Введение к работе
Актуальность темы исследования. Считается, что решение задачи синтеза систем управления обладает избыточно сложной структурой, если представляется возможным его упростить без нарушения условий его допустимости. Возможны различные походы к формализации понятия сложности и, следовательно, избыточности решения. В связи с этим возникает необходимость совершенствования методов и моделей анализа и синтеза систем управления в направлении формализованного учета сложности и исключения избыточности синтезируемых структур.
В данной работе формализованное сопоставление сложности решений основано, во-первых, на учете того, что решение содержит указание на наличие либо отсутствие тех или иных элементов структуры синтезируемого объекта, и, во-вторых, на использовании следующего правила: решение х признается более сложным, чем решение у, если х содержит все структурные элементы решения у, и, кроме того, некоторые дополнительные. При этом решение у признается более простым, чем решение х.
Решение, в котором при соблюдении условий его допустимости не может быть исключён ни один из его структурных элементов, в данной работе называется структурно неизбыточным, а соответствующая ему структура - перестраиваемой.
Системы управления могут иметь различные структуры и быть реализованы различными способами. Поэтому необходимо иметь критерий отбора, наиболее полно учитывающий возможные формализации оптимального выбора. В работе формализация выбора оптимального варианта реализации системы осуществлена в виде минимально-факторного (МФ) выбора. Помимо такого критерия необходимы эффективные методы синтеза систем управления. Поиск неизбыточных структур в процессе синтеза позволяет получить перестраиваемую систему управления.
Особое значение в практике создания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) занимает анализ и синтез перестраиваемых структур, в которой использование только унифицированных изделий достигло предела своих возможностей из-за резкого увеличения числа элементов, роста трудоемкости, возрастания сроков проектирования, структурной и функциональной избыточности, снижения надежности. Последние достижения микроэлектроники привели к широкому применению специализированных интегральных микросхем. Они входят в состав разнообразных блоков и узлов разрабатываемых систем.
Микроминиатюризация источников вторичного электропитания (ИВЭП) привела к созданию таких классов специализированных микросхем, как интегральные стабилизаторы постоянного напряжения и микросхемы управления импульсными ИВЭП. Задачи повышения надежности и снижения потерь в импульсных ИВЭП в настоящее время решаются путем децентрализации питания РЭА и исключения промежуточного преобразования напряжения сети. Первый путь предусматривает размещение импульсного ИВЭП на каждом блоке или узле РЭА. Второй путь включает в себя создание ИВЭП, непосредственно преобразующих напряжение сети в стабилизированное постоянное напряжение, питающее нагрузку. Решение этих задач возможно при использовании специализированных микросхем управления импульсными ИВЭП.
Компенсационно-параметрический принцип стабилизации выходного напряжения используется при проектировании, как непрерывных, так и импульсных ИВЭП. В отечественной и зарубежной литературе недостаточно внимания уделено проблеме проектирования микросхем управления ИВЭП на основе данного принципа стабилизации. К особенностям построения таких устройств также можно отнести необходимость получения гальванической развязки между напряжением сети и выходными клеммами.
Наиболее энергонапряженными элементами устройств управления большими мощностями являются силовые элементы, поэтому для получения необходимой надежности устройств и предотвращения выхода из строя силовых элементов в РЭА предусмотрены узлы защиты. Широкий набор дестабилизирующих факторов превращает систему защиты в целый комплекс узлов. Для обеспечения адекватной защиты необходимо, чтобы датчики перегрузок располагались внутри мощного элемента. Совокупность этих требований, наряду с условиями микроминиатюризации, можно обеспечить путем создания специализированных мощных аналоговых интегральных элементов, интегрирующи на одном кристалле силовой элемент и систему комплексной защиты.
Попытки создания интегральной схемы - эквивалента мощного транзистора, только, на основе совмещения мощного транзистора, токовой защиты и защиты по мощности не имели большого успеха. Улучшенные результаты можно получить путем повышения числа защитных функций элемента наряду с обеспечением наиболее благоприятных условий функционирования мощных транзисторов.
Питание РЭА от автономных источников электроэнергии с ограниченным ресурсом выдвигает требование снижения потребляемой мощности при работе в дежурном режиме. В литературе описаны микромощные ОУ и регулируемые ОУ, ток потребления которых можно устанавливать путем варьирования величины внешних элементов. Однако величина максимального выходного тока таких ОУ очень низка и неизменна. Создание микросхемы мощного операционного усилителя с автоматически перестраиваемым током потребления и максимальным выходным током позволяет повысить энергетические характеристики разрабатываемых устройств. Такой усилитель позволит заменить целый ряд ОУ разной мощности.
На основе полученных в ходе работы научных результатов разработана система, которая позволяет осуществлять структурный и параметрический анализ и синтез систем управления. Но основное отличие данной работы от предыдущих, это математически точное и программно обеспеченное получение перестраиваемых структур РЭА. Это дает повышение следующих показателей: надежности, быстродействия, предсказание недостаточности системы управления, а так же существенный экономический эффект. Структурный синтез систем управления не был рассмотрен ни в одной из предыдущих работ.
Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития новых технологий «Компьютерное моделирование», научным направлением ЮРГУЭС «Теория и практика построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.09.05).
Объектом исследования является процесс создания перестраиваемых структур сложных систем РЭА.
Предметом исследования являются модели, методы анализа и синтеза перестраиваемых структур сложных систем РЭА.
Цель диссертации – разработка методологии синтеза перестраиваемых структур сложных систем РЭА, а также, обеспечение математического аппарата для принятия эффективных решений и интеллектуальной поддержки процедур принятия решений по управлению рассматриваемыми структурами.
Реализация поставленной цели обусловила необходимость решения следующих задач:
- разработать математический аппарат для решения задач анализа и синтеза перестраиваемых структур с динамическим распределением ограниченного ресурса, а также выполнить синтез простых гипотез при анализе систем управления;
- определить свойства решения задач синтеза с избирательными ограничениями и ограничениями общего вида на основе минимально факторного метода выбора перестраиваемых структур системы управления;
- разработать методы синтеза перестраиваемых структур системы управления с динамическим распределением ограниченного ресурса, минимизирующего остаток ресурса и создающего оптимизацию параметров;
- реализовать математическую модель синтеза перестраиваемых структур для анализа преобразовательных элементов импульсного регулирования напряжения с точки зрения их временных параметров, а также, провести анализ энергетических характеристик преобразовательного элемента;
- провести синтез функциональных схем микросхемы управления ИВЭП, выбрать соотношения параметров, а также, алгоритм функционирования микросхемы управления на основе поиска перестраиваемых структур;
- схемно реализовать методы и модели синтеза сложных перестраиваемых структур систем управления, начиная с обобщённой структурной схемы универсального операционного усилителя до перестраиваемого операционного усилителя с учётом входных, выходных и согласующих каскадов;
- проанализировать параметры микросхемы управления импульсных ИВЭП.
Методология и методы исследования
Для построения и исследования моделей использовались методы системного анализа, принятия решений, линейной алгебры, алгебры логики, теории множеств, теории двойственности, теории графов, теории вероятностей и математической статистики, потокового программирования, методы декомпозиции, имитационного моделирования, методы сеточной аппроксимации.
Обоснованность и достоверность научных исследований обеспечены применением апробированного математического аппарата в процессе формализации и исследования математических моделей, совпадением результатов имитационного моделирования, натурных экспериментов и испытаний, а также результатами опытной эксплуатации. Новизна и реализуемость технических предложений, отраженных в диссертационной работе, подтверждена полученными патентами на изобретения, а также их практическим внедрением.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке математических методов и моделей анализа и синтеза перестраиваемых структур для создания сложных систем РЭА, а также в создании новых методов и алгоритмов управления параметрами РЭА.
Основные результаты диссертационного исследования состоят в том, что впервые:
- предложен метод формализации задач синтеза перестраиваемых (неизбыточных) структур в процессе проектирования систем управления, отличающийся от известных тем, что обеспечивает возможность учета сложности структуры системы в постановке задачи ее синтеза, при этом достигнута большая точность в отражении соответствующей им реальной ситуации;
- сформулированы и доказаны утверждения, из которых следует, что множество перестраиваемых структур может быть найдено в результате применения минимально факторного (МФ) метода выбора;
- доказано, что перестраиваемые структуры решений задач с избирательными ограничениями и с ограничениями общего вида обладают рядом достаточно легко и надежно контролируемых свойств, выделяющих их из множества всех прочих структур и позволяющих строить эффективные процедуры синтеза перестраиваемых структур;
- предложены методы решения задач синтеза перестраиваемых структур с избирательными ограничениями и с ограничениями общего вида;
- предложен метод синтеза перестраиваемых оптимальных структур системы управления с динамическим распределением ограниченного ресурса, минимизирующего остаток ресурса и выполняющего оптимизацию параметров;
- разработана математическая модель синтеза простых гипотез при анализе систем управления.
Практическая значимость работы.
1. Математические модели и методы поиска перестраиваемых структур, представленные в работе, являются теоретической основой для синтеза управляемых систем, в частности преобразовательных элементов импульсного регулирования напряжения, импульсных ИВЭП, построенных на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации.
2. Последовательное использование методов дифференциации и интеграции при синтезе функциональной схемы управления импульсным ИВЭП позволяет достигнуть наиболее полного выполнения алгоритма работы такой микросхемы, которая исключает функциональную избыточность и позволяет уменьшить количество элементов устройства.
3. Обобщенная структурная схема мощного операционного усилителя (ОУ) позволяет построить устройства, функционально синтезирующей в себе ряд усилителей разной мощности и обладающие широким набором выполняемых функций, что исключает функциональную избыточность путем использования принципа схемотехнической интеграции.
4. Предложенный переключатель статического режима исключает искажения выходного сигнала при изменении направления тока нагрузки и организации режима переключения, что позволяет минимизировать влияние режима переключений на параметры ОУ.
5. Разработанная микросхема управления, обладающая высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной функциональной надежностью, снижает число и номенклатуру элементов, используемых в импульсных ИВЭП.
6. Применение разработанных интегральных микросхем позволяет существенно сократить этап функционального и схемотехнического проектирования радиоэлектронной аппаратуры, упростить изготовление, снизить стоимость анализа и повысить эксплуатационную надежность.
Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования. Основные результаты работы докладывались на III Международной научно-практической конференции «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» - Новочеркасск, 20 мая 2005 г. ЮРГТУ (НПИ); на первой межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» - Ростов-на-Дону, 30-31 марта 2006 г. РГПУ; на ежегодных Международных научно-практических конференциях «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники», Шахты, (2001 – 2007); на 10-й и 12-й Всероссийских научно-методических конференциях "Телематика 2003", "Телематика 2005", Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2003, 18-21 июня 2005; на Всероссийской научно-практической конференции «Человеческое измерение в информационном обществе», Москва, ВВЦ, павильон №57, 29 октября – 1 ноября 2003 г.; на Всероссийских научно-практических конференциях «Образовательная среда сегодня и завтра», Москва, ВВЦ, 29 сентября – 2 октября 2004, Москва, ВВЦ, 28.09-01.10.2005; Москва, ВВЦ, 27.09 -30.09.2006, Москва, ВВЦ, 03.10 -06.10.2007.
Полученные в диссертации научные и прикладные результаты внедрены на предприятиях:
- в ЗАО «Электронные компоненты» г. Ростов-на-Дону при разработке мероприятий, связанных с процессом комплексной автоматизации технологических процессов, и оборудования соответствующих систем управления с большим объемом выпускаемой продукции;
- в ЗАО «Промтекстиль» г. Воронеж при проектировании микроэлектронных систем управления и разработке энергонапряженных сложных функциональных блоков со значительным экономическим эффектом;
- в ЗАО «ЕП Союзлифтмонтаж» г. Екатеринбург при модернизации энергонапряженных электронных систем автоматизации технологических процессов со значительным экономическим эффектом;
- в ОАО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт» г. Шахты Ростовской обл. при выполнении Государственного контракта № 48-ОПН-08п от 20.02.2008 г. при проектировании систем автоматизации и управления струговой установкой и щеленарезным комбайном;
при выполнении грантов:
- Министерства образования РФ «Моделирование эволюционирующей конструкции ЭВМ в условиях развивающихся интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления производством» (руководитель Савельев М.В., период действия 2000-2002 гг.),
- Российского фонда фундаментальных исследований «Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов развития в технических системах сетевой структуры различного назначения при изменяющихся условиях эксплуатации» (руководитель Савельев М.В., период действия 2003-2005 гг.);
при выполнении научно-исследовательских работ:
- ЮРГУЭС-1.06.Ф (ЮРГУЭС-5.08.Ф) «Теоретические основы проектирования прецизионных аналоговых микросхем и аналоговых функциональных узлов IP-модулей с предельными значениями динамических параметров», код ГРНТИ: 44.01.85, срок выполнения 01.01.06-31.12.08 (Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)»);
- ЮРГУЭС-14.07.ХД «Разработка сложных радиочастотных блоков на основе технологий SiGe для современных беспроводных систем связи», ГРНТИ: 47.03.05, срок выполнения 01.04.07-31.12.07 (Договор № SHKT/R&D/48/2007 от 01.04.2007г. с компанией «Интел»);
- Г-29.1.МР «Разработка и исследование аналоговых интерфейсных БИС для устройств радиотехники и систем управления», срок выполнения 2001-2006 г.г. (Тематический план НИР ЮРГУЭС на 2001-2006 гг.);
- Г - 5.06.МР «Разработка и исследование аналоговых функциональных узлов IP- модулей» срок выполнения 2007-2008 г.г. (Тематический план НИР ЮРГУЭС на 2007-2010 гг.);
- в учебном процессе кафедр ЮРГУЭС.
Использование результатов диссертационных исследований подтверждено 6-ю актами внедрения.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 39 научных работ, в том числе 8 работ в рекомендованных ВАК журналах, 1 монография, 2 учебных пособия, получено 6 патентов и авторских свидетельств на изобретение, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 11 докладов опубликованы в трудах международных и всероссийских конференций.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Комплекс математических моделей, а также формализованных методов и алгоритмов, понятийный аппарат, терминология и представленные там же основные теоремы теории выбора используюемые в настоящей работе при описании минимально факторного выбора как разновидности формализованного рационального выбора и определении его места в систематике механизмов рационального выбора.
2. Формализация основных понятий, обеспечивающих учет в математической постановке задач синтеза управляемых систем требования исключения структурной избыточности получаемых решений, общие формулировки задач поиска структурно неизбыточных решений, эффективное описание и решение широкого класса практически значимых задач синтеза систем управления, предполагающих синтез структурно неизбыточных вариантов их решений.
3. Описание свойств минимально факторного выбора структурно неизбыточных решений, а также методы синтеза перестраиваемых структур с избирательными ограничениями и ограничениями общего вида.
4. Описание результатов апробации предложенных методов при решении ряда практических задач синтеза преобразовательных элементов импульсного регулирования напряжения, функциональных схем микросхем управления ИВЭП и анализа энергетических характеристик преобразовательного элемента.
5. Практическая реализация методов анализа и синтеза сложных перестраиваемых структур: обобщённые схемы универсального операционного усилителя, его входные, согласующие и выходные каскады, микросхемы мощного операционного усилителя с системой комплексной защиты, микросхемы управления импульсным ИВЭП.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 219 страницах и включает 5 таблиц, 37 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 288 источников.
