Введение к работе
Актуальность проблемы. Дискретизация по времени непрерывно изменяющихся сообщений является неотъемлкмой, принципиальной особенностью функционирования импульсных систем управления и контроля. В большинстве случаев такие системы проектируются и анализируются в предположении постоянства интервала квантования сигналов по вре-меии, но ото условие выполняется далеко не всегда. Нерегулярность или случайность моментов дискретизации могхет объясняться как (Т'изи-ческимн особенностями функционирования систем, так и вводиться преднамеренно для улучшения качества юс работы. Случайность или нерегулярность, связанная с функционированием систем, объясняется или самой природой систем, как это имеет место, например, в человеко-машинных и биологических, некоторых электромеханических системах, в системах, использующих радиоизотопные и квантовые оптические датчики, или объясняется алгоритмами работы, что характерно, в частности, для цифровых многоканальных систем управления - при асинхронном обмене информацией с периферийными устройства?.;!!, наличии системы приоритетов периферийных устройств, вариациях программ обработки данных и т.п. Преднамеренно случайность дискретизации используется в импульсных радиолокационных системах в-целях борьбы с активными помехам, в некоторых стохастических измерительных преобразователях и информационно-измерительных системах.
Традиционные методы исследования импульсных систем, например, с использованием теории дискретного преобразования Лапласа применима, если случайная составляющая интерзалов квантования отсутствует или мала по сравнению с регулярной. Но если данная случайная составляющая существенна или вводится преднамеренно, ее обязательно необходимо учитывать, при этом известные методы неработоспособны. Так, при случайной дискретизации сигналов становятся случайными основные характеристики системы, в частности, передаточняя, переходная и импульсная переходная функции, в вероятностном аспекте следует рассматривать устойчивость замкнутых систем и качество их работы.
Повышение техігических и эксплуатационных требований к системам управления и контроля, широкое использование в них управляющих ЦВМ и возникающие в связи с этим новые постановки анализа практических задач приводят к необходимости более полного исследования особенностей фунмионирования этих систем. Определенный вклад в изучение их внесли О.Ленеман, Г.Т.Артамонов, В.А.Тюрин, получившие
ряд росультатов для разомкнутых структур, К.Дшшонбсрг и Дж.Мелса, предло.г.ивтаїе такой аппарат исследования, как теорию математического одкдання дискретного преобразования Лапласа, Р.Быоси, Е.Дч-ури, В.А.Еесекерский, В.М.Артемьев, А.В.Квановский, Д.С.Мадорский, А.С.Ша-ламов, рассмотревшие вопросы устойчивости замкнутых структур. В то же время подходы к исследованию у авторов различные, как правило, справедлива для частных случаев, системный инженерный подход к получении и анализу характеристик рассматриваемых систем, включая прикладные аспекты, отсутствует. В связи с этим представляется актуальным развитие единой теории пирокого класса импульсных систем со случайными интервалами квантования сигналов по времени, охватывающей различные задачи исследования и практического применения данных систем.
Работа проводилась в соответствии с заданиями ме.-свузовской научно-технической програ-.я.м "Автоматизация научных исследований" по приказу Минвуза СССР іі? 5ВЗ от 5.С8.Є6 г.
Целью работы является разработка методов анализа разомкнутых и замкнутій, з том числе нелинейных, стационар;:ых импульсных систем контроля и управления со случайной дискретизацией сигналов при их амплитудно-импульсной модуляции, включая вопросы математического описания таких систем, разработку методов получения их уередкешіих характеристик, анализа устойчивости и качества, имитационного моделирования, а так"ке разработка и исследование практических систем указанного класса.
В соответствии с данной целью были сформулированы слэдукцпе задачи диссертационной работы:
-
Разработка методов математического описания широкого класса систем со случайной дискретизацией.
-
Разработка. пн'::снер;шх методов исследования устойчивости и качества данных систем.
-
Создание соответствующих численных алгоритмов исследования.
-
Разработка и исследование ггоакткческих-систем и устройств данного типа.
"ото:ты исследования основываются на методах теорий вероятностей, автоматического управления, случайных потокое, линейной алгебры, численном моделировании на ЭВМ и практической апробации полученных теоретических результатов, алгоритмов, программ, разработанных систем и устройств в различных предметных областях.
Научная новизна. Теоретические исследования позволили получить следумцие оригинальные результаты:
I. Развит и исследован аппарат математического о:кндашя дискрет-
дого пр;о':ра';'лгг'''/я Лапласа, позеолязс'НИ проводить изучение линейных стелен ірлмх систем со случайной дискретизацией.
?.. Пред-е-тпны методи математического описания и исследования разомкнутых линейных систем со случайной дискретизацией.
-
Разработаны методы получения математического описания it анализа по первому и второму моментам выхода замкнутых линейных систем.
-
Предложен метод анализа устойчивости замкнутых нелннейшх систем со случайной дискретизацией.
-
Разработала алгоритми численного моделирования и исследования рассматриваемых систем, в частности, алгоритм моделирования переходного процесса, алгоритм моделирования процесса установления автоколебаний в автономной системе, алгоритм нахождения оценки плотности вероятности выходной переменной.
-
Разработан и исследован ряд систем и устройств, пршш,'.ш действия которук связан со случайней дискретизацией сигналов.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе теоретические результаты, разработанные алгоритмы и программа позволяют анализировать и проектировать импульсные системы управления и контроля с учетом случайности квантования сигналов по времени, что позволяет в ряде случаев повысить запас устойчивости, улучшить качество функционирования. В частности, широкое применение для анализа могут найти:
метода нахождения усредненных характеристик систем, основанные на аппарате математического ожидания дискретного преобразования Лапласа;
методики исследования стохастической устойчивости рассматриваемых систем; ,
ртзработаише алгоритмы и программы численного исследования данных систем.
На основе полученных результатов был реяен ряд практических задач, имекцих большое хозяйственное значение:
-
Создан, исследован и внедрен в различных отраслях народного хозяйства ряд цифровых систем АНК, автоматизированного контроля и управления, сбора и обработки данных, эффективность функционирования которых была повышена либо за счет применения алгоритмов обработки информации, учитывающих случайность моментов ее поступления из-за естественных пр.:чин, либо за счет преднамеренного введения случайности в моменты опроса периферийных устройств.
-
Разработаны и внедрены модификации системы стабилизации линейной скорости движения магнитного носителя информации в регистрам-
ро полетных данных летательных аппаратов, являгациеся замкнутыми нелинейными системами автоматического регулирования с переменньм интерсалом дискретизации, проведено их исследование, что позволило обоснованно выбрать параметры системы, уменьшить нестабильность ли-нейной скорости с 3CW до 3%, обеспечить ряд других технических преимуществ; устройства приняты к серийному выпуску.
-
Разработано и внедрено устройство для локальной автоматизации гальванических процессов нанесения защитных покрытий; анализ устройства как импульсной системы со случайной дискретизацией позволил выработать рекомендации по оптимальному рекиму его функционирования.
-
Разработан и внедрен ряд первичных и функциональных преобразователей информации, в которых случайность дискретизации связана с особенностями функционирования или введена преднамеренно для повышения метрологических показателей устройств.
-
Разработана библиотека программ на языках ПЭВМ, позволяющая выполнять численное исследование и моделирование рассматриваемых систем.
-
Ряд теоретических и прикладных результатов диссертационной работы Енедрен в учебный процесс вуза.
Результаты диссертационной работы внедрены в ряде предприятий и. организаций, в частности, в ПО "Аналитприбор" /г. Смоленск/, Институте горного дела им. А.А.Скочинского АН СССР, МГСУ им. Н.Э.Еаумана, НПО "Электронприбор" /г. Киев/, Смоленском филиале МЭИ, что подтверждается актами о внедрении с указанием технического эффекта и суммарного годового экономического эффекта з размере свыше 300 тыс. руб.
Апробация работа. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались на 14 Всесоюзных и республиканских научных конференциях, в том числе на Всесоюзных конференциях: "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТЛ" /1-я кон-ферзиция - г. Смоленск, 1981 г.; 2-я - г. Смоленск, 1984 г.; 3-я -г. Тула, 198? г.; 4-я - г. Тула, 1990 г./, "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" /8-я конференция - г. Ленинград, 1985 г.; 9-я - г. Москва, 1989 г./, "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" /3-я конференция - г. Гродно, 1988 г.; 4-я - г. Петрозаводск, 1*591 г./, "Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов" /г. Новосибирск, 1987 г./, "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" /3-я конференция, г. Тольятти, 1988 г./, "Измерительные информационные системы" /г. Уль-
кновск. IZQ'C г./, "Микроэлектроника в машиностроении" /г. Ульяновск, 1989 г./, "Соэре.чонное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и спектроскопии" /г. Смоленск, 1991 г./, а также на международной конференции "Актуальнее проблеми фундаментальных наук" /СССР, г. Москва, 1991 г./.
Публикации. По теме диссертации опубликовано евшие 80 работ, включая статьи в центральных научных нурналах "Приборостроение", "Прибори и техника эксперимента", "Электромеханика", 3 учебных пособия. Получено 19 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 232 наименования, 2 приложений и содержит 291 страницу основного текста, 69 рисунков и 9 таблиц. Полный объем диссертации 415 страниц.
