WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Туренко Тимофей Вячеславович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЕЙНЫХ И ЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ГИБРИДНЫМ МОДЕЛЯМ Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Кузьмин Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лукомский Юрий Александрович кандидат технических наук, доцент Королёв Вячеслав Семёнович Ведущая организация – Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН)

Защита диссертации состоится «_14_» _мая_ 2007 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «13» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Яшин А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предметом исследований и разработок диссертационной работы является развитие методов анализа периодических режимов в автоматических системах с релейно-импульсными и логическими алгоритмами управления по гибридным моделям.

Недорогие и надежные релейные системы управления широко применяются в различных областях техники. Известны релейные системы автоматического регулирования температуры, напряжения, числа оборотов, системы автоматической подстройки частоты, автоматические потенциометры, автоколебательные конверторы, автопилоты, системы автоматической ориентации космических аппаратов и многие другие. В релейных и релейно-импульсных системах управления текущее состояние объекта управления известно с точностью до принадлежности к конечному множеству ситуаций, а воздействия на объект также принимают значения из конечного множества малой мощности. В силу этого алгоритмы управления, естественно, оказываются логическими, а в системах одновременно имеют место как непрерывные, так и дискретные по уровню сигналы, что свидетельствует о гибридной сущности релейных систем.

Релейные автоматические системы в разное время становились предметом пристального изучения многих специалистов в области нелинейной динамики, теории и практики автоматического регулирования и управления. Трудно дать исчерпывающий обзор работ по релейным и логическим системам управления, по системам с переменной структурой и разнообразным способам коррекции переключением сигналов и т. п. Наиболее известными в этой области являются работы Я. З. Цыпкина, А. А. Кампе-Немма, А. С. Клюева, Б. Н. Петрова, М. В. Стариковой, С. В. Емельянова, Ю. В. Долголенко, Ю. И. Неймарка, Г. С. Поспелова, Б. Н. Наумова, Р. А. Нелепина, С. М. Федорова, Е. Н. Розенвассера, Р. М. Юсупова, Е. И. Хлыпало, С. Н. Шарова, А. А. Вавилова, Д. Х. Имаева, а также зарубежных авторов Дж. Тэлера (G. J. Thaler), М. Пестеля (M. P. Pastel), Д. П. Атертона (D. P. Atherton), Б. Хамеля (B. Hamel), И. Флюгге-Лотца (I. Flugge-Lotz) и др.

Актуальность темы диссертации. В последние два десятилетия развитие техники и технологий привело к повышению интереса к переключающимся системам и к гибридным системам, образованным подсистемами различных типов и уровней иерархии. При этом огромное число публикаций посвящено языковым проблемам, т. е. формальному описанию гибридных систем. Гораздо меньше работ выполнено по развитию методов анализа и синтеза этого класса систем автоматического управления.

Контур управления в релейных системах замыкается только в моменты смены событий, когда изменения управляемой переменной приводят к переключениям реле. Для большинства таких систем нормальным режимом функционирования оказывается автоколебательный режим. Периодические переключения реле обеспечивают, с одной стороны, восполнение недостатка текущей информации, а с другой — необходимое разнообразие управляющих воздействий. Отсюда наиболее востребованными на практике являются методы исследования периодических режимов в релейных системах.

Для простейших релейных систем разработаны точные методы анализа периодических режимов. Частотный метод Цыпкина и временной метод Хамеля используют тот факт, что форма колебаний на выходе типовых релейных элементов известна, что позволяет свести задачу к поиску нескольких параметров. Однако графоаналитические методики, базирующиеся на традиционном описании релейных преобразователей в виде статических характеристик (СХ), не позволяют исследовать периодические процессы в нелинейных системах высокого порядка и адекватно описывать сложные алгоритмы. Непосредственное применение программ компьютерного моделирования для поиска периодических режимов также сопряжено со значительными трудностями. Необходима радикальная модернизация способов математического описания, анализа и имитации релейных и логических систем управления на базе современных компьютерных технологий. Противоречие между ограниченными возможностями традиционных способов анализа и потребностями практики в новых технологиях исследования указанного класса систем делает актуальной научную задачу разработки методов исследования релейных и логических систем управления по гибридным моделям.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа установившихся процессов в релейных системах управления по гибридным моделям.

Для достижения цели необходимо решить ряд основных задач.

1. Разработка гибридных моделей релейно-импульсных и логических систем управления и методов их построения и преобразования.

2. Разработка метода анализа равновесных режимов в релейно-импульсных системах с обратной связью.

3. Разработка точного метода анализа периодических режимов в релейно-импульсных системах управления.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения методов анализа установившихся процессов.

5. Имплементация гибридных моделей релейно-импульсных систем в среде универсальных программ компьютерного моделирования.

6. Реализация лабораторных макетов релейно-импульсных систем управления, расчет установившихся процессов по их гибридным моделям, компьютерное моделирование и экспериментальные исследования.

Методы исследования: теория автоматического управления, теория автоматов, теория графов, численные методы и компьютерное моделирование.

Основная идея работы заключается в развитии точных методов Цыпкина и Хамеля для исследования периодических режимов в релейных, релейно-импульсных и логических системах управления по гибридным моделям на базе современных программ компьютерного моделирования. Принятый в диссертации подход к анализу периодических процессов базируется на так называемых прямых методах. В основе прямого метода лежит проверка того, удовлетворяет ли некоторая наперед заданная функция исходному уравнению. Если задается форма решения, то задача параметризуется; вместо функции времени ищутся параметры периодической функции известной формы, при подстановке которой в уравнение должно получаться тождество. В случае машинно-ориентированного подхода прямые методы имеют алгоритмическую природу, а процедура становится поисковой.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Гибридные модели релейно-импульсных систем управления.

2. Метод перечисления точных форм периодических колебаний в гибридных системах с обратной связью.

3. Методика поиска параметров периодических колебаний на базе программ компьютерного моделирования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных программных средств компьютерного моделирования, тщательным выбором численных методов и алгоритмов обработки данных, сопоставлением результатов решения иллюстративных и практических примеров с результатами моделирования, а также близостью результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными на лабораторных макетах релейно-импульсных систем управления.

Новизна научных результатов заключается в следующем.

1. Гибридные модели релейно-импульсных систем управления отличаются тем, что используют автоматное представление преобразователей с неоднозначными кусочно-постоянными статическими характеристиками, что позволяет единообразно описать системы с релейными, релейно-импульсными и логическими алгоритмами, упростить компьютерное моделирование систем и аппаратную реализацию управляющих устройств.

2. Метод перечисления точных форм периодических колебаний в гибридных системах с обратной связью, отличается тем, что включает в себя анализ равновесных состояний гибридных систем и замкнутых маршрутов в графах переходов автоматов, что позволяет уменьшить неопределенность относительно точных форм периодических процессов.

3. Методика поиска параметров периодических колебаний на базе программ компьютерного моделирования, отличается тем, что является компьютерной версией прямых методов теории дифференциальных уравнений и использует процедуру подстановки в компьютерные модели точных форм периодических решений с последующей идентификацией установившихся реакций разомкнутой системы, что позволяет автоматизировать поиск искомых параметров колебаний.

Практическая ценность результатов диссертации определяется тем, что разработанные модели, методы, алгоритмы и программы представляют собой комплекс автоматизированного анализа равновесных режимов и периодических процессов в релейных, релейно-импульсных и логических системах управления.

Комплекс позволит проектировать автоматические системы с новыми логическими алгоритмами для управления техническими объектами на основе малой информации о состоянии объектов и при недостаточном разнообразии уровней управляющих воздействий. Специализированная объектно-ориентированная программная реализация релейных и релейно-импульсных преобразователей с многозначными характеристиками, позволяет минимизировать вычислительные затраты и использовать преобразователи в системах реального времени.

Реализация результатов работы. Практическое значение диссертации подтверждается актами о внедрении результатов исследования в ОАО "Концерн "Гранит-Электрон", ЗАО ОКБ "Русская Авионика" и ЗАО "Ассоциация предприятий морского приборостроения", на кафедре Автоматики и процессов управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ленина. Часть вычислительных экспериментов по компьютерной имитации выполнена в рамках Договора о межвузовском сотрудничестве с Техническим университетом Ополе (Польша) по теме: "Внедрение компьютерных программ в учебный процесс вуза и повышение квалификации преподавателей".

Апробация работы. Результаты научных и практических исследований автора докладывались на 7 научно-технических конференциях: 4-я конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", 12-14 марта 2002 г., C-Петербург, VIII международная конференция "Современные технологии обучения", апреля. 2002 C-Петербург, Всероссийская научная конференция "Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab", Москва, 28-29 мая 2002 года, V Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, С-Петербург, 25-27 июня 2002 года, Всероссийская научная конференция "Управление и информационные технологии", С-Петербург, 3—4 апреля 2003 года, 3-я Всероссийская научная конференция "Управление и информационные технологии", С-Петербург, 30 июня — 2 июля 2005 г., 4-я Всероссийская научная конференция "Управление и информационные технологии", С-Петербург, 10—12 октября 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 3 статьи в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 9 работ в материалах всероссийских и международных научных и научно-технических конференций, два доклада на международных конференциях, одно свидетельство на полезную модель, один патент на полезную модель, один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименования. Основная часть диссертации изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 72 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается предмет работы, кратко анализируется состояние проблемы и делается вывод об актуальности дальнейших исследований и разработок. Сформулированы цель и задачи работы, изложена основная идея принятого подхода и перечислены методы исследований.

Первая глава посвящена примерам рассматриваемого класса систем управления техническими объектами, анализу проблемы адекватного математического описания, задачам исследования и программным средствам моделирования и расчета нелинейных динамических систем. Делается вывод о необходимости развития форм математического описания, методов расчета равновесных и периодических режимов и программ компьютерного моделирования.

Приведены примеры релейно-импульсных систем управления. В системе управления положением космического аппарата для управления используются два реактивных сопла ("вперед" и "назад"), которые могут быть полностью закрыты или полностью открыты. Релейно-импульсный алгоритм управления основан на открытии соответствующего сопла в течение заданного промежутка времени при достижении сигналом ошибки определенных уровней. В электромеханической позиционной системе управления предусмотрено торможение двигателя импульсом противовключения заранее определенной длительности при приближении к заданной точке. На рис. 1 условно показана СХ регулятора позиционной системы управления (Umax – максимальное управляющее воздействие, Uп – управляющее воз действие, соответствующее ползущей скорости, – порог, отделяющий начало импульса противовключения, – порог отключения двигателя). Примером релейно-импульсных систем также являются системы, содержащие формирователь ШИМ-сигнала, который является таймированным устройством, т. е. его состояние может изменяться не только при изменении входного сигнала, но и по истечении заданного времени. Релейно-импульсные преобразователи можно определить как многозначные с ограничением времени пребывания на ветвях, т. е. как таймированные СХ.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»