Автоматизация проектирования цифровых регуляторов комплекса командных приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Каримов Тимур Искандарович

• Каримов Тимур Искандарович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Каримов Тимур Искандарович

Введение

1 Проектирование цифровых регуляторов командных приборов

1.1 Назначение и состав комплекса командных приборов

1.1.1 Структура ККП и приборы, входящие в комплекс

1.1.2 Гироскопический командный прибор как объект проектирования

1.1.3 Перспективные носители прецизионных навигационных приборов

1.2 Математическое, программное и аппаратное обеспечение ЦР КП

1.2.1 Обзор аппаратных средств цифровых систем управления

1.2.2 Характеристики элементной базы для специальных условий эксплуатации

1.2.3 Проблема точности при цифровой реализации математических моделей

1.3 Обзор существующих средств проектирования ЦР КП

1.3.1 Общая характеристика процесса проектирования ККП

1.3.2 Недостатки математического, программного и организационно-методического видов обеспечения проектирования ЦР КП

1.4 Выводы по главе

2 Математическое обеспечение САПР ЦЭБ КП

2.1 Синтез цифрового регулятора как задача оптимального проектирования

2.2 Существующая методика проектирования ЦР КП. Средства синтеза цифровых регуляторов

2.2.1 /-преобразование и дискретные подстановки

2.2.2 Машинные типы представления чисел при аппаратной реализации

2.2.3 Реализация алгоритмов регулирования в аппаратуре

2.2.4 Современные инструменты проектирования цифровых регуляторов и их недостатки

2.3 Альтернативные дискретные операторы как инструмент реализации цифровых регуляторов в электронных блоках

2.3.1 Дельта-оператор как модификация z-оператора

2.3.2 Формы реализации регулятора с помощью дельта-оператора

2.3.3 Выбор типа дискретного оператора

2.3.4 Модификации дельта-оператора

2.4 Дискретные подстановки высоких порядков

2.4.1 Подстановки на основе неявных многошаговых методов

2.4.2 Условия применимости дискретных подстановок высоких порядков

2.4.3 Применение альтернативных дискретных операторов совместно с подстановками высоких порядков

2.5 Перспективная структура реализации алгоритмов регулирования с помощью АДО

2.6 Выводы по главе

3 Программная реализация подсистемы САПР ЦР КП

3.1 Подсистема САПР ЦР в составе АРМ проектировщика ЭБ КП

3.2 Программная реализация алгоритмов цифровых регуляторов

3.2.1 Описание алгоритма синтеза

3.2.2 Тестовые сигналы для итеративного синтеза цифровых регуляторов

3.2.3 Программная реализация подсистемы синтеза ЦР КП

3.3 Программа автоматизации кодирования алгоритмов управления при реализации во встраиваемых системах

3.3.1 Проблема производительности и надежности автоматически сгенерированного кода

3.3.2 Программная реализация генератора цифровых регуляторов на языке Verilog HDL

3.4 Методика применения САПР ЦР КП

3.5 Выводы по главе

4 Практическая оценка разработанных программных средств

4.1 Экспериментальное исследование алгоритмов подсистемы САПР ЦР

4.1.1 Исследование критериев предпочтительности 5-оператора

4.1.2 Исследование алгоритма настройки параметров ЦР

4.2 Исследование качества синтеза ЦР в подсистемах ЦЭБ

4.2.1 Система межрамочной коррекции

4.2.2 Система стабилизации

4.3 Ожидаемый эффект от внедрения САПР ЦР КП

4.4 Выводы по главе

Заключение

Глоссарий

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация проектирования цифровых регуляторов комплекса командных приборов»

Актуальность темы диссертации

Основной тенденцией развития аэрокосмического приборостроения в России является переход на цифровую элементную базу отечественного производства, что имеет значимость для обеспечения конкурентоспособности изделий отечественной промышленности. Возрастает сложность и увеличиваются сроки проектирования перспективных изделий. В связи с этим актуально повышение эффективности проектных процедур процесса проектирования изделий и их подсистем, в частности, цифровых регуляторов командных приборов (ЦР КП), выполняющих задачи навигации в составе электроники ракет-носителей и космических аппаратов. Разработка программного обеспечения цифровых электронных блоков в настоящее время ведется с применением многофункциональных программных инструментов, таких как MATLAB, LabVIEW, ModelSim, Quartus и других, требующих высокой квалификации инженеров и отлаженных организационных процессов. В то же время особенности предметной области позволяют выделить ряд задач, которые регулярно повторяются в процессе разработки, что делает возможным создание специализированного инструментария (КСАП).

Одной из таких повторяющихся задач является реализация моделей непрерывных регуляторов, входящих в корректирующие контуры командных приборов, на цифровом вычислительном устройстве. В качестве последнего используется либо ПЛИС, либо радиационно-стойкий базовый матричный кристалл (БМК). Важной особенностью ПЛИС и БМК, которую необходимо учитывать при проектировании, является возможность гибко задавать разрядность вычислительной архитектуры. Поскольку, кроме регуляторов и фильтров, на ограниченном по размеру кристалле реализуется большое число дополнительных модулей (блоки управления АЦП и ШИМ, адаптер обмена и др.), зачастую дублируемых для повышения стойкости к специальным

факторам воздействия на объект-носитель, желательно максимальное сокращение числа логических элементов в тех модулях, в которых это возможно. Одним из способов этого является сокращение разрядности проектируемых алгоритмов. Особенно остро потребность в компактной реализации цифровых блоков стоит при разработке нового класса малогабаритных носителей комплекса командных приборов — микро- и наноспутников.

Итого, создание математического, программного и методического видов обеспечения подсистемы автоматизированного проектирования цифровых регуляторов командных приборов позволит сократить время разработки, снизить число ошибок с одновременным улучшением качества проектных решений. Включение данной подсистемы в процесс проектирования существенно сократит время разработки цифровых регуляторов, улучшит их рабочие характеристики и занимаемую площадь кристалла, упростит внедрение цифровой элементной базы.

Степень разработанности темы диссертации

Проектирование цифровых регуляторов — раздел теории управления с более чем полувековой историей. Базовые принципы анализа и синтеза дискретных систем были сформулированы еще Лапласом. Первая теоретическая работа по дискретным (импульсным) регуляторам вышла в 1947 г. [1]. Большой вклад в развитие теории дискретных систем внесли работы Я.З. Цыпкина 1950-х годов [2,3]. Создание математического аппарата позволило применить принципы дискретного управления к цифровым системам управления командных приборов уже в последующее десятилетие [4]. Однако, несмотря на большие преимущества цифровых систем, электронный блок командных приборов до недавнего времени оставался полностью аналоговым. Одна из основных проблем, возникающих сегодня при проектировании ЦЭБ — необходимость учета аппаратных ограничений вычислительного устройства и соответствующей адаптации управляющего алгоритма. Это становится возможным с применением аппаратно-

ориентированных подходов, в частности, дискретного 5-оператора вместо традиционного дискретного 2-оператора.

В то же время синтез цифровых регуляторов является неоднократно повторяемой проектной процедурой и может быть автоматизирован. В работах авторов Сольницева Р. И., Кане М. И., Вересова Е.С. [5][6], Назарова Р. С. [7], Тертеровой И. М. [8], Козловой Н. Н. [9], Майорова Н. Н. [10], Бондаренко Н.Н.[11] и других освещаются вопросы автоматизации проектирования командных приборов, разработки специализированного математического, лингвистического, программного и другого вида обеспечений соответствующих подсистем САПР.

Внедрение подсистем синтеза ЦР ККП в процесс проектирования позволит повысить производительность труда инженера и качество получаемых проектных решений. Отметим, что задача автоматизации проектирования цифрового контура управления, удовлетворяющего критериям точности и при этом занимающего наименьшую площадь целевого кристалла, до сих пор не была решена.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы — повышение производительности труда проектировщика ЦР КП с единовременным улучшением качества объекта проектирования за счет создания и применения нового математического, методического и программного обеспечения средств САПР ЦР КП.

Объект исследования — система автоматизации проектирования (САПР) комплекса командных приборов (ККП).

Предмет исследования — математическое, программное и методическое виды обеспечения подсистемы САПР ККП проектирования цифровых регуляторов (ЦР) с ориентацией на реализацию на кристаллах (БМК, ПЛИС).

Задачи диссертационной работы

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие научно-технические задачи:

1. Разработка архитектуры САПР цифровых регуляторов командных приборов (ЦР КП) с учетом особенностей объекта проектирования;

2. Разработка математического обеспечения подсистемы САПР ЦР КП, обеспечивающего повышение характеристик объекта проектирования за счет использования альтернативных дискретных операторов, и оценкой их эффективности;

3. Разработка методического обеспечения автоматизированного проектирования ЦР КП, включающего формализацию и типизацию проектных процедур ЦР КП;

4. Разработка программного обеспечения САПР ЦР КП и исследование алгоритмов синтеза и анализа ЦР КП с учетом особенностей их реализации на БМК.

Указанные задачи соответствуют п. 1-3 паспорта специальности 05.13.12.

Новые научные результаты

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложена и обоснована архитектура подсистемы синтеза цифровых регуляторов САПР командных приборов, учитывающая особенностей объекта проектирования;

2. Разработано новое математическое обеспечение подсистемы САПР ЦР КП, включающее применение альтернативных дискретных операторов к объекту проектирования и обеспечивающее улучшение его характеристик;

3. Разработана и внедрена новая методика автоматизированного проектирования ЦР КП, включающей формальную постановку задачи синтеза ЦР, методы адаптивной дискретной аппроксимации и критерии оценки качества получаемых проектных решений;

4. Разработаны новые алгоритмы и программное обеспечение подсистемы САПР, реализующее предложенную методику синтеза и

оптимизации объектов проектирования. Предлагаемые инструменты позволяют автоматизировать генерацию кода для ПЛИС и БМК.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы

1. Предложен формальный математический аппарат выбора дискретного оператора при синтезе цифровых регуляторов. Введен критерий, позволяющий сделать выбор между различными дискретными операторами при дискретизации динамической системы и настроить параметры в случае применения параметрических операторов;

2. Предложена модификация 5-оператора, позволяющая повысить точность отклика дискретных систем в области низких частот по критерию соответствия отклику непрерывной модели;

3. Предложена новая структура реализации дискретных моделей с помощью 5-оператора на основе структуры пространства состояний, обоснованы её преимущества;

4. Предложен итерационный алгоритм синтеза дискретных регуляторов, позволяющий с заданной степенью полноты исследовать пространство параметров дискретной модели.

Практическая значимость результатов работы

Практическое значение результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработанная подсистема САПР, а также методика ее применения позволяют снизить время проектирования и повысить качество получаемых проектных решений при синтезе цифровых регуляторов для систем межрамочной коррекции, стабилизации, ориентации и других, входящих в ККП;

2. Разработанная методика применения альтернативных дискретных операторов, а также соответствующее программное обеспечение могут быть использованы при синтезе цифровых регуляторов и фильтров широкого класса;

3. Разработанное новое универсальное программное обеспечение подсистем САПР для автоматического синтеза цифровых регуляторов на языке описания аппаратуры позволяет автоматизировать генерацию кода для ПЛИС и базовых матричных кристаллов.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются методы теории подобия и моделирования, теории динамических систем, теории автоматического управления, методы вычислительной математики, положения теории построения САПР, сравнительный анализ, полунатурный эксперимент, имитационное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Математическое обеспечение подсистемы САПР ЦР КП, включающее новые методы синтеза цифровых регуляторов, повышающих характеристики объекта проектирования;

2. Методическое обеспечение автоматизированного проектирования ЦР КП, включая формализацию проектных процедур синтеза ЦР КП и автоматизацию выбора разработанных новых методов и средств на основе новой адаптивной методики;

3. Новые алгоритмы и программное обеспечение, включающие методы оптимизации, адаптированные для методики синтеза ЦР КП и повышающие производительность труда разработчиков;

4. Впервые сформулированные критерии автоматизированного синтеза проектных решений ЦР на основе альтернативных дискретных операторов.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов

Подтверждается результатами математического и компьютерного моделирования в инструментальных средах, а также инженерной практикой решения задач проектирования командных приборов.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XIII международной научно-практической конференции NI Days, Москва, 2014 г., 67-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 27 января - 3 февраля, СПб, 2014, 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Omsk, Russia, 21-23 May, 2015, 20th conference of FRUCT association, St. Petersburg, Russia, 2017, 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), Bar, Montenegro, 2017, 22th conference of FRUCT association, Jyvaskyla, Finland, 2018.

Практическая реализация и внедрение результатов работы

Разработанная подсистема синтеза ЦР САПР ККП внедрена в процесс проектирования изделий аэрокосмического назначения АО «НИИ Командных приборов». Методика проектирования регуляторов на ПЛИС и методика применения альтернативных дискретных операторов внедрены в учебный процесс кафедры САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при подготовке магистров по направлению 09.06.01 «Информатика и вычислительная техника». Внедрение подтверждено двумя актами, приложенными к диссертационной работе.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 15 научных трудах, из них по теме диссертации 15, среди которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 5 публикаций, индексируемых в международной базе данных SCOPUS. Имеется 1 программа, зарегистрированная в федеральном Реестре программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Она изложена на 157 страницах машинописного текста и содержит 90 рисунков, 3 таблицы, 2 приложения общим объемом 3 страницы и содержит список

литературы из 92 наименований, среди которых 45 отечественных и 47 иностранных авторов.

Первая глава диссертационной работы посвящена принципам построения цифровых регуляторов командных приборов и особенностям их проектирования.

Проектирование ККП является сложным итерационным процессом, включающим множество обратных связей на всех этапах — от этапа эскизного проектирования до стендовых испытаний. Сложность проектирования ККП определяется несколькими факторами:

1. Ограничениями на компоненты комплекса и существенным объемом решаемых комплексом задач. Особую актуальность задача совершенствования ККП, включая совершенствование ЦР, приобретает в связи с развитием нового направления — проектирования микроспутников (массой 10-100 кг) и наноспутников (массой менее 10 кг), объединяемых термином «сверхмалые космические аппараты» (СМКА);

2. Гетерогенностью командных приборов как отдельных объектов проектирования, содержащих механические, пневматические (система газового подвеса), электрические (двигатели, датчики) и электронные компоненты;

3. Организационными факторами: за счет гетерогенности системы необходимо привлечение специалистов различных профилей, что на практике может приводить к «бутылочным горлышкам» процесса проектирования.

Для повышения эффективности проектирования ККП было предложено АРМ проектировщика КП. Значимой частью этого АРМ является разрабатываемая в работе подсистема синтеза ЦР КП. Предложено минимизировать вес и габариты ККП при сохранении требуемой точности за счет реализации электронного блока (ЭБ) ККП, включающего регуляторы и фильтры, на кристалле, с применением специализированного математического аппарата. Решение этой задачи требует создания

методического, алгоритмического и программного обеспечения автоматизации проектирования ЦР ККП.

Во второй главе диссертационной работы рассматривается математическое обеспечение САПР ЦР ККП. Исследуются существующие и перспективные методики синтеза цифровых регуляторов ККП, а также способы представления алгоритмов управления на целевом устройстве.

Наиболее существенным противоречием, возникающим при проектировании ЦР, является необходимость достижения компромисса между точностью реализации регулятора и площадью, которую он занимает на кристалле. Исходя из этого, задача проектирования цифрового регулятора может быть сформулирована как задача оптимизации. Оптимальной является такая аппаратная реализация цифрового регулятора, которая при удовлетворении формальных критериев устойчивости и точности занимает минимальную площадь кристалла, выраженную в технологических (транзистор, логическая ячейка) единицах.

Из общего числа подходов к компактной реализации цифровых регуляторов на кристаллах в диссертационной работе исследовано применение альтернативных дискретных операторов, специальных структур реализации и дискретных подстановок высоких порядков, что продиктовано особенностями цифровых регуляторов КП как объекта проектирования.

В третьей главе диссертационной работы описывается разработанная подсистема синтеза ЦР САПР КП. Проектирование происходит в автоинтерактивном режиме. Реализован следующий алгоритм синтеза ЦР:

1. Заданная непрерывная система дискретизируется по времени с использованием правила подстановки 2-го или 3-го порядка, а также исходя из технического задания.

2. Дискретная система, представленная в арифметике с плавающей запятой, разбивается на звенья 1 -го и 2-го порядка. Каждое звено анализируется по критериям выбора дискретного оператора, описанного главе 2.

3. Применяется представленный в главе 3 алгоритм конвертирования в арифметику с фиксированной запятой. Затем полученный цифровой регулятор автоматически реализуется в виде кода на Verilog.

Для обеспечения простоты реализации, надежности и удобочитаемости кода подсистема автоматической генерации кода организована на основе шаблонов.

Четвертая глава диссертационной работы описывает результаты экспериментального исследования разработанных компонентов САПР, в том числе подсистемы синтеза цифровых регуляторов. Осуществляется экспериментальная проверка теоретических положений, представленных в главе 2. Проверяется эффективность алгоритмов, предложенных в главе 3. Оценивается повышение производительности труда с применением разработанных средств автоматизации.

В заключении сформулированы научные и практические результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложении А приведены копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

В приложении Б приведены копии актов о внедрении результатов диссертационной работы.

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ КОМАНДНЫХ

ПРИБОРОВ

Комплекс командных приборов (ККП) — гетерогенная техническая система навигации и управления, в которую могут входить гиростабилизированные платформы (гиростабилизаторы), акселерометры, гироинтеграторы, оптические датчики астрокоррекции, гиротахометры, гирогоризонты и гировертиканты, гиродины, силовые гироскопы и другие приборы в зависимости от конкретного технического решения и объекта, на котором размещается ККП [12]. Неотъемлемой частью ККП являются электронные блоки (ЭБ), обеспечивающие функционирование систем стабилизации, межрамочной коррекции, приведения, ориентирования, обработку показаний датчиков, обмен командами и информацией с бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) подвижного объекта. До недавнего времени многие подсистемы ЭБ были построены преимущественно на аналоговой электронике. Разработка цифровых ЭБ (ЦЭБ) комплекса командных приборов является для отечественной аэрокосмической отрасли новой, актуальной задачей. В силу ее новизны здесь нет устоявшихся подходов, многие задачи приходится решать впервые с учетом ограничений современной элементной базы и специфики условий эксплуатации.

Данная глава построена следующим образом. В разделе 1.1 описывается назначение и состав ККП, его место в бортовой электронике аэрокосмических объектов, приводится список решаемых комплексов задач, детализируются требования к ККП. Раскрыта роль электроники в составе ККП. Раздел 1.2 характеризует математическое, программное и аппаратное виды обеспечения ЦР КП. Обосновывается необходимость создания проблемно-ориентированного инструментария. В разделе 1.3 производится обзор существующих средств проектирования ЦР КП, обосновывается

актуальность его автоматизации. Описывается маршрут проектирования ККП и место проектных процедур ЦР в нем. В разделе 1.4 приводятся выводы по главе и постановка задачи диссертационного исследования.

1.1 Назначение и состав комплекса командных приборов

Комплекс командных приборов предназначен для выполнения задач инерциальной навигации при управлении подвижными объектами, их стабилизации и ориентации в пространстве.

ККП — одна из основных систем, обеспечивающих движение по заданной траектории космических летательных аппаратов, ракет-носителей (РН) и других изделий с рассчитанными кинематическими характеристиками относительно Земли, звезд и иных объектов. В контуре управления движением объекта ККП решает задачи определения параметров движения объекта и его положения в пространстве, а также обеспечения обратной связи по указанным величинам. Находясь в цепи обратной связи, ККП позволяет измерить и учесть влияние следующих факторов:

- неоднородность силы земного притяжения;

- переменная тяга двигателей;

- возмущающие моменты, связанные с атмосферой;

- возмущающие моменты, связанные с изменением положения объекта и его частей в пространстве и друг относительно друга: колебания топлива в баках, упругость корпуса, удар при разделении ступеней РН и прочие.

Указанные факторы оказывают влияние и на сам ККП. Основные воздействия, учитываемые при проектировании ККП — это удар, качка, вибрация, а также условия космической среды со специфическими электромагнитными, радиационными, температурными режимами. Обеспечение движения объекта по расчетной траектории возможно только при высокой точности выдачи данных с ККП, что накладывает жесткие требования на характеристики алгоритмов управления и стабилизации приборов комплекса. ККП разгонных блоков и ракет-носителей должен

обеспечивать заданную точность движения РН вблизи расчетной траектории с максимальным отклонением по высоте не более 5 км на 500 км и углом отклонения не более 5°. При этом амплитуда вибрационных воздействий может достигать 15g, а эквивалентный удар — 150g в течение 2 мс [13].

1.1.1 Структура ККП и приборы, входящие в комплекс

Главный компонент большинства ККП — закрепленная в кардановом подвесе гиростабилизированная платформа (рисунок 1.1), которая обычно содержит три ортогональных гироскопа, определяющих углы наклона, и три акселерометра, измеряющих линейные ускорения. Часто гиростабилизированную платформу называют для краткости гиростабилизатором. Обрабатывая сигналы с гироскопов и акселерометров, можно отследить перемещения и вращение объекта.

Также на платформе могут быть размещены гироскопические измерители линейных ускорений (вместо акселерометров), гироинтегратор (на разгонных блоках РН), блок астрокоррекции (на последних ступенях РН или КА) и т.д. В качестве дополнительных устройств с целью повышения точности выдачи управляющих сигналов применяются гироскопические датчики угловой скорости. С целью выдачи сигналов на грубый канал управления могут использоваться гиротахометры.

Приборы, входящие в ККП, как электромеханические системы обладают различными свойствами. Так, система приведения (горизонтирования), система ориентации (маховики, гиродины) — низкочастотные системы. Система стабилизации характеризуется резонансами в области средних частот. Система межрамочной коррекции (СМРК) гироинтегратора имеет выраженные высокочастотные свойства.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема трехосного гиростабилизатора Разновидностью ККП являются комплексы, построенные на основе бесплатформенной ИНС (БИНС), где инерциальные датчики закрепляются непосредственно на раме, жестко связанной с объектом. Преимуществом БИНС является существенно более простая механическая конструкция, но при этом на навигационные приборы БИНС с корпуса объекта передаются вибрация и иные воздействия, которые зачастую сложно компенсировать.

Рассмотрим систему управления ракеты-носителя, в состав которой входит ККП и ряд других подсистем — см. рисунок 1.2. Система угловой стабилизации осуществляет изменение углового положения РН для успокоения нежелательных возмущений по трем каналам — тангажа и, рыскания у и вращения ф [14].

II

ККП

к и

Система наведения

▼ БЦВМ 1 1 1

К\

СУРТ

1 | \

Система угловой стабилизации

Рисунок 1.2 - Место ККП в системе управления ракетой-носителем. ККП — комплекс командных приборов; СУРТ — система управления расходом топлива; ДУ — датчики углов; БЦВМ — бортовая цифровая вычислительная машина

Сигналы с каналов системы угловой стабилизации поступают на исполнительные устройства, которые могут быть выполнены в виде атмосферных и/или газовых рулей. Обратная связь о движениях ракеты получается посредством ККП.

1.1.2 Гироскопический командный прибор как объект проектирования

Любой гироскопический прибор, входящий в ККП, состоит из механической и электронной частей. Механическая часть КП может быть описана с разной степенью детализации, требующейся на разных уровнях проектирования. Так, учет малых возмущающих моментов в осях подвеса гироскопа, возникающих из-за вращения Земли, влияния магнитных и гравитационных полей, натяжения токоподводов приводят к резкому разбросу численных значений коэффициентов уравнений движения ГУ — до 8-12 порядков, что затрудняет моделирования динамики КП [15]. В первом

приближении малые моменты можно не учитывать, однако они оказывают влияние на движение системы на интервалах времени, много больших, чем интервалы переходных процессов. Многие гироскопические устройства обладают ярко выраженными резонансными свойствами. Колебательные процессы динамики КП за счет наличия упругих и газовых подвесов имеют спектр с несколькими пиками, распределенными в широком частотном диапазоне. Неравномерность поддерживающих сил подвесов, влияние упругих токоподводов, трение, люфты и другие особенности физического исполнения прибора требуют введения нелинейностей в математическую модель, из-за чего последняя может приобрести свойство жесткости.

Помимо механической части, гироскопический прибор включает и электронную, замыкающую вокруг механической части прибора корректирующий контур (КК). Последний состоит из датчика угла, электронного блока (ЭБ) и двигателя («датчика момента»). Управляющая программа ЭБ гиростабилизатора служит для компенсации возмущающего момента, действующего на объект стабилизации; ЭБ гироинтегратора - для установки в нуль угла прецессии, ненулевое значение которого вносит погрешность в показания прибора, и т.д. Без КК гироскопические приборы нормально функционировать не могут.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каримов Тимур Искандарович, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hurewicz W. Filters and servo systems with pulsed data // Theory of Servomechanisms / ed. James H.M., Nichols N.B., Phillips R.S. New York: Massachusetts Institute of Technology, Radiation Labiratory Series 25, New York, McGraw-Hill, 1947. P. 231-261.

2. Цыпкин Я.З. Переходные и установившиеся процессы в импульсных системах. М.: Госэнергоиздат, 1951.

3. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем. М.: Физматгиз, 1958.

4. Сольницев Р.И. Система автоматизации проектирования -инструментарий проектировщика // ЭВМ в проектировании и производстве. - 1983. - c. 60-71.

5. Вересов Е.С., Кане М.А., Сольницев Р.И. О синтезе цифровой системы стабилизации трехосного гиростабилизатора // Изв. Вузов «Приборостроение». - 1972. - №4.

6. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. "Автоматика и упр. в техн. системах." М.: Высшая школа. - 1991. - 335 C.

7. Назаров С. Р. Математическое, лингвистиечкое и программное обеспечения подсистемы синтеза управлений в САПР приборов и систем управления: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Назаров Сергей Робертович. Санкт-Петербург, 1993. 132 с.

8. Тертерова И. М. Подсистема синтеза дискретных регуляторов в САПР электромеханических приборов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Тертерова Ирэна Михайловна. Л., 1985. 148 с.

9. Козлова Н. Н. Машинно-оиентированные методы синтеза оптимальных регуляторов в системх автономной навигации : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.02 / Козлова Наталья Николаевна. Л., 1983. 140 с.

10. Майоров Н. Н. Разработка и ислледование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР

построения математических моделей гетерогенных объектов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Майоров Николай Николаевич. Санкт-Петербург, 2008. 139 с.

11. Бондаренко Н. Н. Разработка подсистемы САПР корректирующих устройств систем автоматического управления: дисс. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Бондаренко Николай Николаевич. Санкт-Петербург, 1998. 134 с.

12. Прецизионный комплекс командных приборов инерциальной системы управления разгонным блоком "Бриз-М" на базе гироприборов с газостатическим подвесом / Александров Ю.С. [и др.]// Гироскопия и навигация. - 2000. - Т. 4. - С. 11-17.

13. Лазерная БИНС для ракеты-носителя "Циклон-4"/ Златкин Ю.М. [и др.]// Гироскопия и навигация. -2013. - №2. - С. 61-74.

14. Федоров А.В., Аникейчик Н.Д. Основы устройства ракетнокосмических комплексов: Учебн. пособие // СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. - СПб., 2012. - 243 с.

15. Сольницев Р.И. Вычислительные машины в судовой гироскопии. Л.: Судостроение, 1977. - 312 с.: ил.

16. Елсаков В.В. Спутниковая съемка в экологическом мониторинге регионов добычи углеводородов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - Т. 9, № 5. -С. 133-139.

17. Гобчанский О. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов // Современные технологии автоматизации. - 2001. - № 4. - С. 28-34.

18. Панферов А.И., Небылов А.В., Бродский С.А. Система управления относительным движением малых космических аппаратов (КА) // Сборник трудов конференции "Управление в морских и аэрокосмических системах" (УМАС-2016), изд-во государственного

научного центра Российской Федерации АО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», Санкт-Петербург, 4-6 октября 2016 г.

19. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987 - 320 с.

20. Солохина Т., Александров Ю., Петричкович Я. Сигнальные контроллеры компании «ЭЛВИС»: первая линейка отечественных DSP // Электроника: НТБ. - 2005. - №7. - С. 70-77.

21. Muslim F.B., Demian A., Ma L. Energy-efficient FPGA Implementation of the kNearest Neighbors Algorithm Using OpenCL // Conference on Computer Science and Information Systems, 2016, vol. 9, pp. 141-145.

22. Автоматизированное рабочее место проектировщика цифровых регуляторов командных приборов / Сольницев Р.И. [и др.]// Информационно-управляющие системы. - 2015. - Т. 6. - С. 66-70.

23. ГОСТ 21964 - 76. Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики [Текст].

24. Ewe C.T., Cheung P.Y.K., Constantinides G.A. Dual fixed-point: an efficient alternative to floating-point computation // Proc. Int. Conf. F. Program. Log. 2004. Vol. 3203. P. 200-208.

25. ГОСТ 2.103-68 (2001, с изм. 2 2006): ЕСКД. Стадии разработки [Текст].

26. ГОСТ Р 51904-2002 Программное обеспечение встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию [Текст].

27. Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г., Югансон А.Н. Вычислительная оптимизация взаимных преобразований цветовых пространств на базе арифметики с фиксированной точкой // Кибернетика и программирование. - 2017. - № 4. - С. 84-96.

28. Denney E., Fischer B. Generating Code Review Documentation for AutoGenerated Mission-Critical Software // 3rd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology. 2009. pp. 394-401.

29. Stürmer I., Weinberg D., Conrad M. Overview of Existing Safeguarding Techniques for Automatically Generated Code // Proc. 2nd Int'l Workshop

Software Engineering for Automotive Systems, ACM SIGSOFT Software Engineering Notes, 2005, pp. 1-6.

30. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. идоп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 336с.: ил.

31. Govindu G. et al. Area, and power performance analysis of a floating-point based application on FPGAs // Los Angeles, University of Southern California, 2003.

32. Govindu G. et al. Analysis of high-performance floating-point arithmetic on FPGAs // 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium, 2004. Proceedings. IEEE, 2004. P. 149-156.

33. Aruna K., Bhaskararao J. Design and Implementation of Fixed Point and Floating Point PID Controllers in VIVADO HLS using FPGA // Int. J. VLSI Syst. Des. Commun. Syst. 2016. Vol. 4, № 9. P. 799-804.

34. Finnerty A., Ratigner H. Reduce Power and Cost by Converting from Floating Point to Fixed Point // WP491 (v1.0) March 30, 2017.

35. Schneider A.M., Kaneshge J.T., Groutage F.D. Higher order s-to-z mapping functions and their application in digitizing continuous-time filters // Proceeding IEEE. 1991. Vol. 79, № 11. P. 1661-1674.

36. Jackson L., Lindgren A., Kim Y. Optimal synthesis of second-order statespace structures for digital filters // IEEE Trans. Circuits Syst. 1979. Vol. 26, № 3. P. 149-153.

37. Middleton R.H., Goodwin G.C. Improved Finite Word Length Characteristics in Digital Control Using Delta Operators // IEEE Trans. Automat. Contr. 1986. Vol. 31, № November. P. 1015-1021.

38. Kauraniemi J., Laakso T.I., Hartimo I. Delta Operator Realizations of Direct-Form IIR Filters // IEEE Trans. Circuits Syst. - II Analog Digit. Signal Process. 1998. Vol. 45, № 1. P. 41-52.

39. Butusov D.N., Karimov T.I., Kaplun D.I, Karimov A.I. Delta Operator Filter Design for Hydroacoustic Tasks // 6th Mediterranean Conference on

Embedded Computing (MECO), Bar, Montenegro, June 11-16, 2017, P. 263266

40. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов // Издание 2-е, исправленное. - М.: Техносфера, 2009. - 856 с.

41. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1986. - 448 с.

42. Yates R. Practical Considerations in Fixed-Point FIR Filter Implementations // Technical Reference, Digital Signal Labs, 2010.

43. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э.. Проектирование систем управления. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004. - 912 c.

44. Liu Y. et al. Optimal sliding mode control for delta operator system // IEEE 32nd Chinese Control Conf. 2013. P. 3152-3157.

45. Eidson B.L., Hung J.Y., Mark Nelms R. An experimental evaluation of the PID controller represented by the delta operator // Proc. IEEE Southeastcon,

2012. P. 1-6.

46. Longo S., Kerrigan E.C., Constantinides G.A. Constrained LQR for low-precision data representation // Automatica. 2014. Vol. 50, № 1. P. 162-168.

47. Goodall R.M., Donoghue B.J. Very high sample rate digital filters using the 5 operator // IEEE Proc. Circuits, Devices Syst. 1993. Vol. 140, № 3. P. 199208.

48. Yang G.-H. Linear systems: non-fragile control and filtering. - CRC Press,

2013. - 278 p.

49. Rabbath C.A., Lechevin N. Discrete-Time Control System Design with Applications. - New York, NY: Springer New York, 2014. - 171 p.

50. Newman M.J., Holmes D.G. Delta operator digital filters for high performance inverter applications // IEEE Trans. Power Electron. 2003. Vol. 18, № 1. P. 447-454.

51. Каримов Т.И., Бутусов Д.Н., Каримов А.И. Критерий применимости дельта-оператора при синтезе дискретных систем в форме пространства состояний // Фундаментальные исследования. - 2014. - T. 12. - C. 1889-

1893.

52. Butusov D.N., Karimov T.I., Kaplun D.I., Karimov A.I., Huang Y., Li Szu-Chuang. The Choice between Delta and Shift Operators for Low-Precision Data Representation // Proceeding of the 20th conference of FRUCT association, Saint-Petersburg, Russia, 3-7 April 2017, № 8071291, pp. 4652.

53. Сольницев Р.И., Каримов А.И., Каримов Т.И., Бутусов Д.Н. Проектирование цифровых регуляторов с применением дельта-оператора // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». - 2015. - №9. с. 25-30.

54. Реализация цифрового интегратора с применением дельта-преобразования / Каримов А.И. [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №1

55. Kauraniemi J., Laakso T. I. Elimination of limit cycles in a direct form delta operator filter // 1996 8th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 1996), Trieste, Italy. 1996. pp. 1-4.

56. Бутусов Д.Н., Каримов Т.И., Каримов А.И. Применение модифицированного дельта-преобразования при проектировании специализированных вычислителей // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №3.

57. Back A.D. et al. Alternative discrete-time operators: An algorithm for optimal selection of parameters // IEEE Trans. Signal Process. 1999. Vol. 47, № 9. P. 2612-2615.

58. Torres C., Gimenez V., Monasterio F. Linear continuous system discretization using a new general delta operator // ICARCV. - 2002, 2-5 Dec. - Vol.3. - Р. 1513-1516.

59. Семейство аппаратно-ориентированных методов численного интегрирования / Бутусов Д.Н. [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 4.

60. Butusov D.N., Karimov A.I., Tutueva A.V. Hardware-targeted Semi-implicit

Extrapolation ODE Solvers // Proceedings of the 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, Russia, 12-14 May, 2016

61. Hairer E., N0rsett S.P., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations I. - Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1993. - 528 p.

62. Li G., Gevers M. Roundoff noise minimization using delta-operator realizations (digital filters) // IEEE Trans. Signal Process. 1993. Vol. 41, № 2. P. 629-637.

63. Mullis C., Roberts R. Synthesis of minimum roundoff noise fixed point digital filters // IEEE Trans. Circuits Syst. 1976. Vol. 23, № 9. P. 551-562.

64. Солонина А.И., Улахович Д.А., Арбузов С.М., Соловьева Е.Б. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций / Изд. 2-е испр. и перераб. -СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 768 с.

65. Григорьев Д.А., Григорьева А.В., Зотов М.А., Макаров С.А. Расширение MS Visual Studio для бесшовного аспектно-ориентированного программирования // Компьютерные инструменты в образовании. - 2016. - №6. - С. 5-19.

66. Каримов А.И. Автоматизированное рабочее место проектировщика встраиваемых систем командных приборов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Каримов Артур Искандарович. Санкт-Петербург, 2017. 177 с.

67. Ростов Н.В. Многокритериальная параметрическая оптимизация цифровых регуляторов с учетом нелинейностей и действия внешних возмущений // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2014. - №2 (193). - С. 91-98.

68. Алгоритмы синтеза компактных цифровых регуляторов в арифметике с фиксированной запятой / Каримов Т.И. [и др.]// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. СПб: Университет ИТМО. - 2018. - Т. 18, №3. - С.493-504.

69. Müller S., Massarani P. Transfer-Function Measurement with Sweeps // Journal of the Audio Engineering Society. - 2001. - Vol. 49, No. 6, P. 443-

70. Sarkar M. A Floating-Point to Fixed-Point Conversion Methodology for Audio Algorithms / Technical Report, Delhi, India, 2004.

71. Fey I., Stürmer I., Code Generation for Safety Critical Systems—Open Questions and Possible Solutions // Proc. SAE World Congress 2008, SAE Doc. #2008-01-0385, 2008, P. 1-6.

72. Р.И. Сольницев, А.И. Каримов, Т.И. Каримов. Синтез цифровых регуляторов гироскопических командных приборов // Гироскопия и навигация. - 2017. - Том 25, № 1 (96). С. 108-118.

73. Жуков К.Г. Модельное проектирование встраиваемых систем в LabView. М.: ДМК Пресс, 2011.

74. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н. Н., Яковлев В. Б. Теория управления. Учебник. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.

75. Лебедев А. М. Анализ результатов внедрения автоматизированных систем контроля, САПР программ контроля и программных комплексов, ориентированных на решение приемо-сдаточных испытаний //Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011. - №. 174.

76. Whalen M. Why We Model: Using MBD Effectively in Critical Domains. [Электронный ресурс]. URL: http://2013.icse-conferences.org/documents/publicity/MiSE-WS-Whalen-slides.pdf (дата обращения: 05.09.2018).

77. Козлов И. М. Оценка экономической эффективности внедрения информационного моделирования зданий //AMIT: Электрон. журн. -2010. - №. 1. - С. 10.

78. Кохан А.П. Эффективность автоматизированного рабочего места: критерии оценки и методы повышения. [Электронный ресурс]. URL: http://www.belisa.org.by/pdf/PTS2005/213-218.pdf. (дата обращения: 01.09.2018).

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Каримова Тимура Искандаровича «Автоматизация проектирования цифровых регуляторов комплекса

командных приборов»

Составлен комиссией в составе:

Председатель: зам. заведующего кафедрой САПР по учебной работе, к. т. н. Андреев B.C.

Члены комиссии: к. т. н., доцент Соколов Ю.М., к. т. н., доцент Бутусов

Комиссия составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Каримова Тимура Искандаровича «Автоматизация проектирования цифровых регуляторов комплекса командных приборов» используются при обучении магистрантов, обучающихся по направлению 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника» в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» в рамках дисциплины «Информационные технологии в проектировании и производстве». В учебном процессе, а также при подготовке научно-исследовательских диссертаций магистрантов используются методы автоматизированного перехода от непрерывных моделей регуляторов и фильтров к дискретным на основе альтернативных дискретных операторов, предложенные в диссертации Каримова Тимура Искандаровича.

Результаты диссертации также использовались при подготовке учебно-методического пособия «Проектирование встраиваемых систем на ПЛИС» авторов Каримова Т.И., Каримова А.И., Сольницева Р.И.

Председатель:

Зам. заведующего кафедрой САПР / /

по учебно-методической работе

к. т. н. Андреев B.C.

Члены комиссии: '

Д.Н.

к. т. н., доцент

Соколов Ю.М.

к. т. н., доцент