LSTM-корректор ПИД-регулятора с физически обоснованным ограничением управляющего момента

Дроботов Ю.Е.

Институт опережающих технологий «Школа Икс» Донского государственного технического университета, Ростов-на-Дону; Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону; Северо-Кавказский центр математических исследований Владикавказского научного центра Российской академии наук, Михайловское, РСО-Алания

Литвинов Н.К.

Институт опережающих технологий «Школа Икс» Донского государственного технического университета, Ростов-на-Дону

Ключевые слова: адаптивные системы управления, интегральное превышение управляющего момента, метаэвристические алгоритмы, ПИД-регулятор, ITSE, LSTM, ZOA.

Аннотация. Предложен гибридный адаптивный контроллер, построенный на основе фиксированного классического ПИД-регулятора, дополненного обучаемой LSTM-надстройкой с ограничителем скорости изменения управляющего момента, настраиваемой посредством квадратичного штрафа за превышение максимально допустимого момента. Предельное значение момента выбирается как максимум абсолютной величины, достигаемый при идеальном следовании известной траектории, что задает физически обоснованную границу допустимой амплитуды управляющего сигнала. Оптимизация параметров LSTM-блока выполняется метаэвристическим алгоритмом зебр (ZOA). Эксперименты, проведенные на модели однозвенного маятника с вращательным приводом – простейшей механической системы, описываемой нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка, – показывают, что в окрестности найденного критического предела LSTM-корректор одновременно улучшает точность слежения (до 19% по интегральному квадратичному критерию ITSE) и снижает интегральное превышение момента более чем в 3000 раз по сравнению с неограниченным ПИД-регулятором. При этом контроллер сохраняет базовый линейный ПИД-регулятор структурно и параметрически неизменным и, не требуя введения в него дополнительных нелинейных элементов (таких как насыщение), формирует управление, сопоставимое по качеству с ПИД, оснащенным насыщением, реализуя нелинейную коррекцию посредством отдельной адаптивной надстройки, дополняющей сигналы в каналах исходной пропорционально-интегрально-дифференциальной архитектуры. Подход потенциально применим в условиях неизвестной или изменяющейся динамики объекта, не требуя структурной реорганизации основного регулятора.