- •1. Общие сведения о сапр
- •1.1 Этапы проектирования
- •1.2. Схема процесса проектирования
- •3. Структура системы автоматизированного проектирования систем управления
- •4. Техническое обеспечение сапр
- •5. Лингвистическое обеспечение сапр
- •6. Программное обеспечение сапр
- •6.1 Принципы и этапы разработки по.
- •7. Информационное обеспечение сапр.
- •8. Математическое обеспечение сапр
- •8.1. Требования к математическому обеспечению сапр су
- •8.2. Требования к математическим моделям су
- •8.3. Классификация математических моделей сау
- •9. Автоматизация построения математических моделей су
- •. Методы синтеза сау и их применение в сапр
- •1.1 Алгебраические методы синтеза
- •1.2 Частотные методы синтеза
- •1.3 Корневые методы синтеза
- •2. Машинные методы синтеза
- •2.1 Метод последовательного синтеза
- •9.1 Применение формализма Лагранжа при построении математических моделей су.
- •Некоторые проблемы, возникающие при применении эвм
- •Литература Основная
- •Дополнительная
. Методы синтеза сау и их применение в сапр
Под синтезом в научных исследованиях и проектировании обычно понимают решение задач, обратных анализу: определение структуры и параметров системы или процесса в соответствии с заданными критериями качества и условиями функционирования. Задачи синтеза являются важнейшими и в то же время наиболее сложными при проектировании различных систем и процессов. Как уже отмечалось в предыдущей главе, некоторые задачи синтеза могут быть решены методами анализа. Более того, опытный инженер-проектировщик часто находит вполне пригодные структуру и параметры САУ на основе приближенных расчетов и эвристических методов. Однако трудоемкость такого синтеза оказывается весьма значительной. Так, надо осуществить до нескольких сотен вариантов анализа при выборе корректирующего звена САУТГ или параметров САР ГСП и т. д. Полученные проектные решения требуется «доводить» на последующих этапах проектирования, возможны и принципиальные ошибки в проектных решениях. При синтезе структуры и параметров САУ, как правило, не учитываются конструкторские и технологические особенности реализации отдельных устройств и элементов САУ и особенно стыковки их между собой. Например, корректирующее звено с передаточной функцией
полученное методами традиционного синтеза, может оказаться нереализуемым (в частности, на пассивных или активных фильтрах), если не удается обеспечить требуемого соотношения между постоянными времени T1, Т2, Т3, Т4 в условиях конструктивных и технологических ограничений.
Прямая реализация теоретических и инженерных методов синтеза, не ориентированных на ЭВМ, часто оказывается невозможной из-за быстрого исчерпывания возможностей ЭВМ по быстродействию и оперативной памяти, неустойчивости вычислительного процесса, накопления методических и трансформированных ошибок, сложности логических операторов и т. д. Поэтому для применения традиционных методов синтеза в САПР требуется их машинная ориентация. Определяющим условием правильной постановки задачи синтеза и построения соответствующего инструмента САПР является формализация целей, критериев и ограничений. Критерии и ограничения при проектировании САУ многочисленны и противоречивы, существенно зависят от типа САУ и условий их эксплуатации. Отмеченное обстоятельство иллюстрируется составом целей и критериев, содержащихся в ТЗ на САУ. Критерии, принимаемые при проектировании САУ, можно представить следующими векторами:
-качество K=(k1,k2,…kn1)
-мощность M=(m1,m2,…mn2)
-масса (вес) B=(в1,в2,…вn3)
-габаритные размеры Г=(г1,г2,…гn4) (1.1)
-надежность H=(н1,н2,…нn5)
-ремонтопригодность P=(p1,p2,…pn6)
-стоимость С= (c1,c2,…cn7)
Компоненты этих векторов отражают соответствующие составляющие, имеющие естественное физическое содержание: ki —запасы устойчивости, время переходного процесса, динамические и статические ошибки, колебательность, оценки эффективности;mi — мощность, потребляемая устройствами САУ, рассеиваемая энергия, энергетические ресурсы источников питания; вi— вес отдельных устройств и элементов САУ; гi — габариты отдельных устройств и элементов САУ; нi —среднее время между отказами, восстанавливаемость, показатели старения САУ, ее устройств и элементов; рi — ремонтопригодность устройств и элементов, восстанавливаемость, доступность при ремонте; сi — стоимость отдельных устройств и элементов и всей системы.
Даже перечисленные критерии показывают, насколько сложна задача их объединения в единую математическую форму — функционал, причем такой функционал должен связывать структуру и параметры САУ с целями их проектирования. Поэтому часто поступают следующим образом: выделяют главные критерии и второстепенные. По главным отыскиваются экстремальные значения, а на второстепенные накладывают ограничения.
Попытки формулирования обобщенного функционала цели проектирования САУ в виде линейной формы
(1.2)
оказываются несостоятельными ввиду практической неразрешимости задачи оптимального выбора весовых коэффициентов . Не меньшие затруднения возникают и для нелинейных функционалов вида
(1.3)
В тех случаях, когда удается связать некоторые из критериев С, К, Н, М, В, Г, Р со структурой и параметрами САУ, задачи синтеза САУ сводятся обычно к задаче нелинейного программирования (в частном случае — линейного программирования).
Если же при решении этой задачи приходится интегрировать дифференциальные уравнения, то возникает задача вариационного исчисления и её развитие в виде принципа максимума Л. С. Понтрягина, метода динамического программирования Р. Беллмана. В некоторых случаях в виде функционала цели системы принимают вероятность выполнения условий
(1.6)
Этот функционал зависит от случайных функций и случайных величин. Функционал (1.6) в отличие от (1.2), (1.3) имеет физический смысл, но вычисление его — исключительно тяжелая задача, посильная только при наличии специальных средств САПР САУ. В частности, для синтеза САУ ЛА функционал (1.6) означает синтез такой САУ, где достигалась бы наибольшая вероятность max{P} удовлетворения всех заданных требований: запасы устойчивости, качество регулирования движения ЛА вокруг центра масс и относительно траектории, точность полета по программе, минимальные все и габариты, минимальный расход горючего,..., ремонтопригодность БЦВМ и т. д.
В некоторых случаях помимо функционалов (7.4), (7.5) и (1.6) используются функционалы типа функций «потерь» или «штрафов». Наиболее распространенная форма представления этого критерия — это условное математическое ожидание штрафа за ошибку:
(1.7)
где G[e(z)] — штраф (цена) за ошибку; ; Y —истинное значение вектора выходных характеристик САУ, a —их оценка, основанная на некоторых наблюдениях z; P(e/z) — условная плотность вероятности.
Переход от обобщенных функционалов (1.6) — (1.7) к частным вида (1.2), (1.3) осуществляется в зависимости от типа САУ и конкретной задачи синтеза. Так, далеко не полный учет требований, предъявляемых только к системе стабилизации ГСП , приводит к следующим критериям и ограничениям, накладываемым на углы стабилизации αi, углы прецессии βi, моменты разгрузочных двигателей Mстi, время переходного процесса tп.п., управляющий двигателем сигнал σ(t):
(1.8)
в передаточной функции должны выполняться соотношения , как одно из условий технической реализации регулятора.
Для САР ТГ критерии и ограничения синтеза выглядят следующим образом:
, (1.9)
где Δр — ошибка стабилизации давления газа; Δω — ошибка стабилизации частоты вращения турбины; ΔT1ДОП, ΔT2ДОП — ограничения на допуск по температуре продуктов сгорания ТГ; Hдоп — ограничения по надежности ТГ.
При реализации традиционных методов синтеза в САПР САУ к ним предъявляются следующие требования: устойчивость и скорость вычислений на ЭВМ; методологические удобства применения методов в соответствии с общей идеологией САПР САУ; достаточная близость или хотя бы непротиворечивость критериев синтеза по отношению к критериям, применяемым разработчиками САУ.
Деление на алгебраические, частотные и корневые методы синтеза сохраняется в том же виде, что и при анализе САУ. Однако содержание и направленность их принципиально иные. Если при анализе требовались оценки устойчивости, качества, точности, то при синтезе необходимо найти структуру и параметры в основном изменяемой части САУ, обеспечивающие заданные критерии по устойчивости, качеству и точности.