Введение к работе
Актуальность работы. Развитие фундаментальной и прикладной теорий управления осуществляется с одной стороны в направлении разработки новых принципов построения автоматических и автоматизированных систем управления способных обеспечивать наилучшие показатели качества практически в любых условиях функционирования, с другой стороны адекватных методов математической формализации и разработки достаточно простых и доступных для целей инженерной практики, методов анализа и синтеза такихсистем.
В этой связи актуальным и многообещающим является направление соорентированное на дальнейшую разработку дискретных нелинейных систем управления (ДНСУ), к классу которых относятся также частотно-импульсные системы с переменным периодом дискретности и. в частности, системы с частотно-импульсной модуляцией второго рода (ЧИМ II рода), собственно модулятор в которой можно представить структурной схемой состоящей из последовательного соединения: время задающего фильтра (ВЗФ) с устройством сброса в исходное (нуле-> вое) состояние, релейного элемента (РЭ) с зоной нечувствительности и выходного устройства (ВУ), формирующего импульсы-управления оп- ределенной формы, в зависимости от типа ВЗФ различают: интегральную частотно-импульсную модуляцию (ИЧИМ), если в качестве ВЗФ используется интегрирующее устройство, а если в качестве ВЗФ располагают инерционное звено первого порядка, также со сбросом в исг ходное состояние, то такой способ модуляции получил название сигма частотно-импульсной модуляци (І ЧИМ). При таких способах модуляции входной сигнал (или сигнал рассогласования) квантован вовремени по определенной функциональной зависимости.
Однако разработка частотно-импульсных САУ с переменным периодом квантования при решении ряда научно-технических.проблем, отличающихся большим разнообразием и сложностью используемых исполнительных устройств, обладающих астатическими свойствами, приводит к_необходимости использования алгоритмов дополнительной модуляции, яв-лющихся некоторым функционалом от фазовых координат системы управления, формирующих последовательность импульсов управления с двойной функциональной зависимостью: либо с функциональной частотно-амплитудной, либо с функциональной частотно-широтной импульсной . модуляцей.
Во многих случаях техническая реализация систем с двойной функциональной импульсной модуляцией оказывается более простой и предпочтительной по сравнению с другими импульсно-модулированными управляющими алгоритмами, поскольку ФЧИМ формирует управляющие сиг--.налы, хорошо согласующиеся с большинством типов исполнительных механизмов, имеющих конечное число рабочих состояний, и имеют при
этом высокую степень vпомехозащищенности, и не требуют тактовой частоты, ' при этом функционирует без накопления ошибок за. счет обнуления достигнутых состояний через конечные интервалы времени. Структурную схему самого общего вида такого способа модуляции можно показать как на рис. 1.а, а временную диаграмму работы элементов показать на рис. 1.6,на котором приняты следующие, обозначения: ВЗФ. время-задающий фильтр. РЗ- рэлейный элемент. ФФУ- функциональное формирующее устройство.формирующее импульсную последовательность согласно функционалу F(E) в виде y'(t), или y".(t).
Системы автоматического (автоматизированного) управления с ФЧИМ в контуре управления являются достаточно-сложными для исследования из-за существенной -нелшнейностьи преобразований.- вызванных переменным периодом квантования, а также наличием операции сброса (обнуления) ВЗФ в исходное состояние.
Отличительной особенностью частотно-импульсных САУ с ЧИМ II рода . в контуре управления и исполнительными' устройствами, обладающими астатизмом, является возможность возникновения автоколебательных режимов.Чтобы избежать автоколебаний в системах управления с ЧИМ II рода, необходимо вводить корректирующие устройства. Наиболее эфективными средствами коррекции являются нелинейные частотно-зависимые корректирующие устройства, которые при реализации y=F(E) в, конечном итоге приводят к двойной функциональной частотно-импульсной модуляции, получающихся в виде комбинаций ЧИМ II рода с функциональной амплитудой/ либо с функциональной широтной импульсной модуляцией, .которую в дальнейшем будем именовать функциональной частотно-импульсной модуляцией (ФЧИМ).
Поскольку частотно-импульсные системы автоматического управления относятся к классу нелинейных импульсных систем и не имеют достаточно, простого и точного математического описания, то до настоящего времени класс систем с частотно-импульсной модуляцией и. в частности, с ЧИМ И рода является наименее-изученным в классе дискретных САУ.
Во многих отраслях промышленности таких как энергетика, нефтеперерабатывающая, металлургическая, деревообрабатывающая и лесная, машиностроительная, электронная, транспортная, судостроительная, промышленность строительных материалов и других создание авгомати-зированных_ систем управления технологическими процессами ' (АСУ ТШ связано , в первую очередь, с необходимостью создания таких регулирующих устройств для управления технологическими параметрами различной физической природы (температура, давление, расход, концентрация, напряжение, частота, угловые и линейные перемещения и т.д.), объекты которых подвержены влиянию возмущений, в том числе имеющих случайный характер. Применение для этих целей обычной регулирующей аппаратуры, выпускаемой отечественной и зарубежной про-
мышленностью, часто не обеспечивает требуемых показателей качества и. как следствие, в конечном итоге снижают экономическую эффективность производства. Использование регулирующих устройств спроектированных на базе ФЧИМ преобразователей с различными функциональны-' ми зависимостями дает возможность отфильтровывать случайную составляющую изменения внешних возмущений, добиваясь при этом необходимой точности и динамических показателей качества упрвляемюс процессов. '
Анализ научной и технической литературы, опыт государств СНГ-и ряда зарубежных фирм дальнегозарубежья: "Chino" (Япония), "Напеу-well" (США;, "General Electic (США), "Simens" (Германия), "AEG" (Германия) и ряд других показывают, что дискретные нелинейные Фильтры все более широко используются в автоматических и автоматизированных системах управления промышленными и специальными объектами.
Состояние вопроса. Основные направления в теоретическом исследовании частотнр-импульсных систем до настоящего времени основывались на использовании методов Ляпунова и абсолютной устойчивости. Критерии и оценки , разработанные на основе этих методов, безусловно, имеют фундаментальное значение, однако их разработка до уровня инженерных.расчетов достаточно сложна и связана с большим объемом вычислительной работы, что затрудняет использование опубликованных результатов для решения практических инженерных задач.
Существенный вклад в теорию и практику частотно-импульсных систем внесли российские ученые, ученые стран СНГ, а также ученые США, Германии, Японии и ряда других стран: Кунцевич В.М., Цип-кин Я.З., Чеховой Ю.Н.. Гелиг А.Х., Вавилов А. А., Попков D. С., Дымков В.И., Державин О.Ы., Ашимов А. А.. Асубаев К.Ш.. Джури Э., Павлидис Т.. Ли Б.', Джонс Р., Фритче В. и другие.
Сложная функциональная зависимость положения импульсов управления в импульсной последовательности (ЧШ II рода), функциональная зависимость энергии импульсов управления в той же импульсной последовательности (ФЧИМ) не дают возможности иметь достаточно простые и удобные для инженерной практики математические модели подобно моделям имеющим, место в линейной непрерывной и в линейной импульсной теории автоматического регулирования ,и управления.
Поэтому в большинстве работ системы с ЧИМ II рода рассматриваются как'частотные-обособленные, математические модели модуляторов в которых пригодны лишь для целей анализа, т.е. для определения условий существования периодических режимов, их параметров и устойчивости.
Совсем незначительное число работ по теории,таких систем посвящено расчету переходных процессов, методам синтеза и способам формирования алгоритмов управления, теоретическим обобщениям резуль-
, І - 6 -
\
татов использования ЧИМ II рода в системах АУ.
Для настоящего времени характерно два направления при решении задач анализа и синтеза систем с ЧИМ II рода. Одно связано с разработкой и применением методов аналитического или графоаналитического исследования уже традиционно применяющихся и хорошо себя зарекомендовавших в инженерной практике, другое, связано с все более цироким применением ЭВМ как при решении задач анализа и синтеза систем управления, а также и как управляющих устрийств в системах управления. В этой связи возникают проблемы отбора и разработки новых расчетных методов, которые с одной стороны учитывали бы особенности рассматриваемого класса систем, а с другой стороны, позволял бы использовать ЭВМ наиболее эффективно. Поэтому, для сокращения времени в вычислительных процедурах и исключения возможных ошибок, важное значение приобретает разработка сравнительно простых- инженерных графоаналитических'методов анализа и синтеза' этого класса частотно-импульсных систем, позволяющих осуществлять на стадии проектирования приближенный расчет значений параметров, которые в последствии будут уточнены при моделировании (математическом или физиеском) и обеспечат попадание в желаемую область.
Цель работы. Целью диссертационной работы является: во-первых, разработка приближенных (инженерных) методов расчета систем*управления с ФЧИМ, методов применяемых не только для целей'анализа , но и для синтеза таких систем по заданным показателям качества; во-вторых, теоретическое обоснованное обобщение и разработка структур одноканальных регуляторов, построенных на базе ФЧИМ ; в третьих, способов формирования алгоритмов управления в одноканаль-' ных регуляторах с различными функциональными зависимостями энергии управляющих импульсов и их техническая реализация для промышленного использования.
Научная новизна рабаты состоит: - в теоретическом обобщении и
разработке функциональной зависимости частотно-модулированной энергии управляющих импульсов в системах управления^ одноканальними дискретными регуляторами и способов формирования алгоритмов управления на основе эквивалентных структурных преобразоаний. разработки и использования методов эквивалентной гармонической и квазигармонической (прямоугольной) линеаризации для определения математической модели ФЧИМ, а также использование логарифмических частотных и расширенных нормированных логарифмических частотных характеристик для целей анализа и синтеза САУ с ФЧИМ в контуре управления;
-в теоретическом обобщении математической модели ФЧИ модулятора, построении эквивалентных структурных схем функциональной зависимости энергии импульсов управления либо от периода в частотной
последовательности, либо по некоторому функционалу от абсолютной
величины входного сигнала и т. д.; v
в обобщении и развитии метода гармонического баланса для класса систем с функциональной ЧИМ, в обобщении и развитии частотного критерия Найквиста для определения параметров периодических режимов, устойчивости периодических решений;
в обобщении и развитии частотных методов синтеза по расширен- ' ным логарифмическим частотным характеристикам, для расчета переходных процессов и для синтеза функциональной зависимости энергии импульсов управления в зависимости от заданых показателей качества динамических процессов замкнутых ЧИС управления.
Практическая ценность работы. Прикладными результатами работы являются:
разработка эквивалентных структур частотно-импульсных модуляторов с функциональной зависимостью энергии импульсов управления в импульсной последовательности;
разработка структурных схем регуляторов с типовыми законами управлиния 'с пропорциональной частью в виде функционального ЧИМ-преобразователя, что определяет переменный период квантования;
инженерные методы анализа и синтеза частотно-импульсных систем с применением метода расширенных эквивалентных частотных характе7 ристик на основе построения диаграмм качества;
разработка пакета прикладных программ для расчета систем управления с функциональной ЧИМ на ЭВМ.
Достоверность теоретических положений диссертации, способов расчета динамических процессов, эффективность алгоритмов и работоспособность структур подтверждены результатами их длительного практического использования:
в практике проектирования систем управления энергосистемами по частоте и активной мощности путем автоматической подстройки частоты синхронных генераторов при точной синхронизации с помощью ЦВМ; -
в практике построения систем управления глубоководными подвод-ными аппаратами, судами движущимися в условиях действия морского
волнения различной бальности;
в системах автоматизированного управления технологическими процессами (локальные подсистемы) в лесном комплексе, в промышленности строительных материалов, в электронной промышленности - в управлении поточной линией по производству полистерольных конденсаторов К70-6;
в учебном процессе по курсам: "Теория автоматического управления", "Теория управления и АСУ ТП.ГПС", "Системы автоматизации и управления".
По материалам диссертаций автором подготовлены и читаются разделы в вышеперечисленных курсах для специальностей 2101, 2103, для слушателей спецфакультета, повышения квалификации инженеров.
-Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждалиль на 8 Всесоюзных и двух республиканских, конференциях и симпозиумах, на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава С.-Петербургского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина),' С-Петербургской лесотехнической академии. С-Петербургского технологического университета (базовая кафедра ВИАСМ),С-Пб Государственного технического университета.
1. Применение ЙЧИМ в системах автоматического регулирования тех
нологическими процессами.
Тезисы доклада на Республиканской межвузовской конференции по вопросам радиоэлектроники и автоматики, Львов, 1967.
2. Адаптивная система, управления глубоководным аппаратом с функ
циональным частоно-импульсным алгоритмом управления.
Тезисы доклада на Всесоюзном симпозиуме по проблеме человек-машина на морских судах. 28-31 .октября 1975.г.-Ленинград.
3: Тезисы доклада на III Ленинградском симпозиуме -по теории адаптивных систем. г.Ленинград. 1976.
Параметрическая адаптация в системе управления движущимся объектом с функционально-частотной модуляцией; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) (Ленинград.1967-1991 гг).
-
Самонастраивающаяся система управления подруливающим устройством для стабилизации судна в заданной точке. Тезисы доклада на II Всесоюзной конференции по освоению мирового океана. Технические средства вып. ч. III 1978 г.Ленинград.
-
Доклад на I Всесоюзной конференции по АСУ ТП 28-30' ноября 1978 г.Ленинград. Математическая модель и поиск оптимальных режимов работы АСУ ТП изготовления пленочных конденсаторов К70-6.
6.Тезисы доклада на Всесоюзном симпозиуме по безопасности полетов 21 ноября 1979' г. Ленинград. Поведение системы самолет-автопилот с функциональной ЧИМ в турбулентной атмосфере.
7,8. П-Ш Всесоюзная межвузовская научно-техническая конференция "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП. Тезисы доклада. 1980,1985 г. Математическая модель и поиск оп-,тимальных' режимов работы АСУ ТП изготовления пленочных конденсато-1 ров К70-6".
9. Третье .Всесоюзное совещание по проблеме "Комплексирование бортовых систем и новая информационная технология". 22-25 мая 1990 . г. г.Ленинград.
Многоканальные цифровые системы автоматического регулирования с ' переменным квантованием в комплексе технических средств АКУ.'
10. Тезисы доклада на XIX Всесосзной конференции по управлению движением судами и глубоководными аппаратами. 26-28 мая 1992 г. г.Новороссийск.
Исследование динамики системы судно-авторулевой с переменным периодом квантования-(ФЧИМП) в условиях действия морского волнения.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы отражены в печатных работах. . Среди опубликованных работ тридцать семь печатных статей и тезисов докладов на Всесоюзных конференциях, 7 авторских свидетельств на изобретение СССР.
Структура и объем работы.