Введение к работе
Актуальность работы. Важной кародохозяйст-яой задачей является повышение эффективности проектирования Э1Я7ИЧОСКИХ систем (АС) управления техническими объектами на эве широкого применения вычислительной техники и разработки диальных информационных технологий. Одно иг основных направшій решения этой задачи связано с разработкой машинно-ориенти-1нных и машинных методов анализа и синтеза математических мо-эй проектируемых систем (Вавилов А.А., Варга Л.,Воронов А.А., ук Г. А., Имаев Д, X., Макфарлейн А., Орурк И. А., Пэтков П. X,, іукаев В.А,, Розенброк X., Солодовников В.В., Сольницев Р.И., зтов Н.Д., Хэмонд П., Чхартишвили Г.С. и др.). Разработанные настоящее время машинные методы, обычно основаны на решении эбраическкх задач, наиболее просто реализуемых на ЭВМ и поз-тющих исполььовать эффективное и обширное программное обес-эние решения общематематических задач. К этой группе отно-:я различные матричные методы; методы, основанные на вычисле-
корней полиномов или собственных значений матриц, численном злировании. При этом применение различного рода характеристик, эимер, частотных характеристик, широко используемых при безма-*ом проектировании, для широкого класса задач автоматического гседования АС на ЭВМ ограничивается использованием свойств их пядности и возможности сопоставления экспериментальных и рас-лых данных.
3 диссертационной работе предлагается использовать характе-гики для решения комплекса задач исследования систем качеот--іо другим образом, а именно - как одно из основных средств эния. Под характеристикой понимается любая функциональная теимости, используемая в задачах исследования систем, в част-ги, в диссертации рассматриваются аналитические зависимости, гакже зависимости с областями определения и изменения во ыно-гвах вещественных, мнимых и комплексных чисел. Использование іктеристик в задачах исследования систем на ЭВМ по"сравнению с эбраичеокими методами имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, недовакие характеристик позволяет получить расчетные соотноше-
на основе теоретического решения ряда задач, для которых из-гные алгебраические методы решения на ЭВМ основаны на переборе
- z -
вариантов при отсутствии гарантированности решения. Нс-вто] альтернативное использование методов, основанных на исследов: характеристик, позволяет повысить сложность исследуемых СИСТІ для широкого класса задач анализа и синтеза АС сократить зат] вычислительных ресурсов и повысить степень достоверности реэ; татов. В-третьих, методы, основанные на использовании характе] тик, по сравнению с алгебраическими методами в ряде случаев о' дают большей общностью, лучшей обусловленностью и большей В031 ностью распараллеливания вычислений.
Исследования и разработки по созданию методов, алгоритм программ для исследования на ЭВМ функционально-сложных xapai ристик автоматических систем управления выполнялись в с ватотвіш с: 1) "Основными направлениями научной деятельності 1936-1990 г.г. Севастопольского приборостроительного инстит; подраздел 50.41.47 - Разработка методов и пакетов программ интерактивного анализа и проектирования функционально-сло: систем управления"; 2) Комплексной цэлевой научнс-тєхничеі программой "Автоматизация проектирования динамических объект систем" Минвуза УССР, тема "Разработка автоматизированной сие построения, анализа и синтеза математических моделей динамиче систем"; 3) Координационным планом Научного совета АН УСС1 проблеме "Кибернетика" на 1985-1990 г.г., раздел 1.13.3.4 "Ра ботка методов и высокопроизводительных программных средств ан за и синтеза математических моделей систем автоматического уп лею;я".
Циль диссертации состоит в разработке конце и машинных методов исследования функционально-сложных характе тик (ФСХ),применение которых обеспечивает еффективное решени ЭВМ комплекса задач анализа и синтеза сложных автоматических тем управления.
Проблема использования характеристик в качестве одного из новных оредств решения задач анализа и синтеза АС на ЭВМ закл ется а том, что в настоящее время отсутствуют удовлетворится методы исследования характеристик со сложным характером изм ния. При исследовании характеристик на ЭВМ используется под применяющийся при безмашинном проектировании и заключающий построении достаточно представительного множества .значений ха теристик путем органигации некоторой процедуры перебора. Для
іктеристик со сложным характером изменения такой подход приводит недопустимым затратам вычислительных ресурсов, необходимости (формального анализа и отсутствию гарантированноети решения, южность исследования аналитических характеристик определя-сл числом операндов и базовых операций, неаналитичоских - сс-глляциея, нерегулярностью изменения, наличием особых точек (раз-ша, угловых), диапазоном изменения, вычислительными затратами ія получения каждого значения. Характеристики со сложным харак-»ром изменения названы в диссертации функционально-сложными.
В диссертации предлагается на основе использования ФСХ решать і ЭВМ комплекс задач исследования АС, включающий анализ парамет-гческих свойств, построение переходных процессов, анализ устой-шости и построение областей устойчивости, анализ качества и (строение областей качества, синтез в частотной области. Решение їждой из задач этого комплекса имеет самостоятельное знание, а также в целом является основой решения задач многокрите-;ального параметрического синтеза. Синтез в этом случае основы-іется на построении е. пространстве параметров математических мо-ілей разных классов (линейных обыкновенных и с запаздыванием,не-гнейных, стохастических) областей, соответствующих разпичным по-ізателям качества. Построение переходных процессов для значений іраштров, соответствующих пересечению построенных областей, поэ-іляет определить номинальные значения и допуски параметров,обес-ічивающие заданные показатели качества. Решение отих задач ал-ібраическими методами для современных сложных систем приводит в іних случаях к плохой обусловленности, в других - к необходимос-і перебора вариантов, требующей недопустимых затрат вычислитель-IX ресурсов при отсутствии гарантированнссти результата. Решение :их задач может быть основано на применении ФСХ при' условии раз-іботки концепции и методов их исследования, свободных от вышепе-ічислєнньк недостатков традиционного подхода к решешпэ этой >облэмы. Задачи диссертационной работы:
1. Исследование роли и обоснование использования ФСХ для реше-
ія на БВМ задач анализа и синтеза автоматических систем.
2. Разработка концепции и методов исследования ФСХ, при-
шение которых обеспечивает решение на ЭВМ комплекса задач ана-
іза и синтеза автоматических систем в случаях, когда известные
методы решения отсутствуют или их применение приводит к количес венным и качественным ошибкам, недопустимым затратам вычиcлитeJ ных ресурсов, отсутствию гарантированное и низкой достоверное результатов, требует дополнительного неформального анализа.
-
Разработка и систематизация алгоритмов исследования )Ш автоматических систем на основе использования ФСХ.
-
Разработка лингвистического и программного обеспечен! позволяющего реализовать предложенные в диссертации методы в в* высокопроизводительной системы автоматизированного исследова* автоматических систем управления.
Методы исследования. Теоретические исследов ния основаны на методах теории автоматического управления, теор функции комплексной переменной, линейной алгебры,теории множест вычислительной математики. Для каждого из методов исследован ФСХ, предложенных в диссертации, получено строгое математическ обоснование. Эффективность предложенных методов подтверждена р зультатами машинных экспериментов в конструкторских бюро и уче пых лабораториях вузов.
Науч-ная новизна. В диссертации предлагается ос щеотвлять решение на ЭВМ комплекса задач анализа и синтеза авт магических систем на основе исследования характеристик, назва ных функционально-сложными. Разработана концепция исследован ФСХ на ЭВМ, заключающаяся, в отличим от традиционного подхода исследованию характеристик, в определении, построении и акали множеств, названных базовыми. Базовые множества состоят из знач ний характеристик, полностью определяющих решение задачи, свобо, ное от недостатков традиционного подхода. На етапе теоретическої определения базовых множеств, некоторые их элементы могут бы' определены на основе известных теоретических результатов. В эт) случаях в диссертации проведена систематизация элементов базов! множеств и приведение их к виду,удобному для представления в ЭЭ Для широкого класса задач исследования АС теоретическое определ* ние елементов базовых множеств получено впервые. Этап построен) и анализа алементов базовых множеств связан с необходимостью pas работки специальных вычислительных процедур. Дл** решения гада' возникающих на втом этапе, в диссертации разработана специальш аналитические преобразования, а также методы, основанные на npf менении теории интерполяции, квадратурных формул, решении урявш
Практическая ценность диссертационной раті заключается в тем, что предложенные методы и вычислительные оритмы позволяют повысить эффективность исследования ка ЭВМ юясго класса сложных систем управления. На основе методов, щлезеенных в диссертации, разработано математическое, лингзис-[вскоэ и програитоо обеспечение диалоговой системы автоматизи-іанного исследования автоматических систем с ФСХ. Достоверность теоретических положений диссертации, методов ;чета систем с ФСХ, эффективность алгоритмов расчета и органи-(ии интерактивных режимов работы, качество разработанного прог-з/ного обеспечеюш подтверждены результатами их длительного .ктического использования:
- в практике проектирования: систем управления техническими
>ектами Научно-исследовательского института ксїлілсксно.ч азтомз-
іацни; систем управления технологическими процессами в гибких
окатизированных линиях в особом конструкторском бюро "Юг"; вы-
юточных приводов в научно-производственном объединении "Селек-
>нная техника"; систем управления, разрабатываемых в комплексе
г В-2Б72; систем автоматического управления в СКВ "Прибой";
:тем автоматического управления в НПО "Гранит";
- в учебном процессе ряда вузов.
цій кономический эффект, подтвержденный актами о внедрении, ;тавляет 691000 рублей.
Материалы диссертации используются автором при чтении курсов ірия автоматического управлешія", "Автоматизация проектирования :тем управления" для студентов специальностей 2101 и 2103. Апробация работы. Основные результаты диссерта-I докладывались на 12 Всесоюзных и 2 Республиканских конферен-к, в том числе наї II, III, Б Всесоюзных конференциях "Технн-:кие средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1978, !5; Севастополь,1981); II Всесоюзном симпозиуме "Теория неста-інарк'їх систем управления" (Севастополь,1979); II Всесоюзной вузовской научно-технической конференции "Математическое, ал-іитмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (Ташкент, і980); Всесоюзном совещании пс автоматизации проектирования систем оматическогс и автоматизированного управления технологическими іцессами (Иваново, 1981); II Всесоюзной конференции "Разработка,
- б -
Бнсплуатацил и развитие автоматизированных обучающих сист< (Харьков,1984); II Всесоюзной конференции "Перспективные мэт< планирования и анализа экспериментов при исследовании случай полей и процессов" (Севастополь,1985); Всесоюзной научно-мето) ческой конференции "Интенсификация учебного процесса в вьісі школе на базе /икропроцессорных систем" (Воронеж,1987); Межрі публиканской научно-технической конференции "Методологичесі проблемы автоматизации и исследования систем" (Севастополь, 198' А Всесоюзном совещании по робототехюнеским системам (Киев,198' III Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы нелин< ной электротехники" (Киев, 1988).
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше статей и тезисов докладов; 1 учебное пособие, рекомендован Минвузом УССР для студентов вузов специальности "Автоматика и , равление в технических системах"; выпущено 3 методических ука ния по применению результатов диссертации в учебном процес результаты диссертации отражены в 11 отчетах по НИР.
Структура к объем работы. Диссертация с тоит из введения, 7-й разделов, заключения, списка литерату включающего 592 наименования, и приложения. Основное содержа диссертации наложено на 255 страницах машинописного текста. б^та содержит 47 рисунков и А таблицы.
