод синтеза оптимальных регуляторов для объектов указанного класса основан на использовании известного оптимального алгоритма управления нелинейным объектом первого порядка. Для этого исходное описание объекта высокого порядка преобразуется к условно эквивалентной модели объекта первого порядка с использованием так называемой агрегированной переменной (макропеременной) объекта (используется терминология А. А. Колесникова), представляющей собой определенную функцию от вектора состояния исходного объекта. Для адекватности моделей объекта эта функция должна удовлетворять соответствующему линейному уравнению в частных производных, решение которого может быть найдено известными методами. Допустимое множество таких функций определяет целое множество просто вычисляемых, аналитических алгоритмов управления исходным объектом. Предлагаются способы определения макропеременной, обеспечивающие устойчивость замкнутой системы управления и ее оптимальность по соответствующему функционалу качества.Для линейных подобъектов рассматриваемого класса устанавливается, что решение уравнения в частных производных, описывающего условную адекватность моделей объекта, эквивалентно решению известной задачи определения собственных чисел и собственных векторов транспонированной матрицы модели объекта при его векторе состояния. Получаемая указанными стандартными матричными вычислениями условно адекватная модель первого порядка обеспечивает оптимальность системы управления высокого порядка по соответствующему квадратичному функционалу качества.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The paper considers the problem of analytical design of optimal controllers (ADOC) in the Letov-Kalman formulation for stable single-channel high-order objects whose motion is described by a system of differential equations with continuous nonlinearities from the phase coordinates of the object with a linear entry of the control signal. The studied class of control objects is relatively wide for applications, for example, it includes most electromechanical devices. The proposed method for synthesizing optimal controllers for objects of the specified class is based on the use of a known optimal control algorithm for a first-order nonlinear object. For this purpose, the initial description of a high-order object is transformed to a conditionally equivalent model of a first-order object using the so-called aggregated variable (macrovariable) of the object (the terminology of A. A. Kolesnikov is used), which is a certain function of the state vector of the original object. For the adequacy of the object models, this function must satisfy the corresponding linear partial differential equation, the solution of which can be found by known methods. The admissible set of such functions determines a whole set of simply calculated, analytical control algorithms for the original object. Methods for determining the macrovariable are proposed, ensuring the stability of the closed control system and its optimality according to the corresponding quality functional. For linear subobjects of the class under consideration, it is established that the solution of the partial differential equation describing the conditional adequacy of object models is equivalent to solving the well-known problem of determining the eigenvalues and eigenvectors of the transposed matrix of the object model with its state vector. The conditionally adequate first-order model obtained by these standard matrix calculations ensures the optimality of a high-order control system according to the corresponding quadratic quality functional.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>аналитическое конструирование оптимального регулятора</kwd><kwd>нелинейный объект</kwd><kwd>интегральное многообразие объекта</kwd><kwd>первый интеграл системы</kwd><kwd>асимптотическая устойчивость</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>analytical design of the optimal regulator</kwd><kwd>nonlinear object</kwd><kwd>integral variety of the object</kwd><kwd>the first integral of the system</kwd><kwd>asymptotic stability</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Красовский А. А. и др. Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987. 712 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Krasovskii A. A. et al. Handbook on the theory of automatic control, Moscow, Nauka, 1987, 712 p (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Пупков К. А. и др. Методы классической и современной теории автоматического управления: в 3 т. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. Т. 2: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления. 736 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pupkov K. A. Methods of classical and modern theory of automatic control: 3 volumes, Moscow, MGTU im N. E. Baumana, 2000 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Колесников А. А. и др. Современная прикладная теория управления: в 3 т. Таганрог: Изд-во Таганрог. гос. радиотехн. ун-та, 2000.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kolesnikov A. A. i dr. Modern Applied Control Theory: 3 volumes, Taganrog, Publishing house of TRTU, 2000 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Сейдж Э. П., Уайт Ч. С. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982. 392 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sage A. P., White C. C. Optimum Systems Control, Moscow, Radio i svjaz’, 1982, 392 p (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Афанасьев В. Н., Колмановский В. Б., Носов В. Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа, 1998. 576 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Afanasyev V. N., Kolmanovsky V. B., Nosov V. R. Mathematical Theory of Control Systems Design, Moscow, Vysshaja shkola, 1998, 576 p (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Красовский А. А., Буков В. И., Шендрик В. С. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными объектами. М.: Наука, 1977. 272 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Krasovskii A. A., Bukov V. N., Shendrik V. S. Universal algorithms for optimal control of continuous objects, Moscow, Nauka, 1977, 272 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Буков В. Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука, 1987. 232 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Bukov V. N. Adaptive predictive flight control systems, Moscow, Nauka, 1987, 232 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kawasaki N., Kobayashi H., Shimemura E. Relation between pole assignment and LQ-regulator // Int. J. Contr. 1998. Vol. 47, N. 4. P. 947—951.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kawasaki N., Kobayashi H., Shimemura E. Relation between pole assignment and LQ-regulator, Int. J. Contr., 1998, vol. 47, no. 4, pp. 947—951.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Филимонов Н. Б. Проблема качества процессов управления: смена оптимизационной парадигмы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 12. С. 2—10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Filimonov N. B. The problem of the quality of management processes: a change in the optimization paradigm, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2010, no. 12, pp. 2—10 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ловчаков В. И. Аналитический синтез квазиоптимальных по быстродействию регуляторов для линейных объектов на основе условно адекватных моделей низкого порядка. Ч. 1. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 68—78. DOI: 10.17587/mau.23.68-78.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lovchakov V. I. Analytical synthesis of quasi-optimal regulators for linear objects based on conditionally adequate loworder models. Part 1, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no.2, pp. 68—78, DOI: 10.17587/mau.23.68-78 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Колесников А. А. Основы теории синергетического управления. М.: Фирма "Испо-Сервис", 2000. 264 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kolesnikov A. A. Fundamentals of the theory of synergetic control, Moscow, Firma "Ispo-Servis", 2000, 232 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Колесников А. А. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987. 160 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kolesnikov A. A. Sequential optimization of nonlinear aggregated control systems, Moscow, Energoatomizdat, 1987, 160 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Петров Ю. П. Вариационные методы теории оптимального управления. Л.: Энергия, 1977. 280 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Petrov Yu. P. Variational methods of optimal control theory, Leningrad, Energiya, 1977, 280 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Сухинин Б. В., Сурков В. В., Филимонов Н. Б. Феномен Фуллера в задачах аналитического конструирования регуляторов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 7. С.339—348. DOI: 10.17587/mau.22.339-348.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Suhinin B. V., Surkov V. V., Filimonov N. B. Fuller’s phenomenon in the problems of analytical design of regulators, Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie, 2021, vol. 22, no. 7, pp. 339—348 (in Russian), DOI: 10.17587/mau.22.339-348.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ловчаков В. И., Лупачев А. А., Сухинин Б. В., Кретов Е. И. Синтез квазиоптимальных регуляторов для объектов одного класса // Вестник Тамбовского ГТУ. 2014. Т. 20, № 4. С. 700—707.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lovchakov V. I., Lupachev A. A., Suhinin B. V., Kretov E. I. Synthesis of quasi-optimal regulators for objects of the same class, Vestnik Tambovskogo GTU, 2014, vol. 20, no.4, pp. 700—707 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Воеводин В. В., Кузнецов Ю. А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984. 320 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Voevodin V. V., Kuznetsov Yu. A. Matrices and calculations, Moscow, Nauka, 1984, 320 p. (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Бербюк В. Е. Динамика и оптимизация робототехнических систем. Киев: Наук. думка, 1989. 192 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Berbyuk V. E. Dynamics and optimization of robotic systems, Kiev, Naukova dumka, 1989, 192 p (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
