Лаборатория № 37 «Систем с разрывными управлениями»

 Основные научные направления деятельности лаборатории №37 ИПУ РАН

 

Лаборатория № 37 занимается синтезом обратных связей в многомерных технических системах управления в общей классической  постановке. Особенность рассматриваемых постановок и решения задач управления связаны с использованием методов систем с разрывными управлениями и декомпозиционных методов синтеза с созданием разнотемповых движений в замкнутых системах. В рамках этих подходов решаются фундаментальные задачи теории управления – синтез обратной связи и построения наблюдателей состояния различных видов. Для решения первой задачи разработан блочный подход в управлении (в задачах стабилизации, обеспечения инвариантности к внешним возмущениям, слежения, автономности), для решения второй – каскадный метод синтеза наблюдателей состояния для линейных и нелинейных многомерных динамических систем, функционирующих в условиях неопределенности и при действии внешних несогласованных возмущений.

 

Фундаментальные направления

 

  1. Применение теории разрывных систем на практике часто ограничивается физическими соображениями, связанными с невозможностью, во-первых, реализовать управления в виде разрывных функций и, во-вторых, добиться бесконечно большой частоты их переключений. Эти факторы приводят к возникновению не идеальных, а реальных скользящих режимов. В частности, неидеальности релейных характеристик приводят к возникновению в установившемся режиме низкочастотных колебаний («чаттеринг»), что снижает качество регулирования. Предложены действенные методы компенсации неустранимых неидеальностей релейных характеристик за счет подачи на вход реле дополнительного внешнего высокочастотного сигнала.

 

  1. Применительно к линейным системам решены задачи идентификации неизвестных параметров объекта управления с использованием теории разрывных систем. В частности, решена задача восстановления характеристического полинома линейной многомерной системы с одним входом и одним выходом  при полной параметрической неопределенности по измерениям только выходной переменной. Задача идентификации решена также для линейных систем при релейных измерениях за счет подачи на вход объекта управления вибролинеаризируещего сигнала и сведения задачи наблюдения на низких частотах к непрерывному случаю.

 

  1. Разработаны концепция, методология и процедуры каскадного синтеза наблюдателей состояния динамических систем, позволяющие с единых позиций проводить анализ разрешимости проблемы наблюдения и реализовывать метод декомпозиции при синтезе наблюдателей состояния для линейных и нелинейных многомерных динамических объектов управления, функционирующих в условиях действия внешних возмущений и параметрической неопределенности модели объекта управления. Разработаны декомпозиционные процедуры синтеза наблюдателей состояния с линейными и с разрывными корректирующими воздействиями, функционирующими в скользящем режиме. Получены иерархические системы неравенств для настройки их параметров. В отличие от стандартных подходов разработанные подсистемы наблюдения обладают свойствами робастности к параметрической неопределенности и инвариантности по отношению к действию внешних возмущений, не требуют детализированной математической модели объекта управления, а также перенастройки в зависимости от наличия/отсутствия внешних возмущений.

 

  1. Впервые в мировой практике:

 

– для нелинейных систем при действии внешних возмущений получены достаточные условия и методы решения задачи наблюдения и неизмеряемых переменных вектора состояний, и внешних возмущений без ввода экзогенных динамических моделей, имитирующих действие внешних возмущений;

 

– введен новый тип S-образных, непрерывных корректирующих воздействий наблюдателей в виде сигма-функций. Показано, что с помощью гладких ограниченных сигналов в замкнутой системе обеспечиваются свойства близкие к свойствам наблюдателей на скользящих режимах, а именно: декомпозиция общего движения на разнотемповые составляющие, инвариантность по отношению к имеющимся неопределенностям.

 

      Реализация данных методов позволила расширить класс систем, по выходным переменным которых с помощью наблюдателей указанных типов можно восстановить в реальном времени значения не только неизмеряемых переменных вектора состояний, но и имеющихся неопределенностей. Полученные результаты вносят весомый вклад в развитие фундаментальной проблемы наблюдения в нелинейных динамических системах.

 

  1. Разработаны концепция, методология и процедуры декомпозиционного синтеза инвариантных систем слежения для линейных и нелинейных многомерных, многоканальных объектов автоматического управления, функционирующих в условиях действия внешних неконтролируемых возмущений, неполных измерений и неполной информации о задающих воздействиях.

 

  1. Впервые в мировой практике введены:

 

– понятие и принципы организации совместной блочной формы наблюдаемости и управляемости относительно выходных переменных с учетом внешних возмущений различных типов, необходимые и достаточные условия ее существования и пошаговые процедуры ее получения;

  

   – комплексный подход к оцениванию смешанных переменных без выделения отдельных подзадач наблюдения неизмеряемых переменных вектора состояний, внешних воздействий и их производных.

 

      Реализация данных методов позволяет: упростить структуру регулятора; существенно снизить требования к объему априорной информации об объекте управления и среде его функционирования; обеспечить заданные характеристики управляемого процесса при различных режимах работы без перенастройки при изменении условий эксплуатации и внешних факторов; расширить класс систем, в которых можно обеспечить асимптотическую сходимость выходных переменных к заданным траекториям без расширения пространства состояний за счет ввода экзогенных динамических моделей возмущающих и задающих воздействий.

 

  1. В рамках блочного подхода разработаны концепция, методология и процедуры декомпозиционного синтеза робастных регуляторов для практически значимого класса линейных стационарных многомерных систем, в которых при изменении параметров в известных диапазонах сохраняются структурные свойства управляемости, определяемые номинальной системой. Впервые в мировой практике для указанного класса систем разработаны конструктивные процедуры синтеза обратной связи, обеспечивающие:

   – заданную степень устойчивости замкнутой системы при всех допустимых значениях неопределенных параметров;

   – выполнение заданных ограничений на диапазоны изменения фазовых переменных при использовании сигмоидальных локальных связей.

                     

         Разработанные методы достаточно универсальны, так как опираются на структурные свойства управляемости оператора объекта управления. Их распространение на нестационарные линейные системы, а также на некоторые классы нелинейных систем может составить основу нового научного направления по структурному синтезу робастных регуляторов с учетом ограничений на фазовые переменные.

          

 

Прикладные задачи

 

  1. Разработаны методы синтеза электроприводов различного типа, в частности, бездатчиковых электроприводов (без использования датчиков механических переменных).
  2. Предложены методы решения задач управления роботами-манипуляторами с учетом динамики исполнительных устройств (электроприводов) при неполных измерениях компонент вектора состояния и при наличии параметрических и функциональных неопределенностей в модели объекта управления.
  3. Разработаны алгоритмы управления мобильным роботом в задаче отработки заданной траектории движения.
  4. Разработана система управления топливоподачей в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) по показаниям релейного – зонда, что включает построение наблюдателя состояния параметров воздушного тракта ДВС по измерению давления во впускном трубопроводе. (внедрена в учебный процесс в МАДИ, а также использована в ООО «НПП ЭЛКАР» (г. Москва) при разработке микропроцессорных систем управления двигателями отечественных автозаводов; использованы при создании программного обеспечения контроллеров семейства «Январь» на ОАО АВТОВАЗ (г. Тольятти)).
  5. Оригинальные алгоритмы параметрической идентификации были использованы при разработке опытного образца портативного профилометра (проект «Исследование, разработка и изготовление экспериментального образца портативного профилометра для оперативного контроля микрогеометрии поверхности в производственно-цеховых условиях», № гос. регистрации НИР 0120.0950414).
  6. В рамках блочного подхода предложено решение комплекса задач управления парогенератором – турбоагрегатом в условиях параметрической неопределенности модели объекта управления, действия внешних неконтролируемых возмущений и при неполных измерениях вектора состояния.
  7. Разработаны основные методологические положения, а также связанные с ними формализованные методы и модели управления системой обязательного социального страхования от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний ФСС РФ. Разработанный комплекс математических методов в значительной мере восполняет имеющийся пробел в области разработки научно-методических и прикладных основ обеспечения эффективного функционирования системы обязательного социального страхования в условиях рыночной экономики.