Кіріспе

Сызықтық емес басқару теориясындағы әдіс. Басқару жүйелерінде жылжымалы режимді басқару (ЖРБ) – үздісіз емес басқару сигналын (немесе толыққандырақ айтқанда, жиындық мәнді басқару сигналын) қолдану арқылы сызықтық емес жүйенің динамикасын өзгертетін сызықтық емес басқару әдісі. Бұл жағдайда, жүйенің қалыпты мінез-құлқының қимасы бойынша "сығуға" мәжбүр етеді. Күй кері байланыс басқару заңы уақыт бойынша үзділіссіз функция болып табылмайды. Оның орнына, ол күй кеңістігіндегі ағымдағы орнына байланысты бір үзділіссіз құрылымнан екіншісіне ауысуы мүмкін. Сондықтан, жылжымалы режимді басқару – өзгермелі құрылымды басқару әдісі. Басқарудың көптеген құрылымдары траекториялар әрқашан басқа басқару құрылымы бар көршілес аймаққа қарай жылжуын қамтамасыз етеді, нәтижесінде, соңғы траектория бір басқару құрылымының ішінде толығымен орналаспайды. Керісінше, ол басқару құрылымдарының шекараларымен сығады. Жүйенің осы шекаралар бойымен қозғалысы жылжу режимі деп аталады, ал шекаралардан тұратын геометриялық траектория жылжу (гипер) беті деп аталады. Қазіргі заманғы басқару теориясы тұрғысынан, ЖРБ сияқты өзгермелі құрылымды кез келген жүйе, гибридтік динамикалық жүйенің ерекше жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін, өйткені жүйе үзділіссіз күй кеңістігі арқылы өтеді, сонымен қатар әртүрлі дискретті басқару режимдері арқылы қозғалады.

Кіріспе

1-суретте сырғанау режимін басқару кезіндегі жүйенің траекториясының мысалы көрсетілген. Сырғанау беті арқылы сипатталады, ал жүйе траекториясы бұл бетке жеткеннен кейін шекті уақыттан соң бет бойымен сырғанау режимі басталады. Сырғанау режимдерінің теориялық сипаттамасында жүйе сырғанау бетімен шектеледі және оны тек бетімен сырғанап отыру ретінде қарастыру қажет. Дегенмен, сырғанау режимін басқарудың нақты іске асырылуы осы теориялық мінез-құлықты жоғары жиіліктегі және көбінесе детерминистік емес коммутациялық басқару сигналымен жуықтап, жүйені сырғанау бетінің жақын аймағында "дірілдеуге" (chatting) алып келеді. Сырғанауды сырғанау бетінің айналасындағы "өлген аймақтарды" (deadbands) немесе шекаралық қабаттарды қолдану арқылы, сондай-ақ басқа да компенсациялық әдістер арқылы азайтуға болады. Жүйе жалпы алғанда сызықтық емес болғанымен, 1-суреттегі жүйенің идеалды (яғни, дірілдемейтін) мінез-құлқы, егер ол сырғанау бетімен шектелсе, экспоненциалды тұрақты нүктесі бар LTI жүйесі болып табылады. Компенсациялық әдістердің бірі – ұсынылған адаптивті сырғанау режимін басқару әдісі, ол үздіксіз басқару заңын құру үшін бағаланған белгісіздікті пайдаланады. Бұл әдісте дәлдікті сақтай отырып, дірілдеу жойылады (толықрақ мәліметтер үшін [2] және [3] сілтемелерді қараңыз). Ұсынылған адаптивті сырғанау режимін басқарушының үш ерекше ерекшелігі бар: (i) Құрылымдық (немесе параметрлік) белгісіздіктер және құрылымдық емес белгісіздіктер (модельделмеген динамика, белгісіз сыртқы бұзылыстар) бір типті белгісіздік терминіне біріктіріледі, ол "жинақталған белгісіздік" деп аталады. Сондықтан жүйенің сызықтық параметрленген динамикалық моделі қажет емес, ал осы әдістің қарапайым құрылымы мен есептеу тиімділігі оны нақты уақыт басқаруына қолайлы етеді. (ii) Адаптивті сырғанау режимін басқару схемасының жобалануы ең нашар жағдайға (яғни, белгісіздіктің шектеріне) сүйенудің орнына онлайн бағаланған белгісіздік векторына сүйенеді. Сондықтан белгісіздіктің шектерін алдын ала білу қажет емес, және әрбір уақыт сәтінде басқару кірісі қазіргі уақытта бар белгісіздікті өтеуге арналады. (iii) Сырғанау режимін басқару теориясының негіздерін пайдалана отырып, жасалған үздіксіз басқару заңы шекаралық қабат тәсілінде жиі кездесетін өнімділік пен беріктілік арасындағы келісімсіздіксіз дірілдеу құбылысын жояды. Интуитивті түрде, сырғанау режимін басқару динамикалық жүйенің траекториясын шектелген сырғанау режиміндегі кіші кеңістікте сырғанауға мәжбүрлеу үшін іс жүзінде шексіз күш пайдаланады. Бұл төмендеу реттік сырғанау режиміндегі траекториялар қалаулы қасиеттерге ие (мысалы, жүйе қажетті тепе-теңдікке жету үшін тоқтағанға дейін табиғи түрде оның бойымен сырғанады). Сырғанау режимін басқарудың басты артықшылығы – оның беріктігі. Басқару екі күйдің арасындағы қарапайым ауысу болуы мүмкін болғандықтан (мысалы, "қосылған"/"өшірілген" немесе "алға"/"кері"), ол дәл болуы қажет емес және басқару арнасына кіретін параметрлер өзгерісіне сезімтал болмайды. Сонымен қатар, басқару заңы үздіксіз функция болмағандықтан, сырғанау режиміне шекті уақыт ішінде жетуге болады (яғни, асимптотикалық мінез-құлықтан жақсы). Белгілі бір ортақ жағдайларда оптималдық "bang-bang" басқаруын пайдалануды талап етеді; сондықтан сырғанау режимін басқару кең динамикалық жүйелер жиынтығы үшін оптималды басқарушыны сипаттайды. Сырғанау режимін басқарушының бір қолданылуы – коммутациялық қуат түрлендіргіштерімен жұмыс істейтін электрлік жетектерді басқару. Осы түрлендіргіштердің үздіксіз жұмыс істеу режиміне байланысты үздіксіз сырғанау режимін басқарушы импульс енін модуляциялау немесе ұқсас техника арқылы үздіксіз сигналды тек дискретті күйлерді қабылдай алатын шығысқа қолдануды қажет ететін үздіксіз басқарушыларға қарағанда табиғи іске асыру таңдауы болып табылады. Сырғанау режимін басқару робототехникада көптеген қолдануға ие. Атап айтқанда, бұл басқару алгоритмі адамсыз су үстіндегі кемелерді басқаруды бақылау үшін, симуляциялық бұрқасынды теңізде жоғары дәрежеде сәттілікпен қолданылды. Сырғанау режимін басқару басқа сызықтық емес басқару түрлеріне қарағанда көбірек сақтықпен қолданылуы тиіс, себебі басқару әрекеті орташарақ. Атап айтқанда, актуаторлар кідіріс пен басқа да кемшіліктерге ие болғандықтан, қатты сырғанау режимін басқару әрекеті дірілдеуге, энергия жоғалуына, қондырғыларға зақым келтіруге және модельделмеген динамиканы қоздыруға әкелуі мүмкін. Шамамен айтқанда, нәтижесінде қозғалатын жабық циклдік жүйе жақындап келеді, бірақ бұл тегіс мінез-құлық толыққанды жүзеге аспауы мүмкін. Сонымен қатар, жоғары жылдамдықты импульс енін модуляциялау немесе дельта-сигма модуляциясы тек екі күйді қабылдайтын шығыстарды тудырады, бірақ тиімді шығыс қозғалыс үлесінің үздіксіз диапазонынан өтеді. Бұл қиындықтардан бас тарту үшін басқа сызықтық емес басқару жобалау әдісін пайдалануға болады, ол үздіксіз басқарушыны тудырады. Кейбір жағдайларда сырғанау режимін басқару жобалары басқа үздіксіз басқару жобаларымен жуықтастырылуы мүмкін, мұнда және тұрақты шамалар.

Автоматтандырылған жобалау шешімдері

Әртүрлі жылжымалы режимді басқару жүйесін жобалау теориялары болғанымен, аналитикалық және сандық әдістерде туындайтын практикалық қиындықтар салдарынан жоғары тиімді жобалау әдістемесі жетіспейді. Дегенмен, генетикалық алгоритм сияқты қайта пайдалануға болатын есептеу үлгісі, оңтайлы жобалаудың "шешілмейтін мәселесін" практикалық тұрғыдан шешілетін "детерминистік емес полиномдық мәселеге" айналдыруға мүмкіндік береді. Бұл жылжымалы модельді басқаруға арналған компьютерлік автоматтандырылған жобалауға алып келеді.