The analytical approaches to design of nonlinear control systems by the transformation of the nonlinear plant equations into quasilinear forms or into Jordan controlled form are considered. Shortly definitions of these forms and the mathematical expressions necessary for design of the control systems by these methods are submitted. These approaches can be applied if the plant’s nonlinearities are differentiable, the plant is controllable and the additional conditions are satisfied. Procedure of a control system design, i.e. definition of the equations of the control device, in both cases is completely analytical. Desirable quality of transients is provided with that, that corresponding values are given to roots of the characteristic equations of some matrixes by calculation of the nonlinear control. The proposed methods provide asymptotical stability of the equilibrium in a bounded domain of the state space or its global stability and also desirable performance of transients. Performance of the nonlinear plants equations in the quasilinear form has no any complexities, if the mentioned above conditions are satisfied. The transformation of these equations to the Jordan controlled form very much often is reduced to change of the state variables designations of the plants. The suggested methods can be applied to design of control systems by various nonlinear technical plants ship-building, machine-building, aviation, agricultural and many other manufactures. Examples of the control systems design by the proposed analytical methods are given.

В последнее время на волне возросшего интереса к технологиям искусственного интеллекта в системах управления техническими объектами и технологическими процессами все чаще находят применение нечеткие регуляторы. Данные регуляторы осуществляют процесс выработки управляющих воздействий на базе нечеткой логики, применение которой обеспечивает проектирование систем управления, способных функционировать в условиях неполноты и нечеткости знаний о динамике объекта управления.

Нечеткие регуляторы открыли новое направление в области автоматического управления и, согласно мнению многих специалистов, имеют многообещающее будущее.

В настоящей работе анализируются динамические характеристики и алгоритмические особенности систем нечеткого ПИД регулирования, проводится сравнение качества процессов четкого и нечеткого регулирования.

Проведенный анализ позволяет констатировать отсутствие каких-либо реальных преимуществ нечетких регуляторов по сравнению с классическими четкими регуляторами. Более того, можно выделить ряд проблемных аспектов методологии нечеткого регулирования, важных для практической автоматики:

• алгоритмы нечеткого регулирования существенно сложнее традиционных четких алгоритмов регулирования;
• тезис о преимуществах нечетких регуляторов представляется сомнительным, поскольку каждый такой регулятор возможно заменить более эффективным и структурно менее сложным четким регулятором;
• спорным является тезис о том, что на основе нечеткого подхода удается синтезировать работоспособные системы регулирования без априорных знаний и предпроектного обследования динамических свойств объектов регулирования;
• нечеткий подход является сугубо эмпирическим и не позволяет на теоретическом уровне решать вопросы устойчивости, динамического качества и робастности синтезируемых систем регулирования;
• алгоритмы нечеткого регулирования не применимы к сложным динамическим объектам. В частности, это касается многосвязных объектов регулирования и объектов с запаздыванием;
• методология нечеткого регулирования не позволяет решать важные для инженерной практики вопросы оптимизации процессов регулирования.

Рассматриваются управляющие цифровые системы, функционирование которых может быть представлено в виде выполнения последовательности функций из конечного алфавита. Для отладки проектов таких систем методом моделирования необходимо формирование некоторого набора тестовых воздействий на моделируемую систему для проверки правильности ее функционирования. Данная работа посвящена формированию тестовых наборов для проверки правильности выполнения последовательности функций. Показано, что на множестве допустимых последовательностей функций определена частичная полугруппа. Множество слов в конечном алфавите функций может быть задано некоторой праволинейной грамматикой. Допустимые последовательности формализуются путем введения графа функций, задающего возможные для выполнения функции для различных состояний цифровой системы. Если допустимость последовательного выполнения двух функций зависит от выполненных ранее функций и состояния цифровой системы, то некоторые функции должны быть разделены на подфункции. Рассматривается методика этого процесса. Предлагается метод составления множества функций цифровой системы, при котором возможно представление допустимых последовательностей функций в виде графа. Сформированный граф функций совместно с множествами входных взаимодействий для каждой функции цифровой системы задают спецификацию внешнего поведения цифровой системы. Предлагаемый метод проиллюстрирован на примере формирования множества функций цифровой системы управления чертежным автоматом. Предлагается метод формирования набора тестов на основе графа функций.

Рассмотрены конструкция и особенности изготовления волнового твердотельного гироскопа-датчика угловой скорости (ВТГ-ДУС) с металлическим резонатором, для возбуждения и детектирования колебаний которого применены пьезоэлементы.

Так как технические характеристики ВТГ в основном определяются резонатором, его конструкция является определяющей в составе ВТГ. Для изготовления высокодобротного металлического резонатора ВТГ с заданными свойствами хорошим выбором является прецизионный сплав 21НКМТ-ВИ. Устранение дефектов изготовления резонатора, которые приводят к разночастотности и разнодобротности, достигается балансировкой. Базовым методом является балансировка по 4-й форме распределения дефектов масс. Калибровка ВТГ с блоком электроники является завершающим этапом изготовления ВТГ, в результате которой достигается: обеспечение условия резонансной настройки чувствительного элемента, определение коэффициентов обратных связей контура удержания колебаний, определение метрологических характеристик ВТГ и получение функции коррекции выходного сигнала от различных параметров после проведения комплекса испытаний.

При определении функции коррекции учитывался тот факт, что сигналы подавления квадратурной и кориолисовой составляющих являются не абсолютно независимыми, а в какой-то мере смешанными. При демодуляции сигнала узла на квадратурную и кориолисовую составляющие приходится анализировать сигнал, прошедший через пьезоэлементы, усилители и АЦП. Каждый из этих элементов может вносить зависящий от температуры фазовый сдвиг в сигнал узла. Частично этот фазовый сдвиг может быть учтен, но не с абсолютной точностью. Поэтому выходной сигнал ВТГ необходимо рассматривать как линейную комбинацию сигналов квадратурной и кориолисовой составляющих сигнала компенсации. Для уменьшения амплитуды шумовых составляющих выходного сигнала возможно применение различных типов сглаживающих фильтров.

Результаты испытаний разработанного ВТГ-ДУС подтверждают его конкурентоспособность по сравнению с иностранным аналогом. Вся электроника управления может быть построена на отечественной элементной базе.

 Часть I опубликована в журнале "Мехатроника, автоматизация, управление", 2018, Т. 19, № 11, с. 725—733.

Предложена задача создания системы автоматической посадки (САП) пассажирского самолета, инициируемой извне и исключающей возможность влияния экипажа на режим посадки, например, при изменении курса самолета и отсутствии связи с экипажем. В истории авиакатастроф имеется много случаев, которые можно было бы предотвратить, если бы на борту этих самолетов имелась САП, а технические средства аэропортов имели бы возможность инициировать эту систему и отключать экипаж от процесса управления. Одним из таких памятных примеров являются трагические события 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке. Современный уровень техники позволяет решить задачу автоматической посадки самолета. Ярчайшим примером успешного решения этой задачи является посадка космического самолета "Буран" в автоматическом режиме 30 лет назад 15 ноября 1988 года.

Статья состоит из двух частей. В первой части статьи рассмотрены условия успешного решения задачи автоматической посадки самолета. Кратко изложен перечень режимов полета самолета при автоматическом управлении посадкой. Для решения задачи автоматического управления самолетом в продольной плоскости на самом ответственном заключительном режиме посадки предложен энергосберегающий алгоритм управления, обеспечивающий управление в режиме отрицательной обратной связи. В состав вектора состояния системы включены шесть параметров: дальность, высота, угол тангажа и их первые производные. Алгоритм управления разработан применительно к пассажирскому самолету ТУ-154М. При разработке алгоритма использованы следующие допущения: а) линейная модель зависимости аэродинамических характеристик самолета от угла атаки; б) линейная модель программного перевода тяги двигателей в режим малого газа на интервале 3 с от начала этапа выравнивания; в) использование углового ускорения самолета по каналу тангажа, возникающего при перекладке руля высоты, в качестве управляющего сигнала; г) частота работы алгоритма управления, равная 200 Гц.

Во второй части статьи на основе энергосберегающего алгоритма автоматического управления посадкой пассажирского самолета на заключительном участке посадки, разработанного в первой части, продолжены работы по анализу характеристик этого алгоритма. Разработана модельная программа управления. Проведено математическое моделирование этапов режима посадки самолета. При переходе от одного этапа к другому проводилась конкатенация (сшивка) параметров движения, в результате которой конечные параметры движения предыдущего этапа становились начальными параметрами движения последующего этапа. Исследовано влияние погрешностей в аэродинамических характеристиках на условия посадки. В результате моделирования выявлено, что если для определения этапов использовать направление изменения угла тангажа, то режим посадки в общем случае складывается не из двух, традиционно определяемых, а из трех этапов: увеличения угла тангажа (выравнивание), его уменьшения (выдерживание) и вновь увеличения угла (этап назван поддерживанием). Необходимость введения третьего этапа обусловлена наличием погрешностей в аэродинамических характеристиках самолета.

В целом подтверждено, что энергосберегающий алгоритм управления обеспечивает успешное решение задачи автоматической посадки пассажирского самолета на заключительном участке его полета. При этом установлено, что длительность режима посадки не превышает 5 с.

В кватернионной постановке рассматривается задача программного оптимального по быстродействию разворота космического аппарата (КА) как твердого тела с одной осью симметрии и ограниченной функцией управления. С помощью замен переменных исходная задача оптимальной переориентации осесимметричного КА упрощается (в отношении динамических уравнений Эйлера) до задачи оптимального разворота твердого тела со сферическим распределением масс, содержащей одно дополнительное скалярное дифференциальное уравнение. Для этой задачи представлено точное аналитическое решение в классе конических движений. Дается алгоритм оптимальной переориентации КА. Приводится числовой пример.

Проводится анализ проблемы техносимбиоза в самолетах 6-го поколения. Рассматриваются актуальные инженерно-психологические проблемы, возникающие в процессе тематической разработки авиационной техники высокой степени автоматизации. Анализируются базовые концепции тематического и инженерно-психологического проектирования, реализующие принцип парциального включения человека в искусственные интерфейсы и среды. Предложены концепция "умножения возможностей" и симбиотический подход к интеграции летчика и самолета, в соответствии с которыми интеграция летчика (экипажа) с самолетом носит симбиотический характер, и в результате которых возникает новое технобиотическое самоорганизующееся единство, ведущее себя как боевая единица, ориентированная на достижение решающего превосходства над противником.

Показано, что проблема техносимбиоза тесно связана с решением задачи проектирования интерфейсов. Дальнейшее повышение степени интеграции пилота с интерфейсной средой предполагает выход за пределы классических телесных и физико-алгоритмических взаимодействий.

Рассматриваются проблемы средоориентированных тренажерных технологий, используемых для подготовки экипажей и повышения интеграции с системами управления самолета. Показано, что общим недостатком всех средоориентированных систем обучения является их пассивность и отсутствие механизмов обобщения и фиксации положительного учебного опыта. Создание систем обучения для подготовки летчиков для самолетов 6-го поколения требует новой, постнеклассической средоориентированной эргономики тренажеростроения. При обучении в среде делается акцент на внутреннюю активность обучаемого, формирование механизмов самоорганизации ментальных структур профессионала, действующего в виртуальном мире среды обучения.

Показаны направления и технологии техноинтеграции, связанные с возможностью реализации методологии "умножение возможностей" при проектировании авиационных систем повышенной степени автоматизации, реализующих тактическое и стратегическое преимущество в условиях активного противодействия.