Сила алгоритмов: как создают программы для управления электрическими машинами

О чем вы думаете, когда видите словосочетание «электрические машины»? Если подумали про электромобили, то в этом материале речь пойдет вовсе не о них, а о двигателях и генераторах. Практически любая техника, от бытовых автоматических приборов до промышленных роботов, работает благодаря специальным алгоритмам управления.

В чем их особенности и как создают такие программы? Разбираемся вместе с доцентом Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, кандидатом технических наук Федором Митиным, разработавшим новые алгоритмы управления для электрических машин.

Датчики, микропроцессоры, регуляторы

Электрические машины можно поделить на два типа: двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, и генераторы, которые, наоборот, превращают механическую энергию в электричество. Такие устройства применяют повсеместно — от бытовых приборов до станков на заводах и больших электростанций.

Чтобы такая техника правильно работала, для нее создают алгоритмы управления. То есть, делают так, чтобы устройство можно было быстро запустить, остановить или заставить резко дать обратный ход. Иными словами, управлять скоростью вращения этого двигателя. У генератора, в свою очередь, как правило, одна задача — поддерживать заданное напряжение. Допустим, для розетки важно, чтобы в ней всегда поддерживались 220 В при любых условиях. Создавать мощные двигатели и генераторы, выдерживающие сильные нагрузки, удается именно благодаря алгоритмам управления.

«На АО „Силовые машины“ мы занимаемся крупногабаритными электрическими устройствами. Создаем генераторы для атомных станций и различных ТЭЦ. Есть и автономные генераторы, например, для станций на Крайнем Севере. Но дело в том, что ГЭС, АЭС, ТЭЦ — это все крупные электростанции. Внедрять в них новую систему сразу после ее разработки рискованно. Поэтому, создавая новые алгоритмы управления, я начал с маленьких электрических машин», — рассказывает эксперт.

Один из таких алгоритмов специалист БГТУ разработал для двигателей на точильных, токарных и фрезерных станках в Санкт-Петербурге. Благодаря этой технологии удалось повысить энергоэффективность ресурсов на 5% в месяц и сделать так, чтобы оборудование стабильно работало даже после экстремальных перегрузок и в нештатных условиях.

Создавать подобные алгоритмы управления довольно непросто, признается эксперт. Для этого требуется большой математический аппарат, который, как правило, трудно вычисляется. Главным компонентом выступает специальный регулятор — маленький компьютер с различными датчиками, в котором программируется специальный код. Проблема этих микропроцессоров в том, что хотя устроены они не сложно, однако зачастую из-за этого делают технику достаточно слабой.

«Например, если я точу какое-нибудь изделие и чуть-чуть посильнее нажал на педаль, нагрузка возрастает, происходит резкий перепад, и двигатель „хочет“ остановиться. И вот из-за таких ситуаций регуляторы, которые сейчас применяются, недостаточно хороши. Для двигателей самое главное — чтобы за кратчайшее время мы выходили на нужные обороты и вовремя тормозили. С помощью алгоритмов я добивался нужного регулирования, в частности, мне удалось сократить время переходного процесса», — объясняет спикер.

От станков до спутников

Вообще, алгоритмы управления используются практически во всем, что относится к автоматическому оборудованию — от самостоятельно открывающихся дверей в супермаркетах до космических аппаратов. И у последних, конечно, есть свои особенности.

«Дело в том, что спутник должен доставляться на ракетоносителях в сложенном состоянии (при этом он занимает в диаметре до полуметра в длину и два метра в высоту). В космосе он раскрывается до нескольких десятков метров. Конечно, до этого я занимался летательными аппаратами, но здесь, в условиях невесомости, было непонятно, как ими управлять. В космосе нет сил притяжения, зато есть радиация, которая снижает срок эксплуатации техники. Сама конструкция очень большая, и все процессы могут оказаться довольно неустойчивыми», — подчеркивает Федор Митин.

Чтобы улучшить возможности нового спутника, специалисту потребовалось изучить систему настройки и развертывания крупногабаритных космических аппаратов. Было необходимо создать такой алгоритм управления, который позволит быстро и эффективно развернуть космическую конструкцию в невесомости. Разработка проводилась для российского производителя спутников связи «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (ИСС).

«Практически все крупные спутники используют до 15 лет, затем их сводят с орбиты. К тому моменту, когда нам поставили задачу, конструкция ИСС находилась на орбите в сложенном состоянии уже полгода», — отмечает эксперт.

Новый алгоритм, который предложил ученый, позволяет раскрыть конструкцию на орбите всего за месяц. То есть, в шесть раз уменьшить сроки введения в рабочее состояние, повысить время работы и эффективность спутника. При этом сам процесс развертывания, как показала практика, проходит достаточно плавно и без колебаний.

Когда за рулем ИИ

Сейчас этот проект специалист продолжает развивать в статусе руководителя гранта РНФ. По его словам, в этом направлении есть огромные перспективы: активно развивается цифровая техника, компьютеры становятся мощнее и при этом они более компактные. Их вычислительные способности выросли в геометрической прогрессии, особенно по сравнению с тем, что было десять лет назад.

На базе всех этих технологий можно разрабатывать более совершенные алгоритмы управления. В этом и кроется повышенный интерес к автоматизированным системам, беспилотникам, управлению «умным» городом.

«Сейчас практически в любой сфере можно заниматься совершенствованием технологий. У нас разрабатываются беспилотные автомобили, которые уже хотят внедрять на трассу. При этом по трассе М11 „Нева“ уже ездят беспилотные грузовики. Обычные автомобили оснащают, например, системой, помогающей держаться полосы, автоматическим торможением. Автоматика внедряется во все сферы жизни», — рассказывает Федор Митин.

Однако с современными технологиями приходят и новые трудности. Одна из проблем связана с внедрением в управление разными устройствами и машинами искусственного интеллекта. Допустим, для оборудования на заводах легче наладить автономную работу, чем для беспилотных автомобилей, у которых может быть множество нештатных ситуаций. И вот здесь, по мнению эксперта, алгоритмы можно дорабатывать бесконечно.

Заманчивые перспективы

Тем не менее все эти вопросы открывают большие перспективы для будущих инженеров и программистов в области управления. По словам специалиста, необходимые условия для развития были созданы еще в советские времена.

«Наша школа инженерного управления была одной из лучших в мире. Вспомнить, например, знаменитый орбитальный корабль „Буран“, способный совершать автоматическую посадку. Международную федерацию автоматического управления создали именно в СССР. Конечно, в 90-е ситуация изменилась, однако у нас в стране до сих пор есть крупные школы», — делится эксперт.

Среди них — Московский авиационный институт в Москве или «ВОЕНМЕХ» в Санкт-Петербурге. Студентам важно хорошо разбираться в математике и программировании. А еще быть любознательными и обладать терпением. Поскольку для ученого много времени может уходить на работу, порой кажущуюся безрезультатной. И только позже, потратив огромные силы, он добивается нужной цели.

«Когда появились космические аппараты и ракеты, для них потребовалась активная разработка алгоритмов управления. Поэтому сейчас это тоже актуально. Везде, где есть крупные космические авиационные центры, такие специалисты востребованы. Ну, и учитывая автоматизацию всего вокруг, то думаю, управление — это одна из тех областей, которая будет актуальной еще долгие годы», — заключает эксперт.

Анна Шиховец