Введение к работе
Актуальность темы. Стремительный рост возможностей современных компьютеров привел к существенному повышению уровня автоматизации и интеграции систем управления сложными техническими системами такими как аэрокосмические аппараты, энергетические комплексы, морские и речные суда и т.д. Современные и перспективные системы управления все чаще включают в себя две взаимодействующие группы элементов: традиционные элементы непрерывной динамики и новые элементы дискретной динамики, связанные логикой и искусственным интеллектом. Такие системы, характерным признаком которых является неоднородность пространства состояний, в последнее время обычно называют гибридными (hybrid systems), в отечественной литературе распространен также термин системы случайной структуры, а в западной - системы со скачками (jump systems). Для них существующие стандартные методы проектирования становятся непригодными и процесс проектирования затягивается в связи с чрезмерно большим объемом рутинного моделирования. Поэтому особую актуальность приобретает разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированного проект ирования гибридных систем. Этой проблеме посвящен недавний специальный выпуск журнала IEEE Transactions on Automatic Control (1998. .\4).
Первые исследования систем, позднее названных гибридными, были проведены в начале 60-х годов в работах Каца И.Я., Красовского Н.Н. и Лпдского Э.А., где были заложены фундаментальные теоретические основы. Эти работы значительно опередили время и не нашли применение в практике проектирования систем управления тех лет. Позднее Sworder D.D. решил задачу управления линейными гибридными системами на основе стохастического принципа максимума. Wonham W.M. использовал для решения этой же задачи стохастический вариант динамического программирования. Существенный прогресс был достигнут в дальнейшем в работах Казакова И.Е., Артемьева В.М., Бухалева В. А. н других.
Интенсивное развитие методов проектирования и управления с помощью вычислительных машин оказало существенное влияние на теорию непрерывных систем управления и способствовало широкому распространению дискретных моделей систем.
Различные задачи оптимального управления гибридными системами с дискретным временем и квадратичным функционалом'качества рассматривались многими учеными, среди которых отметим работы Sworder D.D.. Chizeck H..I. и Ji Y., Пакшина П.В. Более полно обзор литературы
по выбранной теме представлен в тексте диссертации.
В то же время алгоритмы управления, которые получаются на основе результатов существующих работ, сложны для реализации на практике даже на базе современной вычислительной техники.
Поэтому многие практические задачи, связанные с применением гибридных систем до сих пор в существенной степени решаются на основе инженерного опыта и последующего моделирования. Такой подход, являющийся в значительной степени интуитивным, для решения современных задач не является удовлетворительным, т.к. синтез системы управления в этом случае растягивается на длительное время, и невозможно заранее точно предсказать положительные результаты, что в современных условиях жесткой конкуренции может служить причиной провала технического проекта в целом.
Определенным выходом из положения может служить робастный подход, который позволяет создать формализованные процедуры анализа н синтеза простых алгоритмов управления во многих технических задачах.
Применение робастного подхода к задачам синтеза управления гибридными системами на основе стохастических моделей развивается в научно-исследовательских работах коллектива, руководимого доктором физико-математических наук, профессором Пакшиным П.В. Полученные результаты этих исследований изложены, например, в указанных в диссертации работах Пакшина П.В., Паншина П.В. и Гераекиноіі Т.В. [8]. Гераскпноіі Т.В. [7].
Проблема робастности стохастических систем управления рассматривалась в работах Willems J.L. н Willenis J.С, Yaz Е., Yildizbayrak K.N.. Угрнповского В.А. и других. Необходимо особо отметить монографию Mariton М., как одну из первых работ, где рассматривались задачи робастности гибридных систем.
Анализ этих работ показывает, что для гибридных систем решение проблемы робастного управления находится в начальной стадии. Поэтому исследования в области синтеза робастного управления гибридных систем представляют собой актуальное перспективное направление в теории автоматического управления.
Цель работы. Целью работы является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения синтеза робастных динамических п децентрализованных регуляторов сложных технических систем на основе гибридных стохастических .моделей.
Задачи диссертационной работы. Исходя из анализа существующих работ и результатов, достигнутых в научном коллективе, где работает соискатель, в данной работе были поставлены следующие задачи:
-
Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения синтеза робастного динамического регулятора с постоянной структурой для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
-
Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения синтеза робастного динамического регулятора с частично переключаемой структурой для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
-
Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения синтеза робастного децентрализованного управления для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории систем управления в пространстве состояний, теории матриц, включая теорию матричных уравнений, а также некоторые разделы теории оптимального управления и теории случайных процессов.
Связь с планом. Исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с планом работ по разделу "Транспорт" Межвузовской научно-технической программы "Конверсия и высокие технологии 1997-2000", а также поддержаны грантами Министерства образования Росснйскоіі Федерации по приоритетным направлениям теории автоматического управления и Российского фонда фундаментальных исследований.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
Разработаны методы и алгоритмы синтеза робастного динамического регулятора с постоянной структурой для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
Разработаны методы и алгоритмы синтеза робастного динамического регулятора с частично переключаемой структурой для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
Разработаны методы и алгоритмы синтеза робастного децентрализованного управления для гибридных стохастических систем с дискретным временем.
На основе предложенных алгоритмов разработано программное обеспечение в интегрированной среде MATLAB для синтеза робастных динамических и децентрализованных регуляторов.
Практическая ценность. Разработанный пакет программ был применен к синтезу робастных цифровых систем управления многорежнмно-го летательного аппарата. Полученные результаты могут найти эффективное применение в практике проектирования систем управления летательных аппаратов, энергетических систем и других. Робастный подхол, дает наиболее простые и надежные технические решения. Предложенные формализованные процедуры синтеза робастного управления позволяет существенно сократить сроки проектирования подобных систем.
Апробация полученных результатов. Основные положения диссертации докладывались н обсуждались на конференции "Моделирование и исследование устойчивости систем" (г. Киев, май 1996 г.); на международном семинаре "Дифференциальные уравнения и их приложения" (г. Самара, июнь 1996 г.); на IV конференции "Нелинейные колебания механических систем" (г. Нижний Новгород, сентябрь 1996 г.): на Пятой Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению, (г. Санкт-Петербург, октябрь 1996 г.); на конференции "Микроэлектроника и ннформатика-97" (г. Москва, март 1997 г.); на международном семинаре "Нелинейное моделирование и управление" (г. Самара, июнь 1997 г.); на научно-технической конференции факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 80-летию Нижегородского государственного технического университета (г. Нижний Новгород, май 1997 г.); на Третьей научно-технической международной конференции "Процессы управления'98" (Пардубице, Чехия, июнь, 1998 г.) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных работах.
Личным вкладом диссертанта в совместных работах является вывод результатов, разработка алгоритмов и программного обеспечения. Пак-шину П.В., как научному руководителю, принадлежат постановки задач и формулировка общего подхода к решению.
Структура и объем диссертации. Основной текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 79 названий, и занимает 111 машинописных страниц.
