Диссертация (1145289), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этотребует развития соответствующих вычислительных методов и алгоритмов, базирующихся на математических моделях объектов управления, представленных7разностными уравнениями.Важнейшую роль играют вопросы оптимизации функционирования подвижных объектов по различным критериям. Обеспечение желаемого качествапроцессов обычно достигается путем формализованной математической постановки оптимизационных задач и разработки вычислительных методов ихрешения.Заметим, что оптимизация может осуществляться как однократно в лабораторных условиях, так и непосредственно на борту подвижного объекта в процессеего функционирования.
В первом случае допустимо использование алгоритмов,требующих значительные вычислительные ресурсы, а во втором – наоборот, напередний план выходят вопросы экономии времени счета и необходимого объемапамяти. В обоих случаях применение оптимизационного подхода, базирующегосяна широком использовании возможностей современных компьютерных технологий, позволяет существенно повысить эффективность синтеза систем управленияи в конечном итоге качество функционирования.Особо значимо, что автоматическое функционирование подвижных объектов в современных условиях является многорежимным. При этом каждому извозможных режимов соответствует свой локальный комплекс требований, которые должны обеспечиваться работой системы управления движением.Достижение высокого качества процессов управления подвижными объектами, функционирующими в различных условиях, как правило, обеспечиваетсяпутем адаптивной перенастройки алгоритмов управления на борту в режиме реального времени.
Такая перенастройка может выполняться периодически, например, по мере изменения характеристик внешних возмущений, действующих наобъект [78], [93], [104].Иной вариант адаптации к текущим условиям состоит в использовании алгоритмов управления с прогнозирующими моделями (Model Predictive Control,MPC) [83], [96], [136].
Этот подход целиком базируется на применении оптимизации, которую необходимо выполнять практически непрерывно, повторяя ее на8каждом такте работы в дискретном времени. Идеология MPC позволяет формировать управление на основе нелинейных моделей динамики с учетом имеющихся ограничений и требований.В обоих вариантах адаптации требуется модификация существующих иразработка новых методов оптимизации и соответствующих алгоритмов, позволяющих выполнять адаптивную перенастройку с учетом ограниченности бортовых вычислительных ресурсов.Подчеркнем, что многорежимность функционирования при разнообразии ипротиворечивости локальных требований, предъявляемых к качеству динамикидля каждого режима в отдельности, существенно осложняет проектирование систем управления.
В связи с этим обстоятельством ключевым моментом в работеслужит обеспечение априорной многоцелевой направленности, подразумевающейдостижение желаемой динамики во всех возможных режимах с учетом всей совокупности требований. Один из возможных вариантов синтеза таких систем основывается на использовании специализированной многоцелевой структуры, предложенной в работах [18], [19]. Ее применение при решении различных задачуправления движением морских судов с линейными моделями динамики представлено в работах [15, 18, 19, 21, 25, 28].Тем не менее, в настоящее время остается неисследованным ряд вопросов,относящихся к теории синтеза цифровых многоцелевых законов управления сучетом специфики дискретных систем. Особого внимания заслуживают исследования, направленные на расширение возможности использования многоцелевойструктуры для нелинейных систем с адаптивной бортовой перенастройкой алгоритмов управления в режиме реального времени.
К кругу нерешенных до настоящего времени вопросов следует также отнести проблемы разработки алгоритмов управления с многоцелевой направленностью для различных классовподвижных объектов, включая мобильные колесные роботы и роботыманипуляторы, летательные аппараты и другие объекты.Множество вопросов, требующих дополнительного изучения, в настоящее9время имеется и в области цифрового управления с прогнозом [106], [130]. Прежде всего, к ним относится исследование вопросов устойчивости движений замкнутых систем, робастности по отношению к неопределенностям в задании прогнозирующей модели, возможности реализации соответствующих алгоритмов врежиме реального времени.В современных условиях исключительное внимание уделяется вопросамсинтеза систем автоматического управления автономными подвижными объектами.
Многие задачи управления ими невозможно или неэффективно решать безиспользования визуальной информации и алгоритмов компьютерного зрения. Вчастности, сюда относятся задачи визуального динамического позиционирования,следования вдоль визуально заданной линии, автоматического докования, обходапрепятствий и др.Учитывая многорежимность функционирования таких объектов, представляет особый интерес развитие многоцелевого подхода применительно к синтезууправления с использованием визуальной информации в контуре обратной связи.Отмеченный круг нерешенных или недостаточно изученных вопросов, определяет актуальность проведения исследований, направленных на внедрениесовременных методов анализа и синтеза законов управления динамическими объектами в цифровые системы, реализующие эти законы в режиме реального времени.
Наиболее значимым и важным в настоящее время представляется развитиесоответствующих математических методов, алгоритмов и программ, а также ихадаптация для решения задач управления конкретными классами динамическихобъектов с применением цифровых систем.Конечным результатом должно служить существенное повышение качествапроцессов управления, поддержка адаптивных свойств для различных классовподвижных объектов при существенном снижении вычислительных затрат, необходимых как при выполнении исследовательского проектирования, так и в процессе бортовой цифровой реализации систем управления.Целью диссертационной работы является проведение исследований, на-10правленных на развитие математических методов и алгоритмов для решения задач анализа и синтеза многоцелевых цифровых систем автоматического управления подвижными объектами.
В центре внимания находятся методы оптимизациипроцессов в замкнутых системах, многоцелевая направленность и адаптивностьзаконов управления, возможность их реализации в режиме реального времени.Указанная глобальная цель диссертационной работы конкретизируется врамках следующих направлений исследования:• формализация задач об оптимальной настройке динамических корректоров в составе многоцелевой структуры управления движением морских судов иразработка методов их решения;• разработка метода синтеза квазиоптимальных цифровых фильтров на основе H ∞ -подхода, обеспечивающих желаемые динамические свойства замкнутойсистемы на низких частотах;• формирование алгоритмов управления с прогнозирующими моделями сучетом требований астатизма и ограничений, определяемых применением в режиме реального времени;• развитие методов управления с прогнозирующими моделями, обеспечивающих робастную устойчивость замкнутой системы с учетом желаемых модальных свойств в линейном приближении;• исследование вопросов и разработка законов управления с многоцелевойструктурой в задаче визуального динамического позиционирования подвижныхобъектов;• разработка методов и алгоритмов автоматического синтеза многоцелевыхцифровых законов управления курсом морских судов на борту;• разработка алгоритмов оптимизации маршрутов морских судов на трансокеанских переходах с учетом статических и динамических ограничений, а такжепериодически поступающих прогнозов погодных условий в районе плавания.Основные результаты, полученные на основе проведенных исследований,11и выносимые на защиту:1.
Формализована проблема синтеза динамических корректоров в составемногоцелевых цифровых законов управления движением судов в условиях морского волнения с учетом динамических ограничений. Разработаны новые методырешения оптимизационных задач в рамках этой проблемы.2. Разработаны новые алгоритмы управления подвижными объектами спрогнозирующей моделью в обратной связи с учетом свойств устойчивости, астатизма и применимости этих алгоритмов в режиме реального времени.3. Предложена новая схема формирования прогнозирующего управления,обеспечивающего робастную устойчивость замкнутой системы с учетом желаемых модальных свойств в линейном приближении.4.
Построены новые эффективные методы синтеза многоцелевых законовуправления с визуальной информацией в контуре обратной связи для задачи динамического позиционирования подвижных объектов.5. Разработаны алгоритмы автоматического синтеза многоцелевых законовуправления курсом морских судов, обеспечивающие возможность адаптивнойперенастройки на борту в режиме реального времени в зависимости от условийфункционирования.6.
Формализована задача оптимизации выбора маршрутов движения морских судов и предложены методы ее приближенного решения, позволяющие снизить затраты топлива и время перехода с учетом прогноза погодных условий.Теоретическая и практическая ценность результатов диссертации.Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов определяются созданием новых методов анализа и синтеза цифровых законовуправления подвижными объектами, обеспечивающих желаемое качество ихфункционирования во всех возможных режимах эксплуатации с учетом внешнихвозмущающих воздействий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
