автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Структурное моделирование на ЦВМ систем автоматического регулирования с постоянными и переменными параметрами

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩИХ ВОПРОСОВ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЦВМ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПИСАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§ I.I. Общие вопросы моделирования и автоматизации проектирования систем автоматического регулирования

§ 1.2. Особенности математических моделей САР и их формализованное описание на уровне структурных схем.¥

§ 1.3. Краткий обзор основных свойств численных методов расчета режимов динамических систем.

§ 1.4. Анализ состава и особенностей отечественных и зарубежных систем цифрового моделирования непрерывных сис

Совершенствование работы современных непрерывных технологических процессов требует наряду с использованием АСУ ТП применения большого количества локальных систем автоматического регулирования (САР). Проектирование таких систем является сложной многоуровневой задачей, требующей больших затрат времени и средств. Для решения этой задачи разработаны и совершенствуются методы расчета, анализа и оптимизации. Параллельно с развитием методов совершенствуются аппаратные средства проектирования. В настоящее время на этой основе ведутся разработки интегрированных отраслевых систем автоматизированного проектирования (САПР).

Одним из важнейших этапов проектирования устройств автоматического регулирования является этап структурного анализа, поскольку оптимизация основных показателей качества современных САР достигается как за счет соответствующего подбора параметров, так и структуры в целом. Построение все более точных моделей, используемых при проектировании высококачественных САР, часто приводит к плохой обусловленности моделей. Вместе с этим многовариантность анализа и сложность, многофункциональность устройств автоматического регулирования требует разработки эффективных, быстродействующих методов структурного моделирования, отличающихся как точностью, так и вычислительной устойчивостью в условиях изменения параметров и структуры проектируемых устройств в широком диапазоне. Вследствие этого разработка и исследование специальных методов, алгоритмов и программ анализа динамических и статических характеристик по структурным схемам САР является одной из актуальных задач автоматизации структурного проектирования устройств автоматического регулирования.

Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование специальных методов, алгоритмов и программ структурного анализа на ЦВМ систем автоматического регулирования с постоянными и переменными параметрами.

При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории автоматического регулирования, прикладной математики, математического анализа, теория преобразований Тейлора.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе теории преобразований Тейлора предложены и исследованы неявные разностные уравнения для моделирования линейных динамических блоков первого порядка с постоянными и переменными параметрами при аппроксимации координат и переменных параметров линейными и параболическими сплайнами;

- на основе неявных методов интегрирования и правила Крамера получено неявное разностное уравнение для моделирования динамических блоков с линейной передаточной функцией высокого порядка;

- разработана процедура совместного использования прямого метода Крамера и итерационных методов для решения систем нелинейных алгебраических уравнений при моделировании САР;

- разработана методика формализации структурных схем САР, предложен входной язык описания структурных схем на основе разработанного набора типовых блоков;

- разработаны и реализованы состав и структура системы машинного анализа структурных схем, алгоритмы и программы функционального, информационного и языкового обеспечения для структурного моделирования сложных нелинейных САР с постоянными и переменными параметрами.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований ИЭД АН УССР по теме "Автоматика" (постановления Президиума АН УССР № 398 от 20.11.75 г.). Разработанные методы, алгоритмы и программы реализованы в виде системы машинного анализа и оптимизации структурных схем динамических систем (МАСС ДС) с описанием и инструкцией по эксплуатации в операционных системах ДОС АСВТ и" ОС ЕС. Система МАСС ДС предназначена для исследования САР и непрерывных технологических процессов на наиболее общем структурном уровне и может быть использована в качестве подсистемы отраслевых САПР.

Система МАСС ДС используется:

- в Институте электродинамики АН УССР при исследовании и разработке регуляторов возбуждения и систем управления синхронных машин. Отдельные программы используются при проведении научно-исследовательских работ по тематике отделов Института;

- в учебной и научно-исследовательской работе кафедры приборов и систем ориентации и навигации и кафедры автоматизации энергосистем Киевского политехнического института;

- в производственном объединении "Завод Арсенал", годовой экономический эффект составляет 99,8 тыс.руб.;

- в производственном объединении "Завод им.Малышева", годовой экономический эффект составляет 145",8 тыс.руб.;

- для Киевского института автоматики им.ХХП съезда КПСС и СКВ "Шторм" при Киевском политехническом институте выполнен расчет и оптимизация ряда конкретных задач.

Информационный материал по системе МАСС ДС сдан в Республиканский фонд алгоритмов и программ (per.номер 5717).

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и обсуждено:

- на Межвузовском совещании-семинаре молодых точеных "Проектирование и оптимизация элементов, устройств и систем летательных аппаратов с использованием ЭВМ", г.Харьков, 1977 г.;

- на семинаре Киевского РДНТП "Имитационное моделирование электрических систем", г.Киев, 1977 г.;

- на семинаре Московского дома научно-технической пропаганды "Автоматизация проектирования", г.Москва, 1978 г.;

- на 2-й Республиканской конференции "Вычислительная математика в современном научно-техническом процессе", г.Киев, 1979 г.;

- на конференции молодых ученых Института электродинамики АН УССР "Проблемы технической электродинамики", г.Киев, 1979 г.;

- на 7-й республиканской школе-семинаре по теоретической электротехнике и электронике, г.Шацк, 1982 г.; т- на семинаре Киевского РДНТП "Автоматизация проектирования моделей энергетического оборудования на ЭВМ", г.Киев, 1983 г.;

- на семинаре "Теоретическая электротехника и электроника", Институт электродинамики АН УССР, г.Киев, 1984 г.;

- на школе-семинаре "Дифференциальные преобразования и их приложения", г.Житомир, 1984 г.;

- на Ш Республиканской конференции "Моделирование и автоматизация процессов проектирования сложных технических систем", г.Одесса, 1984 г.

Основное содержание .диссертации отражено в 13 печатных работах. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе анализа математических моделей САР составлен набор типовых блоков, необходимый для формализации структурных схем, выделены уровни расчетных, базовых и комплексных моделей структурных схем САР.

2. Для моделирования линейных динамических блоков высокого порядка предложено неявное разностное уравнение, полученное с помощью формул Крамера и неявных многошаговых методов интегрирования.

3. На основе преобразований Тейлора предложены и исследованы разностные уравнения для моделирования типовых динамических блоков с постоянными и переменными параметрами при интерполяции координат и переменных параметров линейными и параболическими сплайнами.

4. Разработан алгоритм расчета переходных процессов в структурных схемах САР, основанный на совместном решении разностных уравнений, моделирующих динамику отдельных типовых блоков, методами LU -факторизации, Зейделя или Ньютона-Рафсона.

5. Разработаны синтаксис и семантика входного языка управления заданиями и языков описания моделей различного уровня формализации проектируемых САР, реализованы соответствующие алгоритмы информационного и языкового обеспечения.

6. Реализованы алгоритмы динамического вывода графиков на экран дисплея и алгоритм параметрической оптимизации САР по прямым и интегральным критериям качества переходного процесса, позволяющие оперативно использовать опыт проектировщика.

7. Выполнен анализ отечественных и зарубежных систем моделирования непрерывных и непрерывно-дискретных систем, современных требований к программным комплексам автоматизации проектирования и на этой основе разработан и реализован состав и структура системы МАСС ДС.

8. Разработанная система МАСС ДС используется при выполнении научно-исследовательских работ в ряде организаций Киева и Харькова. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 244,4 тыс. рублей.

1. Автоматизация в проектировании / Под редакцией Д.Калахана.- М.: Мир, 1972. -164 с.

2. Автоматизированное оптимальное проектирование инженерных объектов и технологических процессов. Материалы Всесоюзного школы-семинара. -Горький: ИУ, т.1,2, 1974. -135 е., 179 с.

3. Ажогин В.В., Згуровский М.З. Моделирование на цифровых, аналоговых и гибридных ЭВМ. -К.: Выша школа, 1983. -280 с.

4. Алгоритмы оптимизации проектных решений / Под ред. Половинкина. -М.: Энергия, 1976. -264 с.

5. Андриевский Б.Р. и др. Пакет прикладных программ для автоматизированного проектирования адаптивных систем. -В кн.: Моделирование и оптимизация в условиях САПР. -Таллин, 1977.

6. Ануреев Ю.П. К вопросу автоматизации проектирования электроэнергетических объектов. В кн.: Моделирование и автоматизация электроэнергетических систем. -К.: Наук.думка, 1978, с.132-139.

7. Ануреев Ю.П. Устойчивость регулирования возбуждения синхронных машин с полупроводниковым регулятором в некоторых режимах. -Проблемы технической электродинамики. -К.: Наук.думка, 1975, № 53,с.16-21.

8. Ануреев Ю.П. и др. К вопросу цифрового структурного моделирования систем автоматического регулирования. -В кн.: 'Моделирование и автоматизация электроэнергетических систем. -К.: Наук.думка, 1978, с.127-132.

9. Ануреев Ю.П., Макаров А.В. Цифровое моделирование типовых динамических блоков устройств автоматического регулирования с постоянными и переменными параметрами на основе преобразований Тейлора. -Электронное моделирование, 1982, № 4, с.ПЗ-116.

10. Ануреев Ю.П., Макаров А.В. Сервисный язык структурного моделирования систем автоматического регулирования. -Проблемы технической- 165 электродинамики. -К.: Наук.думка, 1978, № 66, с.31-34.

11. Ануреев Ю.П., Макаров А.В. Машинный анализ структурных схем систем автоматического регулирования. -В кн.: Анализ режимов и автоматизация электроэнергетических систем. -К.: Наук.думка, 1979, с.9-14.

12. Ануреев Ю.П., Макаров А.В. Машинный анализ процессов в структурных моделях систем регулирования. -В кн.: Вычислительная математика в современном научно-техническом прогрессе. -К.: КРУ, 1978, с.152-153.

13. Ануреев Ю.П., Макаров А.В. Система машинного проектирования структурных схем автоматического регулирования. -В кн.: Автоматизация проектирования. -М.: МДНТП, 1978, с.76-83.

14. Бабушка И. и др. Численные процессы решения дифференциальных уравнений. -М.: Мир, 1969. -354 с.

15. Баранов Г.Л. Расчет нелинейных систем непосредственно по структурной схеме модели. Энергетика и транспорт, 1969, № 6,с.71-79.

16. Баранов Г.Л., Макаров А.В. Алгоритм расчета переходных процессов в нестационарных динамических системах. -Электронное моделирование, 1983, .№ I, с.97-99.

17. Бармаков Ю.И. и др. Результаты исследования ряда программ анализа электронных схем. -Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, 1981,т.24, № 6, с.27-37.

18. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. -М.: Советское радио, 1975. с.216.- 166

19. Бахвалов Н.С. Численные методы. -М.: Наука, 1973.

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

21. Бененсон З.М., Елистратов М.Р., Ильин Л.К. и др. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств. -М.: Радио и связь, 1981. -272 с.

22. Белов С.Б., Бобков В.А., Говор В.И. Графический пакет для ЭВМ М-4030 с графическими дисплеями ЕС 7064 и А5433. Автометрия, 1978, Jfc 5, с.88-89.

23. Бельман Р. Теория устойчивости решений дифференциальных уравнений. -М. : Из-во иностранной литературы, 1954, -215 с.

24. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975. 768с.

25. Блинштейн А.А., Роземкноп В.Д. Анализ методов построения пакетов прикладных программ для моделирования динамических систем. В кн.: Вопросы разработки, внедрения и эксплуатации прикладных программ ЕС ЭВМ. -М.: 1УЩНТП, 1977.

26. Бондаренко В.М. Методы и алгоритмы анализа статических и динамических режимов нелинейных цепей. -К.: ИЭД АН УССР, Препринт-66, 1974.

27. Брановицкий В.И. и др. Диалог человека с ЭВМ: основные понятия и определения. -Управляющие системы и машины, № 4, 1978, с.

28. Брановицкий В.И. Диалог и диалоговые системы. В кн.: Человеко-машинные системы. -М.: МДНТП, 1977, с.18-23.

29. Вавилов А.А., Имаев Д.Х. Машинные метода расчета систем управления. -Л.: Из-во ЛГУ, 1981.

30. Веников В.А. Современные проблемы моделирования. -Электронное моделирование.-К.; Ш I, 1979, с.12-17.

31. Витязь О.А., Сигорский В.П. Адаптивный исход к анализу электронных схем. -В кн.: Проблемы нелинейной электроники, ч.1. -К.: Наук.думка, 1981, с.168-170.

32. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. -М.: Наука, 1984. -320 с.

33. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления.-М.-Л.: Энергия, 1965. -396 с.

34. Гаврилов М.А. Автоматизация проектирования. -Вестник АН УССР, 1976, Ш 12.

35. Гаврилов М.А. Интегрированные системы современная тенденцияв развитии систем автоматизации проектирования. -Приборы и системы управления, № I, 1979.

36. Глушков В.М., Гусев В.В,, Марьянович Т.П., Сахнюк М.А. Программные средства моделирования непрерывно-дискретных систем. -К.: Наук, думка, 1975. -152 с.

37. Глушков В.И. и др. Диалог, управляемый вычислительной машиной. -Управляющие системы и машины, 1974, .№ 6, с.1-12.

38. Глушков В.М. Диалог с вычислительной машиной: современные возможности и перспективы. -Управляющие системы и машины, 1974,1. Ш I, с.3-8.

39. Грис Д. Конструирование компиляторов для цифровых вычислительных машин.: Пер. с англ. -М.: Мир, 1975.

40. Грищук В.П. Исследование и разработка методов расчета оптимальной настройки некоторых систем автоматического контроля. -Диссертация на соиск. уч. ст.канд.техн.наук, К.: КПИ, 1968.

41. ГОСТ 22487-77. Автоматизированное проектирование: Термины и определения. -М.: Из-во стандартов, 1978. -II с.

42. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. -М.: Наука, 1965. -208 с.

43. Джордж А,, Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984. -333 с.

44. Дидук Г.А. Машинные методы исследования автоматических систем.-Л.: Энергоатомиздат, 1983. -176 с.

45. Дорри М.Х., Климачев С.Н., Шабалин А.В. Пакет прикладных программ для анализа и синтеза систем управления. -В кн.: Тезисы Всес. совеш. по автоматизации проектирования систем управления. -М.: НК СССР по автоматическому управлению, ИПУ, 1979.

46. Дорри М.Х., Климачев С.Н. Использование языка ФОРТРАН для моделирования непрерывных систем на ЦВМ. -Программирование, 1982,1. I, с.51-62.

47. Келиховский А.А. Принципы организации диалоговой системы оптимизации ПИОНЕР. -Кибернетика, 1978, № 5.

48. Жук К.Д. Методы системного проектирования как основа разработки САПР. -К.: ИК АН УССР, Препринт 76-1, 1976. -23 с.

49. Забара С.С., Мильнер А.Д., Захаров A.M. Автоматизация проектирования средств вычислительной техники (Обзорная информация). -М.: ИНИИТЭИ приборостроения, 1977. -52 с.

50. Забара С.С. Структура данных в интерактивной графической системе автоматизации проектирования. -Приборы и системы управления, 1979, № I, с.9-11.

51. Зайцев Г.Ф., Костюк В.И., Чинаев П.И. Основы автоматического управления и регулирования. -К.: Техника, 1977. -471 с.

52. Заполоцкий Д.Е. и др. Принципы построения и архитектура пакета прикладных программ. -Управляющие системы и машины, I, с.8-14.

53. Зозулевич Д.М, Машинная графика в автоматизированном проектировании. -М.: Машиностроение, 1976. -240 с.

54. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. -М.: Машиностроение, 1978. -736 с.

55. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984. -541 с.

56. Ильин В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования. -М.: Энергия, 1979. -390 с.

57. Казьмин А.И., Пополитов В.Н. Языки моделирования (обзор). -В кн.: Вопросы кибернетики, № 46. -ГЛ.: Наука, 1978.

58. Казьмин А.И., Пополитов В.Н. Языки непрерывного моделирования. -Автоматика и телемеханика, 1979, f 2, с.141-156.

59. Калахан Л. Методы машинного расчета электронных схем: Пер. с англ. -М.: Мир, 1970. -344 с.

60. Калиткин Н.Н. Численные методы. -М.: Наука, 1978. -512 с.

61. Кузьмин Б.А., Рычков Л.А. Принципы построения САПР нового поколения. -Приборы и системы управления, 1979, № I.

62. Коновалов А.С. Приближенный синтез нелинейных систем по заданным динамическим характеристикам. -В кн.: Приборные автоматические системы и их элементы. -Л.: ЛИАП, 101, 1975, с.3-10.

63. Костюк В.И., Широков Л.А. Автоматическая параметрическая оптимизация систем регулирования. -М.: Энергоиздат, 1981. -96 с.

64. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. -М.: Наука, 1976. -303 с.

65. Куник Е.Г. Исследование и разработка алгоритмов оптимального проектирования нелинейных электронных схем по векторному критерию качества. Дисс. на соиск. уч.степ. канд. техн. наук, Харьков, ХИР, 1978.

66. Ланнэ А. А. Оптимальный синтез линейных электронных схем. -М.: Связь, 1978. -336 с.

67. Макаров А.В. Исследование точности и быстродействия метода цифрового структурного моделирования. -В кн.: Автоматизация и релейная защита в энергосистемах. -К.: Наук.думка, 1984, с.47-55.

68. Макаров А.В. Языковое обеспечение системы машинного анализа структурных схем САР. -В кн.: Техническая электродинамика. -К.: ИЭД АН УССР, 1979, с.188-192.

69. Математическое обеспечение устройств отображений графической информации. Метод доступа к устройствам ЭПП и ЭП 4030. -К.: 1977.

70. Машинное проектирование. ТИИЭР /Пер. с англ. -М.: Мир, 1967, т.55, № II.

71. Мелентьев Л.А. О некоторых вопросах математического моделирования больших систем энергетики. -Электронное моделирование,1. 1979, с.5-11.

72. Михалевич B.C. и др. Вычислительные метода выбора оптимальных решений. -К.: Наук, думка, 1977. -178 с.

73. Мишин В.П., Осин М.И. Введение в машинное проектирование летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1978. -128 с.

74. Молчанов И.Н. О некоторых требованиях к пакетам программ для решения научно-технических задач. -К.: Кибернетика, 1977, № I.

75. Нечаев A.M. Разработка программного обеспечения для автоматизированного проектирования линейных САУ. -В кн.: Проектирование и оптимизация элементов, устройств и систем летательных аппаратов с использованием ЭВМ. -Харьков: ХАИ, 1977, с.294-295.

76. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. -М.: Высшая школа, 1980. -309 с.

77. Норенков И.П., Маничев В.Б. Решение системы нелинейных алгебраических уравнений, встречающихся при анализе интегральных электронных схем, методом итерации. -В кн.: Современные метода проектирования РЭА. -М.: 1974.

78. Ньюмен У., Сирулл Р. Основы интерактивной машинной графики. -М.: Мир, 1976. -573 с.

79. Ортега Дж., Рейнболдт В. Итерационные методы решения нелинейных систем ;. уравнений со многими неизвестными. -М.: Мир, 1975. -558с.

80. Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. -К.: Техника, 1982. -295 с.

81. Петренко А.И. Состояние и перспективы методов и программ моделирования на ЭВМ нелинейных электронных схем. -В кн.: Проблемы нелинейной электротехники, чЛ. -К.: Наук, думка, 1981, с.19-22.

82. Петренко А.И. и др. Сравнение программ схематического проектирования на базе набора тестовых задач. -Изв.ВУЗов, Радиоэлектроника, 1980, т.23, № 6, с.5-12.

83. Петренко А.И., Смирнов A.M., Гумен Н.Б. Сравнительное исследование неявных методов интегрирования систем дифференциальных уравнений при решении модельных задач. -Электронное моделирование, 1981, & 3, с.8-16.89