|
Отчет о научной деятельности лаборатории
"Управление сложными системами" в 2001-2005 гг.
1. Основные направления исследований по НИР:
- Теория и методы нелинейного и адаптивного управления процессами в сложных физико-технических системах;
- Управление колебательными и хаотическими системами;
- Решение прикладных задач управления физическими и механическими системами, движущимися объектами.
2. Основные научные достижения по НИР за 2001-2005 гг:
- Важнейшим результатом НИР за отчетный период является разработка основ методологии применения кибернетических методов к исследованию физических систем, основанной на новых алгоритмах нелинейного и адаптивного управления функционалами энергетического типа. Теоретические результаты и оценки применены к управлению хаотическими и резонансными движениями, диссоциацией молекулярных систем, идентификации моделей сегнетоэлектриков.
- Разработаны и обоснованы алгоритмы частичной стабилизации консервативных и диссипативных систем со многими степенями свободы в условиях невозможности полной компенсации действующих сил.
- Обнаружено и исследовано явление резонанса с обратной связью в нелинейных колебательных системах и указаны пути использования этого явления для исследования физических систем.
- Введено понятие индекса (степени) возбудимости системы и получены оценки степени возбудимости для нелинейных диссипативных систем.
- Разработаны новые алгоритмы управления и синхронизации нелинейных колебаний и исследованы количественные закономерности возбуждения и синхронизации нелинейных осцилляторов.
- Предложены и обоснованы новые алгоритмы нелинейных адаптивных наблюдателей для нестационарных неустойчивых (в том числе хаотических) систем с относительным порядком, превышающим единицу. Сложность предложенных алгоритмов меньше, чем для других алгоритмов, известных из литературы. Результаты применены к задаче передачи сигналов на основе хаотической системы Дуффинга.
- Получены достаточные условия строгой пассивности и устойчивости по входу частично устойчивых систем.
- Предложен и исследован методом молекулярной динамики алгоритм импульсного управления диссоциацией линейных трехатомных молекул на основе метода скоростного градиента.
- Проанализировано состояние исследований в области приложений управления хаотическими системами по материалам более 200 публикаций в рецензируемых журналах. Определены наиболее актуальные направления развития области.
- Проведено экспериментальное сравнение алгоритмов синхронизации хаотических осцилляторов в задаче передачи сигналов.
- На основе сочетания методов скоростного градиента, энергетических целевых функций и регуляторов систем с переменной структурой получен алгоритм глобальной стабилизации неустойчивого состояния равновесия колебательной маятниковой системы с инерционным маховиком и управляющим электроприводом. Проведены численные исследования, подтверждающие достижения цели управления при произвольных начальных условиях и возможность решения задачи при малом уровне управления. Для случая неопределенности параметров системы разработан и исследован алгоритм адаптивного управления.
- Метод скоростного градиента для гамильтоновых систем модифицирован и применен к синтезу нелинейного алгоритма возбуждения колебаний заданной амплитуды буксируемого спутника-зонда. Компьютерным моделированием установлена робастность системы по отношению к изменениям динамических свойств спутника и амплитуды момента возбуждений.
- Получено решение задачи максимизации энергии колебаний линейного осциллятора ограниченным по уровню управлением и показано совпадение полученного решения с релейным алгоритмом скоростного градиента. Получена уточненная оценка индекса возбудимости осциллятора.
- Предложены условия наличия колебательности по Якубовичу у нелинейной динамической системы, охваченной статической нелинейной обратной связью по выходу. Предложено развитие условий наличия колебательности по Якубовичу у нелинейной динамической системы с запаздыванием. Разработана методика вычисления аналитических оценок на амплитуду колебаний в системе. Установлена связь между оценками на амплитуду колебаний и индексом возбудимости системы по входу.
- Предложена новая постановка задачи адаптивного управления, направленная на стабилизацию желаемых свойств бифуркационных режимов нелинейных неавтономных систем. Разработан алгоритм управления по измерениям выхода для класса систем Лурье, обеспечивающий сходимость настраиваемых параметров к целевым неизвестным значениям, гарантирующим желаемые свойства бифуркационных режимов системы.
- Разработан алгоритм логического переключения между локальным оптимальным контроллером и глобальным робастным для нелинейной динамической системы, гарантирующий у замкнутой системы глобальную ограниченность траекторий в присутствии внешних неизмеряемых возмущений и локальную оптимальность решений в отсутствии возмущений.
- На основе анализа состояния исследований в области нелинейного управления вращением космических аппаратов по материалам отечественных и зарубежных публикаций. Разработаны и исследованы алгоритмы нелинейного управления хаотическим вращением летательных аппаратов.
3. Основные практические достижения по НИР за 2001-2005 гг:
- Разработано алгоритмическое и программное обеспечение двухроторного мехатронного комплекса для учебных и исследовательских работ в области управления вибрационными установками.
- Разработаны одномаятниковая и двухмаятниковая мехатронные экспериментальные установки для учебных и исследовательских работ в области управления и синхронизации периодических и хаотических колебаний.
- Разработан и поддерживается с 1999 года РУСИКОН (Российский архив по системам и управлению) - информационный Интернет-портал для специалистов в области автоматики и систем управления, содержащий более 2000 ссылок на российские и зарубежные сетевые ресурсы (адреса специалистов, групп, организаций, фондов; сведения о книгах, журналах, издательствах, конференциях, выставках; электронный журнал и т.д.), существенно превосходящий аналогичные зарубежные разработки по числу ссылок и уровню актуализации. Адрес архива: www.rusycon.ru.
- Разработан и поддерживается с 2004 года информационный Интернет-портал ФИЗКОН (Ресурсы по физике и управлению - www.physcon.ru ) - сайт для специалистов в области физики и систем управления, содержащий ссылки на российские и зарубежные сетевые ресурсы (адреса групп, организаций; сведения о книгах, журналах, издательствах, конференциях, выставках и т.д.) в научных областях на стыке физики и теории управления.
- Разработка алгоритмов управления синхронизацией и алгоритмов адаптивного наблюдения для использования в вибрационных установках и системах связи.
- Разработка и исследование алгоритма управления и стабилизации угловой скорости вращающегося спутника относительно заданного командного значения с подавлением нутационных и хаотических колебаний. Численные исследования показали эффективность метода скоростного градиента для подавления хаотической неустойчивости движения вращающегося спутника и робастность системы по отношению к возмущениям.
- Разработка алгоритмов и прикладных программ для управления антропоморфными шагающими механизмами; мини-роботами и облегченными гиперизбыточными манипуляторами типа "хобот", "змея", "ферма"; автономными мобильными, в том числе - колесными роботами.
- Разработанные алгоритмы и прикладные программы управления механическими системами используются в учебно-исследовательских мехатронных комплексах в Межвузовско-академическом центре коллективного пользования "Мехатронные и мобильные комплексы" (www.ccslab.nm.ru/center).
- Разработанный метод синтеза алгоритма управления и стабилизации маятника с вращающимся ротором можно использовать при синтезе систем управления угловым положением спутников, в системах ориентации которых используются маховичные движители. Полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований по теме работ. Использование метода скоростного градиента для подавления хаотических колебаний спутника позволяет достичь цели управления с уровнем управления, в несколько раз меньшим известного по другим публикациям.
- Разработаны и экспериментально исследованы на мехатронном комплексе лаборатории LAAS-CRNS (Тулуза, Франция) два алгоритма адаптивного управления с неявной эталонной моделью углом тангажа стенда "Вертолет" фирмы Quanser. Испытания алгоритмов на стенде показали хорошие динамические свойства синтезированных систем управления и их робастность по отношению к неопределенности параметров объекта, а также к дополнительным неучтенным инерционным и нелинейным звеньям в контуре управления и внешним возмущениям. Получено, что быстродействие системы управления стендом "Вертолет" по предложенным адаптивным алгоритмам в 1.5-1.8 раза выше, чем с помощью алгоритма фирмы Quanser, поставляемого в составе стенда.
4. Проведение научных конференций и семинаров:
- 5-й Международный симпозиум ИФАК по нелинейным системам управления NOLCOS'01 с 4 по 6 июля 2001г. (330 участников из 36 стран, в том числе 185 участников из дальнего зарубежья);
- 1-я и 2-я Международные конференция "Физика и управление" (Санкт-Петербург, 20-22 августа 2003г., 24-26 августа 2005 г., www.physcon.ru )
- 8-10-я Международные (Балтийские) олимпиады студентов и аспирантов по автоматическому управлению (2001, 2002, 2004 гг. http://boac.ifmo.ru )
- 3-5-я Олимпиады школьников Санкт-Петербурга по кибернетике (2001-2005 гг. www.cyber-net.spb.ru )
- Всероссийский конкурс научных работ молодых ученых по механике и процессам управления, посвященный столетию А.И. Лурье (2001г. www.lurie-con.nm.ru )
- На базе лаборатории с 1989 г. работает постоянно-действующий Санкт-Петербургский городской семинар по теории управления и Научный совет по проблемам управления и автоматизации при Санкт-Петербургском научном центре РАН.
5. Лаборатория ведет работы:
- по основным заданиям к плану НИР института;
- по грантам РФФИ (гранты №№ 99-01-00672, 02-01-00765, 05-01-00869);
- по проектам федеральной целевой программы "Интеграция" (проекты 2.1-589, А0151, А0145, 3.2-226, К0361, Р0089, 360-01, Б-0026);
- по программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 19 "Управление механическими системами" (проект 1.4. Синхронизация и управление нелинейными колебаниями и хаосом в физико-технических системах)
- по научной программе Санкт-Петербургского научного центра РАН.
- в рамках межвузовско-академического центра коллективного пользования "Мехатронные и мобильные комплексы", см. www.ipme.ru/ipme/labs/ccs/center/
- по программе совместных исследований CNRS-РАН, проект № 16394 "Теория и алгоритмы робастного управления сложными системами" на 2003-2005 гг.
6. Выступления с пленарными и обзорными докладами на научных конференциях:
- Никифоров В.О. Управление объектами с неточно известными характеристиками: грубость, адаптация и робастность. IV конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", 12-14 марта 2002, Санкт-Петербург.
- Фрадков А.Л. Кибернетическая физика: исследование физических систем кибернетическими методами. Всероссийская научная конференция "Управление и информационные технологии" (УИТ-2003), С.-Петербург, СПбГЭТУ, 3-4 апреля 2003г.
- Фрадков А.Л. Применение методов теории управления к исследованию физических систем. Доклад на сессии бюро Отделения энергетики, механики, проблем машиностроения и систем управления РАН. Москва, 25 февраля 2003.
- Fradkov A.L., Evans R.J. Control of Chaos: Survey 1997-2000. Preprints of 15th IFAC World Congress on Automatic Control. Plenary papers, Survey papers, Milestones. Barcelona, 21-26 July 2002, pp.143-154.
- Fradkov A.L. Control of chaos: methods and applications. Tutorial lecture. 21st IASTED Conf. "Modeling, Identification and Control" (MIC 2002). Innsbruck, 18-21 Feb, 2002.
- Fradkov A.L. Control of chaotic systems: methods and applications. 8th Intern. Conf. "Stability, Control and Rigid Bodies Dynamics". Plenary talk. Donetsk, September 3-7, 2002.
- Fradkov A.L. Control applications in physics: from control of chaos to quantum control. (Invited Plenary Lecture). Preprints of the 3rd IFAC Workshop "DECOM-TT 2003", Istanbul, June 26-28, 2003, pp.47-48.
- Fradkov A.L. Control of chaos: Onset of cybernetical physics. The 4th Int. Conference "Tools for Mathematical Modelling" (MATHMOD 2003), St.Petersburg, June 23-25, 2003, (Plenary talk).
- Fradkov A.L. Cybernetical physics: blend of physics and control. Intern. Conf. "Physics and Control 2003", St.Petersburg, Aug.20-22, 2003, (Plenary talk).
- Fradkov A.L. Cybernetical physics and control of molecular systems / II Intern. Conf. "Frontiers of Nonlinear Physics". Nizhny Novgorod, July 5-12, 2004 (Invited Talk).
- Fradkov A.L. Cybernetical physics: Design for analysis. XV Intern. Conf. Systems Science, Wroclaw, Sept. 7-10, 2004 (Invited Talk).
- Fradkov A.L. Dynamics, Information and Control in Physical Systems / Proc. 1st IFIP Intern. Workshop on Autonomic Communication (WAC 2004). Berlin, 18-19 Oct.2004 (Invited Talk).
7. Сотрудники лаборатории и участвуют в работе программных комитетов международных научных конференций:
- 4-я-7-я Европейские конференции по управлению ECC97, ECC99, ECC01, ECC03 (А.Л. Фрадков)
- 22-я конференция IASTED "Modeling, Identification and Control", Innsbruck, 2003 (Б.Р. Андриевский)
- 10-я конференция IEEE "Control Systems Applications" Istanbul, 2003 (А.Л.Фрадков)
- Конференция IEEE "1st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications", 26-28 июня, 2002, Санкт-Петербург (А.Л. Фрадков),
- 1,2-я Международные конференции "Физика и управление" (PhysCon), 2003, 2005, Санкт-Петербург (А.Л. Фрадков).
- а также в работе редакционного совета конференций по системам управления IEEE (IEEE CSS CEB) - 2001-2005 гг. (А.Л. Фрадков).
|