Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Эффективность функционирования систем автоматизированного проектирования систем автоматического управления (САПР САУ) в значительной степени зависит от используемых в их составе методов и средств анализа и синтеза разрабатываемых систем. Имеющиеся пакеты ігрикладньїх программ охватывают практически все подходы к исследованию динамики САУ. Тем не менее в них не реализованы методы и алгоритмы анализа корневой чувствительности, позволяющие определять скорость и направление миграции корней характеристических уравнений систем управления к зависимости от изменений их параметров, а также методы исследования полей корневых траекторий, обеспечивающих возможность выделения в плоскости собственных частот системы требуемых областей расположения корней и соответствующих им областей допустимых значений изменяющихся параметров.
Проблема разработки методов и средств анализа и синтеза систем управления с изменяющимися во времени (неопределенными) параметрами, в частности, робастных систем, имеет важное практическое значение, поскольку каждая реальная система подвержена влиянию неопрсдслсгагостей. Это, как правило, объясняется неточностями изготовления ее элементов, допусками на их размеры, внешними возмущениями и может вызвать отклонения от іребуемого режима функциоїшроваїгая. Значительные успехи
неопределенностью с применением алгебраического, частотного и корневого подходов, в особенности методами, основанными па известных теоремах В.Л. Харитонова. Однако не получены существенные результаты по параметрическому синтезу устойчивых объектов управления в плане установления областей (интервалов) допустимых значений неопределенных параметров (включая комплексные).
Ввиду сложности структур и методов расчета современных систем управления, повышения требований к срокам и качеству проектирования существенное значение приобретает создание соответствующих средств автоматизации, имеющих в своем составе пакеты прикладных программ (ІІІ1П), базы данных и другие элементы САПР. Такие пакеты обычно состоят из большого числа программных модулей (ПМ), выбирая различные варианты компоновки которых друг с другом, т.е. строя различные вычислительные модели, можно решать целый ряд задач проектирования. В подобных случаях целесообразным является введение в структуру пакета средств автоматизированного синтеза технологических маршрутов процедур проектирования САУ, что позволяет обеспечить выбор оптимального варианта решения поставленной задачи, планирование вычислений и другие
возможности. Подобпый подход может быть использован при построении САПР, ориентированных на определенную, достаточно узкую предметную область, поскольку отражает специфику конкретной проблемы, обеспечивая тем самым наибольшую эффективность функционирования САПР.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Работа выполнялась в рамках следующих хозяйственных договоров и тем: 1) Республиканской научно-технической программы "Машиностроение", тема 2.24 «Разработка методов автоматизации программирования средств поддержки технологий проектирования САПР сложных технических объектов машиностроения»; 2) проекта фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь № Ф15-009 "Разработка корневых меюдов исследования устойчивости интервальных динамических систем"; 3) Республиканской научно-технической программы «Исследование проблем моделирования интеллектуальных процессов», тема «Интеллект 26» «Разработка и исследование динамических моделей представления знаний и их реализация в САПР САУ с функциональными законами вариации параметров».
Цель и задачи исследования.
Целью диссертации является разработка методов и средств автоматизироватпгого исследования динамики и проекгироваїгая линейных систем автоматического управления с применением полей корневых траекторий и функций корневой чувствительности и их реализация в САПР САУ.
Задачи проведенного в работе исследования следующие:
разработка методологии машинного исследования динамических свойств систем управления с неопределенностями с применением корневых методов, в частности полей корневых траекторий и функций корневой чувствительности;
разработка алгоритмов аналитического описания и графического построения скалярных полей корневых траекторий САУ, векторных полей функции корневой чувствительности и, на этой основе, машинных методов анализа и параметрического синтеза систем управления с ueoi гоеделенностями;
создание средств автоматизированного синтеза вычислительных моделей проектных процедур САПР САУ, функционирующих на базе программного комплекса, предназначенного для исследования динамики линейных систем управления с применением полей корневых іраекторий и функций корневой чувствительности.
Методы исследования.
Применены методы, основные принципы и положения общей теории корневых траекторий, мегоды автоматизации программирования, теории автоматического управления, теории поля, теории функций комплексного
переменного, теории графов, дифференциального и интегрального исчисления.
Научная новизна и значимость полученных результатов:
разработана методология машинного исследования динамических свойств и проектировашгя систем автоматического управления с применением полей корневых траєкторнії и функций корневой чувствительности, позволяющая осуществлять автоматизированный анализ и параметрический синтез СЛУ с неопределенностями, удовлетворяющих заданным требованиям устойчивости и качества функционирования;
предложены алгоритмы аналитігческого описания и построения скалярных нолей корневых траекторий САУ разлтгчных типов, векторных нолей функции корневой чувствительности, определения их основных характеристик, что позволило провести исследование круговых полей корневых траекторий и корневых годографов систем управления, установить закономерности их локализации в плоскости собственных частот системы и использовать отмеченные результаты исследопапи;; для создания средств анализа и параметрического синтеза слоем с неопределенностями с учетом требований к их динамике;
разработаны машинные методы и алгоритмы анализа и параметрического синтеза объектов САУ с неопределенностями, основанные на применении результатов иселедоваїпія закономерностей локализации полей корневых траекторий и ветвей корневых годографов в плоскости собственных частот системы. В отличие от іімсіощігхся постановок задач подобного рода, ограничивающихся установлением отклонений возмущенных параметров системы, при которых сохраняется свойство ее устойчивости, данная постановка позволяет определять каким образом и какие параметры системы следует изменять для обеспечения устойчивости, если исходная САУ не устойчива;
- разработан способ автоматизированного определения состава и
порядка выполнения программных модулей при построешш технологических
маршрутов процедур САПР САУ, обеспечивающих решение поставленной
задачи проектировать;
- предложен способ организации системы автоматизированного синтеза
вычислительных моделей проектных процедур САПР САУ,
функционирующей на базе разработанного программного комплекса
иселедоваїпія и проектирования динамических систем с применением полей
корневых траекторий и функций корневой чувствительности. Отличительной
особенностью системы является интерактивный режим функционирования и
обеспечение возможности согласования интерфейсов программных модулей
по семантике и типам данных.
Практическая значимость полученных результатов.
На основе разработанных в диссертации методов и средств создан программный комплекс, предназначенный для анализа и параметрического синтеза линейных систем управления, включая системы с неопределенностями, с применением полей корневых траекторий и функций корневой чувствительности. Он представляет собой дальнейшее развитие пакета прикладных программ GRLT автоматизироватюго проектирования САУ и комплекса инструментальных средств поддержки технологий автоматизированного проектирования в составе САПР САУ. Программный комплекс используется па НП ГМП «Гранат-Автоматика» с целью расчета параметров звеньев манипуляторов промышленных роботов, внедрен в учебный процесс в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники и Белорусской государственной политехнической академии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
методология машинного исследования и проектирования динамических систем с применением полей корневых траекторий и функций корневой чувствительности, позволяющая осуществлять автоматизированный анализ и параметрический синтез САУ с неопределенностями в соответствии с заданными требованиями устойчивости и качества переходного процесса,
- алгоритмы аналитического описания и построения скалярных
стационарных полей корневых траекторий САУ различных типов, векторных
полей функции корневой чувствительности, определения основных
характеристик полей и соответствующие программы, позволившие провести
исследование микроструктуры круговых полей и корневых годографов САУ,
выявить закономерности их локализации в плоскости комплексного
переменного системы управления и использовать отмеченные результаты
исслсдовашія для создания средств анализа и параметрического синтеза САУ
с неопределенностями с учетом требований к динамике систем;
машинный метод и алгоритм параметрического синтеза динамических систем с неопределенностью, удовлетворяющих заданным требованиям качества, основанный на применении круговых скалярных полей корневых траекторий и разработанный на основе анализа закономерностей микроструктуры этих полей, выявленных при проведении соответствующего исследования; условие асимптотической устойчивости полиномов Харитонова интервальных семейств систем, машинный метод и алгоритм их параметрического синтеза;
организация системы автоматизироватюго синтеза вычислительных моделей проектных процедур САПР САУ с соответствующей базой данных иерархической структуры, способ автоматизированной генерации технологических маршрутов процедур САПР САУ, определяющих порядок выполнения ПМ в синтезируемой вычислительной модели; комплекс
алгоритмов и программ модульной структуры для анализа и синтеза линейных САУ, включая системы с неопределенностями, с применением полей корневых траекторий и функций корневой чувствительности.
Личный вклад соискателя.
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.
Апробация результатов диссертации.
Резуїгьтатьі диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 1). Всесоюзная научно-техническая конференция "Информационное и программное обеспечение САПР". Ужгород, 15-18 октября 1990 г.; 2). Международная научно-техническая конференция "Теория и методы создшшя интеллектуальных САПР". Минск, 23-25 ноября 1994 г.; 3). Международная научно-техническая конференция "Автоматизация проектирования дискретных систем". Минск, 15-17 ноября 1995 г.; 4). Международный научный симпозиум ШЕЕ "Emerging Technologies and Factory Automation". Париж (Франция), 10-13 октября 1995 г.; 5). ХШ Несмирный конгресс Международной федерации автоматического управления (IFАС). Сан-Франциско (США), 30 июня-5 июля 1996 г.; 6). Международная научная конференция AMSE "Systems and Signals in Intelligent Technologies". Минск, 28-30 сентября 1998 г.; 7). Вторая международная научно-техническая конференция "Моделирование шггеллектуалышх процессов проектирования и производства" (CAD/CAM"98). Минск, 10-12 ноября 1998г.; 8). Европейская конференция по автоматическому управлению «European Control Conference». Карлсруэ (Германия), Зі августа-3 сентября 1999г.
Опубликованиость результатов.
Результаты диссертации представлены в семнадцати научных публикациях, в том числе в пяти статьях, опубликованных а материалах международных конференций, одной статье в научном журнале, четырех брошюрах, пяти тезисах докладов международных конференций. Два программных комплекса, созданных на основе методов и средств, разработанных в диссертации, переданы в Специализированное отделение РФАП РБ по САПР АНИ при НТК НАЛ Беларуси. В соавторстве опубликовано 109/56 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах и состоит из введения, обшей характеристики, пяти глав основной части, описания результатов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 100 страниц машинописного текста, 26 страниц иллюстраций, 2 страницы таблиц, список использованных источников на 9 страницах, 4 приложения на 28 страницах.
