автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ методов построения автоматизированных систем проектирования для синтеза систем.

1.1. Основные этапы автоматизированного синтеза систем управления.

1.2. Способы построения автоматизированных систем проектирования систем управления.

1.3. Обзор систем автоматизированного проектирования систем управления.

1.4. Выводы.

2. Обоснование топологического метода синтеза систем управления.

2.1. Анализ методов синтеза систем управления.

2.2. Разработка методики синтеза систем управления.

2.3. Методика синтеза многоконтурных систем.

2.4. Выводы.

3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации синтеза систем управления.

3.1. Выбор инструмента разработки программного обеспечения.

3.2. Разработка алгоритма графического ввода С-графа.

3.3. Разработка алгоритма формирования матрицы компонент.

3.4. разработка алгоритма формирования матрицы узлов.

3.5. Разработка алгоритма формирования матрицы Н.

3.6. Разработка алгоритма понижения порядка матричного уравнения Н-Хвх = 0.

3.7. Разработка алгоритма определения неизвестных компонент.

3.8. Описание этапов программы при синтезе структуры системы.

3.9. Выводы.

4. Использование разработанного программного обеспечения для синтеза систем управления.

4.1. Формирование уравнений системы.

4.2. Синтез компонент структуры.

4.3. Обработка результатов и моделирование системы управления.

4.4. Использование разработанного программного обеспечения при создании системы управления процессом производства алюминия.

4.5. Выводы.

Современные производственные системы, природные экосистемы, экономические системы рассматриваются как сложные, многомерные, многосвязные объекты. Возрастающая сложность работ при проектировании и разработке систем управления такими объектами, необходимость сокращения сроков проектирования, а также бурное развитие вычислительной техники привели к широкому использованию ЭВМ при проектировании систем управления, положили начало автоматизированному проектированию систем управления.

Система автоматизированного проектирования строится с использованием теории систем управления, теоретических и прикладных вопросов вычислительной техники и прикладной математики (например, численного анализа и методов оптимизации);

За последние годы появилось много новых методов анализа и проектирования систем управления. Эти методы отличаются от классических: они сложнее, более формализованы, а их исполнение связано с большим числом вычислений, что делает полезным при решении практических задач наличие библиотеки стандартных подпрограмм. И даже если такие библиотеки есть, от проектировщика требуются значительные усилия в программировании для решения конкретной задачи. Это означает, что применение современной теории управления обходится дороже. Кроме того, инженер взаимодействует с техническими средствами (компьютером) через посредников (программы), что ведет к дополнительным ошибкам. Следует отметить, что аналитическая связь между формулировкой задачи и ее решением при этом утрачивается.

Системы автоматизированного проектирования являются незаменимым инструментом для инженера-проектировщика систем управления. Они не только освобождают инженера от рутинных и утомительных расчетов, но и, что более важно, дают ему возможность применить для решения современных задач анализа и проектирования сложные алгоритмы, требующие значительных вычислительных затрат. С эксплутационной точки зрения САПР является эффективным средством повышения производительности инженерного труда.

Средства автоматизации инженерного труда в значительной степени определяют практику проектирования систем управления. Каждый из взаимосвязанных этапов процесса проектирования (рис. 1) - от идентификации систем, анализа данных, создания и упрощения модели, проектирования систем управления и их моделирование до реализации и внедрения - может быть выполнен более эффективно при наличии хороших программных средств. Обеспечение высоких характеристик постоянно усложняющихся систем, будь то космический корабль, печатная машина или привод гибких дисков, требует использования мощной технологии автоматизированного проектирования. Создание аналоговых и цифровых регуляторов немыслимо без всестороннего анализа. рис. 1 Процесс проектирования системы

Применение микропроцессоров сделало возможной реализацию широкого круга алгоритмов управления - от традиционных простых ПИ-регуляторов до сложных многомерных или адаптивных алгоритмов. Традиционные методы "ручного" проектирования перестали быть эффективными и ограничивают число используемых алгоритмов управления. В то же время аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и графические терминалы позволяют проектировать системы управления в интерактивном режиме, эффективно синтезировать даже наиболее сложные алгоритмы управления.

Автоматизированное проектирование является мощным средством решения многих задач. Работая на индивидуальной рабочей станции, инженер может получить полное решение задачи в течении нескольких часов, причем результаты работы будут хорошо документированы (листинги, тексты, графики). Проектировщик в состоянии решить свою задачу самостоятельно, без помощи программистов. Автоматизированные средства позволили существенно увеличить эффективность анализа и проектирования систем управления.

В настоящее время теория автоматического управления не располагает универсальным методом синтеза, позволяющим обеспечить весь набор требований, предъявляемых к проектируемым системам. Кроме того, проектировщик конкретных систем управления, как правило, не в состоянии овладеть подробностями всех современных методов и их модификаций, особенностями применения их расчетных процедур и методик. Разрешить это противоречие, т.е. дать проектировщику возможность использования при разработках разнообразных взаимодополняющих или альтернативных подходов к исследованию и синтезу систем, не заставляя его углубляться в математические и вычислительные нюансы этих подходов, - одна из основных перспективных проблем автоматизированного проектирования [5].

Для проектирования систем управления можно воспользоваться одним из следующих путей:

• программирование с использованием какого-либо языка программирования;

• использование существующих готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Высококачественная, хорошо отлаженная программа, написанная программистом высокой квалификации специально для некоторого проекта, наиболее оптимальна. Но каждую следующую задачу программист все равно вынужден решать практически с нуля. При этом процесс проектирования становится недопустимо длительным, а затраты высокими. Поэтому в настоящее время чаще идут по второму пути - использование при проектировании современных инструментальных средств типа SCADA систем (от Supervisory Control And Data Acquisition - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) или языка высокого уровня для научно-технических вычислений - Matlab и др. В связи с постоянным появлением новых методов проектирования систем управления актуальной задачей является разработка пакетов прикладных программ для решения отдельных задач или этапов исследования и синтеза систем управления.

Цель диссертации заключается в разработке автоматизированной системы проектирования систем управления с использованием современного топологического метода - метода структурных графов.

В первой главе рассматриваются этапы автоматизированного синтеза систем управления, приводится описание основных аспектов, на которые следует обращать внимание при создании автоматизированных систем проектирования, делается обзор существующих систем, формулируются основные требования к автоматизированным системам. Во второй главе производится анализ существующих методов синтеза, предлагается использовать для синтеза систем метод структурных графов, делается подробная разработка методики синтеза систем управления методом структурных графов, приводится описание методики синтеза многоконтурных систем с помощью разработанного метода. В третьей главе производится выбор инструмента разработки программного обеспечения, разрабатываются алгоритмы основных этапов синтеза системы, приводится описание этапов работы разработанной программы. В четвертой главе на конкретных примерах показано использование разработанного программного обеспечения для синтеза систем управления и проводится моделирование синтезированной системы.

Задачей диссертации является разработка принципов построения автоматизированных систем проектирования на примере создания автоматизированной системы синтеза систем управления, основанной на современном топологическом методе синтеза - методе структурных графов. Также в диссертации делается попытка показать, что на современном этапе развития науки и техники наиболее перспективным является структурный подход к разработке систем, который заключается в ее декомпозиции на автоматизируемые функции, т.к. при таком подходе автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны.

4.5. Выводы

В данной главе:

1. Для заданной системы управления с помощью разработанной программы "Синтез" был осуществлен графический ввод в компьютер С-графа заданной системы; сформированы уравнение компонент С-графа, уравнение узлов, матричное уравнение Н-Хвх =0; произведено понижение порядка полученного уравнения.

2. Осуществлен синтез неизвестных компонент системы. Нахождение значений неизвестных компонент осуществлялось двумя методами: методом подстановок и методом миноров. Сначала были получены значения для исходного вида матричного уравнения, затем порядок уравнения Н-Хвх =0 был понижен и снова найдены значения компонент. Сравнение результатов, полученных до понижения порядка и после понижения показало: для метода подстановок - количество сигналов в значениях компонент после понижения порядка уменьшилось на три сигнала; для метода миноров - количество найденных значений после понижения порядка увеличилось для одной из компонент с двух до шести, а для другой - с одного до четырех. Из вышеизложенного следует, что понижение порядка уравнения Н-Хвх =0 дает возможность сократить количество сигналов в значениях компонент, найденных методом подстановок, и найти большее количество возможных значений неизвестных компонент методом миноров.

3. Произведено исследование правильности полученных значений. Осуществлено моделирование заданной системы управления. Построена переходная характеристика системы и реакция системы на единичный импульс. Полученные графики изменения выходного сигнала показывают, что спроектированная система управления устойчива, показатели качества переходной характеристики лежат в пределах нормы. Правильность найденных значений была также проверена с помощью правила Мезона. Исследование показало, что решение найдено правильно, программу можно применять для анализа и синтеза различных систем управления.

4. Показано использование программы при создании системы управления процессом производства алюминия. Задача, стоящая перед разработчиками системы управления, с помощью разработанной программы была решена за 20 минут. Решение этой же задачи вручную потребовало бы гораздо больше времени.

136

Заключение

В диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработаны основные принципы построения автоматизированных систем проектирования - предложено использовать методологию структурного подхода к разработке систем автоматизированного проектирования; сформулированы основные требования, предъявляемые к создаваемым автоматизированным системам проектирования систем управления.

Предложенные принципы построения автоматизированных систем проектирования могут эффективно использоваться при создании пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования систем управления.

2. Разработана методика синтеза систем управления, основу которой составляет метод структурных графов. Методика синтеза разработана с учетом его дальнейшей алгоритмизации и программной реализации на ЭВМ.

3. Разработано алгоритмическое обеспечение для синтеза систем управления методом структурных графов.

Были разработаны основные алгоритмы автоматизированного синтеза систем управления методом С-графов: алгоритм графического ввода С-графа, позволяющий наглядно вводить в компьютер С-граф; алгоритмы формирования матрицы компонент, матрицы узлов и матрицы Н; алгоритм понижения порядка матричного уравнения Н-Хвх= 0; алгоритмы определения неизвестных компонент системы управления и алгоритмы обработки матриц в символьном виде.

Разработанные алгоритмы могут быть использованы при создании программного обеспечения для других задач.

4. Разработан пакет прикладных программ "Синтез" для автоматизированного проектирования в аналитическом виде систем управления топологическим методом.

Разработанный пакет программ "Синтез" применим для проектирования и исследования различных типов систем управления, дает возможность легко и быстро в аналитическом виде производить синтез системы управления, находить множество неизвестных компонент системы, аналитическую зависимость любой компоненты системы от других компонент. Данная методика изначально закладывает устойчивость синтезируемой системы управления. Многовариантность решения предоставляет проектировщику большую свободу выбора значений неизвестных компо

137 нент. При этом от проектировщика не требуется каких-либо специальных знаний в области программирования и синтеза систем. Разработанные программные средства за счет своей открытой архитектуры могут быть легко интегрированы в другие системы автоматизированного проектирования

Возможно использование разработанного программного продукта в качестве средства обучения проектированию систем управления методом структурных графов и основам работы с матрицами (понижение порядка матричного уравнения, решение однородного матричного уравнения и т.п.)

В дальнейшем предполагается автоматизировать процесс выбора наиболее подходящих значений компонент, исходя из заданных критериев (величина перерегулирования, длительность переходного процесса и т.п.).

1. Kazemi-Dehkordi М.А. A method of successive approximations for optimal control of distibuted parameter systems./ J. Math, and Appl. 1988. - Vol. 133, №4. - P. 484497.

2. Аббас M. А. Синтез систем управления объектами типовых структур на основе задания переходных процессов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Санкт-Петербургский государственный электротехнический институт. 1993. - 20 с.

3. Абрахаме Дж., Каверли Дж. Анализ электрических цепей методом структурных графов. М.: Мир, 1967. - 280 с.

4. Автоматизированное проектирование иерархических распределенных систем управления./ Под ред. Солодовникова В. В., Зверева В. Ю.: Изд-во МГТУ, 1991. -292 с.

5. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления. Под редакцией В. В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1990 г. - 316 с.

6. Автоматизированное проектирование систем управления/Под редакцией М. Джамшиди и др.; Пер. с англ. В. Г. Дунаева и А. Н. Косилова М.: Машиностроение, 1989. - 344 с.

7. Алпатов Ю. Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск, Изд-во Иркут. ун-та, 1988. -184 с.

8. Алпатов Ю. Н., Пискунов А. В. Способ записи матрицы операторов при синтезе системы методом структурных графов. // Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. Коференции. В 2 т.: Братск: БрИИ, 1999 -Т. 1 С. 128-129.

9. Андре Анго Математика для электро- и радиоинженеров. М: Наука, 1965.- 456 с.

10. Балалаев Н. В. Спектральные методы синтеза параметрически-неопределенных динамических систем: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Таганрогский радиотехнический институт. 1990. -18 с.

11. Барковский В. В., Захаров В. Н., Шаталов А. С. Методы синтеза систем управления: Матрично-структурные преобразования и алгоритмы управляющих ЦВМ./ В.; под ред. Шаталова А. С. 2-е изд. перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1981.-277 с.

12. Батурин В. В., Коваль В. А. Построение точной частотной модели разветвленной газовой сети как объекта управления.// Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвузовский научный сборник./ Саратовский политехнический ин-т. -Саратов, 1984. С. 94-106.

13. Батурин В. В., Герасимов С. М. Синтез дискретных систем управления для объектов с распределенными параметрами./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1990.-30 с.

14. Беллерт С., Возняцки Г. Анализ и синтез электрических цепей методом структурных чисел. М.: Мир, 1972 - 332 с.

15. Берж К. Теория графов и ее применение. М.: ИИЛ, 1962. - 319 с.

16. Браун С. Visual Basic 5 с самого начала. СПб.: Питер, 1998г. - 320 с.

17. Бутковский А. Г. Структурная теория распределенных систем. М.: Наука, 1977.-320 с.

18. Бутковский А. Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965. -474 с.

19. Вендров А. М. CASE технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 176 с. : ил.

20. Гогин Д. Ю. Синтез и оценка качества функционирования систем автоматического управления: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения. 1995. -26 с.

21. Губарев В. Ф., Самойленко Ю. И. Распределенные системы автоматического регулирования положения равновесия плазменного шнура в токамаке./ Техническая физика. -1974. №5. - С. 5-11.

22. Гуляев Г. А. Автоматизированный синтез и анализ адаптивных систем управления роботов на базе интегральных автоматов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Ленинградский институт авиационного приборостроения. 1991. - 22 с.

23. Дегтярев Г. Л. Оптимальное управление стохастическими процессами с распределенными параметрами при локальном критерии качества./ Оптимальные процессы: Труды КАИ. Казань, 1975. - Вып. 188 - С. 37-41.

24. Дейч В. Г. Дискретная аппроксимация стабилизирующей обратной связи в системах с распределенными параметрами./Автоматика и телемеханика. 1987. -№6. - С. 36-47.

25. Евсеенко Т. П. Приближенное решение задач оптимального управления методом прямых./ Приближенное решение задач оптимального управления системами с распределенными параметрами: Науч. сб. / Илим. Фрунзе, 1976. - С. 33-38.

26. Егоров А. И., Бачий Г. С. О решении задач синтеза оптимального управления процессом теплопроводности./ Прикладная математика и программирование: Науч. сб./ Шнитца. Кишинев, 1975. - Вып. 13. - С. 20-25.

27. Егоров А. И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. - 463 с.

28. Елманова Н. Borland C++Builder 3: новые возможности создания корпоративных информационных систем. Компьютер пресс № 8, 1998 г. С. 116.

29. Зенкевич 0., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. -М.: Мир, 1986.-318с.

30. Коваль В. А. Метод пространственно-частотной декомпозиции для управления в трехмерном евклидовом пространстве./ Аналитические методы синтеза регуляторов. Межвуз. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов. 1982. - С. 31-36.

31. Коваль В. А., Першин И.М. Применение метода пространственно-частотной декомпозиции к анализу систем с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов : Межвуз. науч. сб. / Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1981. - С. 49-56.

32. Коваль В. А. Спектральный метод анализа и синтеза распределенных управляемых систем. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. -1997. - 345 с.

33. Колендо О. В. Синтез оптимального управления системами с распределенными параметрами./ Донецкий ун-т. Донецк, 1988. -16 с. - Деп. в Укр. НИИНТИ, №972. - УК.88.

34. Костяков С. Средства разработки приложений. PC Magazine/Russian Edition № 1, 1998 г. С. 169.

35. Кухтенко А. И., Самойленко Ю. И. Автоматическое управление плазменными объектами // Вести. АН УССР. -1972. №3.-С. 32-35.

36. Ладиков Ю. П., Самойленко Ю. И. Применение ортоганализированных обмоток с автоматическими регулируемыми токами для стабилизации плазмы в системах токамак//Техническая физика. -1972. -Т. 42. Вып. 10. С. 312-346.

37. Леонов Ю. Ю., Цукков В. И. Иерархические системы с распределенными параметрами и перекрестными связями./ Автоматика и телемеханика. 1988. - №8. -С. 75-82.

38. Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - 504 с.

39. Мезон С., Циммерман Г. Электрические цепи, сигналы и системы. М.: Энергия, 1972.-480 с.

40. Нагорный Л. Я. Моделирование электронных цепей на ЦВМ. Киев: Техника, 1974. - 360 с.

41. Новиков Ф. А., Яценко А. Д. Microsoft Office в целом. СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1995. - 336 с.

42. Першин И. М. Об одной структуре регулятора для систем управления с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов: Меж-вуз. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1982. - С. 15-30.

43. Першин И. М. О критерии Найквиста в системах с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1981. - С. 57-67.

44. Першин И. М. Частотный метод синтеза распределенных систем, характеризуемых уравнениями параболического типа // Изв. вузов. Приборостроение. -1991. -№8. С. 55-60.

45. Петров Б. Н., Александров А. Д., Андреев В. П. и др. Многорежимные и нестационарные системы автоматического управления. М.: Машиностроение, 1978. -214 с.

46. Плотников В. И. О сходимости конечномерных приближений (в задаче об оптимальном нагреве неоднородного тела произвольной формы)./ Вычислительная математика и математическая физика. -1968. №1. - Т.8. - С. 136-157.

47. Подчукаев В. А. Быстрые алгоритмы анализа и синтеза систем автоматического регулирования на основе полиномиальных функций их параметров. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1986. - 240 с.

48. Путькина Л. В. Математический синтез САУ, использующих экстраполяцию координат движущегося объекта на основе развития методов обратных операторов. Автореферат на соискание степени КТН. Санкт-Петербургский институт точной механики и оптики. 1995. 285 с.

49. Райцын Т. М. Синтез САУ методом направленных графов. Л.: Энергия, 1970.-94 с.

50. Рапопорт Э. Я. Чебышевские приближения в задачах параметрической оптимизации управляемых процессов./ Автоматика и телемеханика. 1992. - № 2, № 3, № 4. -С. 60-70, 59-64, 49-56.

51. Сиразетдинов Т. К. К аналитическому конструированию регуляторов в процессах с распределенными параметрами./Автоматика и телемехаика. 1965. -№9.-С. 1481-1489.

52. Сиразетдинов Т. К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977. - 479 с.

53. Сиразетдинов Т. К. Синтез систем с распределенными параметрами при неполном измерении./ Изв. вузов. Авиационная техника,-1971. №3. - С. 37-43.

54. Солодовников В. В., Бирюков В. Ф., Тумаркин В. И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.

55. Солодовников В. В., Плотников В. Н. Яковлев А. В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. -536 с.

56. Сучилин А. М. Применение направленных графов к задачам электротехники. Л.: энергия, 1971. - 98 с.

57. Ультриванов И. П. Выбор весовых коэффициентов в задачах АКОР для гидродинамического процесса./ Тр. КАИ. Казань, 1975.-Вып. 188. - С. 45-49.

58. Ультриванов И.П. Распределенное управление жидким проводником в магнитном пол е./ Изв. вузов. Авиационная техника.-1573.- №2, С. 135-140.

59. Фести У. Разработка программ для Office 97. PC Magazine/Russian Edition №2, 1998 г.-158 c.

60. Цукков В. И., Шаповалов А. В. Двухуровневая методика в задачах управления дисперсионными системами./ Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. -1990. №2. - С. 156-161.

61. Шаршеналиев Ж. III., Батырканов Ж. И. Синтез систем управления с заданными показателями качества./Отв. ред. Т. Т. Оморов; АН Республики Кыргызстан, Ин-т автоматики. Б. :Илим, 1991.-121 с.

62. Шенфельд Г. Б. О задаче аналитического конструирования оптимальных регуляторов для уравнений параболического типа./ Математические методы оптимизации систем с распределенными параметрами: Науч. сб. Фрунзе: Илим, 1975. -С. 3-9.142