Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н., Колесников Ал. А., Топчиев Б.В., Мушенко А.С., Кобзев В.А. Синергетические методы управления сложными системами:
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Механические и электромеханические системы играют ключевую роль в различных областях современной техносферы, являясь исполнительным ядром подавляющего большинства промышленных и транспортных установок, агрегатов, бытовых и сервисных устройств.

Основным приоритетом развития таких систем является автоматизация, т.е. снижение степени непосредственного участия человека в их работе и передача типовых функций управления автоматическим регуляторам. Введение в общую структуру этих систем автоматических регуляторов с соответствующими информационными компонентами (датчиками, вычислительными средствами) приводит к естественной "интеллектуализации" силового оборудования. Кроме того, в последнее время наметилась явная тенденция к интеграции электромеханических, электронных и информационных элементов в единые так называемые "мехатронные модули". Это позволяет минимизировать число функциональных и силовых промежуточных преобразований и заметно улучшить такие показатели систем, как компактность, надежность и стоимость.

В последнее время получил развитие новый синергетический подход к проблеме управления, который базируется на принципах направленной самоорганизации и декомпозиции нелинейных динамических систем. На основе указанного подхода осуществлен своего рода прорыв в трудной проблеме синтеза систем управления широким классом нелинейных многомерных многосвязных объектов, что позволило на базе концепции инвариантных многообразий впервые разработать общую теорию и методы АКАР – аналитического конструирования агрегированных регуляторов. Данные методы позволяют аналитически синтезировать эффективные законы управления для нелинейных, многомерных и многосвязных динамических систем различной природы.

Многочисленные фундаментальные исследования, численные и натурные эксперименты дают все основания утверждать, что использование синергетических стратегий управления приведет к появлению нового поколения управляемых технических систем, характерными особенностями которых будут являться: учет естественных нелинейных свойств управляемых процессов; адаптивность к изменению внутренних параметров и действию внешних возмущающих факторов со стороны технологической и природной среды; наиболее эффективное использование энергетических ресурсов; гибкость и оперативная перенастройка при изменении задач и приоритетов; высокая надежность и исключение аварийных и экстремальных режимов функционирования.

В монографии предлагаются новые методы синергетического синтеза законов управления для такого важного и обширного класса технических систем, как электромеханические и механические. Структурно монография состоит из пяти глав.

В первых двух главах рассматриваются методы синергетического синтеза автоматических регуляторов для электромеханических преобразователей энергии постоянного и переменного тока. Известно, что основная доля производимой в мире электрической энергии преобразуется в механическое движение посредством управляемого электропривода (ЭП), являющегося исполнительным ядром подавляющего большинства промышленных и транспортных установок и агрегатов, бытовых и сервисных устройств и т.д. Повышение эффективности современного технологического оборудования напрямую связано с совершенствованием процессов автоматического управления входящими в его состав ЭП. Решению проблемы синтеза систем управления ЭП посвящено большое количество монографий и научных статей. Однако, несмотря на определенное разнообразие предложенных вариантов, практическое применение получили системы подчиненного и модального регулирования, базирующиеся на идеологии линейной теории управления. Замкнутые системы ("объект – регулятор"), как правило, представляют собой системы "вход – выход" с одним каналом управления. При этом в процедуре синтеза регуляторов используются линеаризованные математические модели ЭП, которые в должной мере не отражают реальные физические процессы. Кроме того, сама методика синтеза обычно строится по принципу так называемой "компенсации" нелинейностей моделей или их игнорирования, сепарирования имеющихся каналов управления, нейтрализации перекрестных связей и т.д. Подобные вынужденные искусственные приемы, вызванные ограниченными возможностями методов классической теории управления, в конечном итоге, негативно сказываются на способности систем управления отвечать современным требованиям к ЭП с точки зрения разнообразия решаемых технологических задач, энергетической эффективности и надежности в широком диапазоне регулирования. Применение синергетического подхода позволяет впервые решить задачу векторного управления ЭП постоянного и переменного тока в полной нелинейной постановке. При этом решаются такие задачи управления ЭП, как стабилизация скорости, позицирование и слежение. Предлагаемые законы синергетического управления наделяют ЭП свойствами асимптотической устойчивости во всей допустимой области изменения фазовых координат, инвариантности к внешним возмущениям, грубости (робастности) к изменению параметров ЭП.

В третьей главе излагается синергетический метод управления колебательными системами. Колебательные процессы играют чрезвычайно важную роль в современных физических, химических, биологических, технических и экономических науках. Достаточно упомянуть, что классическая и небесная механики – это, в первую очередь, науки о колебаниях. Если в природных процессах колебания являются отражением соответствующих естественных закономерностей, то в технике колебательные явления могут выступать как в качестве основных режимов функционирования, так и оказаться нежелательными и противоречащими нормальному протеканию технологического процесса. Примером первого типа колебаний, т.е. полезных движений, являются разнообразные вибромеханические процессы. В этом случае под действием быстрых движений в нелинейных колебательных системах возникают необычные эффекты: вибрационное перемещение, т.е. направленное в среднем "медленное" движение; направленное изменение физико-механических свойств тел; стабилизация положения равновесия; изменение реологических характеристик – псевдосжижение, виброползучесть, возникновение виброкипящего слоя и т.д. Второй тип колебаний, т.е. нежелательных движений, проявляется в системах подавления электрических и упругих колебаний, в системах виброизоляции и др. Оба типа колебательных движений характерны, например, для авиакосмических, электроэнергетических и трибомеханических систем. В конце XX в. существенно возрос интерес к проблемам управления нелинейными колебаниями, т.е. синтеза таких законов управления в форме обратных связей, которые позволяют сформировать желательный характер регулярных или хаотических колебаний в системах различной физической природы. Это непосредственно связано с созданием новых классов вибрационных установок, лазерных и радиотехнических устройств, систем синхронизации и т.д. Указанной проблеме посвящена достаточно обширная литература, однако эта актуальная проблема управления в должной мере еще не решена и требует своего дальнейшего развития. В этой связи в третьей главе рассмотрено применение методов новой синергетической теории управления для решения некоторых характерных задач управления нелинейными колебаниями. При этом рассматриваются такие проблемы как синтез законов управления нелинейными колебательными системами маятникового типа, управление нелинейными колебательными объектами с хаотической динамикой, реализации нелинейных колебаний на основе электромеханических осцилляторов постоянного и переменного тока.

В четвертой главе представлены методы синтеза законов синергетического управления робототехническими системами (РТС). При проведении различного рода однотипных операций или работ в среде, оказывающей нежелательное воздействие на человека и тем самым полностью исключающим его присутствие, все большее применение получают РТС. В промышленной сфере основное внимание уделяется автоматизации и комплексной механизации многих технологических процессов производства на основе РТС. При этом все увеличивающийся спектр задач требует разработки систем автоматического управления, сочетающих в себе возможность самостоятельного принятия решений при изменении параметров среды и отвечающих требованиям быстрого и многократного изменения технологических заданий. Создание нового поколения РТС, надежно функционирующих в максимально возможной области режимов работы, обладающих высокой маневренностью и интеллектуальными свойствами продолжает оставаться одним из приоритетных направлений развития современной техники. Проблема построения нового поколения высокоэффективных РТС приводит к необходимости решения целого комплекса разнообразных задач, к которым в частности относятся: совершенствование кинематических схем; обработка сенсорной и навигационной информации от бортовых датчиков и приборов; учет динамических свойств среды и др. Особую значимость приобретает задача разработки новых законов управления, которые не только гарантируют требуемое движение РТС при выполнении своей технологической миссии в условиях неформализованной внешней среды, но и обеспечивают максимально эффективное использование конструктивных особенностей РТС.

Пятая глава посвящена проблеме конструирования законов взаимосвязанного управления пространственным движением различных аппаратов – летательных, космических и подводных. Важной проблемой теории и практики управления пространственным движением таких аппаратов была и остается актуальной проблема синтеза автопилотов в ее различных постановках. К настоящему времени эта проблема прошла впечатляющий путь своего развития, включающий в себя как этапы замечательных достижений, так и периоды относительного затишья. Издавна используемые на практике методы и подходы теории управления для синтеза автопилотов, как правило, опираются на линеаризованные математические модели объектов. Применение нелинейных (исходных) моделей движения до недавнего времени было затруднено из-за отсутствия практически применимых методов аналитического синтеза регуляторов, для многомерных многосвязных нелинейных объектов. Поэтому при синтезе законов управления нелинейная модель объекта обычно упрощалась путем линеаризации, а также отбрасывания некоторых нелинейных членов уравнений, ввиду, как считалось, их несущественного влияния. При этом очевидно, что часть динамических свойств объекта, которые мог бы учитывать синтезируемый регулятор, неизбежно терялась. Такой подход, очевидно, приводит к неизбежной потере маневренности аппаратов, особенно в их экстремальных режимах движения. Поэтому актуальным и в настоящее время остается проблема синтеза законов управления автопилотов на основе исходных нелинейных математических моделей движения объектов, как наиболее точно отражающих их динамику с физической точки зрения. Пятая глава и посвящена именно применению новых синергетических методов для решения проблемы синтеза автопилотов.

Книга предназначена для студентов, магистрантов и аспирантов различных технических специальностей, изучающих механику и электромеханику. Авторы также надеются найти заинтересованных читателей среди инженеров и ученых, занимающихся разработкой перспективных механических и электромеханических систем.

Об авторах

Коллектив авторов книги является представителем научно-технической школы кафедры синергетики и процессов управления (СиПУ) Таганрогского государственного радиотехнического университета, важнейшей целью которой является распространение среди ученых и студентов новых естественно-математических идей в теории самоорганизации и развития. Это обстоятельство становится тем более важным из-за чрезвычайной актуальности современной проблемы целостного видения и понимания природы, техники и человека на основе единой научной концепции самоорганизации систем произвольной природы.

Основные направления научных исследований на кафедре СиПУ посвящены развитию новой синергетической концепции системного синтеза в современной нелинейной динамике и теории управления, а также применению методов синергетического синтеза общих объективных законов процессов управления в различных областях техники, технологии и естествознания.