Грант РФФИ №14-08-00782 на тему "Метод интегральной адаптации в нелинейных задачах управления сложными техническими объектами"
Срок выполнения: 2014 - 2016 гг.
Научный руководитель - Колесников А.А., Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., проф., проф. кафедры СиПУ.
Ответственный исполнитель - Кузьменко А.А., к.т.н., доц., доц. кафедры СиПУ
Исполнители гранта за весь период:
Динчари (Кондратенко) Оксана Сергеевна
Колесников Александр Анатольевич
Горбунов Александр Александрович
Полученные в ходе выполнения Проекта важнейшие результаты
1. Подготовлен аналитический обзор современных нелинейных методов робастного и адаптивного управления сложными техническими объектами, обеспечивающих компенсацию параметрических и внешних возмущений. Данный обзор проведен по научным статьям, представленным в международных базах Scopus и Web of Science за последние 5 лет и он наиболее полно показал весь спектр методов современной теории управления в решении задач робастного и адаптивного управления нелинейными объектами. Результаты данного обзора представлены в монографии "Колесников А.А., Колесников Ал.А., Кузьменко А.А., Теория синтеза нелинейных систем управления: сравнение методов: монография. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014. – 222 с."
2. Разработаны теоретические основы метода интегральной адаптации для классов нелинейных объектов и типовых возмущений:
- процедура синтеза нелинейных законов управления подвижными объектами (летательными аппаратами, роботами, электромобилями, железнодорожными транспортными средствами, авиакосмической системой);
- процедура синтеза нелинейных законов управления электромеханическими системами (электроприводами постоянного и переменного тока, вибромеханическими и колебательными системами, MEMS-гироскопами);
- процедура синтеза нелинейных законов управления электроэнергетическими системами (энергоустановка "асинхронизированный генератор – ветротурбина", гидрогенератор, синхронный генератор);
- метод синтеза синергетических нелинейных наблюдателей параметрических и внешних возмущений.
Данные процедуры применены для конкретных сложных технических объектов. Полученные на основе метода интегральной адаптации «гарантирующие регуляторы» обеспечивают достижение целей управления и компенсацию наихудших возмущающих воздействий (параметрических и внешних возмущений) без получения текущей информации об изменении параметров объекта и внешней среды за счет построенных нелинейных законов управления с особым образом введенными интеграторами. Указанные результаты представлены в научных статьях и докладах, подготовленных за весь срок выполнения Проекта.
3. Результаты сравнения законов управления, полученных методом интегральной адаптации, с законами управления, полученных современными методами робастного и адаптивного управления для сложных технических объектов управления.
Полученные в пп. 2-3 результаты представлены в монографиях, научных статьях и докладах, подготовленных в рамках выполнения Проекта.
4. По синтезированным адаптивным законам робастного управления локальными подсистемами гидросамолета создан программно-моделирующий комплекс для моделирования динамики нелинейной многомерной системы "объект управления - регулятор" на примере гидросамолета Бе-200. Исследование полученных алгоритмов управления выполнено как на компьютерной модели, так и на стенде-имитаторе движения Бе-200 на ТАНТК им. ГМ. Бериева (г. Таганрог). Качество переходных процессов в возмущенной среде при использовании предложенных интегральных законов лучше, чем при использовании традиционных комбинированных законов, обеспечивается робастность к возмущениям.
5. Результаты Проекта представлены в 32 научных работах, в т.ч. в 2 монографиях, 11 научных статьях в изданиях ВАК, в 9 публикациях, индексируемых в международных базах Scopus, Web of Science, в 9 докладах на всероссийских и международных конференциях.
Библиографический список всех публикаций по проекту за весь период выполнения проекта
Монографии:
1. Колесников А.А., Колесников Ал.А., Кузьменко А.А., Теория синтеза нелинейных систем управления: сравнение методов: монография. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014. – 222 с.
2. Колесников А.А. Гравитация и самоорганизация: монография. – Изд. стереотип. – М.: URSS, 2016. – 108 с. ISBN 978-5-397-05182-8. – Серия: Relata Refero.
Статьи в журналах ВАК:
3. Кузьменко А.А., Синицын А.С., Колесниченко Д.А. Принцип интегральной адаптации в задаче адаптивного управления системой «гидротурбина – синхронный генератор» // Системы управления и информационные технологии. – 2014. – №2.1(56). – С. 146-150.
4. Кузьменко А.А., Синицын А.С. Робастная нелинейная система возбуждения синхронного генератора: интегральная адаптация // Вестник Донского государственного технического университета. – 2014. – Т. 14. – № 1(76). – С. 154-161.
5. Колесников А.А., Колесников Ал. А. Синергетическая теория управления и вибромеханика: концептуальная связь // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2015, – №5. – Т. 15. – С. 291-299.
6. Колесников Ал.А. Метод синергетического управления самоорганизующимися нелинейными колебательными системами // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – №5(166). – С. 231-242.
7. Колесников А.А., Крееренко Е.С., Динчари О.С. Синергетический синтез законов управления авиакосмической системой: задача вывода в космическое пространство // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – №7(168). – С. 185-196.
8. Кузьменко А.А., Синицын А.С., Синицына А.А. Робастное управление энергоустановкой «асинхронизированный генератор – ветротурбина»: интегральная адаптация // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – №7(168). – С. 197-208.
9. Колесников А.А., Колесников Ал.А., Кузьменко А.А. Методы АКАР и бэкстеппинг в задачах синтеза нелинейных систем управления // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2016. – №7. – Т. 17. – С. 435-445. DOI: 10.17587/mau.17.435-445
10. Колесников А.А., Колесников Ал.А., Кузьменко А.А. Методы АКАР и АКОР в задачах синтеза нелинейных систем управления // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2016. – №10. – Т. 17. – С. 657-669. DOI: 10.17587/mau.17.657-669
11. Горбунов А.А., Синютин С.А., Горбунова Е.Б. Медленно-летящий БПЛА с эллипсовидным крылом. Особенности управления // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2016. – №1(174). – С. 18-29.
12. Кузьменко А.А., Синицын А.С., Синицына А.А. Адаптивное управление энергоустановкой «асинхронизированный генератор – ветротурбина» с нелинейным наблюдателем возмущения // Информатика и системы управления. – 2016. – №4(50).
13. Попов А.Н., Радионов И.А. Алгоритмы комплексной оптимизации тяги для систем автоведения подвижного состава железнодорожного транспорта [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. – 2016. – №4. – 11с.
Доклады, реферируемые в Web of Science, Scopus:
14. Kolesnikov A.A. Introduction of synergetic control // Proceedings of the American Control Conference ACC-2014, Portland, OR, USA, 4-6 June 2014. – Pp. 3013-3016. DOI 10.1109/ACC2014.6859397
15. Kuz’menko A.A., Synitsin A.S., Zyiryanova A.A. The use of integral adaptation principle to increase the reliability of synchronous generator nonlinear excitation system // Proceedings of 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT-2014), 6-8 October 2014, St. Petersburg, Russia. – Pp. 415-420.
16. Veselov G.E., Popov А.N., Radionov I.A., Mushenko A.S. Adaptive Power Saving Control for Traction Asynchronous Electrical Drive: Synergetic Approach // Proc. of IEEE International Energy Conference «EnergyCon 2014», Dubrovnik, Croatia, 13-16 May 2014. – Pp. 1446-1453. DOI 10.1109/ENERGYCON.2014.6850613
17. Popov Andrey, Radionov Ivan, Mushenko Alexey Synergetic synthesis of power saving control for locomotive asynchronous drive systems // Proceedings of 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT-2014), 6-8 October 2014, St. Petersburg, Russia. – Pp. 546-550.
18. Veselov G., Sklyrov A., Mushenko A., Sklyrov S. Synergetic Control of a Mobile Robot Group // Proc. of 2nd International Conference on Artificial Intelligence, Modelling and Simulation, "AIMS2014", Madrid, Spain, 18–20 Nov., 2014. – Pp. 155-160.
19. Kuz'menko A.A., Kolesnikov A.A., Kolesnitchenko D.A. Novel Robust Control of Hydrogenerator: the synergetic approach // IFAC-PapersOnLine: 1st IFAC Conference on Modelling, Identification and Control of Nonlinear Systems, June 24-26, 2015, Saint Petersburg, Russia. – Vol. 48. – Iss. 11. – Pp. 451-456. (ScienceDirect; DOI: 10.1016/J.IFACOL.2015.09.227).
20. Kuz’menko A.A. Synchronous Generator Nonlinear Excitation System: Synergetic Sliding Mode Control // Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015), May 21-23, 2015, Omsk State Technical University, Russian Federation. – Pp. 1-5 (Scopus; DOI 10.1109/SIBCON.2015.7147112).
21. Radionov, I.A., Mushenko, A.S. The method of estimation of adhesion at "wheel-railway" contact point // Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015), May 21-23, 2015, Omsk State Technical University, Russian Federation. (Scopus; DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147156)
22. Mushenko A.S. Using of ADAR method for synergetic control of rigid body three-dimentional motion // Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications - SIBCON 2016, 12 May 2016 through 14 May 2016. DOI: 10.1109/SIBCON.2016.7491818
Доклады на конференциях:
23. Кобзев В.А., Колесников Ал.А., Грибова Е.П. Метод управления колебаниями носа самолетов-амфибий // Сборник докладов X международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2014», 5-6 сентября 2014 г., г. Геленджик. – М.: Издательский отдел ЦАГИ, 2014. – Часть II. – С. 26-34.
24. Костюков С.П., Колесников А.А., Попов А.Н., Кондратенко О.С. Синергетический синтез автопилотов для реализации заданных траекторий движения в горизонтальной плоскости // Сборник докладов X международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2014», 5-6 сентября 2014 г., г. Геленджик. – М.: Издательский отдел ЦАГИ, 2014. – Часть II. – С. 35-40.
25. Мушенко А.С., Мушенко Ал.С. Иерархический подход к конструированию законов управления автопилота самолета-амфибии // Сборник докладов X международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2014», 5-6 сентября 2014 г., г. Геленджик. – М.: Издательский отдел ЦАГИ, 2014. – Часть II. – С. 41-45.
26. Гаривадский И.Б., Мушенко Ал.С., Мушенко А.С. Операции по спасению на море. Обеспечение требуемых параметров свободного полета контейнера со спасательным оборудованием для его приводнения // Сборник докладов X международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2014», 5-6 сентября 2014 г., г. Геленджик. – М.: Издательский отдел ЦАГИ, 2014. – Часть II. – С. 50-52.
27. Колесников А.А. «Кибернетика – информатика – синергетика» – концептуальный синтез // Сборник трудов 7-й Всероссийской научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2015), 6-8 октября 2015, г. Таганрог. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. – С. 6-16.
28. Кузьменко А.А., Колесниченко Д.А. Интегральная адаптация и скользящее управление в задаче робастного управления возбуждением синхронного генератора // Сборник трудов 7-й Всероссийской научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2015), 6-8 октября 2015, г. Таганрог. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. – С. 40-48.
29. Колесников А.А., Дзюба Ю.Н., Мушенко А.С. Синергетический подход к созданию хаосодинамических систем скрытой передачи информации// Сборник трудов 7-й Всероссийской научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (ССПС-2015), 6-8 октября 2015, г. Таганрог. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. – С. 311-318.
30. Колесниченко Д.А., Кузьменко А.А. Использование осциллятора Пуанкаре в задаче синергетического управления MEMS-гироскопом [Электронный ресурс] // Материалы 2-й международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», 6-10 сентября 2015 г., Ростов-на-Дону. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015. – С. 1-5.
31. Колесниченко Д.А., Кузьменко А.А. Синергетическое управление MEMS-гироскопом по его нелинейной модели // Труды международной научно-практической молодежной конференции «Робототехника и системный анализ». – Пенза: Изд-во Пензенского гос. технологического университета, 2015. – Выпуск 1. – С. 65-70.
Статьи в сборниках:
32. Кузьменко А.А, Вагин Д.В., Колесниченко Д.А. Построение алгоритмов синергетического управления трехсекторной макроэкономикой // Современный научный вестник. – 2016. – С. 21-26.
МАТЕРИАЛ, В НАУЧНО-ПОПУЛЯРНОЙ ФОРМЕ ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЙ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА
Фундаментальной проблемой современной теории управления была и остается проблема нелинейного системного синтеза. Актуальность и чрезвычайная важность этой проблемы определяется тем ключевым обстоятельством, что окружающая нас среда: природная, социально-экономическая, технологическая – это мир сложных суперсистем разнообразной природы, которые представляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные функции и связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные суперсистемы являются нелинейными, многомерными и многосвязными, в которых протекают сложные переходные процессы и возникают критические и хаотические режимы. Проблемы системного синтеза, т.е. поиска общих объективных законов управления в такого рода динамических системах, являются весьма актуальными, трудными и во многом практически недоступными как для классической науки, так и для большинства методов современной теории управления. Эта теория позволила успешно освоить методы централизованного внешнего воздействия на различные объекты, однако наступило время пересмотра силовых подходов в задачах управления и перехода на идеи самоорганизации новой науки – синергетики. Отсюда вытекает насущная потребность поиска путей целевого (направленного) воздействия на процессы самоорганизации в конструируемых динамических системах. В качестве такого пути в Проекте использованы принципы и методы синергетической теории управления (СТУ), базирующейся на синерго-кибернетическом подходе в современной теории управления. Синерго-кибернетический подход базируется на обеспечении устойчивости движения объекта за счет соответствующего синтеза нелинейных законов управления, обеспечивающих выполнение желаемых целевых инвариантов (целей управления), асимптотическую устойчивость замкнутой системы, компенсацию параметрических и внешних возмущений. Эти законы управления гарантируют формирование в пространстве состояний синтезируемых систем притягивающих инвариантных многообразий (инвариантов) – аттракторов, на которых возникают процессы самоорганизации систем, адекватные желаемым технологическим режимам объектов и их подсистем и устойчивых относительно действия параметрических и внешних возмущений.
Для компенсации возмущений в системах адаптивного управления, базирующихся на построении наблюдателей, по сути, осуществляется их текущая идентификация и последующая компенсация. Возникающие при этом технические трудности состоят в следующем: модель объекта должна быть достаточно точной, а динамика наблюдателя – более быстрой по сравнению с динамикой изменения внешних возмущений. Эти обстоятельства могут ухудшать практическую эффективность наблюдателей в конкретных задачах управления (например, повышение быстродействия наблюдателя приводит к недопустимому выходу управляющих сигналов за величины ограничений). Необходимо также отметить, что на основе наблюдателей в СТУ можно построить и такие наблюдатели, которые динамически идентифицируют неизмеряемые параметры и переменные состояния объекта по измеряемым переменным состояния и номинальным параметрам, если такая задача будет поставлена. Однако, в целом, это может привести к существенному усложнению законов адаптивного управления объектом. В рамках СТУ другим способом обеспечения адаптивности к возмущениям, предложенным в Проекте, является построение синергетических робастных регуляторов, которые парируют наихудшие внешние возмущения, действующие на объект, без их текущей идентификации, а реализация таких регуляторов достаточно простая. При этом мы опираемся на следующее определение наихудших возмущений, предложенное руководителем Проекта: «… наихудшие возмущения – это такие внешние возмущения, которые за наименьшее время отклоняют объект управления на максимальное возможное расстояние от желаемого состояния в его фазовом пространстве». Указанное определение по существу означает, что наихудшие возмущения – это кусочно-постоянные возмущения вида M(t)=m0*sign(μ(t)) со случайным изменением величины m0=const на соответствующем интервале и знака функции μ(t).
Для парирования кусочно-постоянных возмущений синергетических регулятор должен включать в себя один интегратор, т.е. реализовывать астатический закон управления, техническая реализация которого не вызывает затруднений. Интегральные составляющие, с одной стороны, компенсируют постоянные возмущения, повышают точность управления, а с другой – ухудшают устойчивость замкнутой системы. Но для методов СТУ такой проблемы не существует, так как процедура этого метода гарантирует асимптотическую устойчивость системы дифференциальных уравнений сложных технических объектов. Использование принципа интегральной адаптации позволяет полностью компенсировать влияние полиномиального возмущения степени n: для этого особым образом вводится n+1 интеграторов. Гармоническое возмущение полностью не компенсируется, но существенно ослабляется влияние данного возмущения уже с тремя интеграторами. Для компенсации гармонического возмущения приемлем только подход с синергетическим нелинейным наблюдателем возмущений.
Таким образом, в Проекте системно-кибернетический подход к построению адаптивных систем управления сложных технических объектов реализован следующим образом: использован принцип интегральной адаптации, когда влияние параметрических и/или внешних возмущений на функционирование системы компенсируется за счет построенных нелинейных законов управления с особым образом введенными интеграторами. При этом необходима минимальная информация о возмущении – его класс (кусочно-постоянное, полиномиальное, гармоническое и т.д.), который можно представить динамической моделью в виде системы дифференциальных уравнений. Построение адаптивных систем управления, опирающихся на принцип интегральной адаптации, не требует синтеза наблюдателей состояния и возмущений и, соответственно, оперативной оценки этих возмущений.