Введение к работе
Актуальность темы исследования. Создание систем автоматизации прс-ектирОбаншГ(САПР) обусловлено резко возросшими требованиям!! к клчестзу проектируемых изделий, снижению их стоимости, необходимостью сокращения сроков проектирования, снижения трудоемкости самого процесса проектирования, а также устранения неударных проектов на начальных стадиях работ. Указанное в полной мере относится к процессу создания систем автоматического управления (САУ). так как достижение предельных характеристик САУ на этапе проектирования возможно лишь при использовании САПР. Концептуально такая постановка вопроса подразумевает оптимальное проектирование, при этом важнейшей для практики и одновременно наиболее сложной является задача синтеза.
Для выполнения заданных требований к САУ, как правило, необходимо введение в систему дополнительных звеньев - корректирующих устройств (КУ), характеристики которых в значительной степени определяют качество функционирования системы в целом. Таким образом, решение задачи синтеза корректирующих устройств (определение вида КУ, места подключения в системе и их параметров), является весьма сложным и ответственным этапом в процессе создания САУ. По указанной причине большую актуальность приобретают разработка к внедрение САПР корректирующих устройств.
Различные методы синтеза корректирующих устройств САУ рассмотрены в работах Е.И.Хлыпало, Е.П.Попова, И.П.Пальтова, ЛВ.Московченко, С.Н. Шарова, В.Т.Шароватова. Ю.Ю.Шумилова и других. Проблемой автоматизации синтеза КУ занимались Р.И.Солышцев, В.В.Солодовников, А.Г.Александров. И.А.Орурк, Х.Розенброк, Д.Х.Имаев, И.М.Тертерова и другие. Однако унифицированных методов синтеза КУ не сушествует, поэтому в каждом конкретном случае необходимо ставить вопрос о возможности и необходимости использования того или иного метода. Несмотря на наличие в методах синтеза формализованных расчетных процедур, разработчику очень часто приходится полагаться на свой опыт и интуицию. И хотя в области синтеза КУ наблюдается определенный прогресс, существует необходимость дальнейшего развития методов синтеза и создания на их базе средств автоматизации проектирования корректирующих устройств.
Дополнительные возможности разработчикам корректирующих устройств ГАУ может дать использование методов и средств цифровой обработки сигна-10в (ЦОС). Применительно к САУ это, прежде всего, возможность обработки а эежиме разделения времени различных управляемых и регулируемых перемен--1ых и подстройки (адаптации) параметров, а также возможность смены самого шгоритма управления.
Что касается собственно вопросов оптимального синтеза цифровых корректирующих устройств, то к настоящему времени сложилась ситуация, парадоксальная по своей сути.
С одной стороны, в литературе, посвященной ЦОС, глубоко проработаны теоретические основы и решены многие прикладные задачи.
С другой стороны, вопросы оптимального синтеза цифровых корректирующих устройств САУ в известных работах рассмотрены явно недостаточно. Это, с свою очередь, привело к появлению методик, упрощающих синтез цифровых САУ, например, обеспечивающих сокращение нулей и полюсов в неизменяемой части системы и, таким образом, исключающих необходимость применения КУ с передаточными функциями высоких порядков. Упрощение же модели САУ приводит к утере тонких свойств системы при проектировании и, как следствие, к ухудшению ее качества. Собственно синтез КУ производится фактически методом подбора, что еще более усугубляет ситуацию.
При классическом подходе к проектированию устройств ЦОС выделяют этапы аппроксимации, блок-диаграммной реализации и собственно реализации (схемной или программной), на каждом из которых решаются спешіфические и допускающие формализацию задачи. Здесь и далее под блок-диаграммой устройства ЦОС понимается графическое отображение алгоритма его работы.
Из трех этапов проектирования устройств ЦОС важнейшим следует признать первый - этап аппроксимации или, что то же, конструирования операторов обработки сигналов. Важность этапа объясняется следующим.
Во-первых, оптимально спроектированный оператор обработки (в данном случае - оператор коррекции) позволяет существенно улучшить физические и другие характеристики проектируемого устройства.
Во-вторых, уже на этом этапе принципиально возможно учесть специфику элементной базы, связанную, прежде всего, с общими для ЦОС проблемами точности и производительности.
И, наконец, в-третьих, именно этап оптимального конструирования операторов вообще разработан слабее других. Что касается оптимального конструирования операторов коррекции САУ, то в известной литературе соответствующие методы отсутствуют.
На этапе блок-диаграммной реализации наименее разработанной является оптимизация параметров операторов обработки в двоичном их представлении и выбор рациональной структуры звеньев. Обычно применяемая в этом случае оценка минимально-необходимой разрядности коэффициентов передаточных функций радикально проблему не решает.
Что касается других вопросов данного этапа, а также этапа реализации, то они являются универсальными, к настоящему времени детально проработаны и их решение затруднений не вызывает.
В целом же при наличии большого количества средств автоматизации проектирования лишь незначительная часть САПР предназначена для проектирования корректирующих устройств САУ и полностью.отсутствуют-САПРГсо-держашне инструменты -синтеза-корректирующих устройств, построенных на Цифровой элементной базе, з связи с чем разработка подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств (ЛЦКУ) представляется актуальной
Целью диссертационной работы является разработка математического и программного обеспечений подсистемы (инструмента САПР) синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.
Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.
-
і Іроведек анализ основных видов корректирующих устройств САУ, определены преимущества цифровых устройств перед аналоговыми, рассмотрены методы цифровой обработки сигналов, этапы проектирования устройств ЦОС и их содержание. Рассмотрены подсистемы, входящие в состав САПР корректирующих устройств, определено место подсистемы синтеза КУ.
-
Сформулирована задача оптимального синтеза ЛЦКУ, разработан метод конструирования передаточных функций ЛЦКУ при одновременном задании требований к частотным характеристикам, разработаны соответствующие алгоритмы.
-
Рассмотрена чувствительность частотных характеристик некоторых элок-диаграммных реализаций к изменению параметров передаточной функции, разработан метод конструирования передаточных функций ЛЦКУ, основанный на оптимизации коэффициентов ограниченной разрядности в двоичном представлении, предлагаются соответствующие алгоритмы.
-
Разработано программное обеспечение подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.
Основные методы исследования. В данной работе используются теория правления, теория оптимизации, теория цифровой обработки сигналов, теория злгоритмов. Экспериментальная проверка теоретических результатов прово-іится на персональной ЭВМ с использованием методов вычислительной математики и программирования.
Научная новизна диссертационной работы.
-
Разработан метод оптимального синтеза линейных цифровых корректирующих устройств при одновременном задании требовании к амплитудно- и |>азо-частотной характеристикам.
-
Разработан метод оптимального синтеза линейных цифровых корректирующих устройств при ограниченной разрядности коэффициентов пере-іаточной функции.
-ь-
-
Разработана методика оптимального синтеза ЛЦКУ на этапах конструирования оператора обработки.
-
Разработаны алгоритмы оптимального синтеза ЛЦКУ с одновременно заданными'требованиями к АЧХ и ФЧХ при отсутствии ограничений на разрядность коэффициентов передаточных функций и при ограниченной разрядности.
Практическая ценность диссертационной работы.
На базе разработанных методов и алгоритмов создано прикладное программное обеспечение подсистемы САПР, предназначенной для синтеза линейных цифровых корректирующих устройств. Данная подсистема была использована при проектировании двухосного гиростабилизатора для прибора ночного видения. Подсистема дает возможность конструирования передаточных функций ЛЦКУ с одновременно заданными АЧХ и ФЧХ, произвольным соотношением степеней полиномов числителя и знаменателя передаточной функции, а при необходимости - осуществлять синтез ЛЦКУ с ограниченной разрядностью коэффициентов передаточных функций в двоичном представлении.
Подсистема синтеза ЛЦКУ предназначена для использования как отдельно, так и в составе САПР корректирующих устройств САУ. Благодаря широким интерактивным возможностям разработанное программное обеспечение может быть использовано широким кругом разработчиков САУ, а также в учебном процессе.
Реализация работы. Результаты работы и соответствующее программное обеспечение внедрены в научно-исследовательском инженерно-внедренческом центре "Карат" (г. Санкт-Петербург), что подтверждено соответствующим актом. Полученные результаты также используются в учебном процессе на кафедре компьютерных систем автоматизации Государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
8-ой военной научно-технической конференции в Высшем военном инженерном училище связи, г. Санкт-Петербург, ноябрь 1996 г.;
I научной сессии аспирантов Государственного университета аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург, апрель 1998 г.;
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98", г. Зеленоград, апрель 1998 г.;
2-ой Международной конференции "Приборостроение в экологии и безопасности человека", г. Санкт-Петербург, октябрь 1998 г.
Публикации. Список печатных работ автора, отражающих основные положения диссертационной работы, содержит 7 наименований.
Объем работы. Диссертационная работа состоит '-и введения, пяти глав,
заключения, списка литературы и приложении, содержит 55 рисунков и 7 тг.о-
лпц. Основная часть изложена на 134 страницах машинописного текстаГобЬТйн
-объем-л1*ссертаипй"составляет 210 страниц Список литературы содерж.: г 125
наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод и алгоритм синтеза линейных цифровых корректирующих устрожив с заданными одновременно амгтлитудно- и фазо-тастогной характеристиками (АЧХ и ФЧ.Х;
-
Метод и алгоритм синтеза линейных цифровых корректирующих устройств с ограниченной разрядностью коэффициентов ь двоичном представлении.
-
Методика оптимального синтеза ЛЦКУ на этапах конструирования оператора обработки.
-
Разработанное программное обеспечение подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.
