Введение к работе
Актуальность темы. Расширение диапазона и сложности научно-технических проблем, возникающих при синтезе современных управляемых технических систем, значительно опережает темпы развития методологии и алгоритмического обеспечения решения этих проблем. Поэтому интенсивно ведутся работы в области создания и внедрения новых или развития наиболее перспективных известных подходов к решению задачи конструирования высокоэффективных систем управления. Одной из наиболее распространенных и эффективных идеологий решения гадач синтеза законов управления в технических системах является априорное связывание динамических свойств систем автоматического упрэе.пения (САУ) специально выбранными математическими моделями (ММ) В результате, алгоритмы синтеза целой группы методов базируются мэ предварительном задании свойств системы автоматического управления конкретной моделью (эталоном) удовлетворяющей некоторым технологическим требованиям. Однако эффективное использование этих методов синтеза затрудняется отсутствием универсальной методики построения эталонных математических моделей (ЭММ), удовлетворяющих условиям и ограничениям среды проектирования.
В связи с этим исследуемая и решаемая в диссертационной работе задача создания высокоэффективных алгоритмов построения ЭММ для синтеза автоматических систем различных классов является актуальной для теории и практики управления техническими системами.
Целью работы является исследование, обоснование и реализация методов построения аналоговых и дискретных эталонных математических моделей для эффективного синтеза систем автоматического управления. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач, эпределяющих основные научные результаты исследований:
-
обоснование, построение и исследование критериальной стратегии синтеза эталонных математических моделей;
-
теоретическое обоснование и разработка алгоритмов структурно-параметрического синтеза аналоговых и дискретных ЭММ;
-
разработка, практическое применение и исследование пакета прикладных программ синтеза и структурно-параметрической оптимизации ЭММ, ориентированных на применяемую среду проектирования;
-
разработка методик эффективного использования предложенных алгоритмов построения эталонных математических моделей в действующих методах синтеза законов управления (ЗУ).
В ходе решения поставленных задач в диссертационной работе получены и защищаются следующие основные результаты исследований:
метод модально-параметрического синтеза эталонных математических моделей и их структурно-параметрической оптимизации относительно характеристик среды проектирования;
структура и свойства полиномиально допустимых модальных областей качества проектируемых систем управления;
алгоритмы модально-параметрического синтеза и структурно-параметрической оптимизации относительно характеристик среды проектирования аналоговых и дискретных математических моделей проектируемых автоматических систем;
методика построения законов векторного управления техническими объектами на основе модально-параметрического синтеза ЭММ;
методика минимизации законов модального управления;
пакет прикладных программ (ППП) «STRUMIN» для решения задачи синтеза и структурно-параметрической минимизации ЗУ для применяемой среды проектирования.
Методами исследований при решении поставленных задач явились теория дифференциальных и разностных уравнений, теория устойчивости, теория функций комплексного переменного, комбинаторный анализ, прикладные методы математического анализа и моделирования динамических систем.
Научная новизна исследований может быть определена по следующим характеристикам выносимых на защиту результатов:
-
впервые при синтезе ЭММ введены и эффективно использованы понятия критериально и полиномиально допустимых, а также поисковых модальных и параметрических областей качества;
-
впервые получена структура и исследованы свойства полиномиально допустимых модальных областей проектируемых систем;
-
новизна разработанных алгоритмов синтеза ЭММ определяется использованием структурных свойств полиномиально допустимых модальных областей проектируемой системы и полиномиальных свойств ММ объектов управления;
-
в классе линейных математических моделей впервые реализована аналитически обоснованная методика структурной оптимизации ЭММ в среде проектирования;
-
оригинальность методик структурно-параметрического синтеза векторных и модальных ЗУ определяется решением задачи на основе модально-параметрического подхода;
-
оригинальность ППП «STRUMIN» определяется новизной и эффективным использованием алгоритмов построения и отображения модальных и параметрических поисковых областей.
Практическая ценность работы определяется ее прикладной открытостью. Очевидна возможность использования полученных результатов в различных методах синтеза, ориентированных на парадигму при-
менения динамических эталонов. Это подтверждается получением научно значимых и новых результатов в таких областях, как модальное и векторное управления. Нужно заметить, что применение перспективного метода синтеза ЗУ на основе отождествления дифференциальных операторов значительно упрощается благодаря разработанным алгоритмам построения эталонных математических моделей. Другим аспектом практической значимости результатов работы является возможность применения их для синтеза как аналоговых, так и дискретных ЗУ, что позволяет синтезировать структурно минимальные законы практически для всех областей техники автоматизации.
Разработанное программное обеспечение в оиде ППП «STRUMIN» рассчитано на инженерный уровень использования, что делает его доступным средством поддержки решения практических задач управления в технических системах, а также обучения студентов соответствующих специальностей.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при выполнении трех проектов, разработанных на государственном уровне. В рамках проекта по МНТП "Университеты России" «Разработка теоретических основ и компьютерных технологий структурного синтеза и структурно-параметрической оптимизации
алгоритмов управления в технических системах» разработаны алгоритмы
» подготовки задач синтеза ЗУ на основе ЭММ. Для проекта конкурса грантов МЭИ «Разработка методологии решения задач структурного синтеза и структурно-параметрической оптимизации алгоритмов управления сложными ЭЭС на основе концепции псевдожелаемых математических моделей» разрабатывались алгоритмы синтеза аналоговых и дискретных ЭММ под предметные задачи управления энергетическими процессами. При выполнении проекта «Синтез математических моделей проектируе-
мых динамических систем на основе синергетических концепций управления» конкурса грантов С-Пб.ГЭТУ разработаны базовые концепции реализации ЭММ, максимально приближенных к естественным свойствам управляемых объектов. Результаты диссертационных исследований использованы также в проекте «Исследование синергетических подходов к задаче синтеза желаемых математических моделей и их классов при аналитическом конструировании алгоритмов управления в технических системах», разработанном по ЕЗН в НИЛ "Процессы обработки информа-ции и управления в технических системах" Донского государственного технического университета. Кроме того, они нашли широкое применение при создании учебно-методического обеспечения специальности 210100 "Управление и информатика в технических системах" и в учебном процессе кафедры "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета. Это подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложениях, и цитируемыми учебно-методическими работами.
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 21 научной работе и докладывались на четырех международных конференциях: «Прогрессивная техника и технологии машиностроения» (г. Донецк, 1995 г.), III украинской международной научно-технической конференции по автоматическому управлению "Автоматика-96" (г. Севастополь, 1996 г.), V Международной научно-технической конференции по динамике технологических сістем (г. Ростов н/Д, 1997 г.), международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2000 г.). Апробация велась таюке на всероссийских конференциях студентов и аспирантов в г. Таганроге (1994 - 1997 гг.) и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и
студентов ДГТУ. Публикации по основному содержанию диссертации дважды занимали призовые места в конкурсах молодых ученых Ростовской области, проводимых Северо-Кавказским научным центром высшей школы в 1996 и 1997 гг. (копии дипломов представлены в приложении).
1 Структурно диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка из 103 наименований.
