Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩИХ ВОПРОСОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЦВМ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПИСАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
I.I. Общие вопросы моделирования и автоматизации проектирования систем автоматического регулирования 9
1.2. Особенности математических моделей САР и их формализованное описание на уровне структурных схем 1
1.3. Краткий обзор основных свойств численных методов расчета режимов динамических систем 3
1.4. Анализ состава и особенностей отечественных и зарубежных систем цифрового моделирования непрерывных систем .
Основные выводы по главе I ??.
ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ САР НА ЦВМ
2.1. Разностные уравнения для моделирования типовых динамических блоков первого порядка с постоянными параметрами .5.6..
2.2. Разностные уравнения для моделирования типовых динамических блоков первого порядка с переменными параметрами
2.3. Разностное уравнение для моделирования линейных динамических блоков с передаточной функцией высокого порядка .73..
2.4. Алгоритм и программа расчета переходных и установившихся процессов в структурных схемах САР
2.5. Экспериментальное исследование точности и быстродействия алгоритма расчета переходных процессов в структурных схемах САР
Основные выводы по главе II
ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАШ/І ЯЗЫКОВОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
3.1. Разработка лексики, синтаксиса и семантики входных языков структурного моделирования САР ...
3.2. Особенности реализации транслятора для входных язы- 109
ков структурного моделирования ..
3.3. Организация информационного обеспечения при структурном моделировании тг.
Т20
Основные выводы по главе III
ГЛАВА ІУ. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ МІЛИННОГО АНАЛИЗА
СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ДС И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
4.1. Основные требования к архитектуре системы машинного анализа структурных схем динамических систем .г.г
4.2. Алгоритмы обмена данными между проектировщиком и системой моделирования ...
4.3. Алгоритм анализа и параметрической оптимизации САР по показателям качества переходных процессов
4.4, Анализ переходных процессов в структурной схеме системы управления гирокомпасом
4.5. Исследование режимов и параметрическая оптимизация полупроводникового регулятора возбуждения синхронного генератора с электромашинной системой возбуждения .т
Основные выводы по главе ІУ Ї.Ї.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Ї??.
ЛИТЕРАТУРА *?f.
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Общие вопросы моделирования и автоматизации проектирования систем автоматического регулирования
- Разностные уравнения для моделирования типовых динамических блоков первого порядка с постоянными параметрами
- Разработка лексики, синтаксиса и семантики входных языков структурного моделирования САР
- Основные требования к архитектуре системы машинного анализа структурных схем динамических систем
Общие вопросы моделирования и автоматизации проектирования систем автоматического регулирования
Одной из основных составляющих непрерывных технологических процессов и технических систем являются системы автоматического регулирования и управления (САР). Часто весь технологический процесс или техническую систему рассматривают как объект или систему регулирования и управления /26, 33, 35, 53, 56, 81, 124/. Создание новых и совершенствование действующих непрерывных технологических процессов требует создания быстродействующих и точных САР, обеспечивающих высокое качество регулирования. Проектирование таких систем автоматического регулирования и управления является сложной многоуровневой задачей и ставит перед разработчиками на каждом из этапов проектирования широкий крут задач анализа, синтеза и оптимизации СЕОЙСТВ таких объектов /5, 6, 31, 42, 46, 66, 90, ИЗ/. Одним из старейших и, в то лее время, современных способов инженерного анализа при проектировании является моделирование - такой метод исследования /76, 107/, при котором непосредственное изучение явления, процесса или системы заменяется изучением модели, адекватно отображающей существенные для поставленной задачи свойства исходного явления, процесса или системы. В моделировании различают физический и математический методы моделирования, наиболее общим и распространенным методом исследования является метод математического моделирования на цифровых, аналоговых и гибридных вычислительных машинах /3, 22, 38, 104/. Моделирование САР на каждом из указанных средстЕ имеет свои преимущества и недостатки /3, 147/ -и требуют решения обширного круга вопросов. Особенно большое значение получило моделирование динамических систем на универсальных цифровых вычислительных машинах в связи с необходимостью комплексной автоматизации процесса проектирования. Этой цели служат системы автоматизированного проектирования (САПР). Разработка сквозных интегрированных САПР должна позволить сократить сроки и улучшить качество разработки - первой из.трех фаз жизненного цикла (разработка, изготовление и эксплуатация) любого устройства, технологического процесса или системы /50, 81/. В соответствии с опубликованными данными использование САПР позволит в 2-4 раза сократить сроки проектирования, на 20-25$ повысить производительность труда в проектных организациях, на 10-20$ сократить затраты на эксплуатацию объектов /36/, повысить технико-экономические показатели в среднем на 10-15$, а в отдельных случаях до 30$ /4/, улучшить качество проектной документации /78/.
Разностные уравнения для моделирования типовых динамических блоков первого порядка с постоянными параметрами
Дискретным аналогом типового динамического блока является разностное уравнение, связывающее входную /(/?)-& выходную y(c/?J решетчатую функции, где /? - шаг выборки, I - номер шага. Соответствие динамических свойств разностного уравнения свойствам исходного дифференциального зависит от способа получения разностного уравнения и величины шага /г .
Например, если для аппроксимации дифференциального уравнения (2.1) использовать схему численного интегрирования Адамеа-Башфорта то прямой подстановкой можно получить разностное уравнение и,выполнив z -преобразование,найти импульсную передаточную функцию у() - (3z -/)
Таким образом, исходному дифференциальному уравнению (2.1) с одним полюсом (корнем характеристического уравнения) поставлено в соответствие разностное уравнение (2.5) с двумя полюсами. Как известно /104/, полюсу в комплекной плоскости р0=-ао соответствует по - 5? -люс в Z - плоскости Z„= expfPg/7) . Из приведенного примера видно, что использование формул численного интегрирования для построения дискретных моделей приводит к появлению "паразитных" составляющих в решении, величина которых зависит от величины шага /г /99/.
Другой способ построения дискретно-аналоговых моделей для динамических блоков состоит в том, чтобы аппроксимировать не всю правую часть уравнения Jfy,t) или решение уСО, а только входную координату t/tf) полиномами различного порядка на каздом из подинтервалов [ , z V/] и с помощью операторных методов получить решение и разностное уравнение /104/. Такая дискретная аппроксимация непрерывной системы схематично приведена на рис. 2.2. Непрерывная входная координата и ft) преобразуется в последовательность дискретных значений решетчатой функции и ft/?) , которая затем преобразуется (аппроксимируется) преобразователем в непрерывную /{) , Далее выходная координата непрерывной части р() вновь преобразуется в решетчатую функцию t/Ut?) . Точность полученного таким образом дискретного аналога для произвольного вида L/ft) определяется типом преобразователя решетчатой функции с/(с6) в непрерывную с/ft) . Широко распространенной является экстраполяция на интервале [t., /V/] нулевого (прямоугольная).
Разработка лексики, синтаксиса и семантики входных языков структурного моделирования САР
Системы автоматизированного проектирования имеют подсистему языкового обеспечения, применение которого позволяет увеличить эффективность использования прикладных программ и информационного обеспечения, организовать интерактивный режим с участием специалистов-проектировщиков .
С точки зрения лексики и семантики входные языки управления заданиями во многом схожи, так как используют принципиально одинаковые возможности вычислительной техники, математического обеспечения и ход решения задач также укрупненно однотипен /ввод, расчет, анализ и, возможно, запись на носитель нужной информации, ЕЫВОД/ и отличается в основном содержанием вводимой и выводимой информации,ме тодами рас чета.
Входные языки описания физических объектов менее схожи, используют словарь той области, для решения задач которой предназначена программа или система, что исключает единый подход с точки зрения лексики и семантики. Это подтверждается наличием большого количества проблемно-ориентированных языков. Как уже отмечалось выше, актуальный обзор языков непрерывного моделирования приведен в работах /59,60/. Разработанные ранее входные языки описания моделей непрерывных систем можно разбить на две группы - группу языков, ориентированных на описание исходных моделей в виде уравнений, и группу языков, ориентированных на описание исходных моделей в виде блоков структурной схемы. Однако наиболее существенной особенностью разработанных ранее языков непрерывного моделирования является их жесткая связь с функциональным обеспечением, т.е. транслятор (компилятор или интерпретатор) создает объектную программу, ориентированную на строго определенный алгоритм расчета. Второй существенной особенностью этих языков является их ориентация на пользователя-исследователя, обладающего навыками программирования на алгоритмических языках. Вследствие этого непосредственное использование разработанных ранее языков непрерывного моделирования в качестве входных языков разработанной подсистемы структурного проектирования САР нецелесообразно. Поэтому были разработаны входной язык управления заданиями (ВЯУЗ) и входіше языки описания моделей различного уровня формализации.
class4 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ МІЛИННОГО АНАЛИЗА
СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ДС И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ class4
Основные требования к архитектуре системы машинного анализа структурных схем динамических систем
С развитием вычислительной техники и технологии программирования выработались определенные общие требования к структуре современных комплексов и пакетов программ /27, 54, 79, 122/. Наряду с общими требованиями к структуре комплексов, пакетов или программных систем разработчикам необходимо решать ряи специфичных вопросов построения и состава.
Принципы построения системы машинного анализа структурных схем динамических систем (МАСС ДС, в публикациях использовано также обозначение МАСС САР) и выбор ее состава проводились с учетом следующих основополагающих требований:
- ориентация на анализ переходных и установившихся режимов;
- возможность работы как в пакетном, так и в диалоговом режимам;
- модульность системы, возможность дальнейшего расширения;
- ориентация на ЭВМ третьего поколения с максимальным использованием возможностей операционных систем;
- максимальная машиннонезависимость системы, ориентация на алгоритмический язык Фортран-ІУ;
- возможность использования в качестве устройства для диало - 122 га абонентских пультов (АП) или экранного пульта проектировщика А 5433 (ЭПП);
- наличие моделей различного уровня формализации и возможности . автоматизированного перехода к расчетным моделям;
- наличие специализированного банка моделей, пригодного для хранения моделей различного уровня формализации;
- возможность работы с системой широкого круга специалистов по моделируемым системам и, следовательно, наличие многоуровневого языкового обеспечения;
- возможность параметрической оптимизации САР на основе прямых и интегральных критериев качества;
- максимально экономное использование оперативной памяти на основе стандартизации компонент описания модели, применение оверлейной структуры для программного комплекса;
- возможность активного участия проектировщика в управлении расчетом, составом модели и процессом параметрической оптимизации.
Реализация этих принципов требует объединения рассмотренного выше функционального, языкового и информационного обеспечения и создания управляющей подсистемы организующей функционирование системы в соответствии с конкретными условиями. Такое объединение можно осуществить на основе традиционных схем организации пакетного и диалогового режимов (рис. 4.1 и 4.2) /39, 40/.
Кроме создания управляющей системы для пакетного и диалогового режимов необходамо рассмотреть вопросы обмена данными между пользователем и системой моделирования, с помощью устройств ввода/вывода.
