Лаборатория № 37 «Систем с разрывными управлениями»

Зав. лаб. № 37
Антон Викторович Уткин

Лаборатория (с её нынешним названием) создана в 2017 г. в результате реорганизации инициативной группы под неформальным руководством д.т.н., проф. Виктора Анатольевича Уткина. Научные интересы этой группы лежат в области фундаментальной, классической теории управления в технических системах, а задачи, развиваемые в течение четверти века, определили тематику новой лаборатории – методы анализа и синтеза систем с разрывными управлениями, функционирующих в скользящем режиме. В настоящее время в лаборатории работают к.т.н. Антон Викторович Уткин (заведующий лабораторией), доктора наук Светлана Анатольевна Краснова, Сергей Александрович Кочетков, Виктор Анатольевич Уткин (недавно перешёл в лаб. № 16) и другие сотрудники. Кроме того, в научной работе постоянно участвуют аспиранты и дипломники. На сегодняшний день лаб. № 37 представляет собой молодой и динамично развивающийся коллектив.

Особенность рассматриваемых в лаб. № 37 постановок и решения задач управления связаны с использованием методов теории систем с разрывными управлениями и декомпозиционных методов синтеза с созданием разнотемповых движений в замкнутых системах. В рамках этих подходов решаются фундаментальные задачи теории управления – синтеза 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 неопределённости и при действии внешних несогласованных возмущений.

В рамках указанных методов решены следующие фундаментальные проблемы теории управления:

  • 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 неопределённости целевого условия. Впервые в мировой практике введены: понятие и принципы организации совместной блочной формы наблюдаемости и управляемости относительно выходных переменных с учётом внешних возмущений различных типов; комплексный подход к оцениванию смешанных переменных без выделения отдельных подзадач наблюдения не измеряемых переменных вектора состояний и внешних воздействий. Реализация данных методов позволяет: упростить структуру регулятора; существенно снизить требования к объёму априорной информации об объекте управления и среде его функционирования; расширить класс систем, в которых можно обеспечить асимптотическую сходимость выходных переменных к заданным траекториям без расширения пространства состояний за счёт ввода экзогенных динамических моделей возмущающих и задающих воздействий. Полученные результаты вносят весомый вклад в развитие фундаментальной проблемы регулирования выходных переменных многоканальных объектов управления, функционирующих в условиях неопределённости и неполных измерений.
  • Виктор Анатольевич Уткин

    В рамках блочного подхода разработаны концепция, методология и процедуры декомпозиционного синтеза робастных регуляторов для практически значимого класса линейных стационарных систем, в которых при изменении параметров известных диапазонах сохраняются структурные свойства управляемости, определяемые номинальной системой. Впервые в мировой практике для указанного класса систем разработаны конструктивные декомпозиционные процедуры синтеза обратной связи, обеспечивающие заданную степень устойчивости замкнутой системы при всех допустимых значениях неопределённых параметров. 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.

  • Светлана Анатольевна Краснова

    Разработаны декомпозиционные процедуры синтеза систем управления техническими объектами, функционирующими в условиях неопределённости и при неполных измерениях: роботами–манипуляторами, электроприводами различного типа, двигателями внутреннего сгорания, летательными аппаратами. Использование каскадных наблюдателей состояния для информационного обеспечения базовых законов комбинированного управления позволило обеспечить высокую динамическую точность систем управления различными режимами работы указанных объектов при действии внешних возмущений, неопределённости целевого условия и неполном комплекте измерительных устройств (что подтверждено результатами моделирования), а реализация комплексного подхода к проблеме наблюдения существенно упростило структуру регулятора. Каждая система управления разрабатывалась с учётом особенностей конкретного объекта управления. В то же время можно говорить о создании единой методологии и принципиально новых, универсальных и эффективных подходов к синтезу систем управления широким классом сложных технических объектов автоматического управления, функционирующих в условиях неопределённости.

  • Сергей Александрович Кочетков

    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 неопределённости по измерениям только выходной переменной. Задача идентификации решена также для линейных систем при релейных измерениях за счёт подачи на вход объекта управления вибролинеаризируещего сигнала и сведения задачи наблюдения на низких частотах к непрерывному случаю.

  • Разработаны концепция, методология и процедуры каскадного синтеза наблюдателей состояния динамических систем, позволяющие с единых позиций проводить анализ разрешимости задачи наблюдения и реализовывать метод декомпозиции при синтезе наблюдателей состояния для широкого класса линейных и нелинейных многомерных динамических объектов управления, функционирующих в условиях действия внешних возмущений и параметрической неопределённости оператора объекта управления. Впервые в мировой практике разработаны: методы решения задачи наблюдения нелинейных систем при действии внешних возмущений различного типа без ввода экзогенных динамических моделей, имитирующих действие внешних возмущений; декомпозиционные методы синтеза наблюдателей состояния и с непрерывными, и с разрывными корректирующими воздействиями, функционирующими в скользящем режиме. В отличие от стандартных подходов разработанные подсистемы наблюдения обладают свойствами робастности к параметрической неопределённости и инвариантности к действию внешних возмущений, не требуют детализированной математической модели объекта управления, а также перенастройки в зависимости от наличия/отсутствия внешних возмущений. Реализация данных методов позволила существенно расширить класс систем, по выходным переменным которых с помощью наблюдателей состояния указанных типов можно восстановить в реальном времени значения не только неизмеряемых переменных вектора состояний, но и внешних возмущений. Полученные результаты вносят весомый вклад в развитие фундаментальной проблемы наблюдения в нелинейных динамических системах.
  • Разработан новый класс систем с обратной связью и наблюдателей состояния за счёт введение S-образных локальных обратных связей и непрерывных корректирующих воздействий наблюдателей в виде сигмафункций. Использование таких нелинейных управлений позволяет, во-первых, учесть ограничения на управления и фазовые переменные на стадии синтеза регуляторов и наблюдателей состояния и, во-вторых, обеспечить заданную точность регулирования и оценивания за счёт увеличения коэффициентов в цепи обратной связи и корректирующих воздействий в наблюдателе с сохранением декомпозиция общего движения на разнотемповые составляющие.
  • 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. В основе разрабатываемых подходов лежат понятие и принципы организации совместной блочной формы наблюдаемости и управляемости относительно выходных переменных с учётом внешних возмущений различных типов, необходимые и достаточные условия её существования и пошаговые процедуры её получения.
  • 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 неопределённых параметров;
    • выполнение заданных ограничений на диапазоны изменения фазовых переменных при использовании сигмоидальных локальных связей.
  • Получены уникальные результаты по теории инвариантности к неизвестным не согласованным (не принадлежащим пространству управлений) возмущениям с использованием релейно-непрерывных управлений. Разработанный VORTEX-алгоритм применим как в цепи обратной связи, так и в устройстве наблюдения.
  • Предложены подходы к компенсации неустранимых неидеальностей разрывных управления (типа гистерезиса) за счёт подачи на их вход дополнительного высокочастотного сигнала. Получаемый эффект вибролинеаризации позволяет использовать методы синтеза непрерывных управлений на низких частотах.
  • С использованием блочной структуры управляемых и наблюдаемых линейных систем получены методы оптимизации (минимизации) коэффициентов обратной связи за счёт выбора собственных чисел и векторов в задаче модального управления с заданным запасом устойчивости.

Сотрудниками лаборатории решён ряд прикладных задач:

  • Разработаны методы синтеза электроприводов различного типа, в частности, бездатчиковых электроприводов (без использования датчиков механических переменных).
  • Предложены методы решения задач управления роботами-манипуляторами с учётом динамики исполнительных устройств (электроприводов) при неполных измерениях компонент вектора состояния и при наличии параметрических и функциональных неопределённостей в модели объекта управления.
  • Разработаны алгоритмы управления мобильным роботом в задаче отработки заданной траектории движения.
  • Разработана система управления топливоподачей в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) по показаниям релейного lambda-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; использована при создании программного обеспечения контроллеров семейства «Январь» на ОАО АВТОВАЗ (г. Тольятти)).
  • 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 производственноцеховых условиях», № гос. регистрации НИР 0120.0950414).
  • алгоритмы каскадного синтеза обратной связи использованы при разработке системы управления манипуляционным роботом в РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (г. Королёв Московской обл.).
  • Методология синтеза устройств наблюдения использована в разработке бездатчиковых асинхронных электроприводов на ГУП СПО «Арктика» (г. Северодвинск).
  • Разработана авторская программа спецкурса «Декомпозиционные методы анализа и синтеза систем автоматического управления», которая внедрена в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана.
  • В рамках блочного подхода предложено решение комплекса задач управления парогенератором – турбоагрегатом в условиях параметрической неопределённости модели объекта управления, действия внешних неконтролируемых возмущений и при неполных измерениях вектора состояния.
  • Создан макет управления комплексом двигатель-ременная передача-перевёрнутый маятник в рамках комплексных прикладных работ робототехнического кластера ИПУ РАН.
  • 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.

В лаборатории действует молодёжная научная школа (руководитель – В.А. Уткин).

Сотрудниками лаборатории опубликовано более 400 статей и 6 монографий.