Рассматривается терминальная задача оптимального ограниченного управления нелинейным динамическим объектом с квадратичным критерием качества. Необходимые условия существования такого управления описываются канонической системой Эйлера—Лагранжа с соответствующими краевыми условиями. Конструкция оптимального управления ищется как стационарная точка гамильтониана (в случае неэффективности ограничений) или с применением принципа максимума Понтрягина. Основная проблема нахождения такого управления лежит в проблеме поиска решений двухточечной краевой задачи канонической системы. Общего аналитического решения этой задачи нет, и связь между функциями этой системы, как правило, ищется с использованием численных методов. В работе предлагается альтернативный путь решения двухточечных краевых задач, основанный на предположении справедливости обратного принципа оптимальности Р. Беллмана. Полученные теоретические результаты подтверждены моделированием системы управления с синтезированным управлением.

Рассматривается задача идентификации (определения величины) дефектов в технических системах, описываемых линейными уравнениями, в присутствии внешних возмущений. Решение задачи осуществляется с помощью наблюдателей, работающих в скользящем режиме, двух типов: на основе наблюдателей высокого порядка и на основе наблюдателей с ослабленными условиями существования. Особенностью таких наблюдателей является то, что они не опираются на условие согласования, которое является необходимым для построения обычных скользящих наблюдателей, но требуют выполнения условия минимальной фазовости исходной системы. В отличие от стандартного подхода оба типа наблюдателей в статье строятся не на основе исходной системы, а на основе ее модели пониженной размерности, обладающей избирательной чувствительностью по отношению к дефектам и возмущениям. Модель строится в идентификационной канонической форме и позволяет уменьшить сложность процедуры оценивания и снять условие минимальной фазовости. Для реализации первого типа строится обычный наблюдатель Люенбергера пониженного прядка и скользящий наблюдатель высокого порядка, использующий информацию от первого наблюдателя; выражение для идентификации использует информацию от второго наблюдателя и данные о коэффициентах характеристического уравнения первого наблюдателя. Для реализации второго типа строится скользящий наблюдатель пониженного порядка, который непосредственно генерирует требуемую оценку. Недостатком наблюдателей высокого порядка является то, что они требуют линейности исходной системы. Недостаток в ряде случаев может быть преодолен за счет использования виртуальных датчиков, которые представляют собой нелинейные наблюдатели, оценивающие неизмеряемые компоненты вектора состояния системы. Приводится пример, демонстрирующий возможности виртуальных датчиков. На основе пакета MATLAB проведено моделирование исходной системы и построенных наблюдателей как при отсутствии шумов измерений, так и при их наличии. Моделирование подтвердило правильность принятых допущений и теоретических построений и показало, что наблюдатели высокого порядка менее чувствительны к таким шумам.

Рассмотрена проблема обеспечения качества технической документации при разработке киберфизических систем (КФС). Показано, что несогласованность требований, спецификаций и проектных решений является одной из основных причин ошибок на этапах интеграции и испытаний, что критически важно для задач автоматизации и управления сложными техническими объектами. Предложен метод автоматизированной верификации связности технической документации, основанный на оптико-волновой модели семантики. Новизна подхода заключается в представлении документа как последовательности смысловых событий, отображаемых в пространство Минковского с введением "семантического времени" и световых конусов, что позволяет формализовать причинно-следственные связи между требованиями и их реализацией. Для количественной оценки качества документации введены: коэффициент когерентности C, характеризующий структурную связность; индекс покрытия требований Coverage, оценивающий полноту реализации; доля логических разрывов R; интегральная метрика качества Q. Апробация метода проведена на корпусе из 15 учебных проектных работ по мехатронике и автоматизированным системам управления. Показана высокая корреляция предложенных метрик с экспертной оценкой: интегральная метрика Q демонстрирует сильную корреляцию ρ = 0,94 (p < 0,001), индекс покрытия требований Coverage — ρ = 0,85 (p < 0,001). ROC-анализ подтвердил высокую диагностическую способность метрики Q (AUC = 1,00). Предложенный метод может быть использован как элемент системы управления качеством разработки КФС для автоматического рецензирования проектной документации и обеспечения прослеживаемости требований.

Пружины являются незаменимым компонентом многих механических изделий, применяющихся в машиностроении, приборостроении и других отраслях. Несмотря на кажущуюся простоту изготовления самих пружин, современные пружинонавивочные станки являются сложными многоосевыми машинами, способными на скоростях подачи проволоки до 500 м/мин выполнять навивку пружин с переменным шагом, а также осуществлять автоматическую коррекцию геометрических параметров на основе промежуточного оптического контроля. Однако системам управления пружинонавивочными машинами посвящено несоизмеримо меньше исследовательских работ по сравнению с другими видами станков. В данной работе делается попытка закрыть этот пробел и обсуждается разработка универсального подхода к автоматизации навивки пружин на базе использования электронных кулачков. В работе вводится иерархическая структура электронных кулачков, позволяющая разделить геометрию изделия и особенности механики конкретного оборудования, а также предлагается новая трехуровневая архитектура аппаратно-программного обеспечения пружинонавивочного станка, охватывающая человеко-машинный интерфейс, генерацию траекторий движения механизмов станка, его бортовую систему управления и подсистему автоматической коррекции на основе технического зрения. Предложенный подход включает в себя реализацию нижнего уровня системы управления на основе существующих промышленных решений, не подпадающих под ограничения на системы двойного назначения, с автоматической генерацией управляющих программ на основе стандартизированных табличных описаний пружин, с дальнейшей возможностью их оптимизации. Проведенные экспериментальные исследования демонстрируют, что применение этого подхода к станкам различного типа позволяет осуществлять навивку пружин до 5 раз быстрее, чем на используемых на сегодняшний день станков на базе систем ЧПУ, а применение разработанного алгоритма автоматической коррекции шага пружины обеспечило до уровня в 1,26 раз сокращение разброса длин пружин и минимизацию количества брака. Описанные в работе решения в совокупности составляют базу для создания линейки отечественных пружинонавивочных станков.

Представлена методика автоматизации управления процессом детонационно-газового напыления (ДГН) реакционноспособных композиционных покрытий системы Ni/Al на основе системы поддержки принятия решений (СППР) и цифрового двойника технологического процесса. Разработанная архитектура включает уровни низкоуровневого контроля с программируемым логическим контроллером, стабилизации параметров струи по данным диагностического комплекса, предиктивного регулирования качества и оптимизационного контура, реализующего многокритериальную адаптацию режимов напыления.
В качестве выходных переменных модели использовались структурные метрики, полученные методом морфометрического анализа изображений электронной микроскопии: средняя площадь пор, число нерасплавленных частиц, удельная длина межфазных границ и доля предварительно образованных интерметаллидных фаз. Для описания взаимосвязей между технологическими параметрами (степень наполнения, соотношение газов, дистанция напыления, расход порошка, температура и давление газа) и структурными характеристиками применена методология поверхности отклика (RSM) с квадратичными регрессионными моделями. Дисперсионный анализ (ANOVA) подтвердил статистическую значимость факторов и адекватность моделей.
Результаты численного моделирования и верификации показали, что температура газового потока и дистанция напыления оказывают наибольшее влияние на формирование межфазных границ. Оптимизация параметров методом желательности Харрингтона и с использованием генетического алгоритма позволила минимизировать пористость и число нерасплавленных частиц, одновременно максимизируя длину границ. Средняя ошибка прогноза по всем метрикам не превышает 5...8 %.
Разработанная СППР обеспечивает адаптивный выбор и корректировку режимов ДГН, сокращает объем экспериментальных испытаний и обеспечивает воспроизводимость структуры покрытия. Методика может быть интегрирована в интеллектуальные системы автоматического управления и платформы цифровых двойников технологических процессов, а дальнейшее развитие связано с применением машинного обучения и гибридных физико-статистических моделей.

Конвенция Денавита—Хартенберга (DH), хотя и является основополагающей в кинематике роботов, содержит критический недостаток в представлении определенного класса антропоморфных манипуляторов. В данной статье выявляется и формализуется "проблема исчезающей длины" — сингулярность, возникающая в кинематических цепях, содержащих три последовательных шарнира, где оси z (рыскание), x (крен) и y (тангаж) образуют взаимно ортогональную триаду. Эта конфигурация, характерная для последовательностей типа "крен—рыскание—тангаж" или "тангаж—рыскание—крен", приводит к тому, что начало координат среднего (рыскающего) шарнира совпадает с началом координат последующего шарнира. Следовательно, две физические длины звеньев, предшествующие и следующие за рыскающим шарниром, сливаются в одну суммарную длину в кинематической модели, тем самым теряя критическую степень свободы в представлении. Мы вводим вспомогательный виртуальный шарнир (AVJ) — пассивный шарнир с фиксированным ограничением — для устранения этой свернутой цепи. AVJ восстанавливает отсутствующую точку отсчета, возвращая две различные длины звеньев и обеспечивая кинематическую целостность. Мы предлагаем полную кинематическую и динамическую формулировку системы, дополненной AVJ, доказывая ее эквивалентность физическому манипулятору. Проверка на шестистепенной человекоподобной руке демонстрирует кинематическую согласованность с точностью до машинного значения и, посредством динамического моделирования в MATLAB, подтверждает возможность вычисления физически согласованных моментов в суставах — вычисление, которое было бы невозможно для среднего шарнира рыскания в вырожденной модели из-за неопределенных инерционных свойств разрушенного звена.