Диалоговая система многокритериального конструирования управляющих устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Белялетдинов, Игорь Искакович

• Белялетдинов, Игорь Искакович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белялетдинов, Игорь Искакович

Введение.

Глава 1. Программные средства для автоматизированного проектирования систем управления

1.1. Классификация программных средств для автоматизации проектирования систем управления.

1.2. Развитие программных средств для автоматизации проектирования систем управления.

1.3. Процесс создания программных средств для автоматизации проектирования систем управления.

1.4. Предпосылки создания диалоговой системы.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Построение диалоговой системы. Особенности программной реализации.

2.1. Требования к системе.

2.2. Разработка объектно-ориентированной модели системы.

2.3. Разработка компонента для отображения математических формул в естественноматематическом виде.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения диалоговой системы

3.1. Разработка метода построения множества реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с недостаточным и достаточным числом звеньев коррекции н виде множества орграфов прохождения сигналов.

3.2. Разработка метода визуализации структурных схем управляющих устройств.

3.3. Нахождение оптимальных передаточных функций управляющего устройства.

3.4. Оценка характеристик системы.

3.5. Разработка метода конструирования управляющих устройств заданной и минимальной сложности, обеспечивающих минимум критерия качества.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Примеры использования диалоговой системы конструирования управляющих устройств

4.1. Пример 1. Конструирование управляющего устройства предельной сложности с достаточным числом звеньев коррекции.

4.2. Пример 2. Конструирование управляющего устройства предельной сложности с недостаточными числом звеньев коррекции.

4.3. Пример 3. Сравнение альтернативных структур управляющих устройств.

4.4. Пример 4. Конструирование управляющих устройств минимальной сложности

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диалоговая система многокритериального конструирования управляющих устройств»

На сегодняшний день уровень развития универсальных средств решения разнообразных математических задач таков, что снимается необходимость в самостоятельной реализации множества базовых методов и алгоритмов. Однако большинство существующих пакетов не охватывают всех аспектов проблемы конструирования. Это требует сконцентрироваться на разработке специальных средств, ориентированных на конкретную предметную область: в данном случае на теорию управления. Причем для исследовательских систем на первый план выходит удобство решения задачи и разнообразие доступных методов.

Как известно, существуют два подхода к конструированию оптимальных регуляторов с использованием квадратичного критерия качества. Это методы пространства состояний и методы пространства вход-выходных соотношений. Несмотря на то, что хорошо развитые методы пространства состояний с успехом решают большинство задач по конструированию оптимальных регуляторов для линейных стационарных систем, остается ряд задач, которые либо решаются удобнее с использованием вход-выходных соотношений, либо для которых не существует стандартных способов решения методами пространства состояний.

Конструирование систем управления носит многовариантный характер -на каждом этапе происходит рассмотрение множества систем, различающихся по своим характеристикам, затем среди множества альтернатив выбирается один или несколько вариантов, наиболее полно отвечающих заданным требованиям. В существующих системах автоматизированного проектирования систем управления проблеме синтеза управляющих устройств с различной конфигурацией структуры не уделено должного внимания. Введение в рассмотрение множества различных по структуре управляющих устройств позволяет найти системы, имеющие более предпочтительные значения показателей качества, чем системы с традиционной структурой. При этом количество элементов этого множества таково, что проводить его анализ возможно только автоматизировано.

Доступные на сегодняшний день программные средства для решения задач синтеза оптимальных управляющих устройств имеют либо вид библиотек программ, входящих в состав универсальных математических пакетов, либо входят в программные комплексы промышленного назначения. Это затрудняет их использование исследователем, который является специалистом в области теории управления, но не потратил большого количества времени на их освоение. Возникает потребность в программах, которые нацелены на решение конкретных задач теории управления и имеют современный привычный графический интерфейс пользователя. Особенно важны такие программные системы при их использование в учебном процессе в ВУЗах.

Из вышесказанного можно заключить, что разработка алгоритмического и программного обеспечения конструирования систем автоматического управления является достаточно актуальной задачей, многие аспекты которой еще не были надлежащим образом рассмотрены.

Целью данной диссертационной работы является разработка диалоговой системы конструирования управляющих устройств для исследования линейных стационарных систем управления, описываемых с помощью соотношений вход-выход. В диссертационной рассмотрены следующие вопросы:

• анализ существующих подходов к синтезу оптимальных управляющих устройств;

• исследование развития программных систем автоматизированного проектирования систем управления;

• выявление недостаточно развитых либо нереализованных аспектов конструирования управляющих устройств в существующих программных системах;

• разработка объектно-ориентированной модели диалоговой системы конструирования управляющих устройств;

• разработка метода построения множества реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с недостаточным и достаточным числом звеньев коррекции в виде множества орграфов прохождения сигналов;

• разработка метода визуализации структурных схем управляющих устройств;

• разработка метода конструирования управляющих устройств заданной и минимальной сложности (в смысле соотношения степеней числителя и знаменателя передаточной функции), обеспечивающих минимум критерия качества;

• реализация требуемых функциональных решений, разработка алгоритмического и программного обеспечения компонентов диалоговой системы;

• экспериментальное подтверждение применимости предложенных методов и программных средств для решения задач конструирования управляющих устройств.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими полученными результатами.

1. Разработан и реализован метод построения множества реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с недостаточным и достаточным числом звеньев коррекции в виде множества орграфов прохождения сигналов. Этот метод отличается от известных ранее методов генерации множества структур управляющих устройств на основе сигнальных графов тем, что использует в качестве исходного описания структуры передаточные функции каналов управляющего устройства. Использование передаточных функций каналов гарантирует полный охват возможного множества структур управляющих устройств с достаточным и недостаточным числом звеньев коррекции.

2. Разработан и реализован метод визуализации структурных схем управляющих устройств. Предложенный подход позволяет по передаточным функциям управляющего устройства и системы управления получать графическую модель системы в программном комплексе моделирования динамических систем Simulink.

3. Разработан и реализован метод конструирования управляющих устройств заданной и минимальной сложности, обеспечивающих минимум критерия качества. Данный метод дополняет предложенные раннее методы расчета параметров передаточных функций управляющего устройства заданной и минимальной сложности последовательностью этапов, ориентированных па интенсивное использование диалоговых возможностей программной системы, которые позволяют исследователю добиться нахождения решения.

4. Разработана диалоговая система конструирования управляющих устройств, в состав которой вошли известные ранее и предложенные новые методы и алгоритмы конструирования управляющих устройств.

Теоретические исследования завершены созданием на их основе математического, алгоритмического и программного обеспечения и руководства пользователя по работе с диалоговой системой конструирования управляющих устройств. Практическая ценность подтверждена в ходе использования результатов научной работы на кафедре «Математическое и программное обеспечение систем обработки информации и управления» МИЭМ в рамках курсов «Многокритериальное проектирование систем управления» и «Основы теории управления».

На разработку получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Результаты работы, имеющие практическую ценность: • разработана диалоговая система конструирования управляющих устройств для решения задач многокритериального конструирования управляющих устройств;

• создана библиотека прикладных программ MATLAB, дополняющая этот популярный пакет реализованными методами синтеза оптимальных управляющих устройств в пространстве вход-выходных соотношений;

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (г. Москва, 2002), на ежегодных научно-техническая конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2002-2006 гг.)

Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Изложены: цель, задачи, методы исследований и приведена структура работы.

В первой главе рассмотрена классификация программных средств для автоматизации проектирования систем управления, рассмотрен процесс развития программных средств для автоматизации проектирования систем управления, а также процесс создания программных средств для автоматизации проектирования систем управления, сформулированы предпосылки создания диалоговой системы.

Во второй главе сформулированы требования к диалоговой системе, описана объектно-ориентированная модель диалоговой системы и входящих в нее компонентов.

В третьей главе изложены разработанные методы и алгоритмы построения множества реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с недостаточным и достаточным числом звеньев коррекции в виде множества орграфов прохождения сигналов, визуализации структурных схем управляющих устройств, конструирования управляющих устройств заданной и минимальной сложности (в смысле соотношения степеней числителя и знаменателя передаточной функции), обеспечивающих минимум критерия качества.

В четвертой главе приведены примеры использования диалоговой системы для решения задач конструирования управляющего устройства предельной сложности с достаточным и недостаточным числом звеньев коррекции, сравнения альтернативных структур управляющих устройств по показателям качества, конструирование управляющих устройств минимальной сложности.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Белялетдинов, Игорь Искакович

Выводы к главе 4

1. Показано на примерах, что с помощью созданной диалоговой системы конструирования управляющих устройств для заданного объекта управления, учитывая ограничения накладываемые на систему управления, можно получить передаточные функции звеньев коррекции, входящие как в устройства с недостаточным, так и с достаточным числом звеньев коррекции.

2. Структура системы с рассчитанными передаточными функциями звеньев коррекции была экспортирована из диалоговой системы в модель Simulink, где было проведено моделирование системы управления.

3. Рассмотрен автоматизированный режим работы диалоговой системы, в котором рассчитаны значения показателей качества для систем управления, в состав которых входят управляющие устройства различной структуры с целью отбора по многим критериям предпочтительной системы. Обнаружено, что управляющее устройство традиционной структуры имеет не лучшие значения показателей качества.

4. Продемонстрирована важная возможность системы по поиску в диалоговом режиме передаточных функций управляющего устройства заданной и минимальной сложности. В случае успеха реализованный алгоритм поиска дает управляющее устройство меньшей сложности, чем оптимальное управляющее устройство. При этом значение основного критерия качества меняется несущественно.

5. Рассмотренные возможности диалоговой системы позволяют решать задачи многокритериального конструирования управляющих устройств как в рамках математического проектирования различных систем управления, так и при изучении методов и алгоритмов теории управления в курсе «Многокритериальное конструирование систем автоматического управления».

Заключение

В диссертации предложена, успешно апробирована диалоговая система конструирования управляющих устройств, предназначенная для автоматизированного многокритериального конструирования систем управления различной сложности для линейных объектов управления в соотношениях вход-выход. В состав программного комплекса входит библиотека прикладных программ MATLAB, восполняющая отсутствие в этом популярном математическом пакете реализованных методов синтеза оптимальных управляющих устройств в пространстве вход-выходных соотношений.

Получены следующие научные результаты.

1. Лично автором разработан метод построения множества реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с одним и двумя звеньями коррекции в виде множества орграфов прохождения сигналов. Разработанный метод реализован в диалоговой системе и позволяет пользователю системы получить полное множество реализуемых, неупрощаемых управляющих устройств с недостаточным и достаточными числом звеньев коррекции с целыо исследования элементов этого множества и отбора предпочтительных элементов.

2. Примененный подход с использованием графов прохождения сигналов по каналам управляющего устройства позволил автору создать систему визуализации структур управляющих устройств по передаточным функциям каналов. Это дает важную возможность исследователю увидеть структуру выбранного элемента множества структур управляющих устройств, оценить ее сложность и заложенные в ней свойства.

3. Использование символьных вычислений позволило реализовать в диалоговой системе алгоритмы нахождения оптимальных передаточных функций управляющего устройства в пространстве вход-выходных соотношений. В результате пользователь системы может, исходя из ограничений и требований к системе, получить оптимальное управляющее устройство, удовлетворяющее сформированному системой критерию качества. Затем пользователь, следуя диалоговому принципу работы с системой, на основе многих критериев разносторонне оценивает полученную систему.

4. Учитывая важность вопроса получения управляющего устройства как можно меньшей сложности с сохранением приемлемых значений показателей качества системы, предложен реализованный в системе метод, позволяющий исследователю добиться нахождения решения. Предложенный автором метод, рассчитанный на интенсивное использование диалоговых возможностей системы, позволяет найти передаточные функции управляющего устройства заданной и минимальной сложности.

164

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белялетдинов, Игорь Искакович, 2006 год

1. Walker, С. Matrix-X, A Data Analysis, System 1.entification, Control Design and Simulation Package / Walker, C. Gregory Jr., and S. Shah // IEEE Control Systems Magazine.- 1982.- № 2.- P. 30-37.

2. Wette. Casey: A Computer-Aided Engineering System / Wette // IEEE Symposium on Computer-Aided Control Systems Design. — Napa, 1992.— 17-19 March.

3. Xmath Basics. — Santa Clara: Integrated Systems Inc, 1994.

4. Youla D. C., Jabr H. F., Bongiorno J. J. Modern Wiener-Hopf design of optimal controllers Part 11: The multivariable case // IEEE Transactions on automatic control. 1976. № 3. P. 319-338.

5. Yourdon, E. Managing the system life cycle / E. Yourdon. — Englewood Cliffs: Yourdon Press, 1988

6. Абрахаме, Дж. Анализ электрических цепей методом структурных графов / Дж. Абрахаме Дж., Дж. Каверли. — М.: Мир, 1967. — 280 с.

7. Алпатов, Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов / Ю.Н. Алпатов. — Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1988. — 184 с.

8. Анохин, A.M. Методы определения коэффициентов важности критериев / A.M. Анохин, В.А. Глотов, В.В. Павельев, А.И. Черкашин // Автоматика и телемеханика, 1997. —N8. — С. 3-35.

9. Берж, К. Теория графов и ее применение / К. Берж. — М.: ИИЛ, 1962. — 319с.

10. Ю.Белялетдинов, И.И., Диалоговая система автоматизированного конструирования устройств управления / И.И. Белялетдинов, М.Г. Зотов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2002. — № 3.— С. 16 -19.

11. Белялетдинов, И.И. Система многокритериального конструирования устройств управления / И.И. Белялетдинов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2003.

12. Белялетдинов, И.И. Некоторые преимущества конструирования регуляторов в пространстве вход-выходных соотношений / И.И. Белялетдинов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2004

13. Белялетдинов, И.И. Проектирование систем управления в соотношениях вход-выход с использованием MATLAB / И.И. Белялетдинов, М.Г. Зотов // Exponenta Pro. Математика в приложениях, 2004.— № 2.— с. 34-44

14. Белялетдинов, И.И. Разработка методов и средств конструирования регуляторов в пространстве вход-выходных соотношений / И.И. Белялетдинов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов. Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2006

15. Белялетдинов, И.И. Диалоговая система конструирования управляющих устройств / И.И. Белялетдинов М.: ВНТИЦ, 2006. — №50200600567.

16. ГАММА-2РС. Система программ для автоматизации разработки алгоритмов управления — М.: Институт проблем управления РАН, 2003

17. Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц. / Ф.Р.Гантмахер.— М.: Наука, 1967

18. Джамшиди, М. Автоматизированное проектирование систем и электронных схем пакеты и языки / М.Джамшиди, Р.Морел, Т.Йенн. — М.: Машиностроение, 1994

19. Дорф, Р. Современные системы управления / Р.Дорф, Р.Бишоп.— М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. — 832 с.

20. Зотов, М.Г. Многокритериальное конструирование систем автоматического управления / М.Г.Зотов. — М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. — 375 с.

21. Касьянов, В.Н. Графы в программировании: обработка, визуализация и применение / В.Н.Касьянов, В.А.Евстигнеев. — СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 1104 с.

22. Квакернаак, X. Линейные оптимальные системы управления / Квакернаак X., Сиван Р. — М.: Мир, 1977.

23. Литтл, Дж. Комплекс CTRL-C и матричные средства для автоматизированного проектирования систем управления / Дж.Н.Литтл, А.Эмеми-Наэни, С.Н.Бангерт // Автоматизированное проектирование систем управления— М.: Машиностроение, 1989

24. Мацяшек. Анализ требований и проектирование систем. Разработка информационных систем с использованием UML / Мацяшек, А.Лешек. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. —432 с.

25. Мезон, С. Электрические цепи, сигналы и системы / С.Мезон, Г.Циммерман — М.: Энергия, 1972. —480 с.

26. Первозванский, А.А. Курс теории автоматического управления / Перво-званский А.А. — М.: Наука, 1986.

27. Поляк, Б.Т. Трудные задачи линейной теории управления. Некоторые подходы к решению / Б.Т.Поляк, П.С.Щербаков // Автоматика и телемеханика. —2005.— N5

28. Райцып, Т.М. Синтез САУ методом направленных графов / Т.М. Рай-цын — JL: Энергия, 1970. —94 с.

29. Сучилин, A.M. Применение направленных графов к задачам электротехники / А.М.Сучилин.— JL: Энергия, 1971. —98 с.

30. Холингверт, Д. С++ Builder 5. Руководство разработчика / Д. Холин-гверт, Д. Баттерфилд, Б. Сворт. — М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. —880 с.

31. Цыпкин, Я.З. Основы теории автоматических систем / Я.З.Цыпкин.— М.: Наука, 1977

32. Шаллоуей, А. Шаблоны проектирования. Новый подход к объектно-ориентированному анализу и проектированию / А.Шаллоуей, Дж.Тротт. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. — 288 с.

33. Boyle, М.Р. A Multivariable Frequency Domain Toolbox for Matlab / Boyle, M.P. Ford, J.M. Maciejowski // IEEE Control Systems Magazine.— 1989.— N 9, P.59-65

34. Englehart. ControlH: An Algorithm Specification Language and Code Generator / Englehart, M. Jackson // IEEE Control Systems Magazine.— 1995.—N 15.—P. 54-64

35. Griibel. The ANDECS CACE Framework / Griibel // IEEE Control Systems.— 1995.—N 15

36. Intoduction to Sigmalab. — France: Institut National de Recherche en Informatique et Automatique, Le Chesnay Cedex, INRIA, 1995

37. M. Rimvall ELCS the extended list of control software. Zurich. — 1987.—N. 4

38. Maciejowski. CLADP: The Cambridge Linear Analysis and Design Programs / Maciejowski and A.G.J. MacFarlane. — Cambridge: Control Systems Magazine, 1982

39. MATLAB User Guide.— Natick: The Math Works Inc., 2004

40. Mieczyslaw, Computer Aided Control System Design / Mieczyslaw A. Brdys, Krzysztof, Malinowski. — World Scientific, 1994

41. Munro. ECSTASY—A Control System CAD Environment / Munro //11th IFAC World Congress on Automatic Control, 13-17 August 1990.— Estonia

42. Optimization Toolbox User's Guide. — The Math Works, Inc., 2006.

43. Rimvall. A Structural Approach to CACSD / Rimvall, F.E. Cellier. — Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1985

44. Rosenbrock, H.H. Computer-aided control system design / H.H.Rosenbrock.— New York: Academic Press, 1974

45. Schaufelberger, W. Educating future control engineers / W. Schaufelberger. — Tallinn, 1990

46. Spang. The Federated Computer-Aided Control Design System / Spang.— Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1985

47. Taylor. Computer-Aided Control Engineering Environments / Taylor, M. Rimvall, H.A. Sutherland. — Marcel Dekker, Inc, 1993

48. The Nonlinear Control Design Toolbox. — Natick: The Math Works Inc,2004

49. The System Identification Toolbox. — Natick: The Math Works Inc, 2005