Имя материала: Исследование систем управления

Автор: А. С. Малин

3.1 особенности анализа и синтеза технических систем управления

 

особенности технических систем управления

специфика анализа и синтеза технических систем управления

основы синтеза новой технической системы управления

 

Особенности технических систем управления

 

Технические системы управления (ТСУ) — это системы, которые содержат в качестве элементов технические устройства и могут в течение некоторого интервала времени функционировать без участия человека (заводы-автоматы, автоматические линии и пр.).

Технические системы управления имеют следующие особенности:

четко определенную, как правило, единственную, цель управления (посадка самолета по заданной траектории (глиссаде) для систем слепой посадки, поддержание температуры в заданных параметрах для систем терморегулирования и т.д.);

отсутствие человека в контуре управления с его социальными и психологическими особенностями;

достаточно высокую определенность исходных данных и возможность формализации процессов функционирования с использованием детерминированных или стохастических математических моделей.

В ТСУ легко выделить объект управления и управляющую систему (так, в паровом котле можно выделить котел и регулятор давления пара).

Особенности управления техническими системами состоят в том, что в них закон управления (а следовательно, и управляющая система через ее свойства) может быть спроектирован заранее, что позволяет обеспечить качество управления для любых условий функционирования ТСУ.

Если система работает в условиях неопределенности, т.е. точно неизвестно влияние внешней среды, то качество управления будет обеспечено с той точностью, с которой известно влияние внешней среды (возмущение).

Если же воздействие внешней среды (возмущение) неизвестно вообще, то качество управления может быть обеспечено за счет адаптивных систем управления (самонастраивающихся, обучаемых).

 

Специфика анализа и синтеза технических систем управления

 

Задачи анализа и синтеза ТСУ решаются в процессе реализаций ее жизненного цикла, который представляет собой упорядоченную во времени совокупность состояний системы и работ, обеспечивающих изменение состояний от момента замысла системы до окончания ее существования.

Задачи синтеза решаются в процессе создания новых ТСУ.

Задачи анализа созданной ТСУ решаются главным образом на стадиях ее эксплуатации (ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт, технические ревизии, надзор), транспортировки, снятия с эксплуатации и списания.

Структурный анализ и синтез ТСУ направлен на исследование и формирование рациональных функциональных и принципиальных схем, реализующих заданный алгоритм функционирования, а также на изучение и поиск конструктивных решений при определении состава, размещения и стыковки конструктивно различных элементов.

Функциональный анализ и синтез ТСУ направлен на исследование и формирование динамических характеристик системы путем определения процессов изменения ее состояния во времени.

Функциональный анализ и синтез направлен на обоснование математических моделей, характеризующих процессы изменения состояний объекта управления под влиянием управляющих воздействий и влияния этих процессов на качество и показатели эффективности управления.

Информационный анализ и синтез ТСУ сводится к исследованию и разработке рациональных способов кодирования, передачи, обработки и представления информации, циркулирующей между элементами системы.

Параметрический анализ и синтез ТСУ осуществляется путем комплексного исследования и определения количественных структурных, функциональных и информационных характеристик системы.

Для ТСУ характерна высокая степень определенности исходных данных и наличие хорошо разработанного математического аппарата, что приводит к следующим особенностям их анализа и синтеза:

высокой точности оценки технических и экономических показателей;

возможности использования скалярных показателей эффективности;

относительно небольшим затратам ресурсов на экспериментальную проверку технических расчетов.

 

Основы синтеза новой технической системы управления

 

Цели и характер обоснования варианта новой

технической системы управления

 

Процесс создания новых (перспективных) технических систем управления связан с разработкой требований к ним, которые должны отражать качество и эффективность реализации системами своих целевых функций при определенных условиях и способах их применения (использования).

Для выработки этих требований проводится техническое обоснование перспективной системы. Данная процедура предполагает определение состава и типа элементов будущей системы и их наиболее существенных характеристик, показывающих место и роль элементов в системе. На основе этих характеристик составляется тактико-техническое задание (ТТЗ) промышленности на разработку и производство новой технической системы.

ТТЗ содержит:

формулировку цели и задач, выполняемых технической системой управления;

требования к схеме (порядку) применения;

требования к обеспечивающим элементам (компонентам);

условия эксплуатации;

показатели унификации составных частей системы управления;

требования к объему документации, предъявляемой заказчику;

число изделий, предназначенных для испытаний (например, летно-конструкторских).

 Процесс создания новых технических систем управления и его участники показаны на рис. 3.1.

На этапе разработки технического предложения определяются тактико-технические характеристики (ТТХ) объекта проектирования, даются его краткое описание и схема функционирования, выбирается конструктивно-компоновочная схема или ее вариант, определяется объем работ, производится оценка производственной и экспериментальной базы, разрабатывается генеральный график создания системы и составляется перечень исполнителей-разработчиков.

Тактико-технические характеристики ТСУ — это упорядоченная по определенному замыслу совокупность количественных характеристик ТСУ, определяющих их свойства. В ТТХ могут отражаться такие свойства ТСУ, как производительность, а также массовые, габаритные и прочие характеристики. В общем случае свойства новых ТСУ могут описываться через показатели их качества или эффективности. Качество ТСУ определяется ее потенциальной пригодностью для выполнения задач целевого применения. Эффективность ТСУ проявляется в процессе ее применения и характеризует ее способность достигать цели при своем качестве, условиях и способах применения.

 

 

Характерными элементами этапа разработки эскизного проекта являются теоретическое и экспериментальное обоснование главных характеристик, технических и технологических решений при создании ТСУ в целом и ее основных частей.

На этапе разработки рабочей документации важно подготовить полный комплект конструкторской документации и комплексную программу экспериментальной отработки создаваемой ТСУ.

На каждом этапе проектирования решаются задачи системного синтеза, представляющие ТСУ с различной степенью детализации.

В рассматриваемой последовательности этапов проектирования обоснование того или иного варианта перспективной ТСУ представляет собой верхний уровень проектных работ (рис. 3.2). В проекте любой системы можно выделить три уровня: архитектура, исполнение и реализация.

Архитектура системы — это функциональное применение системы с точки зрения пользователя, под исполнением понимается логическое описание внутренней структуры, дающее возможность исполнения этих функций, реализация — физическое воплощение исполнения.

Техническое обоснование ТСУ включает описание с помощью специальных требований функционального применения ТСУ с точки зрения пользователя.

Вышесказанное позволяет сделать следующий важный вывод: техническое обоснование перспективных ТСУ относится к задачам системного синтеза и представляет собой процесс разработки архитектуры сложной ТСУ исходя из принципов многокритериалъности, декомпозиции и итеративности.

 

 

Общая процедура обоснования варианта перспективной ТСУ

 

Техническое обоснование облика перспективной ТСУ направлено на разрешение противоречия между желаемым и возможным, причем желаемое определяется возникшими потребностями в создании новой ТСУ (задачами системы более высокого уровня), а возможное — уровнем развития науки и техники и внешними условиями применения (эксплуатации). На рис. 3.2 в системном представлении показан процесс проведения технического обоснования и выработки тактико-технического задания на разработку и производство перспективных ТСУ.

Методологической основой технического обоснования облика перспективной ТСУ является методология архитектурного проектирования. "Архитектурное проектирование - это проектирование сверху вниз, определяющее каждую деталь как часть целого"[3.8],

Общую процедуру обоснования перспективной ТСУ можно представить в виде трех уровней.

Цель первого уровня исследования — установление достаточности множества показателей качества и эффективности проектируемой ТСУ. Первый уровень включает:

формулировку задач технического обоснования;

определение начальных (отправных) качественных характеристик сформулированной задачи;

определение множества возможных вариантов решения задачи и выбор наиболее конкурентоспособного;

выбор показателей качества и эффективности для рассматриваемой системы.

Выбор показателей качества и эффективности производится путем сравнения их с интересующими свойствами проектируемой системы. При выявлении несоответствия следует вернуться к этапу формулировки задачи, тщательно разобраться в ней и дать другую формулировку.

Цель второго уровня исследования — достижение соответствия между типом сформулированной задачи, особенностями математической модели исследуемой системы и методами ее решения. Второй уровень включает:

¨ разработку математической модели ТСУ (модели исходных данных) и проведение на ней экспериментов;

¨ выбор математических методов обработки математических экспериментов, формирование с их помощью технического облика ТСУ (порождающей модели) и проведение на ней исследований.

Соответствие между типом сформулированной задачи, особенностями математической модели и методами ее решения часто нарушается из-за возможности или неумения подобрать математические методы обработки результатов математического эксперимента и формирования облика системы. В таком случае необходимо скорректировать задачу до уровня своих возможностей или знаний, пусть даже за счет потери качества решения, это будет методически грамотно и математически корректно, а в итоге - правильно.

Цель третьего уровня — достижение соответствия между решениями частных подзадач. Это соответствие предполагает выполнение требований сформулированных по результатам решения задачи вышестоящего иерархического уровня. Третий уровень включает:

декомпозицию задачи технического обоснования (выдачу исходных данных на нижние иерархические уровни и проведение на них исследований);

согласование решений всех иерархических уровней с использованием принципа итеративности;

исследование технического облика ТСУ в организационном и экономическом аспектах.

Затем проводится исследование полного множества альтернативных вариантов и принимается наиболее перспективный вариант ТСУ. Этот блок работ предполагает следующее:

рассмотрение каждой из возможных альтернатив системы и получение области возможных решений;

разработку математической модели принятия решений (структурированной модели) и определение наилучшего варианта ТСУ.

Если ни одно из полученных решений множества альтернативных вариантов не удовлетворяет требованиям, то возникает необходимость в изменении формулировки задачи. При этом возможны два выхода: переформулировать задачу при тех же требованиях, используя информацию, полученную при предыдущих исследованиях, или выйти на уровень вышестоящей системы с обоснованной просьбой изменения требований к выполняемой задаче.

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 |