Исследуются математические основы методологии синтеза в инженерной интерпретации ряда популярных систем управления с обратной связью и причины нереализуемости результатов из-за появления в уравнениях синтеза операторов чистого дифференцирования и источников нарушения грубости различного вида.

Глобальная причина все более ускоренного расхождения теории управления с практикой связывается с воздействием на креативное мышление таких факторов, как мутация, несовместимость, случайность, нечеткость, асимметричность, лежащих в основе эволюции синергетических систем.

Как "методологический кризис", так и ряд на первый взгляд незначимых инженерных неувязок приводят к снижению задуманной эффективности разрабатываемых систем управления. Наблюдается тенденция решения этой практической проблемы путем ее чрезмерной математизации. В результате возникает нонсенс — "чем больше математики, тем х уже", что приводит к "математическому лабиринту", для выхода из которого все больше усложняется математический аппарат, вплоть до создания новой теории.

Показано, что использование даже "правильных" математических соотношений, являющихся основой метода синтеза, нередко приводит к нарушению реализуемости и грубости. Отмечается, что неучет важных плохо формализуемых технических показателей и условий грубости (робастности) при постановке задачи не позволяет получить конструктивное решение и является одной из основных причин расхождения теоретических результатов и практики.

Рассматривается ряд популярных направлений классической теории управления с обратной связью: инверсный подход — метод компенсации, составляющий основу построения астатических, инвариантных, робастных и других компенсационных систем; методы синтеза систем с конечным временем установления; методы оценивания и управления, основанные на концепции "обратных задач динамики"; предельные системы с большим коэффициентом усиления.

Нарушение различных видов реализуемости и грубости демонстрируется на конкретных примерах, апробируемых на M ATLA B/Simulink. Компьютерное исследование позволило сделать ряд положительных выводов, имеющих важное прикладное значение.

Настоящая работа посвящена решению задачи удержания положения надводного судна с использованием метода последовательного компенсатора. Для описания движения надводного судна в плоскости рассматривается динамическая модель в параллельных координатах с тремя степенями свободы, соответствующими продольному, поперечному и вращательному движениям. Принимается, что для обеспечения полноценного маневрирования надводное судно оборудовано несколькими исполнительными приводами, конкретная конфигурация которых учитывается соответствующим распределителем упоров. Таким образом, без потери общности в рамках синтеза регулятора принимается, что многомерная структура системы характеризуется тремя входными и тремя выходными сигналами, которые, кроме того, содержат перекрестные связи между поперечным и вращательным движениями. Предполагается, что модель надводного судна содержит параметрические и сигнальные неопределенности, представленные неизвестными физическими параметрами масс и демпфирования и неизмеримыми производными регулируемых сигналов. Решаемая задача предполагает функционирование надводного судна в нестационарной среде, оказывающей влияние на объект в виде внешних возмущающих воздействий. Приведено решение задачи удержания заданного положения надводного судна с использованием метода последовательного компенсатора, который представляет собой робастный регулятор по выходу, построенный на основе принципа сильной обратной связи. Проведен анализ устойчивости системы частного характера применительно к рассматриваемому приложению. В рамках анализа перекрестные связи рассматриваются как ограниченные возмущения, что позволяет показать в системе свойства экспоненциальной устойчивости. Особое внимание в статье уделено проведению экспериментальных исследований системы динамического позиционирования влаборатории морской кибернетики (Marine Cybernetics laboratory, MC lab) Центра автономных морских операций и систем (Centre for autonomous marine operations and systems, A MOS) Норвежского университета технических и естественных наук (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU ). В рамках экспериментальных исследований отработаны два сценария: удержание положения при воздействии внешних возмущений и удержание положения в "тесте четырех углов". Проведенные эксперименты иллюстрируют работоспособность разработанной системы динамического позиционирования при практическом применении к физической модели надводного судна.

Утилизация органических отходов является крайне важной и актуальной экологической задачей. Одним из перспективных направлений в данной области является создание многорежимных (сжигание, пиролиз и газификация) установок по переработке органических отходов с получением на выходе полезных продуктов в виде непосредственно тепловой энергии и энергоносителей (биоуголь, бионефть, пиролизные смолы, синтез-газ и т.п.) и удобрений. Основными проблемами при создании подобных установок являются нестабильность свойств исходного сырья, его высокая влажность и зольность. Это в свою очередь заставляет применять нестандартное оборудование и нетиповые алгоритмы управления, процесс создания которых требует проведения большой экспериментальной работы. При этом проведение натурных экспериментов является дорогим, сложным и долгим процессом, что приводит к необходимости широкого применения математического и компьютерного моделирования.

В работе получены математические модели элементов газовоздушного тракта (ГВТ) установки по переработке органических отходов. Определены характеристики ГВТ установки как объекта регулирования по давлению в нижней и разрежению в верхней части камеры сжигания.

ГВТ установки, состоящий из дымохода и воздуховода, выполняет функции удаления из камеры сжигания дымовых газов и подачи воздуха, необходимого для поддержания процесса горения топлива. При разработке новых систем автоматизации моделирование позволяет достаточно точно оценить применяемые решения, упростить и удешевить процесс их создания, решить вопросы устойчивости систем, оптимизации переходных процессов и пр. При моделировании газовоздушный тракт установки условно разбит на ряд участков, для которых получены математические модели. Определены нелинейность полученных математических моделей по каналам "давление среды на входе n-го участка ГВТ — давление среды на выходе n-го участка ГВТ", нестационарность объектов регулирования и зависимость их динамических характеристик от режима работы установки. По разработанным моделям выявлена двухсторонняя взаимосвязь газового и воздушного трактов.

Полученные математические модели участков ГВТ установки необходимы для синтеза всережимных регуляторов разрежения дымовых газов в верхней части и давления воздуха в нижней части камеры сжигания установки и расчета компенсаторов межканальных связей газового и воздушного трактов.

Рассмотрена задача робастной синхронизации электроэнергетической сети с неизвестными параметрами. Измерению доступны углы нагрузки каждого генератора сети с наложенной аддитивной высокочастотной помехой. Синтезирован алгоритм, позволяющий уменьшить влияние помехи на сигналы измерения и обеспечить синхронизацию сети в нормальном режиме работы и аварийных ситуациях, связанных с внезапным изменением проводимостилиний электропередач. Приведены результаты моделирования, иллюстрирующие эффективность разработанного алгоритма.

Рассматривается жизненный путь основателя научно-исследовательского института робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) Евгения Ивановича Юревича в контексте развития советской и частично российской мехатроники и робототехники. Показан еголичный вклад в формирование научно-практической и производственной базы робототехники в Советском Союзе и России.

Рассматриваются варианты стабилизации частоты вращения ротора перспективной вертикально-осевой ветроэнергетической установки, состоящей из двусвязного статора и ротора слопастями. Статор в целом является осесимметричной с ротором частью конструкции, а ротор немного заглублен в верхнюю часть статора — раструб. Эта установка может входить в качестве элемента в комплексную силовую энергетическую установку для дополнительного и аварийного электропитания как стационарных, так мобильных объектов, например, надводных робототехнических комплексов. В работе предлагается использовать аэродинамический метод стабилизации угловой скорости вращения ротора путем управления положениями двух изменяемых элементов конструкции рассматриваемой установки относительно ее статора. В качестве таких элементов могут быть использованы нижняя направляющая структура — один из элементов статора, и аэродинамическая тормозная заслонка. Перестроение положений обоих элементов относительно статора изменяет эффективное сечение взаимодействия входящего в установку ветрового потока с ротором. Подробно рассмотрена методика синтеза регулятора угловой скорости вращения ротора. Особенностью этого регулятора является наличие двух каналов управления при одной переменной состояния. Вначале необходимо определить динамические диапазоны регулирования крутящего момента на валу ротора для каждого из изменяемых элементов геометрии. Это позволяет корректно выбрать условие переключения между двумя каналами управления в зависимости от степени отклонения желаемой скорости потока от текущей скорости. На основании уравнения ошибки регулирования второго порядка и процедуры синтеза редуцированных наблюдателей возмущений вращающего момента получен искомый закон управления угловой скоростью вращения ротора. На примере решения задачи стабилизации угловой скорости с заданными критериями качества проведено моделирование синтезированной системы управления при различных исходных данных. Показано, что построенный регулятор способен эффективно парировать влияние ветровых возмущений в широком диапазоне отклонений текущей скорости от желаемой для данного целевого значения частоты.