Диссертация (Многоцелевые законы цифрового управления подвижными объектами)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСОТНИКОВА Маргарита ВикторовнаМНОГОЦЕЛЕВЫЕ ЗАКОНЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации(по прикладной математике и процессам управления)Диссертация на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукНаучный консультант:доктор физико-математических наук,профессор Е.И. Веремейг. Санкт-Петербург20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................

51. Актуальность, цели и основные результаты диссертации ......................... 52. Краткое содержание работы ........................................................................ 14ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОГОУПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ........................... 171.1. Обсуждение задач многоцелевого цифровогоуправления движением.............................................................................. 171.2.

Математические модели подвижных объектов ...................................... 211.3. Многоцелевая структура цифровых законов управления ..................... 281.4. Обзор литературы по теме исследования................................................ 40ГЛАВА 2. ЦИФРОВАЯ КОРРЕКЦИЯ МНОГОЦЕЛЕВОГОУПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВВ УСЛОВИЯХ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ......................................... 482.1.

Постановка задач цифровой динамической коррекции ........................ 492.2. Динамическая коррекция для регулярного волнения ............................ 592.3. Практическое применение метода коррекциидля регулярного волнения......................................................................... 712.4. Синтез фильтрующих корректоров на базе Н∞-подхода ....................... 77ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ С ПРОГНОЗИРУЮЩЕЙ МОДЕЛЬЮВ РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ............................................... 943.1.

Астатические алгоритмы управленияс прогнозирующей моделью ..................................................................... 953.2. Алгоритмы управления с нелинейной прогнозирующеймоделью в режиме реального времени .................................................. 10933.3. Пример управления с прогнозом для морского судна,движущегося в режиме циркуляции ...................................................... 1183.4.

Управление с прогнозом для маятника Фуруты ив задаче динамического позиционирования судна .............................. 128ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ С ПРОГНОЗИРУЮЩЕЙ МОДЕЛЬЮС УЧЕТОМ МОДАЛЬНЫХ И РОБАСТНЫХ СВОЙСТВ ........... 1454.1.Прогнозирующее управление с обеспечениемжелаемых модальных свойств ............................................................. 1454.2.Прогнозирующее управление с обеспечениемробастной устойчивости ........................................................................

1664.3.Пример синтеза прогнозирующего управления с учетомробастных свойств для системы магнитной левитации ..................... 172ГЛАВА 5. ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕС ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ В КОНТУРЕОБРАТНОЙ СВЯЗИ .............................................................................. 1795.1.Задача визуального динамического позиционированияподвижных объектов ............................................................................. 1805.2.Многоцелевой подход к формированиювизуальной обратной связи ................................................................... 1935.3.Визуальное динамическое позиционированиеморского судна и колесного робота .....................................................

211ГЛАВА 6. МНОГОЦЕЛЕВОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕВ ЗАДАЧЕ ВИЗУАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ............... 2276.1.Многоцелевое цифровое управление в задаче визуальногодинамического позиционирования...................................................... 2286.2.Цифровое управление с прогнозом для совместной системыконтуров изображения и скорости ....................................................... 23346.3.Цифровые законы управления для визуального динамическогопозиционирования морского судна и колесного робота.................... 2396.4.Синтез многоцелевого закона управления для движенияробота вдоль визуально заданной линии ............................................. 248ГЛАВА 7.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СИНТЕЗАМОРСКИХ АВТОПИЛОТОВ ............................................................. 2577.1.Задачи автоматического синтеза многоцелевыхзаконов управления ............................................................................... 2577.2.Метод синтеза базового закона управления по состоянию ............... 2627.3.Автоматический синтез асимптотического наблюдателя.................. 2787.4.Автоматический синтез динамического корректора ..........................

2857.5.Особенности автоматической настройки корректорав режиме «точный» ................................................................................ 294ГЛАВА 8. АЛГОРИТМЫ ФОРМИРОВАНИЯ МАРШРУТОВДВИЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ПРОГНОЗАПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ .....................................................................

3088.1.Постановка задачи формирования маршрутов .................................. 3098.2.Алгоритмы формирования маршрутов на графах .............................. 3228.3.Алгоритмы формирования маршрутовна конечном наборе допустимых траекторий ..................................... 3378.4.Примеры решения задач о построении маршрутов ............................ 345ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 354ЛИТЕРАТУРА .........................................................................................................

3565ВВЕДЕНИЕ1. Актуальность, цели и основные результаты диссертацииВ настоящее время постоянно растет интенсивность применения систем автоматического управления динамическими объектами, используемыми в различных отраслях науки и техники. Этот процесс сопровождается лавинообразнымрасширением круга вопросов, связанных с такими системами, которые успешнорешаются с помощью современных компьютерных технологий.

При этом особозначимую роль играют системы автоматического управления подвижными объектами в силу их высокой ответственности за обеспечение необходимой функциональности и безопасности эксплуатации.В современных условиях компьютерные технологии применяются повсеместно на всех стадиях проектирования систем управления подвижными объектами,начиная от анализа и синтеза, математического и имитационного моделирования,и заканчивая бортовой реализацией разработанных алгоритмов на базе цифровойвычислительной техники.С одной стороны, это обусловлено высокими, постоянно растущими и частопротиворечивыми требованиями, которые предъявляются к качеству функционирования систем управления при необходимости выполнения обширного комплекса условий и ограничений.С другой стороны, существенные и быстро развивающиеся мощности современных средств вычислительной техники и возможности системного и инструментального программного обеспечения позволяют ставить на реальную основу все более сложные задачи, развивая и модернизируя существующие решения,повышая их надежность и эффективность.Значительным преимуществом компьютерных технологий является экономичность использования разработанных на их основе методов и соответствующего программного обеспечения, позволяющие заменить во многих случаях процесснастройки, тестирования и адаптации алгоритмов управления в реальных услови-6ях соответствующими вычислительными экспериментами.Отмеченные обстоятельства обусловливают необходимость расширенияобластей использования компьютерных технологий, требуют разработки новыхвычислительных методов и реализующих их алгоритмов и программ для выполнения научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ с системамиуправления на всех этапах.Особую роль играют компьютерные технологии при бортовой реализациисовременных систем управления на базе средств цифровой вычислительной техники.

Данный вариант обладает рядом преимуществ по сравнению с аналоговымисистемами, в частности, сюда относятся гибкость, универсальность, простота настройки и обслуживания, компактность и другие особенности [57, 66, 97, 120].Важно отметить, что бортовая реализация алгоритмов управления требует,чтобы вычисления производились достаточно быстро, укладываясь в режим реального времени. Это особенно актуально для динамических объектов с малойинерционностью. Однако вычислительные мощности бортовой компьютернойтехники, как правило, существенно ограничены, что связано с постояннымстремлением к уменьшению их габаритов, веса и потребляемой энергии, а также снеобходимостью выполнения на их основе в процессе функционирования объекта ряда задач, не связанных непосредственно с управлением [95], [132], [153].В связи с указанными обстоятельствами, крайне важной представляетсяразработка эффективных алгоритмов, обеспечивающих разумный компромиссмежду качеством функционирования системы управления и объемом требуемыхдля этого вычислительных ресурсов.Повсеместное использование в настоящее время цифровых устройств, какна стадии лабораторных исследований, так и в процессе практической реализации, приводит к естественному стремлению к разработке алгоритмов управления,изначально ориентированных на функционирование в дискретном времени.