Введение к работе
Основной тенденцией развития технических систем з современном зре является усложнение их структуры при повышении требований к актико-техническим характеристикам. Это связано с повышением уров-i задач, которые должны выполнять проектируемые системы. Каэдая ї таких задач состоит из двух основных частей. Первая: достижение юокого качества функционирования систем, характеризующееся задании количественными показателями, которым должны удовлетворять ютекающие в них процессы. Вторая: обеспечение надеаности систем, го с одной стороны связано со способами и элементной базой техни-іской реализации проекта, а с другой - с обеспечением устойчивос-і созданной системы при вннувденных отклонениях от заданного ре-ола функционирования.
Многие из существующих и проектируемых технических систем долен выполнять определенную задачу управления, причем на современном апе развития техники возникает следующие проблемы: либо объекты іравления настолько слоасвы, что ограничиться их линейными моделя-[ невозможно уяе при экскизном проектировании, либо требования к честву систем столь высоки, что даже хорошо изученные объекты уявлення, линейные модели которых ранее вполне соответствовали воз-дностям проектировщиков, опиравшихся на традиционные методы ана-за и синтеза, в настоящее время, с применением новых систем уп-вления, проявляют существенно нелинейные свойства, задаваемые тами нелинейными элементами как ограничение, зона нечувствительнос-, люфт, трехпозициовное реле с гистерезисом и т.д. Наиболее ха-ктерным проявлением существенно нелинейны:: свойств систем язляют-автоколебання.
Применение линейных законов управления в существенно нелинейных САУ в большинстве случаев приводит не к подавлению, а смещению параметров автоколебаний в другие области значешй их параметров. Это явление обусловлено взаимной связанностью амплитудных ж фазовых характеристик линейных динамических звеньев и невозможностью обеспечить, как часто бывает необходимо в подобных задачах,.убывание амплитудной характеристики при сколь угодно малой фазовой в заданном частотном диапазоне.
Кусочно-непрерывное управление, синтезированное как функция фазовых координат, во многих случаях решает задачу регулирования, но при этом в режиме стабилизации формируемые законом управления сигналы переходят из класса кусочно-непрерывных в класс только измеримых функций времени. Это означает, что исполнительные устройства системы должны в идеальном случае переключаться за бесконечно малое время. На практике это приводит к необходимости- переключения исполнительных устройств с конечной, но весьма высокой частотой, что неизбежно приводит к вибрациям.
В данной работе исследуется класс существенно нелинейных систем, в которых вибрации недопустимы по соображениям безопасности, надежности и технической реализуемости САУ. Одним из наиболее характерных примеров из данного класса являются авиационные системы.
В диссертационной работе решается научная проблема синтеза не- линейных кусочно-дифференцируемых законов .управления, обеспечивающих устойчивость "в большом" и приемлемое качество существенно нелинейных систем автоматического управления с сосредоточенными параметрами. Основное внимание в работе при.решении данной проблемы уделено детерминированным системам.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью повышения качества современных систем автоматического управления при сохранении достаточных запасов устойчивости, обеспечении надежности исполнительных устройств й уїленьшении "числа доводочных испытаний.
Целью -работы является разработка теоретических основ и прикладных алгоритмов синтеза нелинейных законов-,управления указанного класса, способных обеспечить асимптотическую устойчивость существенно- нелинейных САУ во всем рабочем диапазоне значений начальных условий и параметров при показателях качества, соответствующих предъявленным требованиям технического задания, в пределах допустимой погрешности при наденной технической реализации, а такке применение полученных результатов в конкретной прикладной области управления подвизными объектами, в основном - летательными аппаратами.
Методы исследования. Исследования проводились на основе методов теории нелинейных систем_упсшяения, асимптотических методов теории нелинейных колебаний, теории операторов,, качественной теории дифференциальных уравнений, а такке методов; математического моделирования и полунатурных испытаний.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложено решение проблемы обеспечения устойчивости "в большом" нелинейных систем управления с помощью нелинейных законов управления нового класса, синтезируемых частотными методами, ориентированных в первую очередь на устранение автоколебаний;
впервые разработан метод синтеза нелинейных законов управления, обладающих одним из свойств линейности - однородностью, в силу чего, устраняя автоколебания, эти законы управления не становятся причиной новых автоколебаний;
разработана методика расчета допустимых частотных'характеристик эквивалентных передаточных функций синтезируемы:: однородных законов ^управления;
разработан алгоритм синтеза обобщенных однородных законов управления, существенно расширяющих возможности применения законов данного класса;
исследовано влияние высших гармоник автоколебаний на свойства однородных законов управления, показано, что и при существенном весе высших гаршник эти законы сохраняют свои основные свойства;
разработана методика анализа показателей качества нелинейных систем с однородными законами управления, основанная на разложении сигналов по системе ортогональных полиномов;
разработана методика выбора параметров и формирования дополнительных звеньев однородных законов управления для приведения показателей качества переходных процессов в соответствие с требованиями технического задания;
обоснована устойчивость систем с однородными законами управления к воздействию помех;
показана применимость разработанных однородных законов управления как в непрерывных, так и в дискретно-непрерывных системах управления. Обоснована устойчивость систем с однородными законаїли управления к изменению такта квантования в достаточно широком диапазоне; ,
предложен метод анализа свойств систем с 'однородными законами управления, основанный на исследовании свойств интегральных кривых в фазовом пространстве, что позволяет выделять наиболее существенные участки решений соответствующей системы дифференциальных уравнений и использовать их свойства для повышения качества системы.
Научная значимость полученных результатов обусловлена универсальным характером задачи управления. Для ее решения нредлояены законы управления нового класса. На основе разработанных однородных законов управления возможен синтез слоеных систем управления, обладающих достаточными запасами устойчивости и приемлемым качеством,
в различных областях науки и техники, где применяется- приншш обратной связи.
Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем: '-".
- разработаны методы устранения автоколебательных ре;аслов в су
щественно нелинейных системах управления путем локальных изменений
в структуре, связанных с введением однородных законов управления,
не приводящих к необходимости изменения всей системы в целом пли
её основных.частей;
разработанные законы управления непрерывны, что позволяет избегать лишних переключений-исполнительных устройств.систем управления, что'повышает их .надежность и долговечность;
разработан алгоритм автоматизированного синтеза однородных законов управления, адаптированный к требованиям инженерной практшої;
техническая реализация синтезированных законов управления достаточно проста. При реализации на аналоговой технике нз требуется сложной элементной базы,- а реализация на .цифровой технике не тре-' бует значительных объемов памяти и не приводит к заметному увеличению времени работы цифровых алгоритмов;
разработаны новые следящие пневматические приводы, включающие в свою структуру однородные законы управления (авт.свидетельства Ш І670І89, 1682639).
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы получены и использованы при выполнении НИР под руководством или при участии автора в качестве ответственного исполнителя по хоздоговорным темам JS 86-3-25, 9І-3-95І, заданных постановлениями CL! СССР; $ 93-3-033-1489 заданной постановлением Правительства ?Q; Л 93-3-033-1423, 94-3-033-0II-K, открытым в соответствии с зынграшшыи грантами Госкомвуза РФ.
Научные положения диссертации и разработанные на их основе однородные законы управления внедрены на предприятии АНТК им.А.Н.Ту- * полева в системах управления самолетами ТУ-22Ы, ТУ-І54М, ТУ-204, на предприятии МЙЭиА 'на этапе эскизного проектирования системы управления самолета ТУ-330, на предприятии КЕМ на этапе эскизного проектирования перспективных систем управления подвижными объектами.
Алгоритм синтеза однородных законов управления пояокен в основу программного комплекса, автоматизирующего решение ряда задач проектирования слояных систем управления. Програшний комплекс используется на перечисленных предприятиях. '
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсузэдались
на 1-й Медцународной конференции "Актуальные проблемы фундаменталь
ных наук" (Носква, 1991),, Международной конференции "Моделирование
и исследование устойчивости процессов" (Киев, 1992), 6-й'Четаевской
конференции "Аналитическая механика, устойчивость и управление.дви- '
нением" (Казань, 1992), научно-техническом семинаре "Системы управ
ления, следящие приводы и их элементы" (Москва, 1993), 3-м Междуна
родно:.! семинаре "Устойчивость и колебания нелинейных систем управ
ления" (Самара, 1994). -
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная научная работа, в числе которых 2 монографии.статьи;внаучно-технических журналах и сборниках, препринт, доклады и тезисы докладов на медцу-. народных и всероссийских конференциах и семинарах, два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения, списка литературы из 192 наименований и прилоне-ния. Общий объем работы 263 страницы, в той числе основной машино-' писный текст 204 страницы, 8 рисунков. Приложение содержит 8 страниц машинописного текста, 30 рисунков и I таблицу.
