Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 20, № 11 (2019)
Скачать выпуск PDF

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

643-654 59
Аннотация

Работа представляет собой расширенную и переработанную версию доклада, сделанного на конференции имени Е. С. Пятницкого в 2016 г.

Рассматриваются некоторые аспекты развития теории линейных матричных неравенств. Освещается ряд результатов, полученных на начальном этапе развития этой теории как при разработке численных методов, так и при получении аналитических условий их разрешимости. Основное внимание сосредоточено на системе линейных матричных неравенств, возникающей при решении задачи абсолютной устойчивости. Е. С. Пятницким и его учениками показано, что разрешимость этой системы является критерием существования квадратичной функции Ляпунова и достаточным условием абсолютной устойчивости. Рассматриваются предпосылки, приведшие к данному результату. Показывается использование рассматриваемой системы неравенств для исследования устойчивости гибридных систем, описываемых дифференциальными включениями и системами с переключениями. Приводится анализ цитирования некоторых работ школы Пятницкого по теории устойчивости и теории систем линейных матричных неравенств, из которого следует востребованность результатов этих работ в настоящее время.

При разработке численных методов Е. С. Пятницким впервые показано, что вопрос о разрешимости системы линейных матричных неравенств сводится к задаче выпуклого программирования. Приводится интересный градиентный алгоритм поиска решений такой системы.

При анализе аналитических условий разрешимости отмечается полученный автором совместно с Е. С. Пятницким критерий неразрешимости интересующей системы. В современных терминах этот результат можно рассматривать как описание допустимого множества в двойственной задаче полуопределенного программирования. Похожий результат приводится в известной книге С. Бойда с соавторами. В работе показывается, что результат Бойда и др. является простым следствием критерия неразрешимости. Здесь критерий неразрешимости обобщается и уточняется. 

655-662 36
Аннотация
Рассматриваются вопросы проектирования следящих релейных систем с цифровым управлением (РСУ). Предложены методы определения возможных автоколебательных режимов в релейных системах с цифровым управлением и линейными, кусочно-линейными объектами управления (ОУ). Предлагаемый подход к исследованию периодических движений основан на методе фазового годографа релейной системы. Показано, что в рассматриваемых системах дискретизация по времени приводит к дроблению предельных циклов и возникновению множества возможных периодических движений. Предлагаются методы исследования устойчивости данных процессов. Разработаны два подхода для оценки устойчивости автоколебаний. В первом случае рассматривается дискретное представление ОУ. Получены условия устойчивости предельных циклов в виде системы матричных неравенств, которые определяют области притяжения для каждого возможного симметричного периодического движения. Показано, что такие области являются несвязанными и имеют различные размеры для каждого предельного цикла. Второй подход предполагает замену релейной системы с дискретизацией по времени эквивалентной непрерывной системой с запаздыванием. Указанное запаздывание определяется с помощью метода фазового годографа. Далее предлагается оценивать асимптотическую орбитальную устойчивость автоколебаний в эквивалентной системе и на этой основе делать вывод об устойчивости движений в исходной РСУ с цифровым регулятором. Также показано, что при линеаризации релейного элемента в цифровой РСУ по полезному сигналу коэффициент передачи реле является переменным и принадлежит определенному диапазону значений. Рассматривается синтез корректирующих устройств РСУ с учетом цифровой реализации. Предлагается методика синтеза цифровой РСУ, учитывающая дискретную реализацию корректирующих устройств на этапе оптимизации параметров регулятора. В качестве модельного примера рассматривается синтез релейной цифровой системы управления следящим автоколебательным приводом. Показаны преимущества синтеза цифровых РСУ с применением разработанного подхода. Основным достоинством является то, что при оптимизации параметров регулятора с учетом дискретизации по времени удается обеспечить стабильность желаемой частоты автоколебаний, а это, в свою очередь, позволяет повысить точность режима слежения.
663-668 32
Аннотация

Рассмотрена проблема нелинейного синтеза законов управления движением автономного подводного аппарата (АПА) в вертикальной плоскости. Задачами синтеза являются выход подводного аппарата на заданную глубину с заданной скоростью. На основе нелинейной математической модели АПА выполнен синтез законов управления двумя различными способами: с использованием метода классической теории автоматического управления — пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД регулятора) и с использованием синергетической теории управления — метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР). Классические методы теории автоматического управления предполагают линейное или линеаризованное математическое описание управляемых процессов и скалярное управление, что не может не сказаться как на адекватности математического описания процессов, так и на эффективности разработанных алгоритмов. Такие структуры оказываются малоэффективными, поскольку не позволяют получить необходимый запас устойчивости системы и являются приближенными. К тому же скалярный принцип управления часто ограничивает возможность эффективного воздействия на систему, игнорируя потенциальные каналы управления. Используемый в работе векторный принцип управления позволяет более эффективно воздействовать на систему через различные каналы управления. Предполагаемые законы синергетического управления наделяют рассматриваемый объект свойствами асимптотической устойчивости во всей допустимой области изменения переменных состояния.

Рассмотрены результаты компьютерного моделирования движения АПА, которые подтверждают достижение целей управления. 

РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

669-676 56
Аннотация
В данной работе обсуждаются две проблемы, связанные с фотоэлектрической насосной системой. Во-первых, проводится анализ суперконсенсатора, направленный на обеспечение хранения электроэнергии и разрешение проблем, связанных с отсутствием производства фотоэлектрической энергии в темное время суток. Во-вторых, предложено использовать в системе нечеткий логический контроллер. С одной стороны, он предназначен для стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока вблизи предпочтительного значения за счет управления режимом работы комбинированного преобразователя постоянного тока. С другой стороны, этот контроллер служит для управления зарядкой и разрядкой суперконденсатора в соответствии с уровнем солнечного освещения и уровнем заряда конденсатора. Полная модель фотоэлектрической насосной системы исследуется в MATLAB Simulink. Обсуждаются результаты моделирования при разных уровнях освещения.
677-685 57
Аннотация

Одним из актуальных направлений исследований в современной робототехнике является проблематика локальной навигации мобильных роботов (МР), обеспечивающей перемещение робота к цели с обходом препятствий в процессе движения. Процесс навигации включает в себя следующие этапы: составление карты внешней среды, локализация робота и планирование маршрута, ведущего к цели. К числу популярных методов локальной навигации роботов относится метод искусственных потенциальных полей (ПП). Суть метода ПП заключается в реализации движения МР в поле "информационных сил" с использованием сил "притяжения" к целевому положению и "отталкивания" от препятствий.

В работе рассматриваются вопросы локальной навигации и управления движением МР на основе метода ПП.

При использовании традиционных притягивающихся потенциальных полей структура виртуальных сил вблизи препятствия зависит от удаленности МР от цели, причем движение робота будет замедляться в конце маршрута, что неизбежно приведет к неоправданной затяжке общего времени перемещения робота в целевое положение. Для устранения данного нежелательного эффекта авторами предложено использовать притягивающие потенциальные поля специального вида.

В методе IIII широко известна проблема локальных минимумов — потенциальных ям различной геометрической структуры, которые становятся ловушками для МР. Проведен анализ кинематических и динамических аспектов управления перемещением робота в рабочем пространстве. Авторами предлагаются новые методы ПП, позволяющие решать ключевые для управления МР проблемы "ловушек" (потенциальных ям) и обхода препятствий: метод двух карт потенциальных полей и метод "фарватера" на карте потенциальных полей.

Обсуждаются методы "жука", решающие задачу обхода препятствий в условиях отсутствия априорной информации о рабочем пространстве МР. Предложен модифицированный метод "жука", имеющий ряд преимуществ по сравнению с классическими методами.

686-695 31
Аннотация

Рассматривается система речевого диалогового управления манипуляционными роботами. Проведен анализ основных методов автоматического распознавания речи, понимания речи, управления диалогом, синтеза голосовых ответов в диалоговых системах. Рассмотрены три типа управления диалогом: "инициатива системы", "инициатива пользователя" и "комбинированная инициатива". Предложена система объектно-ориентированного диалогового управления роботом на основе теории конечных автоматов состояния с использованием глубокой нейронной сети. Основное отличие предложенной системы заключается в предварительном выполнении диалога, в процессе которого робот может выполнять движения, направленные на получение дополнительной информации. После этого робот выполняет поставленную задачу в автоматическом режиме. Такой способ построения диалогового управления роботом позволяет автоматически корректировать результат распознавания речи и соответствующих действий робота и выполнять диалоговое управление в темпе, близком к темпу работы хирурга с человеком-оператором.

Управление роботом возможно в двух режимах. Специальный режим дает возможность непосредственно управлять движениями манипулятора голосовыми командами пользователей. Общий режим расширяет возможности оператора, позволяя ему получить дополнительную информацию в реальном времени.

Необходимость коррекции результата распознавания речи и выполнения действий робота может быть вызвана особенностями речи пользователя, помехами в информационной системе или некорректными голосовыми командами.

Процесс коррекции состоит из трех этапов. На первом этапе выполняется непрерывное преобразование речи в текст в реальном масштабе времени с использованием глубокой нейронной сети, учитывающей особенности и скорость речи различных пользователей. На втором этапе осуществляется управление диалогом на основе теории конечных автоматов. Наконец, на третьем этапе осуществляется управление действиями робота с учетом его текущего состояния.

В целях реализации диалога между пользователем и роботом, близкого к естественному по темпу и по содержанию, создается база сценариев возможных диалогов.

В проведенных экспериментах разработанная диалоговая система использовалась для управления манипулятором KUKA. Диалоговая система реализована в среде Python. Управление роботом осуществлялось с помощью программного обеспечения RoboDK. Результаты экспериментов подтвердили работоспособность и эффективность диалоговой системы управления р оботом. Получена достаточно высокая точность распознавания (92 %); при этом скорость автоматического распознавания речи позволяла вести диалог в темпе, близком к темпу естественной речи. 

696-701 34
Аннотация

Сейсморазведка — необходимая составляющая эффективного использования нефтегазовых месторождений морского шельфа, так как стоимость бурения скважины на шельфе в сотни раз дороже бурения скважины на суше, а предварительная морская сейсморазведка может помочь избежать неоправданных затрат.

Высокое качество мо рской сейсморазведки возможно получить только с помощью донных технологий: на исследуемый участок морского дна опускают специальные донные станции, которые улавливают прямые и отраженные от морского дна акустические сигналы, генерируемые на поверхности акустическим излучателем. Полученные акустические сигналы станции фиксируют и записывают. После того как данные записаны, станцию поднимают на поверхность, записанные данные скачивают со станции на специальные устройства для последующей интерпретации. В результате на основе полученных данных составляют детальную 2D- или 3D-карту вероятных залежей нефти и газа. Полученные карты используют для определения точных координат установки буровых станций.

Самой распространенной технологией морской сейсморазведки является применение донных станций на фале (веревке). Первые разработки донных станций на фале начались в 70-е годы прошлого века и не предполагали средств автоматизации работ с донными станциями. Все операции съема и прикрепления фала к станции, погружения и подъема станции, а также ряд других операций выполнялись вручную. На сегодняшний день фактически не появилось какой-либо эффективной автоматизации в работе со станциями на фале. Кроме того, использование фала привносит в морскую сейсморазведку множество других негативных явлений и трудностей. Вот лишь несколько из них: зацепления фала за неровности дна и возможные препятствия, что влечет потерю или порчу станций, обрыв фала; необходимость иметь на судне достаточно места для хранения фала и лебедок для фала, что ведет к использованию габаритных судов и как следствие — к невозможности вести сейсморазведку на малых глубинах и в приливно/отливных транзитных зонах; фал, соединяющий станции на дне, производит сейсмический шум, что сильно ухудшает качество получаемых данных; невозможность вести сейсморазведку в местах, где находятся другие суда (например, рыболовецкие), и т. п.

Разработанная в течение нескольких последних лет новая отечественная технология морской сейсморазведки ГЕОНОД позволяет решить указанные и многие другие проблемы. Многие из этих проблем вообще не возникают, так как в технологии ГЕОНОД фалы не используются, а работа ведется с помощью автономных самовсплывающих донных станций (АСДС).

В статье рассматривается ряд задач прикладной механики и управления, возникающих при использовании технологии ГЕОНОД: управление движением станции при погружении и при всплытии, обеспечение точности установки станции в заданную точку на дне, сбор станций после их подъема на поверхность и др.



ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)