автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и синтез систем управления с интервальными параметрами на основе корневого подхода

На правах рукописи

«в.

■Р

ООЗ173636

I

Замятин Сергей Владимирович

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ИНТЕРВАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ОСНОВЕ КОРНЕВОГО ПОДХОДА

05 13 01 — Системный анализ, управление и обработка информации (отрасль- информация и информационные системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2007 ^ ^ ®НТ 2007

Работа выполнена на кафедре "Автоматики и компьютерных систем" Томского политехнического университета (ТПУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Гайворонский Сергей Анатольевич (Томский политехнический университет)

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Гончаров Валерий Иванович (Томский политехнический университет)

кандидат технических наук, доцент Шелестов Александр Андреевич, (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)

Ведущая организация Алтайский государственный университет,

г. Барнаул,

Защита состоится «14» ноября 2007 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212 269 06 при Томском политехническом университете по адресу 634034, г. Томск, ул Советская, 84, институт «Кибернетический центр» ТПУ, ауд. 214

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу 634034, г Томск, ул Белинского, 55

Автореферат разослан «12» октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного Совета к т н , доцент М А Сонькин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В реальных системах автоматического управления, как правило, не все параметры известны точно, поскольку они могут меняться в процессе эксплуатации системы по заранее неизвестным законам или быть недоступными для точного измерения Если известны пределы изменения параметров или диапазоны их возможных значений, то такие параметры можно отнести к классу интервально-неопределенных Системы с подобными параметрами, в свою очередь, относятся к классу интервальных систем (ИС)

Исследованию таких систем посвящено большое число публикаций отечественных и зарубежных ученых При разработке ИС может использоваться ро-бастный подход, заключающийся в обеспечении устойчивости систем при любых значениях интервально-неопределенных параметров Для анализа робаст-ной устойчивости широко применяются алгебраические и частотные методы При этом значительно меньше внимания уделяется использованию корневых методов В то же время робастное расширение корневого подхода, основанное на свойствах интервального корневого годографа, может быть достаточно эффективным, а в некоторых случаях и наилучшим, для решения задач анализа не только робастной устойчивости, но и робастной относительной устойчивости ИС

С точки зрения корневого подхода для относительной устойчивости ИС необходимо, чтобы области локализации ее корней располагались в требуемой области комплексной плоскости Заметим, что в настоящее время большое внимание уделяется не только анализу робастной относительной устойчивости, но и синтезу регуляторов, гарантирующих робастное качество ИС

Существует достаточно много работ, посвященных синтезу регуляторов для линейных стационарных объектов Во многих из них используется принцип доминирования, основанный на том, что динамические свойства систем управления определяются двумя-тремя доминирующими полюсами, так как влияние остальных полюсов оказывается незначительным из-за их удаленности от мнимой оси

В случае интервальных систем, когда коэффициенты характеристического полинома имеют фиксированные пределы изменения, полюсы системы оказываются локализованными в некоторых замкнутых областях, и их также можно размещать желаемым образом Желаемое размещение полюсов ИС предполагает, что области их локализации не должны выходить за допустимые границы при любых значениях интервальных параметров Следовательно, при размещении полюсов ИС желательно реализовать принцип доминирования на основе обеспечения робастной относительной устойчивости

Таким образом, анализ робастной относительной устойчивости ИС и обеспечение гарантированной динамики ИС на основе принципа доминирования с использованием корневого подхода являются достаточно актуальными задачами современной теории управления

Целью работы является разработка методик анализа и синтеза интервальных систем автоматического управления с применением корневого подхода на основе решения следующих задач

- формирование набора вершинных полиномов, которые могут определять максимальную колебательность ИС,

- формирование набора вершинных полиномов, которые могут определять максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости ИС,

- разработка методики анализа робастной относительной устойчивости,

- установление аналитической зависимости между углами выхода ветвей многопараметрического интервального корневого годографа и расположением полюсов ИС на комплексной плоскости,

- определение фазовых условий формирования полиномов, корни которых определяют показатели качества синтезируемых ИС,

- разработка методики синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись разделы интервальной математики, алгебры и математического анализа, теория устойчивости, метод корневого годографа, методы теории робастного управления Для экспериментальных исследований синтезируемых систем, свойств интервальных полиномов, моделей систем управления и режимов их работы использовались ППП МаАаЬ и МаЛсас!

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области корневых методов исследования ИС

Научную новизну полученных в работе результатов определяют -методики анализа робастной относительной устойчивости интервальных систем на основе выбора и исследования существенных вершинных полиномов, -постановка задачи синтеза ИС по одному полиному, определяющему наихудшие показатели качества ИС,

-аналитические выражения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей корневого годографа и расположением полюсов ИС на комплексной плоскости,

-фазовые условия формирования полиномов, корни которых определяют показатели качества синтезируемых ИС,

-методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы по одному вершинному полиному,

-методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов ИС по двум вершинным полиномам

Практическая ценность Полученные методики анализа робастной относительной устойчивости могут применяться для исследования разрабатываемых и существующих систем, объекты управления которых имеют интерваль-но-неопределенные параметры Применение разработанных методик синтеза позволяет получать регуляторы пониженного порядка по выходу, которые

обеспечивают не только робастную устойчивость, но и желаемые корневые оценки качества ИС Методики настройки регуляторов являются эффективным инструментом для обеспечения гарантированного качества функционирования систем в условиях интервальной неопределенности параметров Разработанные методики анализа и синтеза ИС являются достаточно формализованными для их программной реализации

Внедрение работы Разработанные в диссертации методики, использованы в проектной деятельности «Иркутскэнерго» филиал ТЭЦ-16 (г Иркутск), «Регионального центра управления энергосбережением» (г Томск) Результаты исследований и разработок, описанных в диссертационной работе, использованы в учебном процессе кафедры автоматики и компьютерных систем Томского политехнического университета

Практическое применение результатов диссертационных исследований подтверждается соответствующими актами о внедрении

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и вошли в сборники трудов

ХЕ международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г Томск,

2005),

Ш всероссийской научно-практической конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г Томск, 2005),

Первого международного симпозиума КБСАА 2006 (г Харбин, Китай,

2006),

ХП международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г Томск, 2006),

Всероссийского совещания по интервальному анализу и его приложениям «ИНТЕРВАЛ-06» (г Санкт-Петербург, 2006),

IV всероссийской научно-практической конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г Томск, 2006)

Четвертой международной конференции ПРАС «Управление в производстве и логистика» (г Сибиу, Румыния, 2007)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, и приложений, содержит 144 печатные страницы основного текста, 51 рисунок и 3 таблицы

На защиту выносятся следующие положения:

- правила формирования набора вершинных полиномов, которые определяют качество ИС,

- аналитические выражения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей многопараметрического интервального тер::свого годографа и расположением полюсов ИС на комплексной плоскости,

- фазовые условия формирования вершинных полиномов, определяющих качество синтезируемых ИС,

- методики синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов

Во введении приводится аналитический обзор существующих методов анализа и синтеза систем управления с интервально-неопределенными параметрами Показывается актуальность решаемых задач диссертационного исследования, дается общая характеристика работы, формулируются основные положения

В первой главе рассматривается метод многопараметрического интервального корневого годографа, применимый к системам с интервально-неопределенными параметрами Рассматривается способ построения границ областей локализации корней интервального полинома методом реберной маршрутизации, который основан на свойствах многопараметрического интервального корневого годографа

Приведены алгоритмы определения набора существенных ребер (реберного маршрута) для параметрического многогранника (ПМ) ИС по имеющейся информации о структуре характеристического полинома ИС и интервалах ее параметров Показано, что образы существенных ребер (реберного маршрута) отображаются на граничь! областей локализации комплексных корней интервального характеристического полинома

Рассмотрены основные свойства отображения ПМ на комплексную плоскость корней, при котором образами ребер ПМ являются реберные ветви, а образами вершин ПМ - корневые узлы (рис 1)

Сделан вывод о том, что реберные ветви многопараметрического интервального корневого годографа могут входить в состав границы области локализации корня как полностью, так и частично, причем в последнем случае они пересе-

ИС

Содержание работы

О

Рисунок 1 - Отображение реберного маршрута

каются в особых корневых узлах £/* Данное свойство необходимо учитывать при граничной маршрутизации ПМ, в связи с чем, представляется целесообразным заранее знать о возможности наличия ¡7* в областях локализации полюсов ИС Приведены методики проверки плоскостей граней ПМ на наличие особых прямых Наличие таких прямых указывает на возможность существования V при построении границ областей локализации корней

Показано, что для нахождения реберного маршрута необходимо определить углы выхода всех реберных ветвей интервального корневого годографа из любого граничного корневого узла

Если в области отображения ПМ нет I/ , то последовательность реберных ветвей, ограничивающих область локализации комплексного корня, будет соответствовать последовательности их углов выхода (в порядке убывании или возрастания) из граничного корневого узла В этом случае реберный маршрут определяется последовательным соединением соответствующих ребер ПМ

Если в области отображения какой либо грани ПМ возможно наличие £/ , то при движении по реберному маршруту необходимо полностью отображать все ребра этой грани В этом случае реберный маршрут определяется последовательно-параллельным соединением соответствующих ребер ПМ

Показано, что реберный маршрут является единственным для построения областей локализации всех корней ИС

Приведены примеры, иллюстрирующие нахождение реберного маршрута для параметрических многогранников ИС

Во второй главе разрабатываются методики анализа робастной относительной устойчивости (робастного качества) ИС на основе проверки принадлежности корней существенных вершинных полиномов заданной области комплексной плоскости Для этого анализируется устойчивость интервального полинома в трех областях комплексной плоскости в секторе с углом, зависящим от количества интервальных параметров, в секторе с произвольным углом и в усеченном секторе.

Рассматривается интервальный характеристический полином (ИХП)

ОО) = + +а0,

где все или только часть коэффициентов, имеющих непрерывную последовательность индексов, являются интервальными а: <а. <а,, г = 0,п Пусть число таких коэффициентов равно т

Для первой исследуемой области доказано следующее утверждение Утверждение Если последовательность заданных предельными значениями интервальных коэффициентов [а,]'*""1, ] е {0,1,2, п-т + 1}, 3<т<п + 1, можно разделить на две последовательности [а,]^'1 и [я , ге {1,2 т-1}, в которых четные и нечетные коэффициенты имеют противоположные предел

лы, то комплексный корень ИХП в секторе л +-является граничным коряг- 1

невым узлом области локализации соответствующего корня

В соответствии с данным утверждением сформулировано правило формирования таблицы существенных вершин в первой строке таблицы записываются строго чередующиеся пределы коэффициентов, начиная с любого предела aj В каждой следующей строке изменяется предел только одного коэффициента (по очереди, начиная с первого) После получения в т +1 строке пределов, противоположных первой строке, изменение пределов повторяется в том же порядке

Попадание образов существенных вершин многогранника интервальных коэффициентов Р вида 5, = -<2 + jj3,, ге 1,л, в заданный сектор Г оценивается по углам у, = arctgifi, /а:) Рассматривается угол у0, определяемый на комплексной плоскости особым лучом и имеющий величину у0 = ——— В зависите- 1

мости от соотношения углов у и у0 справедливы следующие критерии робаст-ной секторной устойчивости

Необходимый и достаточный критерий. Если интервальные коэффициенты ИХП и-го порядка образуют последовательность [а, jе {0,1,2, n-m + l}, Ъ<т<п + \, то для локализации корней ИХП в секторе я±у, 0< у < у0, необходимо и достаточно, чтобы существенные вершины Р отображались в левую полуплоскость и для их образов вида s, = -ai + j/3: , ¡е 1,я, выполнялись неравенства у, < у

Достаточный критерий Если интервальные коэффициенты ИХП п-го порядка образуют последовательность [а , jе {0,1,2, .n-m + l}, 3 < от < n +1, то для локализации корней ИХП в секторе л±у, у„<у<90°, достаточно, чтобы существенные вершины Р отображались в левую полуплоскость и для их образов вида st = -ai + j/3t, i e l,n, выполнялись неравенства у, < y0

В работе формулируются условия локализации корней ИХП в секторе с произвольным углом

Для граничности узла Uq необходимо, чтобы разность между максимальным и минимальным углами выхода ветвей корневого годографа по всем интервальным коэффициентам была меньше л Предлагается проверять это условие графическим способом Установлено, что при заданном значении угла сектора ©0 и известной структуре полинома граничные вершины можно определить по взаимному расположению векторов выхода реберных ветвей на круговой диаграмме На рис 2 показан пример возможного расположения векторов выхода реберных ветвей по четырем интервальным коэффициентам ИХП Символом а, обозначен верхний предел коэффициента а,, символом а, - его нижний предел Заметим, что изменение предела любого коэффициента позволяет повернуть соответствующий угол на 180 градусов

При таком геометрическом подходе, очевидно, что если для каждого из т коэффициентов ИХП на круговой диаграмме построить два противоположных вектора, то любые т последовательно расположенные лучи будут лежать в угле, меньшем л, и, следовательно, определять координаты граничной вершины Р

Доказано, что если корни полученного набора полиномов лежат в требуемом секторе, то остальные корни ИХП тоже лежат в этом секторе

В работе также формулируются условия локализации корней интервального полинома в усеченном секторе с произвольным углом Такой сектор наряду с допустимой колебательностью задает и минимальную степень устойчивости (рис 3)

Граничные вершины для произвольного сектора могут не определить минимальную степень устойчивости системы Поэтому характерной особенностью анализа устойчивости в усеченном секторе является необходимость определения в нем всех граничных вершин

Установлено важное свойство границ областей локализации корней ИХП Оно заключается в том, что при отображении Р на корневую плоскость возмо-

жен переход внутренних вершин Р в граничные и наоборот Причиной этого является переход корней ИХП через особые лучи, выходящие из начала коор-

Т7Т

динат под углами (р = я--, к = 1,2, , m - 2, г- число целых л, которое

т-к

содержит угол п 0О, п - порядок полинома

Разработано следующее правило формирования набора граничных вершин

1 Для заданных угла у и числа m интервальных коэффициентов ИХП определить количество особых лучей, лежащих в секторе AOD

T7t

2 Задать значение угла 0О из сектора п < 0О < тс--

m — 1

3 На круговой диаграмме построить лучи, выходящие из начала координат под углами 0„ = 0О I, ©,_ = ж+ Q0 i, где в1+ и ©,_ соответственно углы при максимальном и минимальном значениях г-го коэффициента ИХП

4 Начиная с любого луча, определить m лучей, следующих последовательно один за другим при движении в положительном направлении (против часовой стрелки) Соответствующие этим лучам пределы коэффициентов ИХП определяют координаты одной из граничных вершин

5 Последовательно изменяя начальные лучи, повторять процедуру п 4 и в результате получить координаты 2т граничных вершин для сектора с заданным 0О

6 Если л - rnj{m -1) > п - у, то необходимо повторить действия п 3, 4, 5 при любом значении угла 0О из каждого сектора

71--< 0 < Ж -

т-к т-к+1

7 При каждом последующем ©0 необходимо из получающихся наборов граничных вершин выделять новые и добавлять их к найденным ранее Для иллюстрации работоспособности и эффективности разработанных методик анализа робастной относительной устойчивости ИС приводятся числовые примеры

В третьей главе разрабатываются подходы к синтезу ИС, обеспечивающему гарантированные показатели качества Они основаны на принципе доминантного расположения областей локализации полюсов ИС

Рассматривается метод доминантного расположения полюсов линейной стационарной системы линейным регулятором пониженного порядка Данный метод позволяет не только размещать доминирующие полюсы системы, но и локализовывать остальные (свободные) полюсы в заданной области комплексной плоскости. На основе этого метода разрабатываются методики, позволяющие размещать области локализации доминирующих полюсов ИС в секторе (рис 4а) или в усеченном секторе (рис 46), и при этом области локализации свободных полюсов располагать в заданной области

и

Рисунок 4 - Заданные области расположения полюсов

Для решения этих задач желательно минимизировать число рассматриваемых полиномов, выделив из их семейства только один, определяющий максимальную колебательность, либо один или два, определяющих максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости Так как эти полиномы являются вершинными, то они задаются набором предельных значений интервальных коэффициентов ИХП Обозначим вершинный полином через Я" (р)" где V- номер вершины многогранника

Решение задачи синтеза ИС по одному вершинному полиному проводится в два этапа

1 Формирование одного полинома Щ (/>), который будет гарантированно определять максимальную колебательность либо максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости ИС

2 Определение настроек регулятора для размещения корней сформированного полинома желаемым образом в соответствии с принципом доминирования Для реализации первого этапа синтеза применяется уравнение фаз корневого

годографа в виде

©:=*-(хв,+§ )+«©.. а)

при увеличении интервального коэффициента а,

при уменьшении интервального коэффициента а,, где Э; и 8, - углы между вещественной осью и векторами, направленными к некоторому корню от 7-го полюса и от г-ых нулей с координатами (0, уО), соответственно, а 0?- угол выхода ветви корневого годографа из вершины д, при изменении г-го коэффициента В уравнениях фаз (1, 2) величина ^ добавлена в связи с учетом корня,

комплексно-сопряженного ра Для определения требуемой вершины проверяются условия

©о<0* <0о+я

для сектора (рис 5а),

0О <0* < — ' 2

для усеченного сектора (рис 56).

N. '1т

} С В)

0 Ке

|Тш

Яе

а)

б)

Рисунок 5 - Направление векторов углов выхода реберных ветвей

На основе фазовых выражений (1,2) сделан вывод, что направление вектора выхода ветви корневого годографа из вершины зависит от величины

которая, в свою очередь, зависит от расположения корней на корневой

8=1

плоскости. В результате анализа зависимости расположения корней и величины 2®г> получены фазовые условия формирования полинома Я'ь(р) для сек-

г=1

тора:

Если 0о(г - 1)е

я Ъя 2' 2

ЕСЛИ 0о(г--1)£|-|;|

л —

то тах С. = 0О (/ — 1) — — и а. = а|1тх = а,.

л

, то тах С, = 0О (/ -1) + — и а. = а1шЫ = а. .

Фазовые условия формирования полинома Щ(р) для усеченного сектора имеют вид:

Если ®0(г — 1)е I — ;-©0

я

, то тах С. = @0 (£ — 1) - — и а. = а..

Если 0о(г'-1)е | - — ;7Г-0О

л

, то тах С, = 0О(»— 1) Н— и а, = а.

Величина тах С. требуется для определения области 50 необходимого расположения недоминирующих (свободных) полюсов. Полюсы, располагающиеся левее прямой ¿/0, будут лежать в области 50.

А

с1п =-

1§((тахС,.)/т) + 0Г2' где сс2 и Д - действительная и мнимая часть корня полинома (р).

Установлено, что в случае такого расположения свободных полюсов фазовые условия будут выполняться

Таким образом, для определения искомого набора коэффициентов полино-маЩ(р) и нахождения прямой da, задающей область S0, требуется определять значения а, и наименьшее значение max С, для каждого i = 0, п

На основании проведенных исследований разработана методика размещения полюсов ИС в заданном секторе

1 Задаются желаемые координаты пары комплексно-сопряженных доминирующих полюсов ИС, которые будут определять ее максимальную колебательность либо максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости

2 Из условия формирования полинома R"t (р) определяется минимальное значение max С (соответствующее ©0, координатам доминирующих полюсов и степени ИХП) и соответствующий набор пределов коэффициентов полинома R'b (р)

3 Определяется уравнение прямой d0, левее которой гарантированно располагается область S0

4 Сформированный полином R"b (р) приводится к виду

±к, АХр) + В{р) = О

i=i

5 Согласно методике размещения полюсов стационарной системы, определяются настраиваемые параметры, обеспечивающие желаемое расположение корней полинома R"b(p)

При анализе применимости методики установлено, что если выполняется

условие

_ . (л - Л ( п

(3)

в0(.-1)е||,-е0

п |-§,*-е„

то определить максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости системы по одному вершинному полиному невозможно В таком случае предлагается решать задачу синтеза ИС с использованием двух вершинных полинома, один из них будет определять максимальную колебательность, а второй - минимальную степень устойчивости

Для этого требуется одновременное выполнение двух фазовых ограничений

©о<0,'<во+ят,

для корня р0 и

для корня р'0 (рис 6 )

2 '2

Рисунок 6 - Векторы углов выхода для двух вершинных полиномов

При ограничениях (4, 5) фазовые условия формирования полиномов Я,", (р)

и Я"ьг{р) имеют вид:

Для полинома (р):

Если ®0(г-1)е Если ©0 (г - 1)е

, то max С. - ©0(г

1)--и а. =а. =а..

2 ' '

л

, то max С. =0О (;-!) + — и а,

л Ъл 2' 2 л л 2'2_

Для полинома R"b2 (р): Если г'0'о£ (л;2л], то max С. = г@'0—и a. =ajlmx = а.. Если г©'0е (0;тг], то max С,. = г©'0 и гг. = а,.тЬ =а. .

На основании этих фазовых условий разработана методика определения параметров регулятора по двум определяющим вершинным полиномам.

Для разработанных методик синтеза линейного регулятора ИС необходим этап проверки получаемого расположения полюсов системы. Если в результате анализа окажется, что области локализации выходят за допустимые границы, то следует увеличить число настраиваемых параметров регулятора, либо изменить требования к системе и повторить процедуру синтеза.

В четвертой главе рассматривается применение одной из разработанных методик для параметрического синтеза регулятора системы позиционирования, используемой для изготовления жидкокристаллических мониторов. Существующий при проектировании указанных систем подход не учитывает изменения момента инерции электропривода (по заранее неизвестному закону). Поэтому применяемые методы настройки линейных регуляторов с постоянными параметрами не гарантируют обеспечения желаемых динамических свойств. Представляется целесообразным наделить систему позиционирования свойством робастности, обеспечивающим допустимое качество переходных процессов в системе при любых значениях момента инерции из известного интервала.

Для этого может быть использован разработанный алгоритм параметрического синтеза регулятора в условиях интервальной неопределенности параметров системы.

Структурная схема системы позиционирования представлена на рис. 7.

Рисунок 7 - Структурная схема системы позиционирования

В рассматриваемой системе необходимо найти робастные настройки регулятора контура скорости, так как отрицательное влияние изменения момента инерции движущихся масс сказывается именно в этом контуре

Передаточная функция замкнутого контура скорости имеет вид W(P) = {кърг +кгр + к1)аа

Ъ,рг + (fc3a„ + b0)p2 + k2a0p + к,а0' где ¿„=763200, Ъ, = 2300, а0 =[1,139 10'°, 1,3668 1010] Интервально-неопределенный коэффициент а0, зависит от момента инерции движущихся масс При этом интервальный полином, содержащий исходное семейство характеристических полиномов ИС, приведен к виду R(p) = b,p3 + (fc3a01 + b0)p2 + кгашр + fc,a03 ,где am , am , a03 независимы и равны

ao

Необходимо найти такие настройки регулятора^,, которые обеспечат время переходного процесса приведенного контура скорости t < 0,001с и перерегулирование а <30% Для определения минимально допустимой степени

3

устойчивости контура использовано выражение 5 ~— = 3000, где S - степень

устойчивости Для определения максимально допустимой колебательности ИС, соответствующей заданному максимальному перерегулированию, необходима информация о точном расположении нулей передаточной функции Так как для ИС эта информация неизвестна, максимальная колебательность задана ¡г = 1

В результате применения разработанной методики синтеза получены следующие настройки регулятора к, =300000, кг =123,63, и к} =0,018 На рис 8 приведены области локализации корней полинома R(p)

Из рис.8, следует, что найденные настройки регулятора локализуют корни характеристического полинома ИС в заданной области. На рис 9. приведены переходные характеристики контура скорости с интервальными коэффициентами.

Step Response

Рисунок 9 - Переходные характеристики контура скорости с интервальными параметрами

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что найденные ро-бастные настройки регулятора обеспечивают допустимое качество переходных процессов ИС.

Основные результаты работы

Представленная диссертационная работа описывает результаты исследований, направленных на разработку алгоритмов анализа и синтеза систем управления с интервальными параметрами Сформулируем основные результаты диссертации

1 На основе свойств многопараметрического интервального корневого годографа и алгоритма реберной маршрутизации разработаны

- методика анализа ИС с гарантированной колебательностью на основе выбора и анализа существенных вершинных полиномов,

- методика анализа ИС с гарантированной колебательностью и степенью устойчивости на основе выбора и анализа существенных вершинных полиномов,

2 Получены выражения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей многопараметрического интервального корневого годографа и расположением полюсов системы на комплексной плоскости

3 Получены фазовые условия формирования полиномов, определяющих показатели качества синтезируемых ЙС

4. На основе полученных фазовых соотношений разработаны

- методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы по одному вершинному полиному,

- методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы по двум вершинным полиномам

Основные публикации по теме диссертации

1 Гайворонский, С А Анализ локализации корней интервального полинома в заданном секторе / Гайворонский С А , Замятин С В // Известия Томского политехнического университета -2004 Т 307 № 4 - С 14-18

2 Замятин, С В К анализу робастной устойчивости полиномов с полилинейной и полиномиальной неопределенностью/ Замятин С В, Гайворонский С А //Современные техника и технологии Труды XI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых, т 2 —Томск Изд ТПУ, 2005 -С 153-154

3 Замятин, С В Условие применимости реберной теоремы при полиномиальной неопределенности характеристического полинома / Замятин С В, Гайворонский С А // Молодежь и современные информационные технологии Сборник трудов Ш Всероссийской научно-практической конференции студентов, - Томск Изд-во ТПУ, 2005 - С 199-200

4 Замятин, С В Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением заданных показателей качества / Замятин С В // Известия Томского политехнического университета, -2006 Т 309-№7,-С 10-14

5 Замятин, С В Решение задачи размещения полюсов линейной интервальной динамической системы в заданном секторе / Замятин С В, Гайворонский CA// Известия Томского политехнического университета 2006 №5 Том 309-С 16-20

6 Zamyatm, S V The robust sector stability analysis of an interval polynomial / Zamyatm S V , Gayvoronskiy S A //1st International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics, - Harbm, China, 2006, - P 112-115 Замятин, С В Робастная секторная устойчивость интервальных полиномов / Замятин С В , Гайворонский CA// Труды I международного симпозиума «Системы и управление в космической промышленности и астронавтике», Китай (Харбин), 2006, - С 16-20

7 Замятин, С В Решение задачи размещения корней интервального полинома с полилинейной неопределенностью / Замятин С В , Ефимов С В, Аникин АС// Молодежь и современные информационные технологии Сборник трудов IV Всероссийской научно-практической конференции студентов — Томск Изд-во ТПУ, 2006 - С 248-249

8 Гайворонский, С А Условия локализации корней интервального полинома в заданном секторе, Всероссийское (с международным участием) совещание по интервальному анализу и его приложениям «ИНТЕРВАЛ-06» / Гайворонский С А, Замятин С В , // г Санкт-Петербург, 2006 - С 38-^tl

9 Замятин, С В Исследование интервальных полиномов на основе свойств критерия Рауса // Замятин С В Суходоев М С , Ефимов С В / Современные техника и технологии Труды ХП Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых Томск-2006 - С 61-63

Подписано к печати 11. Ю.2007. Формат 60x84/16. Бумага «Классика». Печать RISO, УЬл.печ.л.10$Г Уч.-нздл.оЗ$ Заказ £¡¡3 . Тираж 100 экз.

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000

ЦД|р ISO »001 ШЯЙ 13 ow ••;

mAmumfrmr, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МЕТОД КОРНЕВОГО ГОДОГРАФА В ИНТЕРВАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ.

1.1. Основные положения метода корневого годографа.

1.2. Многопараметрический интервальный корневой годограф.

1.3. Основные фазовые соотношения реберной маршрутизации

1.4. Определение граничного реберного маршрута.

1.5. Примеры реберной маршрутизации.

1.6. Основные результаты.

ГЛАВА II. АНАЛИЗ КОРНЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СИСТЕМ С ИНТЕРВАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

2.1. Корневые показатели качества интервальных систем.

2.2. Анализ локализации корней интервального полинома в заданном секторе.

2.2.1. Постановка задачи.

2.2.2. Основные фазовые соотношения.

2.2.3. Анализ отображения вершин.

2.2.4. Критерии локализации корней в заданном секторе.

2.3. Анализ устойчивости интервального полинома в произвольном секторе.

2.4. Условия локализации корней интервального полинома в секторе с обеспечением требуемой степени устойчивости.

2.4.1. Постановка задачи.

2.4.2. Анализ минимальной степени устойчивости интервального полинома.

2.4.3. Правило формирования набора граничных вершин для анализа устойчивости полинома в усеченном секторе.

2.4.4. Условия локализации корней ИХП в заданном секторе.

2.5. Основные результаты.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ЛИНЕЙНЫХ РОБАСТНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ИНТЕРВАЛЬНЫХ СИСТЕМ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ГАРАНТИРУЕМОЙ

ДИНАМИКИ.

3.1. Состояние проблемы.

3.2. Доминантное расположение полюсов стационарной системы

3.2.1.Постановка задачи.

3.2.2. Основные соотношения.

3.3. Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением заданных показателей качества.

3.3.1. Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением требуемой максимальной колебательности.

3.3.2. Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением требуемой максимальной колебательности и минимальной степени устойчивости по одному вершинному полиному.

3.3.3. Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением требуемой максимальной колебательности и минимальной степени устойчивости по двум вершинным полиномам.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА

РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ С ИНТЕРВАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

4.1. Требования к системе позиционирования для. изготовления жидкокристаллических мониторов.

4.2. Структура системы позиционирования.

4.3. Математическая модель системы позиционирования.

4.4. Параметрический синтез регуляторов системы позиционирования.

В системах автоматического управления (САУ), как правило, не все параметры могут быть заданы точно. Они могут меняться в процессе эксплуатации системы по заранее неизвестным законам или быть в принципе недоступными для точного измерения. В тоже время в большинстве случаев известны пределы изменения таких параметров. В этих случаях нестабильные параметры можно отнести к классу интервально-неопределенных [36, 59, 66]. Системы, имеющие интервально-неопределенные параметры, получили название интервальных систем (ИС) [18].

Пусть линейная ИС описывается передаточной функцией: вл) где полиномы ffj(s,q) и W2 (s, q) зависят от интервальных параметров, образующих вектор q. Так как qi е [qjmm, qimm \ i е\,т , то интервальные параметры образуют многогранник Р, представляющий собой прямоугольный гиперпараллелепипед с числом вершин 2т.

Интервальность параметров q системы приводит к различным видам неопределенности ее характеристического полинома: его коэффициенты могут являться либо интервалами, либо функциями интервалов. Различают четыре вида неопределенности характеристических полиномов [36, 59, 66]:

• Интервальная неопределенность;

• Аффинная неопределенность;

• Полилинейная неопределенность;

• Полиномиальная неопределенность.

Смысл классификации характеристических полиномов по видам неопределенности покажем на примере системы второго порядка.

Интервальная неопределенность - коэффициенты полинома являются интервальными параметрами (s:2 + qxs + q2, q,, e [qimm, qimM ]).

Аффинная неопределенность - коэффициенты полинома образованы суммой или разностью интервальных параметров (s2 +(ql +q2+2q3)s + qx -3q2, q, e[qlmitt,qimJ).

Полилинейная неопределенность - коэффициенты полинома линейно зависят от каждого параметра, если остальные параметры фиксированы (s2 + {qxq2 + 2q3)s + 3qlq2, qxе [qimia,qimJ).

Полиномиальная неопределенность - коэффициенты полинома зависят полиномиально хотя бы от одного параметра ( s2+(qlq2+2q23)s + q2 ,

It efomin'^J)

Для интервальной и аффинной неопределенностей существуют достаточно простые методы анализа и синтеза ИС [12, 18, 19, 55, 60, 69], но если коэффициенты полинома являются более сложными функциями интервальных параметров, то анализ и синтез ИС значительно усложняется [19,25,61,62, 70, 72, 75,99].

Впервые задача о нахождении устойчивости ИС была поставлена итальянским ученым С. Фаэдо, который получил достаточные условия устойчивости. Однако наибольший интерес к данным задачам появился щ после того, как B.JI. Харитоновым были найдены необходимые и достаточные условия устойчивости интервальных полиномов [55]. Позднее появилось большое количество работ на основе результатов, полученных B.JL Харитоновым [20, 57, 65, 79, 90, 98, 107]. Также ЯЗ. Цыпкин, Ю.И. Неймарк и их последователи развили частотный подход к исследованию устойчивости интервальных динамических систем [32, 33, 34, 35, 36, 40, 41]. || Один из самых распространенных частотных подходов к анализу ИС основан на принципе исключения нуля и теореме отображения Дезоера [105]. Этот подход позволяет работать с полиномами, имеющими не только полилинейную неопределенность, но также и полиномиальную, однако в этом случае требуется выполнения дополнительных условий [75]. Из корневых подходов к анализу ИС наиболее распространенным является подход, основанный на реберной теореме [63, 88, 89, 104]. Также существует ^ большое количество работ, где анализ и синтез ИС основан на использовании корневого подхода [30, 42, 43, 44, 45, 46, 84] и применении свойств корневого годографа [1, 11, 53, 54, 64].

На основе правил интервальной арифметики характеристический полином любой системы управления с интервальными физическими параметрами можно привести к полиному с интервальными коэффициентами. Таким образом, на основе методов, разработанных для систем с интервальной неопределенностью характеристического полинома, можно оценивать устойчивость ИС с более сложными видами неопределенности. Но следует отметить, что следствием такого приведения коэффициентов полинома является переограничение области неопределенности, поэтому нельзя достоверно судить о неустойчивости ИС [22, 24]. Однако простота методов исследования ИС с интервальной неопределенностью компенсирует данный недостаток.

В случае интервальной неопределенности характеристический полином будет иметь вид:

P(s) = а0 +als + . + ans": a,<ai <ah ап> 0, / = 0,.,л, (В.2) где а, = aimm, а, = <з тах. Коэффициенты полинома являются неопределенными параметрами, которые могут независимо принимать значения в своих Л интервалах неопределенности [а,.,д,] . Условие ап> 0 накладывается для того, чтобы обеспечить неизменность степени п полинома при всех а„<ап<ап.

При проектировании ИС основная задача состоит в обеспечении желаемого качества ее функционирования или, в крайнем случае, устойчивости системы при любых возможных значениях интервальных параметров [2, 9,27,37].

В соответствии с корневым подходом [30], система является робастно устойчивой, если области локализации всех полюсов ИС располагаются в левой половине комплексной плоскости. Требуемое качество работы системы можно гарантировать, если система является относительно (регионально) робастно устойчивой, что соответствует расположению областей локализации корней в требуемых областях (регионах) комплексной плоскости. Задачи анализа региональной устойчивости рассматриваются в работах [67,69,101,102,106].

Рассмотрим некоторые существующие методы анализа робастной устойчивости.

Один из первых полиномиальных методов анализа ИС был разработан В. Харитоновым в 1978 году. Метод основан на теореме, которая позднее была названа именем автора - теорема Харитонова [55]:

Непрерывный интервальный полином является робастно устойчивым, если устойчивы четыре особым образом составленных полинома (они позднее тоже получили название по имени автора теоремы - полиномы Харитонова).

Пусть задан интервальный полином: P(s) = aQ +als + . + ans", at < at < a,, i = 0,.,n, a0 > 0, a„ > 0. (B.3)

Для анализа его робастной устойчивости необходимо вместо проверки бесконечного числа полиномов, проверить на устойчивость только четыре полинома Харитонова, составленных из крайних значений коэффициентов, чередующихся парами (два минимальных значения - два максимальных):

Px(s) = а0 + axs + ais1 + азв3 +. , P2(s) = ао + axs + a2s2 + ass3 +. , P3(s) = ao + ais + a2s2 +a3s3 +. , Px(s) = a0 + ais + ais2 + a3s3 + .

Несмотря на блестящий и плодотворный результат, теорема имеет ограничение, она позволяет оценивать робастную устойчивость полиномов только с интервальными коэффициентами. Другой недостаток состоит в наличии большого консерватизма в случае, если интервальные коэффициенты являются приведенными [24].

Позднее появился более совершенный аппарат анализа - реберная теорема, с ее понятиями вершинного и реберного полиномов [63]. Вершинам и ребрам бруса Р, образованного интервальными коэффициентами (либо параметрами, но только для случая аффинной неопределенности) полинома (В.2) соответствуют вершинные и реберные полиномы. Т.е. реберный полином является ветвью корневого годографа и «соединяет» два «соседних» вершинных полинома (соответствующих соседним вершинам куба). Если / -число интервальных коэффициентов, то количество реберных полиномов будет равно /2м

Реберная теорема [63]:

Полином (В.2) устойчив в любой точке многогранника параметров, если он устойчив вдоль его ребер.

Данная теорема позволяет эффективно оценивать робастную устойчивость, если число / неопределенных параметров мало. В этом случае следует проверить устойчивость всех реберных полиномов. Они представляют собой однопараметрические семейства вида

XM(s) + (1 - X)N(s) (где M(s), N(s) - два соседних вершинных полинома), и в соответствии с критерием Найквиста (роль точки -1 здесь играет - (1 - Л) IX) их устойчивость при 0 < Я < 1 эквивалентна тому, что полиномы M(s), N(s) устойчивы, а годограф G(jco) - M(jco)/ N(jco) не пересекает отрицательной вещественной полуоси. Однако если / велико, то число таких проверок оказывается значительным (например, уже для 1=5 нужно проверить /2м = 80 реберных полиномов), что потребует большого объема вычислений.

Шаги вперед по снижению вычислительной сложности подхода были сделаны в работах [3, 4, 13, 14, 16], в которых проводились исследования возможности сокращения количества вычислений при анализе ИС на основе реберной теоремы. Было установлено, что не требуется проверять устойчивость всех реберных полиномов, достаточно проверять только те, которые образуют границу области локализации корней на комплексной плоскости.

Еще один из результатов проведенных исследований состоит в том, что оценивание региональной устойчивости систем с интервальной неопределенностью характеристического полинома в секторе или усеченном секторе, сводится к анализу 2" вершинных полиномов - полиномов с постоянными коэффициентами, принимающими свои граничные значения. Также, при решении этой задачи можно использовать достаточные условия. В частности, эффективными являются условия попадания корней ИХП в сектор, заданный углом я±(р* , основанные на достаточном критерии устойчивости Липатова - Соколова [37]. Эти условия имеют вид: а2

- —>S\ i = l,.,n-l,

Я/-1ЙМ и где S* - действительная функция величин п и (р* (ее значения представлены на соответствующих номограммах [37]).

На основе вышесказанного можно заметить, что максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости ИС, а значит и качество работы ИС с интервальной неопределенностью характеристического полинома определяют корни только вершинных полиномов. С другой стороны, на основе результатов работ [4, 14, 16] можно утверждать, что для анализа относительной устойчивости ИС, нет необходимости проверять устойчивость всех вершинных полиномов.

Поэтому возникает естественное желание знать существенные вершины, устойчивость которых гарантировала бы относительную устойчивость ИС. Для их определения предлагается использовать реберную маршрутизацию и фазовые соотношения метода многопараметрического интервального корневого годографа.

Более сложной задачей, решаемой при работе с ИС, является задача синтеза. Под синтезом ИС будем понимать определение настроек линейного регулятора заданной структуры, гарантирующего желаемое робастное качество [6, 7, 58, 62, 71].

По различным данным в настоящее время около 90% регуляторов, используемых в промышленности - ПИД-регуляторы [29]. Но при стационарных подходах к их настройке нельзя гарантировать требуемое качество работы системы во всех возможных режимах ее функционирования [8, 28, 31, 56, 100]. Для устранения данного недостатка возможно и целесообразно использование робастных алгоритмов настройки регуляторов. Это позволяет, не изменяя аппаратной части САУ, гарантировать требуемое качество работы системы.

Существующие методы настройки робастных регуляторов имеют ряд недостатков:

1. Они основаны на оптимизации по различным критериям [73, 74, 76, 83, 93], соответственно, требуют больших вычислительных затрат.

2. Большинство методов не всегда позволяют строить регуляторы низких порядков, поэтому получаемые регуляторы высокого порядка приходится аппроксимировать регуляторами низкого порядка, соответственно, не всегда можно гарантировать требуемый результат [29, 82].

3. Возникает проблема отсутствия робастности получаемой системы к отклонениям параметров регулятора [77].

4. Некоторые методы позволяют проводить синтез ИС не более чем по двум параметрам [38, 59].

Более того, задача построения робастных регуляторов заданной структуры (в частности ПИД-регуляторов) не имеет универсального решения.

Многие из предлагаемых методов синтеза робастных ИС основаны на результатах Харитонова. Так, например, полиномы Харитонова используются при определении параметров линейного регулятора на основе робастного D-разбиения [38]. Данный метод позволяет выбрать две настройки регулятора из параметрической области устойчивости, что обеспечивает попадание корней ИХП в заданную односвязную область комплексной плоскости.

Известно, что динамика любой линейной системы с постоянными коэффициентами главным образом зависит от расположения ее доминирующих полюсов. Поэтому для обеспечения гарантированных динамических свойств ИС при синтезе робастного регулятора представляет интерес использование принципа доминирования [5, 108]. В соответствии с данным принципом, для получения требуемого качества функционирования системы, доминирующие полюсы необходимо расположить желаемым образом, а остальные (свободные) полюсы разместить значительно левее доминирующих. Решение задачи размещения доминирующих полюсов стационарных систем в заданных точках комплексной плоскости рассматривается в ряде работ. В работах [49, 50, 51, 52], например, эта задача решается с помощью полиномиальных уравнений синтеза. В [47, 48] используется интерполяционный метод назначения доминирующих полюсов. В этом случае свободные полюсы системы могут располагаться на комплексной плоскости произвольно. Поэтому на заключительном этапе предусматривается дополнительная проверка выполнения условий доминирования.

Таким образом, в результате проведенного обзора существующих подходов к анализу и синтезу ИС можно сделать следующие выводы и предложения.

Анализ робастного качества ИС

Для анализа робастного качества системы с интервальной неопределенностью целесообразно применять корневой подход с использованием метода многопараметрического интервального корневого годографа и его фазовых соотношений. В основу этого подхода предлагается положить свойства отображения вершин параметрического многогранника ИС на комплексную плоскость корней. При этом целью является нахождение существенных вершин, позволяющих оценивать относительную устойчивость ИС. Задача анализа робастного качества в данном случае будет сводиться к оценке качества ИС в этих существенных вершинах.

Синтез ИС с гарантируемой динамикой

Для синтеза ИС целесообразно применение подхода, основанного на доминантном расположении полюсов ИС и анализе фазовых соотношений метода многопараметрического интервального корневого годографа. Предлагаемый подход позволяет размещать области локализации полюсов замкнутой системы в соответствии с принципом доминирования, т.е. выделять пару областей локализации полюсов ИС, которые определят колебательность и степень устойчивости системы, а остальные области локализации полюсов ИС размещать более удаленно от мнимой оси.

Таким образом, основной целью работы является разработка методик для анализа робастной относительной устойчивости ИС и параметрического синтеза линейных регуляторов, обеспечивающих гарантированную динамику в ИС. Для ее достижения в работе решены следующие задачи:

-найдены условия и сформулировано правило для формирования набора вершинных полиномов, которые могут определять максимальную колебательность ИС;

- найдены условия и сформулировано правило для формирования набора вершинных полиномов, которые могут определять максимальную колебательность и минимальную степень устойчивости ИС;

-найдены выражения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей корневого годографа и расположением полюсов системы на комплексной плоскости;

- сформулированы фазовые условия формирования полиномов, корни которых определяют показатели качества синтезируемых ИС;

- разработаны методики синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы;

Научную новизну работы определяют:

-методики анализа робастной относительной устойчивости интервальных систем на основе выбора и исследования существенных вершинных полиномов;

-постановка задачи синтеза ИС по одному полиному, определяющему наихудшие показатели качества ИС;

-аналитические выражения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей корневого годографа и расположением полюсов ИС на комплексной плоскости;

-фазовые условия формирования полиномов, корни которых определяют показатели качества синтезируемых ИС;

-методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов системы по одному вершинному полиному;

-методика синтеза робастного линейного регулятора на основе желаемого расположения областей локализации доминирующих и свободных полюсов ИС по двум вершинным полиномам.

Практическая ценность. Полученные методики анализа робастной относительной устойчивости могут применяться для исследования разрабатываемых и существующих систем, объекты управления которых имеют интервально-неопределенные параметры. Применение разработанных методик синтеза позволяет получать регуляторы пониженного порядка по выходу, которые обеспечивают не только робастную устойчивость, но и желаемые корневые оценки качества ИС. Методики настройки регуляторов являются эффективным инструментом для обеспечения гарантированного качества функционирования систем в условиях интервальной неопределенности параметров. Разработанные методики анализа и синтеза ИС являются достаточно формализованными для их программной реализации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и вошли в сборники трудов международного симпозиума ISSCAA 2005 (г. Харбин, Китай), XI, XII международных научно-практических конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск), всероссийском совещании по интервальному анализу и его приложениям «ИНТЕРВАЛ-06», 2006 г. (г. Санкт-Петербург), III, IV Всероссийских научно-практических конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г. Томск), Четвертой международной конференции IF АС «Управление в производстве и логистика», (г. Сибиу, Румыния).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, и приложения; содержит 147 печатных страницы основного текста, 51 рисунок и 3 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа описывает результаты исследований, направленных на разработку методов и алгоритмов анализа и синтеза систем управления с интервальными параметрами. Сформулируем основные результаты диссертации.

1. На основе свойств многопараметрического интервального корневого годографа и алгоритма реберной маршрутизации разработаны:

- методика анализа ИС с гарантированной колебательностью на основе выбора и анализа существенных вершинных полиномов в секторе, ограниченным числом интервальных параметров;

- методика анализа ИС с гарантированной колебательностью на основе выбора и анализа существенных вершинных полиномов в произвольном секторе;

- методика анализа ИС с гарантированной колебательностью и степенью устойчивости на основе выбора и анализа существенных вершинных полиномов в произвольном секторе;

Данные методики позволяют значительно сократить вычислительные затраты при анализе ИС.

2. Предложены соотношения, устанавливающие соответствие между углами выхода ветвей корневого годографа и расположением полюсов системы на комплексной плоскости.

3. Предложены фазовые условия формирования полиномов, определяющих показатели качества синтезируемых ИС.

4. Для линейных объектов управления, имеющих в задании параметров интервальную неопределенность, предложен метод синтеза регуляторов пониженного порядка. Метод основан на выделении из всего множества вершинных полиномов одного или двух полиномов, которые будут определять наихудшее качество ИС. Гарантированное качество работы системы обеспечивается требуемым расположением полюсов полученных полиномов. Использование данного принципа при построении робастных регуляторов позволяет уменьшить миграцию доминирующих полюсов при изменении параметров системы. Также к достоинствам данного метода можно отнести простоту реализации и возможность оценки робастности получаемой системы к параметрам регулятора.

5. Результаты диссертационного исследования использованы для синтеза промышленных систем, что подтверждено актами о внедрении.

1. Бендрикова, Г.А. Траектории корней линейных автоматических систем / Бендрикова Г.А., Теодорчик К.Ф. - М.: Наука, 1964, -160с.

2. Бесекерский, В.А. Робастные системы автоматического управления / Бесекерский В.А. Небылов А.В. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1983, -240с.

3. Вадутов, О.С. Определение границ областей локализации нулей и полюсов системы с интервальными параметрами / Вадутов О.С., Гайворонский С.А. // Изв. Томского политех, ун-та. 2003. Т.306. №1-С.64-68.

4. Вадутов, О.С. Применение реберной маршрутизации для анализа устойчивости интервальных полиномов / Вадутов О.С., Гайворонский С.А. // Изв. АН. ТиСУ. 2003. №6. -С. 7-12.

5. Вадутов, О.С. Решение задачи размещения полюсов системы методом D-разбиения / Вадутов О.С., Гайворонский // Изв. РАН. ТиСУ. 2004. № 5. С. 23-27.

6. Ф 12.Гайворонский, С.А. Анализ локализации корней интервального полиномав заданном секторе / Гайворонский С.А., Замятин С.В. // Изв. Томского политех, ун-та. -2004. Т. 307. № 4. С. 14-18.

7. Гайворонский, С.А. Параметрический синтез линейного регулятора электромеханической системы при интервальной неопределенностиобъекта управления / Гайворонский С.А. // Изв. ВУЗов. Электромеханика, 1990. №5.-С. 69-72.

8. Гайворонский, С.А. Построение границ корневых областей систем с интервальными параметрами /Гайворонский С.А., Новокшонов С.В. // Современные техника и технологии. Тез.докл. VII международ, научн.-практич. конф. -Томск: изд.ТПУ, 2001. С 260-263.

9. Гусев, Ю. М. Анализ и синтез линейных интервальных динамических систем (состояние проблемы). Анализ с использованием интервальных характеристических полиномов / Гусев Ю.М., Ефанов В.Н., Крымский В.Г. // Техн. кибернетика. 1991. №1. -С. 3-23.

10. Жабко, А.П. Необходимые и достаточные условия устойчивости линейного семейства полиномов/ Жабко А.П., Харитонов В.Л.// АиТ. 1994. № Ю.-С. 125-134.

11. Замятин С.В. Размещение областей локализации доминирующих полюсов интервальной системы с обеспечением заданных показателей качества / Замятин С.В. // Изв. Томского политех, ун-та, №7, Том 309 2006. С. 1014.

12. Замятин С.В. Условие применимости реберной теоремы при полиномиальной неопределенности характеристического полинома /

13. Замятин С.В, Гайворонский С.А // Молодежь и современные информационные технологии. Сборник трудов III Всероссийской научно-практической конференции студентов, Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - С. 199-200.

14. Литвинов, Р. Д. Метод расположения корней характеристического полинома, обеспечивающий заданные степень устойчивости и колебательность системы / Литвинов Н.Л. // АиТ. 1995. №4. С. 53-61.

15. Неймарк Ю.И. Динамические системы и управляемые процессы / Неймарк Ю.И. М.: Наука, 1978. - 336с.

16. Неймарк, Ю.И. Мера робастной устойчивости и модальности линейных систем / Неймарк Ю.И. //ДАН. 1992. Т.325, № 2. -С.247-250.

17. Неймарк, Ю.И. Мера робастной устойчивости линейных систем / Неймарк » Ю.И. //АиТ. 1993. № 1. —С.107-110.

18. Неймарк, Ю.И. Область робастной устойчивости и робастность по нелинейным параметрам / Неймарк Ю.И. //ДАН. 1992. Т.325, № 3. -С.438-440.

19. Неймарк, Ю.И. Робастная устойчивость линейных систем / Неймарк Ю.И. //ДАН. 1991. Т. 319. № 3. -С.578-580.

20. Петров, Б.Н. Системы автоматического управления объектами с переменными параметрами / Петров Б.Н. и др.// Инженерные методыанализа и синтеза М.: Машиностроение, 1986. - 256с.

21. Петров, Н. П. Робастное D-разбиение / Петров Н.П., Поляк Б.Т. // АиТ. 1991. №11.-С. 41-53.

22. Поляк, Б.Т. Робастная устойчивость и управление / Поляк Б.Т., Щербаков П.С. М.: Наука, 2002. - 303 с.

23. Поляк, Б.Т. Робастный критерий Найквиста / Поляк Б.Т. Цыпкин Я.З. // Ш АиТ. 1992. №7.-С.25-31.

24. Поляк, Б.Т. Частотные критерии робастной устойчивости и апериодичности линейных систем / Поляк Б.Т. Цыпкин ЯЗ. //АиТ. 1990. №9.-С. 45-54.

25. Римский, Г. В. Корневые методы исследования интервальных систем / Римский Г. В. и др. Минск: Ин-т техн. кибернетики НАН Беларуси. 1999.- 186с.

26. Римский, Г.В. Корневой метод исследования условий устойчивости линейных интервальных динамических систем / Римский Г.В., Мазуренко Е.Г. // Вести НАН Беларуси. Серия физико-технических наук. 1996. №2. -С.61-64.

27. Римский, Г.В. Корневой метод решения задач устойчивости интервальных систем / Римский Г.В. // Вести АН Беларуси. Серия физико-технических наук. 1994. №4.-С. 80-85.

28. Римский, Г.В. Корневой метод синтеза полиномов / Римский Г.В. // Вести АН Беларуси. Серия физико-технических наук. 1995. №3. - С. 107-114.

29. Римский, Г.В. Основы общей теории корневых траекторий систем автоматического управления / Римский Г.В. Минск: Наука и техника, 1972.-328с.

30. Сиразетдинов, Р.Т. К построению гарантированной области расположения корней характеристического уравнения замкнутой системы / Сиразетдинов Р.Т. // Изв. ВУЗов. Авиац. техника. 1984. № 4. С. 72-76.

31. Сиразетдинов, Р.Т. Построение гарантированной области расположения нулей и полюсов передаточных функций динамических систем / Сиразетдинов Р.Т. // АиТ, 1988. №7. С. 51-58.

32. Скворцов, JI.M. Интерполяционный метод решения задачи назначения доминирующих полюсов при синтезе одномерных регуляторов / Скворцов Л.М. // Изв. АН. ТиСУ. 1994. №4. С. 10-13.

33. Скворцов, JI.M. Интерполяционный метод решения задачи назначения доминирующих полюсов при синтезе многомерных регуляторов / Скворцов Л.М. // Изв. АН.ТиСУ. 1997. № 1. С. 31-34.

34. Скворцов, Л.М. Синтез закона управления по заданным полюсам и нулям передаточной функции / Скворцов Л.М. // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1987. № 6. С. 149-153.

35. Скворцов, Л.М. Синтез линейных систем методом полиномиальных уравнений / Скворцов Л.М. // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1991. № 6.-С. 54-59.

36. Удерман, Э.Г. Метод корневого годографа в теории автоматических систем / Удерман Э.Г. М.: «Наука», 1972. - 448 с.

37. Удерман, Э.Г. Метод корневого годографа в теории автоматического управления / Удерман Э.Г. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 112 с.

38. Харитонов В.Л. Об асимптотической устойчивости положения равновесия семейства систем линейных дифференциальных уравнений // Дифференц. Уравнения, 1978. №11. С. 2086-2088.

39. Харитонов, В.Л. Задача распределения корней характеристического полинома автономной системы / Харитонов В.Л. // АиТ. 1981. №5. С. 5357.

40. Харитонов, В.Л., Хинричсен Д. О выпуклых направлениях для устойчивых полиномов / Харитонов В.Л. // АиТ. 1997. №3. С. 81-92.

41. Хлебалин, Н.А. Построение интервальных полиномов с заданной областью расположения корней / Хлебалин Н.А. // Аналитические методы синтеза регуляторов. Саратов: Изд. Саратовского политех, ин-та, 1982. -С. 92-98.

42. Ackermann J. Parameter space design of robust control systems / Ackermann J. // IEEE Trans. On Autom. Control. 1980. Vol. 25. N 6. P. 1058-1072.

43. Barlett, A.C. Root location of an entire polytope of polynomials: it suffices tocheck the edges / Barlett A.C., Hollot C.V., Lin H. // Math. Contr., Signals. Syst., 1987, Vol. 1,№1.-P. 61-71.

44. Barmish, B. R. The robust root locus / Barmish B. R., Tempo R. // Automatica, 1990. Vol. 26, №2. P. 283-292.

45. Barmish, B.R. A generalization of Kharitonov's four polynomial concept for robust stability problems with linearly dependent coefficients perturbations / Barmish B.R. // IEEE Trans. Automat. Control. 1989. Vol. 34. № 2, P. 157• 165.

46. Bhattacharyya, S.P. Robust control: the parametric approach / Bhattacharyya S.P., Chapellat H., Keel L.H. Prentice Hall, 1995.

47. Chang Y. H. Robust gamma stability of highly perturbed systems / Chang Y. H., Wise G. L. // IEEE Proc. Control Theory Appl. N 2, 1998. P. 165-175.

48. Chu E. K. Pole assignment for second-order systems / Chu E. K. // Mechanical systems and signal processing, 2002, N 1, P. 39-59.

49. Foo, Y. K. Root clustering of interval polynomials in the left sector / Foo Y. K.,• Soh Y. C. // Syst. Control Letters. 1989. Vol. 13, P. 239-245.

50. Henrion, D. An LMI condition for robust stability of polynomial matrix polytopes / Henrion D., Arzelier D., Peaucelle D., Sebek M. // IF AC Automatica, 2001, Vol. 37, P. 461-468.

51. Henrion, D. D-Stability of Polynomial Matrices / Henrion D., Bachelier O., Sebek M. // International Journal of Control, 2001, Vol. 74, N. 8, P. 845-856.

52. Henrion, D. Ellipsoidal approximation of the stability domain of a polynomial /

53. Henrion D., Peaucelle D., Arzelier D., Sebek M. // IEEE Transactions on Automatic Control, 2003, Vol. 48, N 12, P. 2255-2259.

54. Henrion, D. Positive polynomials and robust stabilization with fixed-order controllers / Henrion D., Sebek M., Kucera V. // IEEE Transactions on Automatic Control, 2003 Vol. 48, No. 7, P. 1178-1186.

55. Henrion, D. Robust pole placement for second-order systems: An LMI approach / Henrion D.; Sebek M.; Kucera V // Kybernetika, 2005, Vol. 41,N 1, -P. 1-14

56. Kawamura, T. Robust stability analysis of characteristic polynomials whose coefficients are polynomials of interval parameters / Kawamura Т., Shima M. // Journal of Mathematical System, Estimation and Control, № 4,1996. P. 1-12.

57. Keel, L.H. Robust stability and performance with fixed-order controllers / Keel L.H. Bhattacharyya S.P. // Automatica 1999 N 35, P. 1717-1724.

58. Keel, L.H. Robust, fragile or optimal? / Keel L.H., Bhattacharyya S.P. // IEEEtransactions on automatic control, Vol. 42, N. 8, 1997, P. 1098-1105.

59. Maamri, N. Pole placement in a union of regions with prespecified subregion allocation / Maamri N., Bachelier O., Mehdi D. // Mathematics and Computers in Simulation, 2006, N 72 P. 38^6.

60. Markus, A. H. The Kharitonov theorem and its applications in symbolic mathematical computation / Markus A. H., Kaltofen E. // Journal symbolic computation, 1997-P. 1-13.

61. Systems, Cybernetics and Informatics. -Orlando, FL, USA. 2001. -P. 298-303.

62. Pare, Т. Algorithm for reduced order robust Hm control design / Pare Т., How. J. // Proceedings of the 38-th conference on decision and control, -Arizona, 1999-P. 1863-1868.

63. Rao, P. Robust tuning of power system stabilizers using QFT / Rao P., Sen I. // IEEE transactions on control systems technology, 1999, Vol. 7, N. 4. P. 478486.

64. Rimsky, G.V. Root locus methods for robust control systems quality and stability investigations / Rimsky G.V., Nesenchuk A. A. // Proceedings IF AC 13th Triennial World Congress. San Francisco, USA, 1996. - P. 469-474.

65. Sienel, W. Design and analysis of robust control systems in PARADISE / Sienel W., Ackermann J., Bunte T. // Proc. IF AC Symposium on Robust Control Design, Budapest, Hungary, 1997.

66. Soh, Y. С Generalized edge theorem / Soh Y. C., Foo Y. K. // Systems & Control Letters, 1989, Vol. 12, N 3, P. 219-224.

67. Soh, Y. C. A note on the edge theorem / Soh Y. C., Foo Y. K. // Systems & Control Letters 1990, Vol. 15, N 1, P. 41-43.

68. Soh, Y.C. Generalization of strong Kharitonov theorems to the left sector / Soh Y. C., Foo Y. K. // IEEE Trans. On Automatic Control, 1990, Vol. 35. P. 1378-1382.

69. Munro N., Baki H. // Automatica 39,2003, P. 121-126.

70. Tagami, T. Design of robust pole assignment based on Pareto-optimal solutions / Tagami Т., Ikeda K. // Asian Journal of Control, 2003, Vol. 5, N 2, P. 195205.

71. Tan, N. Computation of stabilizing PI and PID controllers using the stability boundary locus / Tan N., Kaya I., Yeroglu C., Derek P. // Energy Conversion and Management, 2006, N 47 -P. 3045-3058.

72. Varga, A. A numerically reliable approach to robust pole assignment for descriptor systems / Varga A. // Future Generation Computer Systems, 2003, N 19,-P.1221-1230.

73. Vicieno, A. Robustness of pole location in perturbed systems / Vicieno A. // Automatica, 1989, Vol. 25. N 3. -P. 109-113.

74. Wang L. Robust strong stabilizability of interval plants: it suffices to check two t vertices. / Wang L. // System and control letters, 1995, Vol. 26. -P. 133-136.

75. Wang, L. Kharitonov-like theorems for robust performance of interval systems / Wang L. // Journal of Mathematical Analysis and Applications, 2003,Vol. 279, N2,-P. 430-441.

76. Wang, L. Robust stability of a class of polynomial families under nonlinearly correlated perturbations / Wang L. // Systems and Control Letters, Vol. 30, N 1, 1997,-P. 25-30.

77. Wang, Y. PID and PID-like controller design by pole assignment within

78. D-stable regions / Wang Y, Schinkel M, Hunt K. J. // Asian Journal of Control, Vol4, N4,-P. 423-432.

79. Wang, Y. The calculation of stability radius with D stability region and non-linear coefficients / Wang Y., Hunt K. J. // Proceedings of 3rd IFAC Symposium on Robust Control Design, Czech Republic, 2000, -P. 240-246.

80. Wang, Z. Determinative vertices of interval family with ^-stability / Wang Z., Wang L., Yu W. // Journal of Mathematical Analysis and Applications Vol.266, N2,2002,-P. 321-332

81. Wang, Z. Improved results on robust stability of multivariable interval control systems / Wang Z., Wang L., Yu W. // Proceedings of American Control Conference, Denver, Colorado, USA, 2001, - P. 4463-4468.

82. Xiao, Y. Edge test for domain stability of polytopes of two-dimensional (2-D) polynomials / Xiao Y. // Proceedings of the 39th IEEE Conference on Decision and Control, 2000, P. 4215-4220.

83. Zadeh, L.A. Linear system theory / Zadeh L.A., Desoer C.A. McGraw-Hill, 1963.

84. Zamyatin, S.V. The robust sector stability analysis of an interval polynomial / Zamyatin S.V., Gayvoronskiy S.A. //1st International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics, Harbin, China, 2005, - P. 112115.

85. Zhabko, A.P. Necessary and sufficient conditions for the stability of a linear family of polynomials. / Zhabko A.P., Kharitonov V.L. // Automation and Remote Control, 1994, Vol. 55, №10, P. 1496-1503.

86. Zhan, Y. Dominant pole placement for multi-loop control systems / Zhan Y., Wang Q., Astrom K. J. // Proceedings of the American control conference -Chicago, 2000,-P. 1965-1969.