Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных этапов проектирования системы автоматического управления (САУ) является синтез алгоритма управления. Термин «синтез» включает в себя как разработку алгоритма работы регулятора (синтез регулятора), так и определение параметров алгоритма адаптивного управления.
Возрастающая сложность и разнообразие объектов управления произвольной физической природы, бурное развитие теории автоматического управления (ТАУ) обусловило невозможность разработки современных САУ без использования средств автоматизации проектирования, представляющих собой системы сложных программных комплексов. Программное обеспечение для автоматизации этапа синтеза разрабатывается более четырех десятков лет.
Можно выделить две категории пользователей подобных программных средств:
инженеры (инженеры-разработчики реальных САУ), являющиеся специалистами в области управления конкретными объектами и обладающие необходимыми знаниями в области ТАУ для решения задач по известным проектным процедурам {проектная процедура - это программная реализация алгоритма решения задачи синтеза);
исследователи — это специалисты, обладающие глубокими знаниями в области ТАУ, занимающиеся разработкой алгоритмов решения задач ТАУ и разрабатывающие или непосредственно участвующие в разработке проектных процедур, предназначенных для использования инженерами.
Современная система поддержки разработки САУ, обеспечивающая высокую степень автоматизации процесса проектирования для инженера, должна функционировать следующим образом:
инженер в интерактивном режиме, используя профессиональную терминологию, указывает класс решаемой задачи (синтез регулятора, адаптивное управление и т.п.);
инженер выбирает из числа реализованных в системе наиболее подходящую проектную процедуру, решающую поставленную задачу (например, синтез по требуемой точности стабилизации);
система автоматически решает поставленную пользователем задачу по выбранной проектной процедуре.
Система, обеспечивающая высокую степень автоматизации труда исследователя должна иметь следующие характеристики:
содержать широкий набор программных модулей, реализующих элементарные проектные операции (например, анализ управляемости, синтез LQ-регулятора и т.п.);
иметь эффективный язык программирования, который позволяет объединять отдельные проектные операции (модули) в проектные процедуры;
иметь удобную среду разработки проектных процедур.
Системы для автоматизации разработки алгоритмов управления САУ можно классифицировать по степени автоматизации процесса проектирования.
Системы, разрабатываемые в 1960-1980 гг. (отечественные ДИСПАС, САПРАС, РАДИУС и зарубежные ГОРАС, EISPACK, LINPAC и др.), представляли собой, как правило, интерактивные пакеты программ со слабым лингвистическим обеспечением и обеспечивали низкую степень автоматизации как для инженеров, так и для исследователей.
Разработанная в 80-х гг. система MATLAB вобрала в себя программное обеспечение традиционных методов ТАУ, содержащееся в указанных выше зарубежных пакетах. Кроме того, MATLAB содержит программное обеспечение новых методов: Н-бесконечного субоптимального управления, мю-анализ и синтез, робастное управление и т.д. Обладая большим набором встроенных функций и развитым входным языком, MATLAB обеспечивает высокую степень автоматизации работы исследователя.
Однако инженер-разработчик реальной системы автоматического управленій, который хотел бы использовать MATLAB для решения задач проектирования САУ, столкнется с рядом трудностей: 1) он должен глубоко знать теорию управления, чтобы выбрать, исходя из его задачи, неопределенные параметры используемого метода (например, параметры квадратичного функционала LQ- и Н-бесконечной оптимизации, при которых достигается необходимая точность регулирования и т.д.); 2) инженер должен самостоятельно разрабатывать проектную процедуру для решения своей задачи на входном языке, используя функции MATLAB.
Таким образом, степень автоматизации деятельности инженера в данной системе является низкой.
Наряду с системой MATLAB развивались отечественные системы: ГАММА, ИНСТРУМЕНТ-3, АДАПЛАБ, МВТУ, и др.
Система ГАММА изначально разрабатывалась как система для инженеров. Особенности системы: 1) наличие специальной среды для инженеров-разработчиков САУ, содержащей набор готовых проектных процедур для решения задач синтеза и анализа линейных многомерных САУ; 2) автоматическое решение задач по известным проектным процедурам.
Таким образом, система ГАММА обеспечивает более высокую степень автоматизации для инженера по сравнению с перечисленными системами. Кроме того, система содержит базовые средства для разработки новых проектных процедур исследователем.
Сравнительно недавно начали разрабатываться интеллектуальные системы автоматизации проектирования. Такая система должна на основании поставленной инженером задачи автоматически формировать проектную процедуру для ее решения. Основой для построения проектных процедур являются формализованные знания о методах решения задач ТАУ (модель множества формализованных задач), хранящиеся в базе знаний системы. Системой такого рода является ИНСТРУМЕНТ-3м-И. Эффективным может быть использование данной системы для автоматизации деятельности исследователя.
Таким образом, актуальной является проблема разработки системы синтеза САУ, обеспечивающей высокую степень автоматизации деятельности инженеров и исследователей: разделение функций пользователей в зависимости от их категории; автоматическое решение задач синтеза для инженера; создание эффективных средств разработки проектных процедур для исследователя; автоматическое формирование проектных процедур путем интеграции с интеллектуальной системой автоматического планирования решений задач.
Цель работы состоит в разработке и исследовании средств синтеза систем автоматического управления, которые обеспечивают высокую степень автоматизации деятельности всех категорий пользователей, как инженеров-разработчиков САУ, так и исследователей.
Для достижения поставленной цели в процессе исследования были решены следующие основные задачи:
Разработка модели множества формализованных задач частотного адаптивного управления, дополняющей существующую модель множества формализованных задач синтеза регуляторов и выступающей в виде формы представления знаний для автоматизации разработки проектных процедур.
Разработка архитектуры системы автоматизации синтеза систем автоматического управления, обеспечивающей высокий уровень автоматизации деятельности как инженеров, так и исследователей.
Реализация разработанной архитектуры в виде новой версии системы ГАММА.
Разработка средств интеграции системы ГАММА с интеллектуальной системой ИНСТРУМЕНТ-Зм-И.
Исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с плановой тематикой работ ИПУ РАН в рамках темы «Разработка тео-
рий, алгоритмов автоматизации проектирования и моделирования систем управления» (проект 32433/04 тема 306-04/18 РАН).
Методы исследований. Проведенные в работе исследования и разработки базируются на использовании принципов построения систем автоматизированного проектирования, математической логики, методов искусственного интеллекта, теории синтаксического анализа, методов объектно-ориентированного программирования, теории линейных систем автоматического управления, теории адаптивных систем, методов идентификации.
Научная новизна работы определяется следующими основными научными результатами, полученными лично автором диссертации:
Разработана модель множества формализованных задач частотного адаптивного управления, выступающая в качестве модели представления знаний и позволяющая автоматизировать разработку проектных процедур.
Разработана архитектура многоуровневой системы синтеза САУ, обеспечивающая высокую степень автоматизации процесса проектирования.
Разработанная архитектура программно реализована в виде система синтеза САУ ГАММА-2РС.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложен подход к построению средств поддержки разработки САУ, обеспечивающих высокий уровень автоматизации деятельности пользователей, как инженеров-разработчиков САУ, так и исследователей. Эффективность разработанного подхода подтверждается практической реализацией в виде программного средства. Разработанное программное средство имеет самостоятельную практическую ценность, определяемую его использованием в проектной организации (ОАО КБ «Электроприбор») для научно-исследовательских и проект-
ных расчетов и в учебном процессе в вузе (Электростальский политехнический институт Московского государственного института стали и сплавов).
Достоверность научных положений и выводов, полученных автором диссертации, математически доказана и подтверждена практической реализацией в виде программного средства ГАММА-2РС, реализующего разработанный подход к созданию эффективных средств, обеспечивающих высокий уровень автоматизации, как решения задач синтеза САУ инженерами-разработчиками, так и процесса создания исследователями новых проектных процедур решения задач проектирования САУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на ряде конференций:
Вторая международная конференция «Идентификация систем и задачи управления», Москва, 2003;
Международная конференция «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении», Саратов, 2003;
Четвертая международная конференция «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2004;
Пятая .международная конференция «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2005;
Шестой Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», Саратов, 2004;
Третья международная конференция по проблемам управления, Москва, 2006;
Восьмой Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», Краснодар, 2006.
Публикации. По материалам и основному содержанию диссертационной работы опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, список литературы включает 82 наименования.
