Рассматриваются задачи управления динамическими системами (ДС) в ситуациях с высоким уровнем неопределенности как возмущений, действующих на ДС, так и помех в информационных каналах в процессе функционирования. Неопределенность возникает как в результате действия различных внешних возмущающих факторов, неконтролируемых изменений свойств объекта, так и в результате возникновения отказов, сбоев в работе оборудования. Особенность рассматриваемой постановки задач управления состоит в том, что они являются единичными событиями. В этих информационных условиях рассматривается синтез позиционного управления динамическими системами на основе минимаксного подхода — расчета на наихудший случай. Поэтому в математической модели процессов присутствуют возмущения и ошибки измерения, известные с точностью до множеств, а вектор состояния ДС в результате решения задачи оценивания известен с точностью до принадлежности информационному множеству. Предлагаемый подход объединяет идеи управления при дефиците информации Н. Н. Красовского и идеи построения самоорганизующихся систем А. А. Красовского. Для синтеза управления ДС выбран «принцип гарантированного результата». Существенным отличием гарантированного подхода от стохастического является использование в управлении ДС множеств неопределенности возмущений, помех и вектора состояния системы. Такой алгоритм управления характеризуется гарантированным достижением цели, либо минимально возможным отклонением для данного уровня неопределенностей в информационном обеспечении. Решение задачи управления в условиях неполной информации состоит из двух этапов. На первом решается задача оценивания вектора состояния, что и являются содержанием настоящей работы. Рассмотрено несколько реализаций алгоритмов оценивания. Предложен алгоритм минимаксной фильтрации, состоящий из трех фильтров (минимаксного фильтра, фильтра Калмана и гарантирующего фильтра), позволяющий повысить точность оценивания и придать свойство адаптивности. Обсуждаются реализация предложенного алгоритма. Рассматриваются примеры. Во второй части статьи будет приведено решение задачи управления.

Рассматривается задача оценивания (идентификации) дефекта, возникающего в дискретной стационарной системе, описываемой линейной динамической моделью при наличии внешних возмущений, на основе интервального наблюдателя. Для решения задачи вначале строится модель исходной системы, оценивающая заданную функцию вектора состояния системы, не чувствительная к внешним возмущениям, размерностью меньшей, чем размерность исходной системы. Построение ведется на основе диагональной жордановой формы, которая позволяет получить одномерную модель. Далее на основе этой модели строится интервальный наблюдатель, состоящий из двух подсистем, первая из которых генерирует нижнюю границу множества допустимых значений заданной функции вектора состояния системы, вторая — аналогичную верхнюю границу. Приводятся соотношения, описывающие каждую подсистему. В качестве заданной выбирается функция, определяющая одну из компонент вектора выхода системы, в уравнение для которой входит переменная, представляющая собой результат проявления возникшего в системе дефекта. Такой выбор объясняется необходимостью обязательного введения в интервальный наблюдатель обратной связи, сформированной с использованием оцениваемого выхода системы. На основе описания наблюдателя вводится переменная, связывающая нижнюю и верхнюю границы и истинное значение оцениваемой функции, которая представляет собой выход системы и может быть измерена. С использованием введенной переменной формируется соотношение, связывающее между собой нижнюю и верхнюю границы и истинное значение оцениваемой функции в соседних тактах, на основе чего и получается соотношение, определяющее значение дефекта. Поскольку при отсутствии шумов измерений и использовании модели исходной системы, не чувствительной к внешним возмущениям, все получаемые соотношения являются точными, итоговая формула для значения дефекта также будет точной. Теоретические результаты иллюстрируются примером дискретизированной модели электропривода, где оценивается значение дефекта, вызванного изменением активного сопротивления якоря. Проведенное на основе пакета MATLAB моделирование исходной системы и построенного наблюдателя подтвердило правильность принятых допущений и теоретических построений.

Проанализированы особенности структурно-функционального построения интеллектуальной роевой системы, обусловленные спецификой информационного взаимодействия ее агентов. Выделен набор специфических свойств агентов роевой системы, которые принято относить к категории интеллектуальных. При анализе модели движения роя приведены следующие концепции управления его агентами: отдельные агенты реализуют индивидуальные процессы перемещения, и рой рассматривается как неуправляемое облачное образование; выполняется коллективное движение агентов, при котором рой является единым управляемым образованием. Здесь обсуждается также достаточно противоречивый прием построения интеллектуальной многоагентной системы при введении лидерства в ее структуру. На основе указанных концепций движения роя проанализированы варианты организации управления его агентами: централизованное прямое и иерархическое управление, а также децентрализованное коллективное и стайное управление. Приведен укрупненный состав технического, информационного и программного обеспечения основных компонентов роевой системы: центрального органа управления системы; локальных органов управления оверлейных лидеров; бортовых систем навигации и управления агентов. Показано, что для многоагентных систем принципиально необходима организация поточного режима асинхронной подачи в вычислительное оборудование блоков информации в виде цифровых пакетов. С учетом этого построена обобщенная схема организации функционирования асинхронных процессов в роевой системе. Данная схема основывается на применении аппаратных механизмов прерывания информации, с которыми связан супервизор процессов операционной системы. Определены задачи супервизора роевой системы, которые заключаются в обеспечении инициализации, приоритетного запуска на исполнение и взаимной синхронизации следующих основных типов программных процессов: прием цифровых пакетов в вычислительное оборудование; идентификация цифровых пакетов, назначение процессов—обработчиков и приоритетов обработки; приоритетная обработка цифровых пакетов; вывод результатов обработки в виде цифровых пакетов из вычислительного оборудования. Раскрыта сущность метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты в системе радиосвязи агентов для повышения уровня защиты информации.

Промышленные роботы, выполняющие сложные операции, часто требуют дистанционного управления. Оператор в любое время должен иметь возможность настраивать поведение робота, задавать операции и моделировать их выполнение, синхронизировать состояние робота и его цифровой модели, менять режим управления. Интерфейсы виртуальной реальности позволяют управлять роботом в интерактивном режиме и выполнять описанные выше операции. В статье предлагается реализация системы управления на основе интерфейсов виртуальной реальности, позволяющей управлять промышленным роботом в режиме реального времени. Предлагаемое решение апробировано на двух роботах и включает в себя универсальный (итеративный) решатель обратной кинематики, планировщик траектории, планировщик задач, поддерживает работу в режимах траекторном и master-slave режимах.

Рассматривается алгоритм управления группой летательных аппаратов, обеспечивающий приведение летательных аппаратов в заданное расположение в пространстве в заданное время. Для выведения летательных аппаратов в заданные положения можно использовать области достижимости и методы оптимального управления. Рассмотрено применение областей достижимости для решения задач управления группой летательных аппаратов. Анализируется метод расчета областей достижимости и пример расчета областей достижимости ракеты. Рассматривается задача для группы летательных аппаратов, для решения которой используются области достижимости групповым способом. Для моделирования используются летательные аппараты с конкретными характеристиками и исходными параметрами. Поставленная задача решается в два этапа. Области достижимости в вертикальной плоскости аппроксимируются треугольниками, уравнения интегрируются методом Рунге—Кутты с постоянным шагом. Для летательного аппарата, движение которого определяется системой уравнений с ограничением на управление при заданных начальных условиях, нужно определить программу управления, обеспечивающую минимум функционалу. Таким образом, задача оптимального управления сводится к краевой задаче: найти решение системы уравнений, фазовые координаты которых удовлетворяют начальным условиям и граничным условиям. Кроме того, согласно принципу максимума функция Гамильтона при оптимальном управлении должна достигать максимума, причем управление должно удовлетворять ограничению. Построение областей достижимости и выбор программ на основе принципа максимума дает возможность приведения группы ЛА в заданное положение в заданный момент времени.

Рассматривается проблема порождения плавных и достижимых траекторий для центра масс беспилотных колесных платформ, аппроксимирующих заданную с учетом времени последовательность путевых точек. Типовое решение состоит в сплайновой интерполяции отдельных участков маршрута с их последующей сшивкой. При этом проблема выполнения ограничений на характеристики движения робота, такие как скорость, ускорение и рывок, требует дополнительной алгоритмизации. В отличие от трудоемких аналитических методов в данной работе предложен принципиально новый подход, простой в вычислительной реализации, который обеспечивает динамическое сглаживание примитивных траекторий. Он предназначен для мобильных роботов, чья математическая модель является дифференциально плоской и приводима к канонической форме Бруновского. Разработаны принцип организации и метод синтеза автономной динамической модели (следящего дифференциатора), выходные переменные которой при отслеживании примитивной негладкой траектории порождают плавные кривые, чьи производные не превышают проектных ограничений конкретного робота и являются для него достижимыми эталонными траекториями. Для синтеза дифференциатора применяется блочный принцип управления и сигмовидные локальные связи. Это гладкие и ограниченные S-образные функции с двумя настраиваемыми параметрами, выбор которых на проектной стадии позволяет обеспечить выполнение заданных ограничений. В работе представлена процедура настройки трехблочного следящего дифференциатора, переменные которого генерируют в сигнальном покоординатном виде плавную эталонную траекторию, а также ее первую и вторую производные. Показано, что разработанная процедура без ограничения общности распространяется на следящие дифференциаторы любого требуемого порядка. В частности, конкретизирована структура и настройка одноблочного следящего дифференциатора для получения экспресс-результата на этапе планирования движения робота или полигона. Другое универсальное свойство разработанного метода связано с тем, что его единообразно можно использовать для генерации достижимых траекторий в фазовых пространствах любой размерности. Приведены результаты численного моделирования, подтверждающие эффективность разработанных алгоритмов.