Диссертация (Многоцелевые законы цифрового управления подвижными объектами), страница 3

Эти методы допускают автономное применение наборту в режиме реального времени при наличии существенно ограниченных бортовых вычислительных ресурсов.12Особая значимость разработанных методов в теоретическом плане состоитв развитии многоцелевого подхода к аналитическому синтезу законов автоматического управления движением.В отличие от предшествующих работ по данному направлению, полученные результаты распространены на цифровые, нелинейные и прогнозирующиесистемы управления.Теоретический вклад внесен в развитие методов синтеза цифровых динамических корректоров в составе многоцелевой структуры, обеспечивающих минимизацию среднеквадратичных функционалов точности и интенсивности управления. На основе теории H ∞ -оптимизации представлены новые алгоритмы синтезацифровых фильтров, учитывающие требования к динамике объекта при действиинизкочастотных возмущений.Сформированы новые методы управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей, в том числе с обеспечением желаемыхробастных свойств замкнутой системы и астатизма.Указанные новые теоретические достижения успешно применены для развития идеологии многоцелевого цифрового управления с использованием визуальной информации в канале обратной связи.Практическая значимость работы состоит в ее исходной ориентации на решение проблем высокоэффективного применения в режиме реального временицифровых законов управления подвижными объектами, обеспечивающих желаемое качество процессов в замкнутой системе в различных режимах движения.Предложенные новые математические методы и вычислительные алгоритмы позволяют существенно повысить эффективность решения сложных задач управления движением.

Эти результаты успешно используются в реальном исследованиии проектировании систем управления подвижными объектами, в частности морскими судами и колесными роботами (Грант РФФИ № 14-07-00083А, КонтрактыСПбГУ № 9.21.1717.2014, 9.21.808.2011, 9.21.809.2011).Работоспособность и эффективность принятого подхода подтверждена13многочисленными конкретными примерами синтеза цифровых законов управления для различных объектов.

Особое внимание в работе уделено задачам управления морскими судами. Развиты алгоритмы автоматического синтеза морскихавтопилотов. Разработана методика решения задач о выборе оптимальных маршрутов движения на базе прогноза действия внешних возмущений. Подробнорассмотрены задачи визуального динамического позиционирования.Достигнутое качество динамических процессов управления вполне сопоставимо с системами, синтезированными другими путями, а по ряду показателейсущественно их превосходит.Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на международных конференциях «Устойчивость и процессы управления»(SCP’2005, SCP’2010, SCP’2015) (Санкт-Петербург, 2005, 2010, 2015), III, IV и Vвсероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научныхприложений в среде MATLAB» (Санкт-Петербург, 2007 Астрахань, 2009, Харьков, 2011), на международном семинаре Beam Dynamics & Optimization(BDO’2008, BDO’2010) (St.

Petersburg, Florida, USA, 2008, Санкт-Петербург, Россия, 2010), на IV, V, VI, VII, IX и X Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (Москва,2009, 2010, 2011, 2012, 2014, 2015), на XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (XIV КМУ 2012) (Санкт-Петербург, 2012), на IVи V Международной научной конференции «Современные проблемы прикладнойматематики, теории управления и математического моделирования» (ПМТУММ2011, 2012) (Воронеж, 2011, 2012), на VI, VII и VIII Международной научнойконференции «Современные методы прикладной математики, теории управленияи компьютерных технологий» (ПМТУКТ-2013, 2014, 2015) (Воронеж, 2013, 2014,2015), на международных конференциях: 9th IFAC Conference on Manoeuvring andControl of Marine Craft (MCMC 2012) (Arenzano, Italy, 2012), 9th IFAC Conferenceon Control Applications in Marine Systems (CAMS 2013) (Osaka, Japan, 2013), 14th14International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014) (Korea,KINTEX, 2014), 2014 International Conference on Computer Technologies in Physicaland Engineering Applications (ICCTPEA, IVESC) (Saint-Petersburg, 2014), 10th IFACConference on Manoeuvring and Control of Marine Craft (MCMC 2015) (Copenhagen,Denmark, 2015), а также на семинарах кафедры компьютерных технологий и систем СПбГУ.2.

Краткое содержание работыДиссертационная работа изложена на 371 листе и состоит из введения,восьми глав, заключения и списка литературы, включающего 173 наименования.Первая глава имеет вводный характер. Ее основное содержание составляетопределение круга вопросов, рассматриваемых в диссертации. В частности, формализуется и обосновывается идеология многоцелевого подхода к синтезу цифровых законов управления подвижными объектами, вводится понятие многоцелевой структуры обратной связи и обсуждаются вопросы настройки элементовэтой структуры.

Приводится краткий обзор литературы по теме исследований.Вторая глава посвящена вопросам многоцелевого цифрового управлениядвижением судов в условиях морского волнения. Основное внимание уделяетсядвум вариантам движения – «точному» и «экономичному». Исследуются оптимизационные задачи о минимизации среднеквадратичных функционалов, характеризующих точность стабилизации и интенсивность работы исполнительных органов.

Разрабатываются методы их решения, позволяющие синтезировать цифровые динамические корректоры в составе многоцелевых законов управления.Рассматривается усложненный вариант синтеза цифровых фильтров, в котором учитываются динамические свойства замкнутой системы на низких частотах. Осуществляется формализация задачи фильтрации с учетом требования устойчивости замкнутой системы и ограниченности ее переходной характеристикипо регулируемой переменной. Доказывается, что эта задача представляет собойпроблему теории H∞-оптимизации.

Разрабатывается спектральный метод ее ре-15шения, базирующийся на идеологии интерполяции Неванлинны-Пика.Третья глава диссертации посвящена вопросам использования прогнозирующих моделей в замкнутом контуре управления с практической цифровой реализацией в режиме реального времени. На каждом такте функционированияуправление формируется в результате решения оптимизационной задачи о построении программной последовательности векторов, обеспечивающей минимумнекоторого функционала качества.Исследуются вопросы обеспечения астатизма замкнутых систем с прогнозом, предлагается идеология применения прогнозирующих алгоритмов в режимереального времени, рассматриваются способы построения терминального множества.В четвертой главе предложена схема управления с прогнозом, обеспечивающего желаемые модальные и робастные свойства замкнутой системы в линейном приближении.

Осуществляется формализованная постановка задачи параметрического синтеза на множестве регуляторов, обеспечивающих на каждомшаге расположение корней характеристического полинома номинальной замкнутой системы внутри заданной области в единичном круге. При этом допустимоемножество включает дополнительное ограничение, гарантирующее устойчивостьзамкнутой системы для любой возмущенной модели. Исследуется возможностьсведения данной задачи к конечномерной безусловной оптимизации.В пятой главе исследуются вопросы динамического позиционирования сиспользованием визуальной информации в контуре обратной связи.

Предлагаетсядвухэтапный подход к синтезу обратных связей, основой которого является разделение контуров управления изображением и скоростью подвижного объекта.Используется многоцелевая структура законов управления, и доказываются утверждения, обосновывающие выбор ее настраиваемых параметров. Применениеразработанных алгоритмов иллюстрируется на примерах визуального динамического позиционирования морского судна и колесного робота.Шестая глава посвящена вопросам цифровой реализации многоцелевых16законов управления в задаче визуального динамического позиционирования.

Разрабатывается алгоритм управления с прогнозом, позволяющий учесть имеющиесяограничения на управляющие и контролируемые переменные. При этом в качестве прогнозирующей модели принята совместная система, включающая контурыизображения и скорости подвижного объекта. В качестве дополнительного примера рассматривается задача синтеза многоцелевого закона управления, обеспечивающего движение колесного робота вдоль визуально заданной линии.Седьмая глава посвящена разработке алгоритмов автоматического синтеза морских автопилотов.

В качестве основы принята многоцелевая структура законов управления. Основное внимание уделяется разработке алгоритмической ипрограммной поддержки для автоматического поиска настраиваемых элементовмногоцелевой структуры в режиме реального времени. Предлагаются такие методы расчета, которые позволяют производить бортовую адаптивную перенастройку алгоритмов управления в зависимости от условий функционирования.Восьмая глава посвящена вопросам оптимизации маршрутов движенияморских судов на трансокеанских переходах с учетом прогноза погодных условий. Качество выбора маршрута оценивается временем перехода или расходомтоплива. Для обеспечения возможности практической реализации выполняетсяматематическая формализация проблемы путем ее сведения к задаче конечномерной оптимизации. Предлагаются два подхода к поиску квазиоптимальныхмаршрутов.

Первый из них сводится к построению графа с последующим поиском оптимального пути на нем, а второй – к выбору оптимального маршрута наконечном наборе допустимых траекторий. Оба подхода ориентированы на реализацию в условиях существенного ограничения времени, выделяемого на решениезадачи построения маршрута.17ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИДанная глава носит вводный характер и определяет общий круг вопросов,рассматриваемых в диссертации. Ее основное содержание составляет обоснование многоцелевого подхода к синтезу цифровых законов управления подвижными объектами, принятого в качестве базового в диссертационном исследовании.В первом параграфе дается общее представление задач, формализующихмногоцелевое проектирование цифровых законов управления.

Во втором параграфе обсуждаются два варианта математических моделей подвижных объектов,рассматриваемых в диссертации. В первом из них вывод уравнений динамикиосуществляется, следуя законам Ньютона, а во втором – базируется на уравнениях Лагранжа второго рода.В третьем параграфе вводится понятие многоцелевой структуры цифровыхзаконов управления. Приводятся утверждения, в которых обосновываются свойства этой структуры для линейных стационарных моделей динамики подвижныхобъектов. Обсуждаются вопросы настройки элементов многоцелевой структурыдля нелинейных моделей.В последнем параграфе дается краткий обзор литературы по теме исследований.1.1. Обсуждение задач многоцелевого цифровогоуправления движениемОдной из ключевых особенностей функционирования большинства современных подвижных объектов является многорежимность.