Системы с переменной структурой

Толчком к появлению теории систем с переменной структурой (СПС) послужило сформулированное в 1957 г. предложение С.В. Емельянова (ныне – академик РАН, д.т.н., профессор, лауреат Ленинской и Государственных премий, лауреат Премии Совета Министров СССР, лауреат Андроновской премии РАН и Ломоносовской премии МГУ) использовать нелинейную коррекцию, в соответствии с которой в зависимости от состояния системы управления параметры обратной связи скачкообразно менялись. Идея эта оказалась крайне плодотворной и стала систематически применяться для улучшения качества регулирования при решении самых разнообразных задач управления.

Привычный сегодня термин СПС впервые употребляется в 1962 г., тогда же появляется понятие y–ячейки (переключателя структуры системы) и начинают проглядываться контуры новой теории.

Для систем второго порядка С.В. Емельяновым вводятся основные режимы работы СПС: движение по вырожденным траекториям, режим переключений и режим скольжения по прямой переключения структур. Выясняется, что именно в режиме скольжения движение в замкнутой системе не зависит от факторов неопределённости (неизвестных, в том числе и переменных параметров объекта и внешних сил) и потому далее доминирующей идеей синтеза СПС становится идея преднамеренного введения режима скольжения по прямой переключения, положение которой заметно влияет на качество переходных процессов.

В 1962–63 гг. С.В. Емельянов и д.т.н., проф. В.А. Таран доказывают, что неидеальная информация о состоянии системы разрушает идеальность скользящего режима, превращая его в реальный режим скольжения, те есть режим с конечной частотой переключения и конечным же отклонением от прямой скольжения. Важно, что при определённых условиях это не приводит к неустойчивости системы, в отличие, например, от систем с бесконечным коэффициентом усиления. Иначе говоря, СПС демонстрирует робастность, т. е. работоспособность при наличии динамических неидеальностей. 

С 1963 г. С.В. Емельянов и В.И. Уткин (ныне – д.т.н., профессор, лауреат Ленинской премии) начинают систематическое использование принципа переменности структуры для управления по состоянию объектами n-го порядка, в том числе объектами с переменными параметрами и при наличии внешних воздействий. Удаётся доказать, что для стабилизации таких объектов методами СПС достаточно информации только о диапазонах изменения параметров и характеристиках внешних воздействий, а их изменение во времени не играет большой роли. 

В 1964 г. Станислав Васильевич Емельянов публикует первый набросок теории СПС с изложением основных её идей и принципов, приводится очерк методов анализа и синтеза СПС. К 1967 г. первый набросок теории превращается в первую монографию по теории СПС (С.В. Емельянов). 

С 1963 по 1970 гг. рассматриваются, в основном, объекты, заданные в пространстве производных регулируемой координаты с СПС-подобной обратной связью по её производным. Это сделало актуальной проблему многократного дифференцирования в шумах, которой занимались С.В. Емельянов, В.И. Уткин и А.М. Шубладзе (ныне – д.т.н., проф.) и другие авторы. Было показано, что проблема дифференцирования решается методами СПС при дефиците информации о дифференцируемой функции и характеристиках помех, а дифференциаторы СПС обладают повышенной помехозащищённостью, поскольку автоматически адаптируют свои параметры в зависимости от статистических свойств помехи, что улучшает соотношение сигнал/шум. 

В 1970 г. коллектив авторов публикует монографию (под ред. С.В. Емельянова), в которой излагается общая теория СПС по полному фазовому вектору. Помимо уже упомянутых тем в этой книге затрагивается ряд новых проблем: задача автономного регулирования в многосвязных системах (С.В. Емельянов и к.т.н. М.Б. Гриценко), проблема адаптации поверхности разрыва с целью повышения качества регулирования (к.т.н. Е.Н. Дубровский, к.т.н. А.В. Кортнев), проблема стабилизации объекта при наличии оператора дифференцирования в правой части (Н.Е. Костылева, ныне – д.т.н., проф.). 

Метод эквивалентного управления (1971 г. – В.И. Уткин) позволил просто выписывать уравнения скольжения, исследовать их свойства, в том числе устойчивость, и тем самым естественным образом вписать теорию СПС в общий контекст формализма пространства состояний, а также иметь дело не только со скалярными, но и векторными линейными и нелинейными объектами произвольного вида, решать задачи идентификации (1971–1974 гг. А.Д. Браславский, А.М. Шубладзе,  Н.Е. Костылева, В.И. Уткин) экстремального регулирования и математического программирования (1970–1974 гг. – С.К. Коровин (ныне – академик РАН, д.т.н., профессор, лауреат Государственной премии РФ, Премии Совета Министров СССР, Андроновской премии РАН и Ломоносовской премии МГУ), В.И. Уткин.

В последнем случае особенность методов СПС состоит в возможности решения задач оптимизации без использования информации о градиентах оптимизируемой функции и функций, задающих ограничения.

Итог этому периоду развития теории СПС подведён в монографии В.И. Уткина (1974 г.)

Современные очертания теория СПС обрела после разработки методов синтеза обратной связи по выходу с использованием наблюдателей состояния (В.И. Уткин, 1980 г.), создания методов управления объектами с распределёнными параметрами (Ю.В. Орлов – ныне д.ф.-м.н.; проф., В.И. Уткин, 1982 г.) и теории дискретных СПС и СПС для объектов с последействием (С.В. Дракунов – ныне д.т.н., проф.; В.И. Уткин, 1985 г.).

Систематическое использование СПС в промышленных регуляторах было начато А.М. Шубладзе (1974) и привело в 1977 г. к разработке и серийному выпуску комплекса технических средств (КТС) из 40 приборов для решения задач локальной автоматики ЛИУС-СУПС (С.В. Емельянов, Н.Е. Костылева, В.И. Уткин, А.М. Шубладзе). Этот КТС успешно использовался в различных отраслях промышленности десятки лет.

В 1978–1980 гг. разработаны методы СПС для управления электродвигателями, в том числе и асинхронными моторами (к.т.н. Д.Б. Изосимов, В.И. Уткин).