Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема проектирования управляющих подсистем (регуляторов) занимает одно из центральных мест при создании систем управления, включая системы автоматического управления (САУ), которые широко применяются практически во всех сферах производства и техники: в машиностроении, энергетшсе, электронной промышленности, транспорте, робототехнике, космических системах и .др. Использование современных технологий, стремление обеспечить высокую эффективность производства, экономию ресурсов и требуемый уровень качс -тва выпускаемой продукции постоянно выдвигают новые требования к автоматизации, обуславливают необходимость совершенствования систем управления, поиска новых принципов и методов управления.
Для современных задач управления характерны все возрастающая сложность объектов управления, требования высокой эффективности, точности и качества управляемых процессов в условиях многочисленных ограничений и неполной информации. При этом сложность технологических процессов и технических комплексов часто обуславливается не только сложностью их математических моделей (высокие порядки уравнений динамики, наличие элементов с нелинейными и нестационарными, характеристиками и т. д.), но и тем, что они являются многомерными, многорежимнымн и многообъект-нымн системами. В указанных выше условиях определенным требованиям должны удовлетворять не только проектируемые системы управления, но также и методы их построения,
В настояшее время в теории управления существует множество методов синтеза управляющих устройств, в разработку которых крупный вклад внесли ученые В. В. Солодовников, А.А. Вавилов, Б.Н. Петров, А.А. Воронов, Н.Н. Красовскин, А.А. Красосский, А.А. Фельдбаум, ЯЗ. Цыпкнн, СВ. Емельянов, В.И. Уткин, Е.П. Попов. В.Ф. Бирюков, A.M. Летов, P.M. Юсупов, В. А. Якубович, В.В. Семенов, Р. Калман, Н.^Розенброк, Б. Портер, Д. Люенбсргер и другие. Анализ показывает, что несмотря на большое многообразие методов многие из них либо имеют недостаточно широкую область применения, либо не в полной мере учитывают исходные инженерные требования к проектируемой системе. В частности, в большинстве
методов учет указанных требований осуществляется с помощью интегральных или корневых критериев. Как известно, эти показатели не позволяют в полной мере учитывать первичные требования к проектируемой системе, что связано с отсутствием эффективных функциональных соотношений между косвенными критериями (весовыми коэффициентами функционала оптимизации, расположением полюсов замкнутой системы) и прямыми (инженерными) показателями качества. В то же время для теории и практики управления наиболее актуальной является проблема проектирования систем непосредственно по инженерным требованиям к качеству управления. В рамках этой гроблемы ряд важных задач управления многомерными объектами до сих пор остается либо недостаточно исследованными, либо до конца не решенными. К их числу, в частности, можно отнести:
задачу описания условий, которые бы устанавливали связи между желаемым состоянием (движением) объекта, его динамическими свойствами и показателями качества управления, что необходимо для целей эффективного проекти/ювания систем управления;
задачу синтеза управляющих подсистем для многомерных объектов непосредственно по прямым показателям качества, т. е. по ограничениям на переходные процессы, что важно для создания высокоточных и эффективных систем управления в различных областях техники и промышленности;
задачу синтеза систем управления, когда при их создании необходимо учитывать технологические и конструктивные ограничения на координаты системы и на величины управляющих воздействий;
задачу синтеза управляющих подсистем по прямым показателям качества, когда необходимо учитывать параметрические неопределенности в описании ооъекта и неполноту информации о внешних возмущающих воздействиях;
задачу разработки единого подхода к проектированию систем управления многомерными динамическими объектами непосредственно по ограничениям на управляемые динамические процессы.
Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов синтеза систем управления на основе единого подхода к решению задач управления многомерными динамическими объектами, направленных на повышение их качества и эффективности с использованием первичных инженерных показателей качества и концепции допустимости.
Методы исследования. Для решения задач управления, сформулированных в работе, использовались методы математического анализа, векторной алгебры и современной теории управления. Для проверки эффективности разработанных методов синтеза и работоспособности спроектированных систем управления применялся метод математического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна результатов работы заключается в разработке теоретических основ единого подхода к решению широкого класса задач синтеза систем управления многомерными динамическими объектами с использованием инженерных показателей качества управления и концепции допустимости.
На защиту выносятся следуюг че основные положения и научные результаты: '
функциональные соотношения, описывающие связи между желаемым состоянием управляемого объекта, его динамическими ха-рактерисгикамн и прямыми (инженерными) показателями качества проектируемой системы;
аналитические условия допустимого качества управления, выполнение которых гарантирует принадлежность, управляемых динамических (переходных) Процессов и значений квадратическнх критериев качества к заданным множествам, определяемым на основе инженерных показателей качества;
единый новый подход к решению задач управления многомерными динамическими объектами, основанный на полученных условиях допустимого качества управления и названный принципом гарантированных соотношений;
разработанные на основе предложенного принципа методы и алгоритмы:
структурного и параметрического синтеза систем управления линейными и нелинейными многомерными объектами по заданным ограничениям на переходные процессы;
синтеза систем управления по ограничениям на тскунчіе значения квадратического критерия качества;
синтеза робастных и адаптивных систем управления по заданным инженерным показателям качества;
расчета наблюдающих устройств по первичным показателям качества.
Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе методы позволяют, проектировать высококачественные автоматические системы (регулирования, слежения и управления движущимися объектами) по инженерным критериям качества, создавать математическое и программное обеспечения систем автоматизированного управления разнообразными техническими объектами и технологическими процессами в различных отраслях промышленности. В работе приведены результаты решения прикладных задач управления эле.тфоприводом, летательным аппаратом, гироскопическими системами и процессами водорпспределрния на оросительных системах.
Предложенные методы синтеза систем управления позволяют обеспечить унификацию алгоритмов синтеза при решении различных прикладных задач управления и исключить необходимость построения переходных процессов, характерную для существующих методов проектирования сисгем.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ в Институте автоматихи Национальной академии наук Кыргызской Республики и ВНИИ комплексной автоматизации мелиоративных систем (ВНИИКАМС), при создании алгоритмического и программного обеспечений автоматизированных систем управления водопользованием, которые внедрены на ряде объектов Кыргызской Республики и Туркменистана. Методы синтеза систем управления, разработанные в диссертации, применяются также в учебном процессе Государственного национального, университета и Кыргызского технического университета. *
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Научно-технической конференции "Приборы и средства расчета и проектирования нестационарных систем управления" (г. Москва,
1984 г.);
Научно-технической конференции "Опыт создания и внедрения методов и средств проектирования и расчета динамических систем" (г. Москва. 1985г.);
III Всесоюзной научно-технической конференции "Программное, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (г. Ташкент,
1985 г.);
I Республиканской научно-технической конференции "Применение микропроцессоров в народном хозяйстве" (г. Фрунзе, 1985 г.);
X Всесоюзном совещании по проблемам управления (г. Алма-Ата, 1986 г.);
VII Всесоюзном совещании "Теория инвариантности, теория чувствительности и их применения" (г. Баку, 1987 г.);
Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация гидромелиоративны; систем" (г. Фрунзе, 1988 г.);
Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУ ТП в мелиорации" (г. Фрунзе, 1988 г.);
Республиканской конференции "Математическое моделирование и проблемы автоматизации" (г. Фрунзе, 1990 г.);
Республиканской научной конференции "Современные проблемы алгоритмизации" (г. Ташхент, 1996 г.).
заседаниях Ученого и научно-технического советов Института автоматики, Национальной академии наук Кыргызской Республики;
расширенных заседаниях кафедры автоматического управления Кыргызского технического университета и кафедры программирования и АСУ Кыргызского Государственного национального университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ, в том числе монография "Управление многомерными объектами на основе концепции допустимости".
Личный вклад автора. Все основные научные результаты получены автором самостоятельно и лично. Во всех работах, опубликованных в соавторстве, автором дана постановка задач, предложены основные идеи их решения, методы исследований, получены аналитические выкладки и теоретические результаты.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы в 305 наименований и приложения, в котором представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы. Работа изложена на 261 стр. машинописного текста и содержит 71 рисунок.
Автор выражает свою признательность научным консультантам член-корреспонденту НАН Кыргызской Республики, докт. техн. наук, профессору Ж.Ш. Шаршеналиеву и докт. техн. наук, профессору МГТУ им. Н.Э.Баумана j В. Ф. ТЗирюкову].
