Представлен синтез законов управления манипулятором с гибким шарниром для стабилизации колебаний и отслеживания заданной траектории. Для решения этой проблемы в статье применяется синергетическая теория управления. В синергетической теории управления желаемые значения выбираются как инварианты. Таким образом, инварианты выступают в качестве целей управления системой, и задача состоит в том, чтобы найти для них законы управления. С помощью этой теории строится закон управления, обеспечивающий движение замкнутой системы из произвольного начального состояния в окрестность искомого инвариантного многообразия, т.е. целевого притягивающего многообразия. Тем самым можно не только достичь необходимого инварианта, но и обеспечить асимптотическую устойчивость всей системы. Качество предложенного закона управления показано по результатам моделирования в среде MATLAB, а его эффективность показана в сравнении с законом бэкстеппинга.

Статья посвящена анализу движения высокоманевренного мобильного робота с четырьмя роликонесущими колесами с учетом условий возникновения отрыва колес от поверхности перемещения, а также возникновения проскальзывания колес. В рамках анализа движения рассмотрена задача определения опорных реакций поверхности перемещения для мобильной платформы с четырьмя колесами. Для решения этой задачи конструкция мобильного робота представлена в виде статически неопределимой стержневой рамы. Эквивалентное представление платформы робота в виде пространственной рамы обусловлено удобством выполнения расчетов. Раскрытие статической неопределимости рассматриваемой системы осуществлено с помощью метода сил. С помощью данного метода получены зависимости опорных реакций поверхности перемещения от расположения центра масс мобильного робота с четырьмя колесами. Особенностью рассматриваемой системы является то, что полученные зависимости опорных реакций носят нелинейный характер. На основе полученных зависимостей опорных реакций проведено исследование влияния положения центра масс мобильного робота с четырьмя колесами на возникновение отрыва и проскальзывания колес мобильного робота. Исследование проведено в рамках модели сухого трения, согласно которой модуль силы трения скольжения пропорционально зависит от опорной реакции, действующей на колесо со стороны поверхности перемещения. В результате численного моделирования определены области допустимых положений центра масс мобильного робота, при котором не происходит отрыв колес от поверхности перемещения, а также не возникает проскальзывание колес. Предложенная модель, описывающая зависимость опорных реакций поверхности перемещения, может быть использована при проведении исследований, посвященных анализу движения мобильных роботов с четырьмя колесами, перемещение которых осуществляется с помощью различных типов колес. Сформулированные выводы о влиянии положения центра масс мобильного робота на возникновение отрыва колеса от поверхности перемещения, а также на возникновение проскальзывания колес применимы ко всем мобильным платформам с четырьмя колесами.

Объектом управления является ходовая тележка однобалочного мостового крана, предназначенная для перемещения подвешенного груза вдоль пролета. Особенности объекта: одно управление при двух степенях свободы, неопределенность массоинерционных характеристик, воздействие негладких неконтролируемых возмущений. В математической модели учитывается редуцированная динамика двигателя постоянного тока, в качестве управления рассматривается напряжение питания якорной цепи. При этом параметрические и внешние возмущения, влияющие на механическую подсистему, становятся несогласованными (т. е. действуют по разным каналам с управлением) и не могут быть непосредственно компенсированы. В работе рассматриваются две основные задачи, в каждой из которых используются S-образные гладкие сигмовидные функции с насыщением. Первая задача состоит в проектировании траектории тележки с учетом конструктивных ограничений на ее скорость и ускорение. Отслеживание такой траектории должно обеспечить плавный перенос груза за заданное время и демпфирование его колебаний. С этой целью разработана эталонная траектория в виде суммы сигмовидной функции и интеграла от угловой координаты. Предложенное решение не уступает в эффективности существующим аналогам, при этом его реализация требует меньших вычислительных затрат. Вторая задача заключается в разработке робастной следящей системы. Для этого разработана процедура блочного синтеза разрывного истинного управления и сигмовидных фиктивных управлений (локальных связей). Последние являются гладкими аналогами разрывного управления и позволяют подавить с заданной точностью несогласованные возмущения без их идентификации. В отличие от стандартных линейных локальных связей ограниченность сигмовидных фиктивных управлений не приводит к большому перерегулированию переменных состояния, что критично при наличии проектных ограничений. Кроме того, такие фиктивные управления являются реализуемыми в механических объектах и не способствуют износу исполнительного устройства, который неизбежно возникает при использовании разрывных фиктивных управлений. Представлены результаты численного моделирования и проведен сравнительный анализ замкнутых систем с различными фиктивными управлениями: линейными, разрывными и сигмовидными. Результаты численного моделирования продемонстрировали эффективность разработанного подхода.

Предложена гибридная модель для упреждающего управления при возмущениях, приводящих к резкому скачкообразному изменению состояния процесса. Подобные изменения происходят при управлении температурой стальной полосы на агрегатах непрерывного горячего оцинкования. Периодическое изменение сортамента полосы или ее скорости приводит к скачкообразным изменениям температуры стали на выходе из печи для отжига. В такие периоды регулирование по отклонению затруднено, что требует введения допусков, которые ограничивают производительность и приводят к избыточному нагреву металла. Показано, что существующие предложения по управлению температурой стальной полосы недостаточно эффективны при резком изменении состояния процесса. Причинами этого являются неизвестные возмущения, действующие в широком частотном диапазоне и имеющие низкочастотные и трендовые составляющие, а также множество влияющих факторов. Показано, что проблемы представительности исходных накопленных данных затрудняют создание сложных эмпирических моделей, а уровень неопределенности процессов в печи затрудняет создание сложных интерпретируемых моделей. Предложенная гибридная модель предполагает совместное применение двух видов упрощенных интерпретируемых моделей процесса, а также эмпирической модели на основе искусственной нейронной сети. Продемонстрировано, что ошибки интерпретируемых моделей могут эффективно прогнозироваться нейронной сетью при наличии дополнительного сигнала от наблюдателя неизвестных возмущений. Проведенные вычислительные эксперименты на данных одного из агрегатов ПАО «ММК» в России показали, что гибридная модель обеспечивает высокую точность прогноза температуры стальной полосы при технологических возмущениях и не требует частой перенастройки.

Для модели четвертого порядка бокового движения летательного аппарата с двумя органами управления получены аналитические выражения законов управления стабилизацией, обеспечивающих оптимальное размещение полюсов. В основу синтеза положена двухуровневая декомпозиция объекта управления и разработанный ранее авторами метод модального управления многомерными многосвязными (MIMO) объектами с оптимальным размещением полюсов замкнутой системы управления. Метод базируется на особенностях квадратического управления, получаемого путем решения нелинейного матричного уравнения Лурье—Риккати. В этом случае для оптимального регулятора необходимо, чтобы замкнутый объект управления был асимптотически устойчивым, а матрица, получаемая как произведение матрицы коэффициентов обратной связи и матрицы управления динамическим объектом, должна быть положительно определенной симметрической. С применением такого подхода получены конечные аналитические выражения для матрицы коэффициентов обратной связи, и они могут быть использованы для любого летательного аппарата, имеющего одинаковую структуру матриц собственной динамики и управления. Приведены результаты моделирования стабилизации бокового движения летательного аппарата с использованием полученных аналитических законов управления, обеспечивающих оптимальное размещение полюсов и, соответственно, законов управления с применением декомпозиционного метода синтеза с теми же динамическими свойствами в виде значения полюсов замкнутой системы управления. Указанные свойства соответствуют, как и в первом случае, оптимальным значениям размещаемых полюсов. Сравнение переходных процессов по компонентам максимального отклонения органов управления показывает, что при оптимальном управлении максимальное отклонение руля направления в 1,5 раза меньше, чем при управлении с применением стандартного декомпозиционного метода. Все другие параметры переходного процесса по компонентам как вектора состояния, так и вектора управления приблизительно одинаковы.

Обсуждается способ повышения точности гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом, работающим в режиме измерителя угла отклонения основания, на котором он установлен. При работе гироскопа в составе информационно-измерительной и управляющей системы определяющее значение имеет такая эксплуатационная характеристика, как точность показаний, зависящая от шумовой составляющей выходного сигнала гироскопа. Решение вопроса уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала при сохранении широкой полосы пропускания прибора и минимального фазового отставания выходного сигнала по отношению к измеряемой величине является целью данного исследования. Приведен обзор существующих схем построения прибора. Представлено математическое описание функционирования гироскопа, на основании которого получены передаточные функции по моменту (возмущающему, управляющему или суммарному) по прямому и перекрестному каналам. Получены также передаточные функции, являющиеся отношением выходного сигнала к измеряемой величине по прямому и перекрестному каналам. Построены частотные и переходные характеристики прибора. Отмечено, что частоты преобладающих составляющих шума выходного сигнала соответствуют нутационной частоте колебаний ротора гироскопа, частоте вращения ротора гироскопа и кратным частотам вращения ротора гироскопа. Предложена структура измерительной системы, в которой сигнал с датчика угла гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом по соответствующей координате суммируется с выходным сигналом дополнительного датчика угловой скорости, и далее суммарный сигнал сглаживается с помощью апериодического звена первого порядка. Получены выражения для определения параметров канала измерителя угловой скорости, при которых удается компенсировать в канале измерения угла ограничения полосы пропускания, обусловленные постоянной времени сглаживающего фильтра, и обеспечить в то же время эффективное подавление шумовой составляющей выходного сигнала. Исследования проведены с использованием методов теории автоматического управления. Предложенная схема построения измерителя обеспечивает уменьшение составляющих шума в выходном сигнале гироскопа со сферическим шарикоподшипниковым подвесом на частоте вращения ротора гироскопа 250 Гц в 156 раз, на частоте нутационных колебаний ротора гироскопа 404 Гц — в 256 раз, на частоте 500 Гц — в 316 раз, на частоте 750 Гц — в 474 раза, на частоте 1000 Гц — в 630 раз, на частоте 1250 Гц — в 785 раз при сохранении широкой полосы пропускания 285 Гц при измерении угла с фазовым отставанием выходного сигнала от измеряемого, близким к нулю градусов в полосе пропускания.