автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка подсистемы САПР корректирующих устройств систем автоматического управления

/5 ОД ц ДЕК 1993

БОНДАРЕНКО Николай Николаевич

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ САПР КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05 13.12 - "Системы автоматизации проектирования'"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург - 1998

Диссертационная работа выполнена на кафедре компьютерных систег автоматизации Государственного университета аэрокосмического прибс ростроения (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Сольницев Р.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Катков М.С., кандидат технических наук Назаров С.Р.

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 2.2 декабря 1998 года в 15 часов на засе дании диссертационного совета К 063.21.01 Государственного университе та аэрокосмического приборостроения по адресу: 190000, Санкт Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, тел. (812) 210-7084,210-7030.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 21 ноября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Марков Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования..Создание систем автоматизации прс-ектированшГ(САПР) обусловлено резко возросшими требованиям!! к клчестзу проектируемых изделий, снижению их стоимости, необходимостью сокращения сроков проектирования, снижения трудоемкости самого процесса проектирования. а также устранения неудачных проектов на начальных стадиях работ. Указанное в полной мере относится к процессу создания систем автоматического управления (САУ). так как достижение предельных характеристик САУ на этапе проектирования возможно лишь при использовании САПР. Концептуально такая постановка вопроса подразумевает оптимальное проектирование, при этом важнейшей для практики и одновременно наиболее сложной является задача синтеза.

Для выполнения заданных требований к САУ, как правило, необходимо введение в систему дополнительных звеньев - корректирующих устройств (КУ), характеристики которых в значительной степени определяют качество функционирования системы в целом. Таким образом, решение задачи синтеза корректирующих устройств (определение вида КУ, места подключения в системе и их параметров), является весьма сложным и ответственным этапом в процессе создания САУ. По указанной причине большую актуальность приобретают разработка к внедрение САПР корректирующих устройств.

Различные методы синтеза корректирующих устройств САУ рассмотрены в работах Е.И.Хлыпало, Е.П.Попова, И.П.Пальтова. Л.В.Московчеяко, С.Н. Шарова, В.Т.Шароватова. К).КЗ.Шумилова и других. Проблемой автоматизации синтеза КУ занимались Р.И.Солышцев, В.В.Солодовников, А.Г.Александров. И.А.Орурк, Х.Розенброк, Д.Х.Имаев, И.М.Тертерова и другие. Однако унифицированных методов синтеза КУ не существует, поэтому в каждом конкретном случае необходимо ставить вопрос о возможности и необходимости использования того или иного метода. Несмотря на наличие в методах синтеза формализованных расчетных процедур, разработчику очень часто приходится полагаться на свой опыт и интуицию. И хотя в области синтеза КУ наблюдается определенный прогресс, существует необходимость дальнейшего развития методов синтеза и создания на их базе средств автоматизации проектирования корректирующих устройств.

Дополнительные возможности разработчикам корректирующих устройств ГАУ может дать использование методов и средств цифровой обработки сигна-тов (ЦОС). Применительно к САУ это, прежде всего, возможность обработки а эежиме разделения времени различных управляемых и регулируемых перемен-тых и подстройки (адаптации) параметров, а также возможность смены самого шгоритма управления.

Что касается собственно вопросов оптимального синтеза цифровых корректирующих устройств, то к настоящему времени сложилась ситуация, парадоксальная по своей сути.

С одной стороны, в литературе, посвященной ЦОС, глубоко проработаны теоретические основы и решены многие прикладные задачи.

С другой стороны, вопросы оптимального синтеза цифровых корректирующих устройств САУ в известных работах рассмотрены явно недостаточно. Это, в свою очередь, привело к появлению методик, упрощающих синтез цифровых САУ, например, обеспечивающих сокращение нулей и полюсов в неизменяемой части системы и, таким образом, исключающих необходимость применения КУ с передаточными функциями высоких порядков. Упрощение же модели САУ приводит к утере тонких свойств системы при проектировании и, как следствие, к ухудшению ее качества. Собственно синтез КУ производится фактически методом подбора, что еще более усугубляет ситуацию.

При классическом подходе к проектированию устройств ЦОС выделяют этапы аппроксимации, блок-диаграммной реализации и собственно реализации (схемной или программной), на каждом из которых решаются специфические я допускающие формализацию задачи. Здесь и далее под блок-диаграммой устройства ЦОС понимается графическое отображение алгоритма его работы.

Из трех этапов проектирования устройств ЦОС важнейшим следует признать первый - этап аппроксимации или, что то же, конструирования операторов обработки сигналов. Важность этапа объясняется следующим.

Во-первых, оптимально спроектированный оператор обработки (в данном случае - оператор коррекции) позволяет существенно улучшить физические и другие характеристики проектируемого устройства.

Во-вторых, уже на этом этапе принципиально возможно учесть специфику элементной базы, связанную, прежде всего, с общими для ЦОС проблемами точности и производительности.

И, наконец, в-третьих, именно этап оптимального конструирования операторов вообще разработан слабее других. Что касается оптимального конструирования операторов коррекции САУ, то в известной литературе соответствующие методы отсутствуют.

На этапе блок-диаграммной реализации наименее разработанной является оптимизация параметров операторов обработки в двоичном их представлении и выбор рациональной структуры звеньев. Обычно применяемая в этом случае оценка минимально-необходимой разрядности коэффициентов передаточных функций радикально проблему не решает.

Что касается других вопросов данного этапа, а также этапа реализации, то они являются универсальными, к настоящему времени детально проработаны и их решение затруднений не вызывает.

В целом же при наличии большого количества средств автоматизации проектирования лишь незначительная часть САПР предназначен-:» для проектирования корректирующих устройств САУ и полностью.отсутствуют-САГ1РГ содержащие инструменты синтеза-корректирующих устройств, построенных на Цифровой элементной базе, я связи с чем разработка подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств (ЛЦКУ) представляется актуальной

Целью диссертационной работы является разработка математического и программного обеспечений подсистемы (инструмента САПР) синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

1.1 (роведен аиализ основных видов корректирующих устройств САУ, определены преимущества цифровых устройств перед аналоговыми, рассмотрены методы цифровой обработки сигналов, этапы проектирования устройств ЦОС и их содержание. Рассмотрены подсистемы, входящие в состав САПР корректирующих устройств, определено место подсистемы синтеза КУ.

2. Сформулирована задача оптимального синтеза ЛЦКУ, разработан метод конструирования передаточных функций ЛЦКУ при одновременном задании требований к частотным характеристикам, разработаны соответствующие алгоритмы.

3. Рассмотрена чувствительность частотных характеристик некоторых элок-диаграммных реализаций к изменению параметров передаточной функции, разработан метод конструирования передаточных функций ЛЦКУ, основанный на оптимизации коэффициентов ограниченной разрядности в двоичном представлении, предлагаются соответствующие алгоритмы.

4. Разработано программное обеспечение подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.

Основные методы исследования. В данной работе используются теория ■ правления, теория оптимизации, теория цифровой обработки сигналов, теория злгоритмов. Экспериментальная проверка теоретических результатов провозится на персональной ЭВМ с использованием методов вычислительной математики и программирования.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Разработан метод оптимального синтеза линейных цифровых корректирующих устройств при одновременном задании требовании к амплитудно- и |>азо-частотной характеристикам.

2. Разработан метод оптимального синтеза линейных цифровых корректирующих устройств при ограниченной разрядности коэффициентов пере-(аточной функции.

3. Разработана методика оптимального синтеза ЛЦЕСУ на этапах конструирования оператора обработки.

4. Разработаны алгоритмы оптимального синтеза ЛЦКУ с одновременно заданными'требованиями к АЧХ и ФЧХ при отсутствии ограничений на разрядность коэффициентов передаточных функций и при ограниченной разрядности.

Практическая ценность диссертационной работы.

На базе разработанных методов и алгоритмов создано прикладное программное обеспечение подсистемы САПР, предназначенной для синтеза линейных цифровых корректирующих устройств. Данная подсистема была использована при проектировании двухосного гиростабилизатора для прибора ночного видения. Подсистема дает возможность конструирования передаточных функций ЛЦКУ с одновременно заданными АЧХ и ФЧХ, произвольным соотношением степеней полиномов числителя и знаменателя передаточной функции, а при необходимости - осуществлять синтез ЛЦКУ с ограниченной разрядностью коэффициентов передаточных функций в двоичном представлении.

Подсистема синтеза ЛЦКУ предназначена для использования как отдельно, так и в составе САПР корректирующих устройств САУ. Благодаря широким интерактивным возможностям разработанное программное обеспечение может быть использовано широким ¡футом разработчиков САУ, а также в учебном процессе.

Реализация работы. Результаты работы и соответствующее программное обеспечение внедрены в научно-исследовательском инженерно-внедренческом центре "Карат" (г. Санкт-Петербург), что подтверждено соответствующим актом. Полученные результаты также используются в учебном процессе на кафедре компьютерных систем автоматизации Государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 8-ой военной научно-технической конференции в Высшем военном инженерном училище связи, г. Санкт-Петербург, ноябрь 1996 г.;

- I научной сессии аспирантов Государственного университета аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург, апрель 1998 г.;

- Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98", г. Зеленоград, апрель 1998 г.;

- 2-ой Международной конференции "Приборостроение в экологии и безопасности человека", г. Санкт-Петербург, октябрь 1998 г.

Публикации. Список печатных работ автора, отражающих основные положения диссертационной работы, содержит 7 наименований.

Объем работы. Диссертационная работа состоит введения, пяти .-лав, заключения, списка литературы и приложении, содержит 55 рисунков и 7 тг.о-лиц. Основная часть изложена на 134 страницах, машинописного текстаЛ>5и7йй • объем-дтссертацУго составляет 2 И) страниц Список литературы содержат 125 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод и алгоритм синтеза линейных цифровых корректирующих устрожив с заданными одновременно амгслитудно- а фазо-частогной .характеристиками (АЧХ и ФЧ.Х;

2. Метод и алгоритм синтеза линейных цифровых корректирующих устройств с ограниченной разрядностью коэффициентов ь двоичном представлении.

3. Методика оптимального синтеза ЛЦКУ на этапах конструирования оператора обработки.

4. Разработанное программное обеспечение подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссерташюнний работы, определены цель н задачи работы, описаны методы исследования, показаны научная новизна, теоретическая и практическая ценность работы. Приводятся краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных видов корректирующих устройств САУ, определены преимущества цифровых устройств перед аналоговыми. рассмотрены методы цифровой обработки сигналов и этапы проектирования устройств ЦОС. Рассмотрены подсистемы, входящие в состав САПР корректирующих устройств, определено место подсистемы синтеза КУ.

Рассмотрены основные классы систем автоматического управления и фс-оований. предъявляемые к качеству их функционирования. Проведен подробный анализ основных классов корректирующих устройств, рассмотрены их достоинства и недостатки. Сделан вывод о целесообразности использование как линейных, так и нелинейных корректирующих устройств и необходимости дальнейшего развития теории и разработки методов их оптимального синтеза.

Рассмотрены методы ЦОС, показаны се преимущества перед другими видами обработки сигналов и перспективность использования в САУ.

Проанализированы линейные цифровые системы, условия их физической реализуемости: причинности и устойчивости, а также соотношения и преобразования, используемые при описании и анализе, сделан вывод о перспективности использования минимально-фазовых линейных цифровых систем при построении КУ САУ.

Рассмотрены этапы синтеза устройся ЦОС и их содержание. Выделены важнейшие задачи, качество решения которых в значительной степени определяет характеристики создаваемого устройства:

- на этапе аппроксимации требуемых характеристик - синтез оператора обработки сигналов;

- на этапе блок-диаграммной реализации - выбор или разработка рациональных блок-диаграмм звеньев второго порядка, а также оценка минимально-необходимой длины слое коэффициентов передаточных функций при ограниченной разрядности и их оптимизация.

Определены требования, предъявляемые к современным системам автоматизации проектирования, подробно рассмотрены 7 видов обеспечений, входящих в состав САПР: математическое, лингвистическое, программное, информационное, техническое, методическое и организационное. Сделан вывод о том, что задача разработки математического обеспечения является базовой при создании САПР большинства объектов к систем, в частности, систем автоматического управления.

Рассмотрены инструменты (подсистемы), которые должна включать в себя современная САПР корректирующих устройств САУ: "Построение математических моделей", "Моделирование", "Анализ", "Синтез", "Конструирование", "Технологическое проектирование", "Испытания". Сделан вывод о приоритетности разработки подсистемы синтеза при создании САПР линейных цифровых корректирующих устройств.

Вторая глава посвящена разработке математического обеспечения подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств, включающего собственно метод оптимального синтеза ЛЦКУ с одновременно заданными АЧХ и ФЧХ и адекватный ему алгоритм оптимизации. Для достижения этой цели рассмотрены и решены следующие вопросы.

Рассмотрены основные свойства и математические соотношения для линейных цифровых корректирующих устройств, необходимые для вычисления их частотных характеристик.

Задача оптимального синтеза ЛЦКУ с заданными АЧХ и ФЧХ сформулирована в виде: при заданном качестве аппроксимации найти Л'-мерньш вектор X параметров оператора обработки (коэффициентов передаточной функции) при ДХ)<0 и /V—»min, т.е.

¿(Х)<0, i=l,т ; ' ¿(Х) = 0, i=m+l,N; (О

Nmin.

Здесь р{Н, Н,,) - расстояние в выбранной метрике между заданным // и конструируемым //,, операторами обработки; <5>0 - некоторое заданное вещественное число, характеризующее качество аппроксимаииигт.е: приближения Н,, к //, J,(X)--условия, 'обеспечивающие саму физическую возможность синтезируемого оператора Нч и выполнение ограничений на его характеристики. Размерность Л' вектора параметров X выбрана в качестве критерия оптимальности, так как характеризует сложности оцеоагора Н„ и, следовательно, определяет необходимый для реализации КУ объем арифметических операций умножения и сложения

Так как прямое решение задачи (i) невозможно, то далее она сводится к последовательности задач математического программирования:

при постоянных порядке Л' и структуре передаточной функции H(z) найти вектор ее коэффициентов Л", при котором выполняются условия физической возможности и некоторая целевая функция ОСV), определяющая качество аппроксимации требуемых характеристик КУ, минимальна:

Q(X)~* min; < f¡(X)<0, i=l,m; (2)

f(X) = 0, /=ш+1,Л\

Разработано математическое обеспечение подсистемы синтеза ЛЦКУ САУ на этапе аппроксимации. При этом.

1. Решены задачи формализации выражений для передаточной функции ЛЦКУ. целевой функции и условий физической реализуемости.

Из двух альтернативных форм представления передаточной функции выбрана каскадная

H(z) = П1+%2 / t\(l+b]tzA+byz'2). (3)

Ы . ,',1

что обусловлено след\ющими ее преимуществами, способствующими успешному решению задачи создания ЛЦКУ в целом:

- меньшими шумами вычислений;

- относительно низкой чувствительностью частотных ларам сриешк к точности представления коэффициентов передаточной функции на этапе блок-диаграммной реализации и возможностью выбора рациональных структур звеньев второго порядка;

- относительной легкостью контроля устойчивости синтезируемого оператора обработки.

Рассмотрены возможные критерии близости между заданными и расчетными характеристиками синтезируемого ЛЦКУ и сформированы целевые функции

для АЧХ:

О^Х) - шах W.\H3{<o^-\H{X,(o)\\ -> min (4) и для ФЧХ'

02(Х) - шах Щ\Ф}(со1-)-Ф(Х;со1У\ min, (5)

где <а,еЕы иМ- контрольные частотные точки интервала аппроксимации Е,„ и их количество соответственно, W, - весовые коэффициенты, распределяющие погрешность аппроксимации; Я,(о;,), |Н(Х, <л>-)\, Ф3(ю,) и Ф{Х, си.) - заданные и расчетные значения АЧХ и ФЧХ соответственно; G.у - область допустимых 'значений коэффициентов передаточной функции.

Формулировка целевых функций в виде (4) и (5) учитывает тот факт, что при использовании минимаксного критерия ошибка (аппроксимации) ö никогда не превышает расстояние р в любой точке интервала аппроксимации, а также то, что требования к частотным характеристикам задаются в виде коридоров допустимых значений, выход за пределы которых недопустим.

Рассмотрена проблема физического реализуемости КУ в цифровом элементном базисе. К условиям физической реализуемости отнесены причинность и устойчивость. ЛЦКУ являются причинными устройствами, а для обеспечения устойчивости полк. их передаточной функции должны быть дислоцированы в единичной окружности, т.е. ¡Р;|<1. С учетом того, что ЛЦКУ должны быть минимально-фазовыми, допустимая область G\ коэффициентов определена в виде:

-1 - а, < 0; -Ь2< 0; -\+а2 <0; ö2-A,x<0; -l-öj-а^О; b]-4b2bam<0, (6)

-1 -а, +<3j <0;

где Zw - положительное число, близкое к 1.

2. Произведена скаляризация двухкритериалытой задачи оптимального синтеза путем сведения ее к задаче условной оптимизации. Показано, что использование методов, основанных на создании обобщенного критерия качества в виде функционала

0(Х) = РШХ),Ог{Х)1 (7)

нерационально. В частности, линейная свертка весьма критична к значениям весовых коэффициентов и при неправильном их выборе решение может быть некорректным. Метод же минимакса дает гарантированный результат, однако минимаксная оптимизация приводит к появлению дополнительных локальных минимумов вследствие противоречивости частных критериев.

Доказано, в гом числе экспериментально, чю наиболее рациональным методе м скадяризацик является .метод- главного- критерия;'В "качестве маеного 'критерия. подлежащего минимизации, выбрано уклонение ФЧХ от требуемой. Решающим в пользу зтого выбора явился гот факт, что при небольших значениях А.ЧХ пз интервала [0,1] изменения ФЧХ многократно больше

Произведено сведение условной задачи к безусловной методом штрафных функций. Учитывая способ задания целевой функции i4) и ограничения (5), '.r.v'öonee целесообразными признаны иирафг.ая функция вида

I 0, при max Щ|Я(ц)-1Н(Х, coJW < S \ (S)

' Pf-V^l *

j И' \Jj.,((ü)-> ii(X , cü(>|| , в противном сл\чае

I

и обобщенная целевая функция вида

О (X) = max(Щ О, (X), WPP( X))-* min, (9)

gv

где

О, (X) = max Щ}АЩ (X,coJ\. {]())

Здесь весовые коэффициенты целесообразно выбирать из условия ГГ;.

3. Проведен анализ регулярных алгоритмов минимизации функций многих переменных. С учетом особенностей решаемой задачи (нелинейность, отсутствие дифференцируемое™ и миогоэкстремальность целевой функции, подтвержденная экспериментально плохая обусловленность задачи и вытекающая отсюда овражность) обоснован выбор алгоритмов случайного поиска.

4. Разработан алгоритм минимизации целевой функции, имеющий в основе "блуждающий" алгоритм Л.А.Растригина в варианте направляющего конуса. Проверена сходимость алгоритма на тестовых функциях Розенброка и Растри-гина, показавшая его высокую надежность. Для повышения скорости сходимости введена адаптация поиска по длине шага.

С целью подтверждения правильности заложенных принципов и выявления возможностей разработанных математического и прикладного программного обеспечений проведена серия численных экспериментов. Сформулированы рекомендации по выбору параметров оптимизатора и количества контролируемых частот на интервале аппроксимации.

Третья глава посвящена разработке математического обеспечения подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств на этапе блок-диаграммной реализации. Разработан метод конструирования передаточных функций ЛЦКУ, основанный на оптимизации коэффициентов ограниченной разрядности в двоичном представлении, предлагаются соответствующие алгоритмы. Для достижения этой цели рассмотрены и решены следующие задачи.

Подробно рассмотрены задачи, решаемые на этапе блок-диаграммной реализации ЛЦКУ. В качестве главных выделены задача определения параметров оператора обработки при ограниченной разрядности в двоичном их представлении, а также задача выбора рациональной блок-диаграммы звеньев второго порядка, связанные с общей для ЦОС проблемой точности.

Исследована чувствительность АЧХ некоторых блок-диаграмм звеньев второго порядка к изменениям коэффициентов их передаточных функций, связанных с погрешностями двоичного представления при ограниченной разрядности и выработаны рекомендации по их применению. Результаты исследования дали основание для утверждения о возможности оптимизации характеристик синтезируемого ЛЦКУ путем вариации в некоторых пределах значениями коэффициентов передаточной функции, представленных словами ограниченной длины.

Сформулирована и решена задача оптимального синтеза ЛЦКУ при ограниченной разрядности коэффициентов передаточной функции, разработано математическое обеспечение. При этом:

1. Проведен анализ существующих методов синтеза линейных цифровых устройств на этапе блок-диаграммной реализации, основанных на решении задачи дискретного программирования и обоснован выбор случайного поиска.

2. Сформулирована задача оптимального синтеза в виде нелинейной задачи смешанного дискретного программирования. Задачи формализации выражений для передаточной и целевой функций решены тем же образом, что и для этапа аппроксимации. На область поиска бд, определенную выражением (6), наложено дополнительное условие, учитывающее дискретный характер изменения коэффициентов передаточной функции

г

*/=±Ес/2"у' си)

>0

где су равно нулю или единице; г - разрядность коэффициентов в двоичном их представлении (без учета знака).

3. Разработан алгоритм минимизации целевой функции в виде дискретного варианта направляющего конуса. Решены задачи выбора начального приближения, определения области и стратегии поиска локального минимума на дискретном множестве.

4. Разработан алгоритм оптимального синтеза ЛЦКУ с ограниченной разрядностью коэффициентов передаточной функции.

Проведена серия численных экспериментов по расчету ЛЦКУ при ограниченной разрядности коэффициентов, результаты которой подтвердили правильность заложенных принципов и позволили выработать рекомендации по выбору параметров оптимизации. Разработана методика оптимального синтеза

ЛЦКУ на этапе блок-диаграммной реализации, в соответствии с которой конструирование передаточных функций осу настил ясгся следующим образом:

1. Предложенным в главе 2 методом_получить точныекоэффициенты • иереда^очяой""функцйи. удовлетворяющей с некоторым запасом предъявленным требованиям к частотным х&ракгхрчотикам.

2. С пэмошью функций чувствительности или иным способом определить верхнюю оценку длины слов коэффициентов в двоичном представлении.

3. Осуществить оптимизацию коэффициентов при полученной оценке ДЛИНЫ слоя.

4. Уменьшить длину слов на 1 бит и произвести оптимизацию коэффициентов при меньшей длине. Эту операцию осуществлять до тех нор. пота при очередном значении ¡ выполнить предъявленные требования не удэсгся ьели же длина слов коэффициентов определена техническим заданием, то при выполнении требований упомянутый в л.1 запас уменьшается и осуществляется оптимизация коэффициентов при меньшем порядке передаточной функции.

В четвертой главе представлено описание разработанной автором подсистемы синтеза корректирующих устройств САУ, входящей в состав САПР КУ. Данная подсистема предназначена для автоматизации синтеза линейных цифровых корректирующих устройств САУ. т.е. определения вида и параметров КУ. подключение которого в систему дает возможность получить САУ с желаемыми частотными характеристиками. Подсистема разработана на базе математического обеспечения, предложенного во второй и третьей главах диссертационной работы.

Разработанная подсистема функционирует в среде операционной системы MS DOS. Работа с подсистемой осуществляется в диалоговом режиме посредством системы меню. Любой режим работы подсистемы сопровождается подсказками, что облегчает проектировщику освоение и использование подсистемы. От проектировщика, использующего подсистему синтеза КУ. требуется глубокое знание предметной области и умение работать на персональной ЭВМ.

Подсистема синтеза ЛЦКУ обеспечивает следующее: автоматическую установку начальных значений параметров после запуска подсистемы; ввод необходимых данных в диалоговом, режиме с клавиатуры или из файлов; проверку вводимых ланнт.гс с иелью и\ соответствия наложенным ограничениям; редактирование введенных параметров; автоматический анализ наличия необходимых данных и их корректности на всех этапах работы подсистемы; ведение статистики во время процесса оптимизации; вывод промежуточных и конечных результатов на экран дисплея и их запись на жесткий диск; построение графиков желаемых и расчетных частотных характеристик в абсолютных или логарифмических единицах с возможностью масштабирования указанной части графика; формирование протокола результатов работы подсистемы с последующим выводом его на печать; выявление и обработку аварийных си-

туаций на каждом этапе работы подсистемы; возможность завершать работу подсистемы без потерь информации.

К другим достоинствам разработанной подсистемы синтеза КУ можно отнести "дружественный" интерфейс, небольшой по нынешним меркам объем занимаемого дискового пространства, высокое быстродействие, устойчивость выполняемых вычислений (предотвращение переполнений, делений на ноль и т.д.), возможность безболезненного дополнения подсистемы другими про-гра.ммными модулями, единый для всех программных модулей стиль написания текстов.

Подсистема синтеза корректирующих устройств САУ может функционировать как в составе САПР корректирующих устройств, так и в автономном режиме. Связь между программными модулями подсистемы осушествляется посредством передачи формальных параметров. Структура подсистемы синтеза КУ представлена на рис. 1.

По истечении заданного времени работы определяется массив оптимизированных коэффициентов числителя и знаменателя передаточной функции КУ. Достижение лимита времени проверяется в локальных минимумах, поэтому реальное время работы может несколько превышать предельное. Затем происходит формирование протокола результатов вычислений в виде текстового файла, содержащего исходные данные, параметры оптимизатора и результаты вычислений, с возможностью его выдачи на экран дисплея или на принтер. На рис. 2 представлен фрагмент оконного интерфейса подсистемы.

Тексты программных модулей подсистемы написаны на языке С++. Главными причинами выбора данного языка программирования являются следующие: возможность работы с данными сложной структуры; реализация принципа модульности, т.е. возможность независимой разработки различных программ и последующего их объединения в отдельную систему (проект); наличие более гибких по сравнению с остальными языками программирования средств для эффективного использования особенностей аппаратного обеспечения, что обеспечивает компактность и высокое быстродействие работы программ.

Для реализации оконного интерфейса и меню были использованы библиотеки функций пакета CodeBase версии 4.5. Компиляция программ и построение исполняемого модуля подсистемы выполнены в среде Borland С++ версии 4.52. Подсистема функционирует в 16-битном защищенном режиме DOS (16-bit DPMI), для реализации которого был использован пакет Borland PowerPack.

Подсистема синтеза ЛЦКУ предназначена для использования на персональных компьютерах типа IBM PC или совместимых с ними, к которым предъявляются следующие требования:

Управлягащая

__программа —

--1--—

! Ввод ('редактирование) Г ......- ......... J Синтез ЛЩУ (гло-

исходных данных | бальная оптимизация)

Структура, параметры Синтез ЛЦКУ с огра-

пеоедаточной функции ии^етюй разрядное 1 ью

Настройка 1 .'ечагь результатов.

оптимизатора построение графиков

Рис.1. Структура подсистемы синтеза ЛЩУ

Рис.2. Фрагмент оконного интерфейса

- гип процессора, не ниже .......................................... i 4860X2-66

- дисковое пространство, кБ, не менее .......................... 800

- графический адаптер .............................................. VGA

- версия MS DOS, не ниже ........................................ 4.01.

Тестирование подсистемы проводилось в среде операционной системы MS

Windows 98 при работе в сеансе MS DOS. При работе подсистемы каких-либо несовмгстимостей с аппаратным и программным обеспечением, соответству?о-щим указанным требованиям, отмечено не было.

Б пятой главе приведены примеры синтеза линейных цифровых корректирующих устройств на основе разработанных методов и алгоритмов.

Разработанная в рамках данной диссертационной работы подсистема синтеза корректирующих устройств была использована при проектировании двухосного гироскопического стабилизатора (ДГС) прибора ночного видения (ПНВ) для прицельно-поисковых систем самолетов. ДГС предназначен для стабилизации оптических призм ПНВ в инерциальном пространстве с высокой точностью при наличии углового движения корпуса прибора.

Использование в контуре стабилизации корректирующих устройств на цифровой элементной базе привело к повышению точности работы, увеличению помехоустойчивости и надежности гиростабшшзатора в целом и снижению его габаритных и весовых показателей.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложениях содержатся тексты программных модулей, входящих в состав разработанной подсистемы синтеза ЛЦКУ, список сокращений, используемых в тексте диссертации, а также акт о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В диссертационной работе решены три группы основных вопросов.

Системные

1. Проведен анализ основных видов корректирующих устройств САУ, методов их синтеза. Рассмотрены подсистемы, входящие в состав современных САПР корректирующих устройств, определено место подсистемы синтеза КУ. Сделан вывод о необходимости дальнейшего развития теории и разработки методов оптимального синтеза цифровых корректирующих устройств и создания соответствующих алгоритмов и программ.

2. Рассмотрены методы цифровой обработки сигналов, этапы проектирования цифровых корректирующих устройств и их содержание. Сделан вывод о преимуществе цифровых устройств перед аналоговыми, показана перспективность использования ЦОС в САУ.

Теоретические

1. Разработано математическое обеспечение (метод и алгоритм) подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств, отличительными особенностями - которого являются одновременное задание амплитудно-частотной и фазо-част тгиой характеристик, а также возможность получения передаточных функций с произвольным соотношением степеней полиномов числителя и знаменателя. Для достижения глобально-оптимального решения разработан алгоритм минимизации целевой функции, базирующийся на случайном поиск«? с овражной стратегией Исследованы особенности решаемой задачи, которые учтены з предложенном варианте адаптации поиска, основанного на изменении рабочих шагов в зависимости от результатов предшествующих итераций. Это позволило увеличить размерность решаемых задач, повысить точность вычислений и быстродействие программы.

2. Разработано математическое обеспечение (метод и алгоритм) подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств с ограниченной разрядностью коэффициентов передаточных функций в двоичном их представлении при заданных частотных характеристиках. В качестве процедуры оптимизации использован случайный поиск в виде дискретного варианта направляющего конуса. Введена адаптация длины рабочих шагов в дискретном пространстве оптимизируемых параметров, позволившая при прочих равных условиях увеличить вероятность достижения оптимального решения.

3. Разработана методика оптимального синтеза ЛЦКУ на этапах конструирования оператора обработки.

Прикладные

!. На базе разработанного в диссертационной работе математического обеспечения создано прикладное программное обеспечение подсистемы синтеза линейных цифровых корректирующих устройств, предназначенное для конструирования передаточных функций ЛЦКУ с произвольным соотношением степеней полиномов числителя и знаменателя передаточной функции, а также с ограниченной разрядностью коэффициентов.

2. Решены задачи синтеза ЛЦКУ для двухосного гиростабилизатора прибора ночного видения с использованием разработанного программного обеспечения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андронов В.Н., Бондаренко Н.Н. Автоматизация расчета характеристик нелинейных автоматических систем со сложной структурой. / 8-я военная научно-техническая конференция. Тезисы докладов и сообщений. - СПб: СПВВИУС, 1997, с. 8.

2. Бондаренко Н.Н. Синтез цифровых корректирующих устройств для систем автоматического управления. / Труды СПВВИУС. Научно-технический сборник. Выпуск 12. - СПб: СПВВИУС, 1997, с. 81-83.

3. Бондаренко Н.Н. Оптимальный синтез цифровых корректирующих устройств. / Микроэлектроника и информатика - 98. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Часть 2. - М.: МИЭТ, 1998, с. 104.

4. Бондаренко Н.Н. Автоматизация синтеза корректирующих устройств в системах автоматического управления. / Межвузовский сборник научных трудов "Информационные системы в промышленности и экономике". - СПб: ГУАП, 1998.

5. Бондаренко Н.Н. Математическое обеспечение САПР корректирующих устройств САУ. / Сборник трудов первой научной сессии аспирантов Государственного университета аэрокосмического приборостроения. - СПб: ГУАП, 1998.

6. Solnitsev R.I., Bondarenko N.N., Moskovchenko L.V. Optimum synthesis of digital adjusting devices with designing of gyrostabilizer for ecological monitoring systems. / 2nd International conference "Instrumentation in ecology and human safety": Proceedings. - StPetersburg, State University of Aerospace Instrumentation, 1998, p. 90-93.

7. Bondarenko N.N. Synthesis of digital adjusting devices with the limited word length. / 2nd International conference "Instrumentation in ecology and human safety": Proceedings. - St.Petersburg, State University of Aerospace Instrumentation, 1998, p. 93-95.