В теории и практике автоматических систем важное место занимают задачи синтеза систем автоматического регулирования (САР), основанного на требованиях к динамическому качеству процессов регулирования. Для класса линейных стационарных САР такие требования предъявляются к виду и параметрам переходной характеристики системы, которая однозначно определяется ее передаточной функцией (ПФ). В связи с этим закономерна постановка задачи синтеза САР с желаемой ПФ, соответствующей заданным коэффициенту усиления, нулям и полюсам синтезируемой системы. Данную задачу целесообразно именовать как задачу управления нулями и полюсами САР.

В настоящей статье, состоящей из двух частей, рассматриваются некоторые важные для инженерных приложений вопросы управления нулями и полюсами САР. Дается критический анализ известных компенсационных и компенсационно-модальных схем регулирования, а также предлагаются новые схемные решения, совмещающие функциональные возможности компенсационного и модального подходов.

В первой части статьи анализируется эффект компенсации нулей и полюсов объекта управления в САР. Понимание данного эффекта дает представление системы канонической структурой Р. Калмана: компенсация нулей и полюсов объекта не означает их физического уничтожения, они становятся полюсами ее ненаблюдаемой и неуправляемой частей, которые неизбежно будут сказываться на процессах регулирования в условиях возмущений состояния объекта управления. Данный эффект и его негативные результаты наглядно проявляются в классическом способе конструирования регуляторов по априори заданной (желаемой, эталонной) ПФ замкнутой САР.

Исследовано влияние фактора неминимально-фазовых нулей на динамику систем регулирования. Описан эффект отрицательного выброса в переходной характеристике системы и дана его количественная оценка для случая одного вещественного правого нуля.

Во второй части статьи обсуждаются и анализируются известные методы синтеза САР с желаемой ПФ, основанные на использовании аппарата полиномиального исчисления. Предлагаются новые компенсационно-модальные методы, которые могут представлять интерес для инженерных приложений.

Обсуждается проблема синтеза робастных систем управления с большим коэффициентом усиления и, в частности, оптимальных по критерию быстродействия, позволяющих управлять оптимально по точности регулирования многомерными нелинейными динамическими объектами высокой размерности с функциональными неопределенностями.

Предлагается метод аналитического конструирования оптимальных по быстродействию систем управления для широкого класса многомерных нелинейных динамических объектов с функциональными неопределенностями, в том числе неустойчивыми, неминимально-фазовыми, нейтральными, обладающими свойствами дифференцирования. Простота и универсальность, математическая строгость и физическая обоснованность данного метода заключается в использовании метода Р. Беллмана и декомпозиции задачи оптимального по быстродействию управления на ряд однотипных простых задач первого порядка.

Теоретически исчерпывающее решение задачи робастного управления дает идея построения систем, устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления. Свойствами устойчивости при этом обладают оптимальные системы, синтезированные с применением квадратичных функционалов качества, не зависящих явно от управляющего сигнала, и при ограничении на управляющий сигнал. Существенно, что в отличие от непрерывных систем с не измеряемыми возмущениями и мало известным объектом, в которых условия инвариантности предполагают использование бесконечно больших коэффициентов усиления, в релейных (разрывных) системах эквивалентный эффект достигается с помощью конечных управляющих воздействий.

Поскольку задача быстродействия является частной задачей точности воспроизведения входного воздействия на объект управления, установившаяся ошибка регулирования (в том числе и все коэффициенты ошибок: по положению, скорости, ускорению, рывку и т. д.) теоретически строго равна нулю при наличии внешних и внутренних помех, действующих только на объект регулирования, но не на систему управления, включая датчики переменных состояния объекта управления или сигнал задания. Однако из-за инерции объекта ни о какой точности не может быть и речи в переходном процессе отработки сигнала задания, пусть даже и в оптимальном по быстродействию режиме.

Рассматривается задача синтеза алгоритма идентификации частоты синусоидального возмущающего воздействия, действующего на линейный стационарный объект управления. Данная задача решается в классе объектов с известными параметрами и измеряемым вектором переменных состояния. Относительно частоты возмущающего воздействия допускается, что для нее известно ограничение сверху.

Несмотря на кажущуюся тривиальность проблема осложняется нестационарностью амплитуды синусоидального возмущения, в связи с чем использование многочисленных методов идентификации параметров измеряемых синусоидальных сигналов не приносит успеха. Связано это прежде всего с нестационарностью амплитуды возмущения. В статье рассматривается случай, когда возмущающее воздействие представляет собой синусоидальный сигнал с неизвестными частотой и фазой, но амплитуда является произведением неизвестной константы на известную строго положительную функцию времени. Для нестационарной строго положительной функции предполагается, что известна верхняя граница ее производной. Данное допущение на амплитуду нестационарного синусоидального возмущения не является математической абстракцией. Подобные модели возникают в системах обнаружения неисправностей в открытой цепи для однофазного преобразования постоянного тока в переменный. Хорошо известно, что альтернативные источники энергии требуют высокого уровня интеграции в электрические сети. Для этой цели используются преобразователи постоянного тока в переменный, которые обеспечивают синхронизацию соответствующего потока энергии в электрические сети. Эти преобразователи энергии используют высокочастотное переключение для управления процессом преобразования энергии. В результате постоянной работы и переходных процессов в энергетических сетях могут возникать неисправности. После сбоя преобразователь постоянного тока в переменный не сможет подавать симметричное напряжение и ток в электрическую сеть и, как следствие, неисправный преобразователь вызовет гармоническое зашумление. Оценивая подобное гармоническое зашумление/возмущение, можно избежать аварийных ситуаций.

Доказана асимптотическая сходимость оценки частоты возмущающего воздействия к истинному значению. Для понимания процедуры синтеза алгоритма оценки и иллюстрации его работоспособности представлен пример с результатами компьютерного моделирования, демонстрирующими достижение заданной цели.

Описана разработанная система управления группой мобильных роботов, использующая нейронные сети. Система управления выполняет оценку состояния среды функционирования, поиск оптимального метода планирования пути, планирование пути, коррекцию траекторий движения по результатам взаимодействия роботов группы. Выбор оптимального метода планирования и планирование пути группы роботов реализуется тремя нейронными сетями глубокого обучения.

Первая нейронная сеть классифицирует состояние среды на два класса. Для первого класса оптимальным методом планирования пути является метод построения кратчайшего пути. Для второго класса оптимальным методом является метод планирования безопасного пути. Выбор метода планирования пути базируется на составном критерии, который включает в себя время движения в целевую точку, длину пути и минимальное расстояние от роботов группы до препятствий в ходе движения. Предложен новый алгоритм обучения нейронной сети, позволяющий итерационно сконструировать обучающую выборку и структуры нейронной сети. Алгоритм включает в себя как элементы обучения с учителем, так и без учителя.

Вторая нейронная сеть реализует алгоритм планирования кратчайшего пути. Третья нейронная сеть реализует алгоритм планирования безопасного пути. Для обучения второй и третьей нейронных сетей используется итерационный алгоритм обучения с учителем. При этом нейросетевые планировщики движения не планируют весь путь целиком. Выходом этих нейронных сетей является текущее направление движения робота группы на k-м шаге. В силу этого не требуется пересчет всей траектории движения на каждом шаге, что позволяет использовать нейросетевые планировщики в динамической среде.

Также в данной статье разработан алгоритм формирования строя группы мобильных роботов в некартографированной среде с препятствиями. При водятся результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Благодаря своим высоким энергетическим показателям, компактности, надежности и высокому качеству регулирования синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) находят широкое практическое применение. При управлении частотой вращения СДПМ основным принципом управления является принцип каскадного регулирования с ПИ законами управления, включающий внешний контур регулирования по частоте вращения и два внутренних контура по токам статора по осям (d, q). Недостатки данного принципа пытаются устранить, применяя для синтеза законов управления современные методы нелинейного управления — линеаризацию обратной связью, бэкстеппинг, методы предиктивного управления, методы скользящего управления, методы робастного и адаптивного управления, нечеткого и нейросетевого управления, комбинации этих методов и др. Однако в большинстве случаев использование этих методов направлено на то, чтобы посредством процедуры соответствующего метода синтезировать статические или динамические уставки для стандартных ПИ регуляторов частоты и токов.

В данной работе предлагается рассмотреть два подхода синергетической теории управления (СТУ) к построению робастных законов управления СДПМ: метод синтеза законов скользящего управления на основе последовательной совокупности инвариантных многообразий СТУ и принцип интегральной адаптации (ПИА). Эти подходы реализуют векторное управление и не ориентируются на стандартную структуру принципа каскадного регулирования СДПМ. Предложенные подходы упрощают анализ устойчивости замкнутой системы: условия устойчивости складываются из условий устойчивости функциональных уравнений СТУ и условий устойчивости финишной декомпозированной системы, размерность которой существенно меньше размерности исходной системы. На основе результатов синтезированных в работе законов робастного управления СДПМ можно заключить, что более предпочтительны законы, синтезированные в соответствии с ПИА.

Теоретические выкладки данной работы проиллюстрированы результатами моделирования, которые показывают выполнение поставленных задач управления: достижение целевых инвариантов, робастность к изменению момента нагрузки.

Рассматриваются вопросы автоматизации процедуры эргономической экспертизы информационно-управляющего поля (ИУП) я кабины перспективного самолета с применением технологий искусственного интеллекта. Сбалансированное сочетание алгоритмов управления самолетом, его комплексом оборудования и вооружением, а также технологий искусственного интеллекта обеспечивает информационную поддержку экипажа самолета. Отмечается актуальность эргономической оценки ИУП кабины на всех стадиях проектирования и эксплуатации самолета.

Описываются особенности эргономической экспертизы ИУП кабины, цели и задачи экспертизы, а также методики проведения экспертизы. Задачами эргономической экспертизы являются контроль и оценка полноты и правильности реализации эргономических требований к проектируемому самолету и обоснование возможных путей совершенствования эргономических характеристик самолета. Проведение эргономической экспертизы является сложной проблемой, включающей системотехнические, эргономические и конструкторские вопросы, в числе которых важное место занимают вопросы выбора структуры ИУП кабины самолета.

Рассматриваются элементы технологии проведения эргономической экспертизы. Перечисляются задачи системы автоматизированной эргономической экспертизы: оценка человеко-машинного взаимодействия, оценка качества информационного обеспечения, регистрация и оценка показателей эргономики кабины (обзор и досягаемость), регистрация и оценка функционального состояния оператора, формализация параметров и формирование интегральной оценки. Система автоматизации эргономической экспертизы объединяет в единый комплекс информационные, технические и программные средства. Отличительной чертой эргономической экспертизы ИУП является априорная неопределенность исходных данных. Модели алгебры нечетких множеств позволяют формализовать процесс принятия решений при проведении эргономической экспертизы.

Обсуждаются вопросы разработки технологии автоматизированной оценки с использованием интегральных показателей, рассматриваются задачи, структура, принципы построения программно-аппаратных средств.

Описывается интегральная эргономическая оценка ИУП кабины методом аналитической иерархии (Analytic Hierarchy Process, AHP). АНР как метод оценки многокритериальных альтернатив достаточно известен и предполагает использование линейной функции полезности. Применение метода осуществляется в несколько этапов: структуризация задачи в виде иерархической структуры, попарное сравнение элементов каждого уровня, вычисление коэффициентов важности для элементов каждого уровня. Отмечается применимость метода в случаях, когда затруднена выдача абсолютных оценок альтернатив по заданным критериям.