Введение к работе
Актуальность темы исследования. В некоторых специальных случаях, например в морской, авиационной, ракетно-космической технике, объекты управления (ОУ) функционируют в сложных условиях. Причиной этих условий является изменение режимов работы объектов и окружающей среды. Все это приводит к появлению возмущений, действующих на заданную часть электромеханических следящих систем (СС). Помимо этого, заданная часть СС также имеет большое количество конструктивных ограничений. При этом, несмотря на сложность реальных ОУ, необходимо, чтобы синтезированные СС обладали заданными показателями качества, т.е. обеспечивали требования по точности и характеру переходных процессов.
Следящие системы создаются обычно астатическими, для которых важным является отработка без ошибок задающих полиномиальных воздействий заданной степени. При проектировании электромеханических СС актуальными также являются задачи обеспечения нулевых ошибок по положению, скорости, ускорению и т.д., т.е. разработка СС с астатизмом первого, второго, третьего и более высоких порядков.
С применением классического принципа управления по отклонению при высоком порядке астатизма очень трудно обеспечить устойчивость СС. В таких случаях целесообразно применять СС, реализующие принцип динамического управления по выходу и по воздействиям. Этот принцип приводит к применению СС с более развитой структурой управляющего устройства по сравнению с устройствами, реализующими классические законы управления. Это позволяет значительно расширить возможности обеспечения требуемых показателей качества СС. В таких системах применяются двумерные устройства управления (ДУУ). ДУУ позволяет реализовать различные каналы обработки задающего воздействия и управляемой переменной.
Возможность создания сложных УУ в настоящее время обеспечивается интенсивным развитием систем автоматизированного проектирования (САПР) СС, рациональное использование которых возможно лишь на основе эффективных аналитических методов, позволяющих алгоритмически реализовать процедуры автоматизированного (автоматического) синтеза. Наконец, интенсивное развитие интегральной технологии и создание компактных цифровых вычислительных элементов, таких как микропроцессоры, микроконтроллеры, программируемые интегральные логические схемы (ПЛИС), открывает возможность технической реализации достаточно развитых алгоритмов цифровых следящих систем (ЦСС). При этом основной трудностью проектирования ЦСС является обеспечение физической реализуемости цифровых регуляторов с учетом задержек, обусловленных конечной скоростью цифровых УУ (ЦУУ) и цифровых интерфейсов связи между ЦУУ и ОУ.
Известные методы синтеза СС отличаются большим разнообразием критериев синтеза. В их развитие большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые. В теории синтеза непрерывных и дискретных систем (ДС) следует отметить работы В.В. Солодовникова, B.C. Кулебакина, А.А. Красовского, В.А. Бесекерского, ЯЗ. Цыпкина, Л.Т. Кузина, A.M. Шубладзе, Б.Т. Поляка, Д.П. Кима, К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова, Б.С. Куо, А.Р. Гайдука, Р.А. Нейдорфа, B.C. Елсукова, Е.И. Юревича, Э. Джури, R. Kalman, Ч. Филлипса, Р. Харбора, К. Астрома и др.
Проведенный анализ научных работ показывает, что исследования по аналитическому синтезу цифровых следящих систем по заданным показателям качества являются актуальными и представляют важную научно-техническую проблему.
Тема диссертационной работы соответствует одному из приоритетных научных направлений ЮФУ: «Морская, авиационная и ракетно-космическая техника, радиотехника, автоматика и управление». Диссертационные исследования частично поддержаны фондом РФФИ.
Целью диссертационной работы является разработка методов аналитического синтеза цифровых следящих систем по заданным показателям качества в переходных и установившихся режимах.
Объектами исследования являются условия астатизма дискретных следящих систем, методы построения желаемых передаточных функций дискретных следящих систем, методы аналитического синтеза дискретных следящих систем по заданным показателям качества.
Научная задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в разработке методов аналитического синтеза физически реализуемых цифровых устройств управления, обеспечивающих заданные показатели качества следящих систем с частично заданной структурой.
Для достижения указанной цели в рамках диссертационной работы решены следующие задачи:
найдены конструктивные условия астатизма дискретных следящих систем по задающему воздействию и возмущениям;
разработан метод конструирования желаемых передаточных функций дискретных следящих систем на основе стандартных передаточных функций «непрерывных прототипов» с учетом заданных показателей качества и условий физической реализуемости;
разработан метод конструирования желаемых передаточных функций дискретных следящих систем с конечным временем переходного процесса;
разработаны алгоритмически реализуемые методы аналитического синтеза дискретных следящих систем по заданным показателям качества в переходном и установившемся режимах;
-разработана структура физически реализуемых цифровых устройств управления следящих систем;
- разработана программа реализации процедуры аналитического синтеза
цифровых следящих систем на ЭВМ.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач используются методы: теории автоматического управления; теории матриц; теории дифференциальных и разностных уравнений; Z-преобразование; методы теории реализации математических моделей и математического моделирования с использованием прикладных программ Matlab и Matlab/Simulink, MathCAD.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
сформулированы и доказаны алгебраические условия астатизма дискретных следящих систем по задающему воздействию и возмущениям, отличающиеся от известных тем, что накладываются на коэффициенты передаточных функций систем;
разработан метод построения желаемых передаточных функций дискретных следящих систем на основе стандартных передаточных функций «непрерывных прототипов», отличающийся от известных тем, что обеспечиваются заданные порядок астатизма, время регулирования, перерегулирование и физическая реализуемость устройств управления следящих систем;
разработан метод построения желаемых передаточных функций дискретных следящих систем с конечным временем переходного процесса, отличающийся от известных тем, что обеспечивается не только заданное время регулирования, а также порядок астатизма и малое перерегулирование;
разработаны методы аналитического синтеза дискретных следящих систем по заданным показателям качества с учетом характера нулей передачи по управлению заданной части следящих систем, отличающийся от известных тем, что обеспечиваются заданные показатели качества, наряду с физической реализуемостью цифровых устройств управления без применения экстраполяторов и вычисления производных по времени (разностей);
предложена структура цифрового двумерного устройства управления, отличающееся от известных тем, что содержит базовую вычислительную структуру, независящую от комбинации входных сигналов цифрового устройства управления.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов подтверждены корректностью и непротиворечивостью математических выкладок, соответствием теоретических положений и результатов математического моделирования, а также критическим обсуждением на российских и международных конференциях, семинарах.
Основные положения, выносимые на защиту:
дискретная следящая система имеет астатизм определенного порядка, если коэффициенты ее передаточной функции удовлетворяют соответствующим алгебраическим условиям, [С. 38, 32];
цифровое устройство управления является физически реализуемым, если его относительная степень строго больше единицы, [С. 77-79].
Основные результаты, выносимые на защиту:
алгебраические условия произвольного порядка астатизма дискретных следящих систем по задающему и возмущающему воздействиям, [С. 38-43];
метод конструирования желаемых передаточных функций дискретных следящих систем по заданным показателям качества на основе стандартных передаточных функций «непрерывных прототипов», [С. 50-53, 55-57];
метод конструирования желаемых передаточных функций дискретных следящих систем с конечным временем переходного процесса с учетом заданных порядка астатизма и перерегулирования, [С. 62-67];
метод синтеза цифровых двумерных устройств управления по заданным показателям качества следящих систем с применением базовой вычислительной структурой, [С.81-84, 90-91, 109-111, 118-119].
Практическая ценность работы.
На основе разработанного метода аналитического синтеза дискретных следящих систем была разработана программа синтеза физически реализуемых цифровых двумерных устройств управления с учетом заданных показателей качества следящих систем в среде Matlab. Данная программа позволяет ускорить и автоматизировать процесс разработки реальных следящих систем и научные исследования цифровых следящих систем при различном сочетании требуемых показателей качества.
Разработанная базовая вычислительная структура цифрового двумерного устройства управления позволяет создать универсальные программируемые регуляторы следящих систем различного назначения.
С применением полученных результатов синтезирована авиационная бортовая следящая система (БЦСС) с заданными показателями качества с учетом реальных ограничений по углу, скорости, ускорению и управлению. В режиме позиционирования время регулирования уменьшено на 15 %; перерегулирование уменьшено с 8,4 % до 6,25 % по сравнению с прототипом. В режиме слежения по сравнению с прототипом увеличен порядок астатизма с первого до второго. Достигнутое улучшение показателей качества расширяет возможности тактического применения БЦСС.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении составной части опытно-конструкторской работы, проводимой ТАНТК им. Г.М. Бериева, которая была направлена на создание аппаратных и программных средств, математического обеспечения и алгоритмов цифрового управления управляющих комплексов специального назначения.
Результаты диссертационной работы внедрены в следующих организациях: ТАНТК им. Г.М. Бериева (г. Таганрог), НИИ МВС ЮФУ, (г. Таганрог). Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедр САУ и РТС ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» (г. Таганрог).
Апробация работы. Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: Международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление - МАУ-2009», пос. Дивноморское,
г. Геленджик, 2009 г.; «4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам
управления-МПКУ-2011», пос. Дивноморское, г.Геленджик, 2011г.; X, XI
Всероссийских научных конференциях «Техническая кибернетика,
радиоэлектроника и системы управления-КРЭС-2010, КРЭС-2012»,
г. Таганрог, 2010 г., 2012 г.; 1-ом и 2-ом Международных семинарах студентов,
аспирантов и ученых «Системный анализ, управление и обработка
информации», пос. Дивноморское, г.Геленджик, 2010г., 2011г.;
Международных научно-технических и научно-методических интернет-
конференциях «Проблемы современной системотехники -
Системотехника-2009, Системотехника-2010», г.Таганрог, 2009г., 2010г.; Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем -
Системотехника-2011», г. Таганрог, 2011 г.; Первой и Второй Всероссийских конференциях «Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации-РЭС-2011, РЭС-2012», г.г. Москва-Таганрог, 2011г., 2012 г.; IX Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление-ИТСАиУ-2011», г.Таганрог, 2011г.; Международной молодежной конференции «Математические проблемы современной теории управления системами и процессами» в рамках фестиваля науки, г. Воронеж, 2012 г.; Международной молодежной конференции «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» в рамках фестиваля науки, г. Воронеж, 2012 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием: «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении - КомТех-2013», г. Таганрог, 2013 г.
Личный вклад автора. Все научные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, из которых 5 статей опубликованы в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК МИНОБРНАУКИ РФ для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, и 10 тезисов докладов на международных, всероссийских научно-технических конференциях и семинарах. По теме диссертации написано 1 учебное пособие, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ, результаты работы отражены в двух отчетах о НИОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 185 страниц основного текста, 43 страниц приложений, 70 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 155 наименований.
