Введение. Глава I. Типы систем управления и виды моделей (Пупков К.А. - Моделирование и испытание систем автоматического управления)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаК.А. ПупковМОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕСИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯг. Москва, 2013.1ББК 65.050. 9(2) 2П88Рецензенты:Дивеев А.И. – доктор технических наук, профессор, Вычислительныйцентр им. А.А. Дородницына РАН.Оболенский Ю.Г. – доктор технических наук, профессор, Российскаясамолётостроительная компания «МИГ».П.88.

Пупков К.А. Моделирование и испытание системавтоматического управления: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2012. - с….илл.ISBN5–7038–1050–7.2ВВЕДЕНИЕМоделирование есть главное направление междисциплинарных работ,дающеевозможностьнадежногоописаниясистемипроцессов,происходящих в них, с целью исследования и оптимизации.Каждая модель как аналог реального хранит знания в надлежащейформе, при этом запоминание знаний, как правило, связано с уменьшениемизбыточности, т.е.

модель всегда проще. Модель в своей функции какструктура для хранения знаний является связующим звеном междутеоретическим и эмпирическим познанием.Каждая модель имеет языковую функцию. Содержание знанийявляется ее семантической стороной, а способы, с помощью которых знаниявводятся в модель, кодируются в ней – синтаксической. Последний языковыйкомпонент имеет большое значение при активизации модели при каждомприведении ее в действие.Особенно существенным при построении моделей является процессотражения в смысле теории познания. На абстрактном уровне представлениемодели, как уже отмечалось, имеет значение дополнительных условий(операций, отношений, топологии и т.д.) на множестве, природа элементовкоторого не определена.В основе каждой модели лежит более или менее развитая теорияотображаемогообъекта.Этатеорияукладываетсявсинтактическиустановленные рамки, в концепцию системы, положенную в основуконкретного построения модели.Системная концепция фиксирует общие рамки модели, иначе говоря,определяет структуру памяти модели.

Некоторая форма модели, в которойона может действовать в качестве аналога только одного конкретногообъектаполучаетсяблагодарятому,чтоэкспериментальные,т.е.эмпирические данные приводятся в соответствие с этими рамками, а именно:3для параметров модели, ее степеней свободы шаг за шагом устанавливаютсявсе более достоверные значения. В этом смысле каждая разработаннаямодель выражает компромисс между теорией и практикой, междутеоретическими познаниями и эмпирическими данными.В практическом плане создание модели основано на реализациипроцесса познания, в смысле теории отражения.

Это можно представить наследующей схеме (рис. 1).Рисунок 1 – Схема этапов процесса познания при построении моделейНа этой схеме видно, что исследуемый объект (процесс) подвергаетсяизмерению с помощью тех или иных приборов, позволяющих получитьпервичную информацию, что и составляет собой ощущение, далее этаинформация воспринимается и осмысливается (в том числе уменьшаетсяизбыточность) и составляется представление о наблюдаемом объекте(процессе), что в совокупности представляет собой живое созерцание.Следующий этап представляет формирование понятия, что является первымшагом в построении модели на абстрактном уровне, по которой должно бытьпроизведено суждение и сделано умозаключение, что позволяет исключитьиз модели некоторые противоречивые факторы.Следующий этап состоит в проверке адекватности модели, что можносделать, обратившись к исследуемому объекту (процессу).

Этот этапназывается практикой. Здесь проверяются эффекты, выявленные по модели,и в случае появления новых данных реализуется следующий шагсовершенствования модели. И так шаг за шагом. Таким образом, процесспостроения модели есть процесс с обратной связью. Именно, здесьосуществляетсяважныйаспект моделирования4(построениямодели),который состоит в том, что модель должна быть приближенно заменителемреального положения вещей реальной системы.

Следовательно, речь идет нетолько об уменьшающем избыточность запоминания информации, но и такойсемантике(величинах,соответствующихреальномуобъектуихарактеризующих его), но и таком синтаксисе модели (описании отношениймежду согласованными величинами в виде формул), при которых ееповедение оказывается сравнимым с поведением реального объекта.Моделирование используется:1.Для целей экспериментирования и количественной оценки, аименно, для предсказания последствий изменения образа действий и условийв ситуации, когда осуществление такого изменения в реальных условияхсвязано со значительными затратами средств или определенным риском.2.Каксредствоисследованияновыхсистемсцельюихреконструкции или совершенствования.3.Какусловиями,средствокоторые,ознакомлениявозможно,ещеперсоналатрудноссистемамисоздатьвилиреальнойдействительности.4.Для проверки новой идеи или ее демонстрации.5.Как средство предсказания будущего и обеспечения, такимобразом, количественной основы для планирования и прогнозирования.6.Заметим, что термин моделирование обычно трактуется двояко,т.е.

моделирование – построение моделей и моделирование – процессисследования свойств системы с использованием построенных моделей.Поскольку в работе речь идет о моделировании испытании системавтоматического управления (САУ), определим, что же понимается подСАУ?Подсистемойобъединеннаяавтоматическогоинформационнымуправленияпроцессом(САУ)понимаетсясовокупностьобъектауправления, технических средств получения информации и ее обработки,5выработкииисполненияуправления,обладающаяустойчивымицеленаправленным действием.Поскольку в современных системах управления для реализациипроцессовобработкиинформацииширокоиспользуетсякомплексвычислительных средств, и, соответственно, программное обеспечение,появиласьвозможностьсозданиясистемобработкиинформациииуправления нового типа – интеллектуальных.Подинтеллектуальнойинформационнымпроцессомсистемойпонимаетсясовокупностьобъединеннаятехническихсредствипрограммного обеспечения, работающая во взаимосвязи с человеком(коллективом людей) или автономно, способная на основе сведений и знанийпри наличии мотивации синтезировать цель, принимать решение к действиюи находить рациональные способы достижения цели.Теперь рассмотрим, какое место занимает моделирование в процессеразработки систем управления.Разделяют следующие виды моделирования:1.

Математическое (динамическое, имитационное).2. Физическое (модульное, либо эквивалентное).3. Натурно-математическое (полунатурное), включая имитационное среальной аппаратурой и виртуальное прототипирование.Структурная схема процесса разработки систем управления выглядиттак, как показано на рис. 2.6Рисунок 2 – Структурная схема процесса разработки системуправленияИз рисунка видно, что процесс разработки начинается с определенияцели изадач, которые должна решить САУ. Далее формируетсяконцептуальная модель (облик) системы, используя при этом опытпредшествующих разработок и результаты поисковых НИР. В итогеразрабатываетсятехническоезаданиеиисходныеданныедляпроектирования, а также технические предложения.Проектирование включает в себя эскизный проект, включающийтехнико-экономическое обоснование, техническое и рабочее проектирование.На этапе технического проекта разрабатывается также проект специальноготехнологического оборудования.

На этих этапах разработки осуществляетсяматематическоеифизическоемоделирование. Далее осуществляетсясоздание опытного образца, как правило, выпускается несколько образцов,чтобы распараллелить их отработку.Далее осуществляется отработка опытного образца. Это делается спомощью стендовых испытаний (механических, гидравлических, тепловых ит.д.), испытаний на летающих лабораториях и натурно-математическогомоделирования. Поскольку такие испытания и моделирование, как правило,проводятся на «разнесенных» компонентах системы управления, вводитсяэтап комплексной наземной отработки, позволяющий выяснить такиеэффекты, как электромагнитная совместимость аппаратуры и т.п.

На этихэтапахиспользуетсяматематическоеинатурно-математическоемоделирование, с учетом части реальных элементов системы управления.Следующийпроведениемэтапнатурныхотработкииспытаний.системыЭтоуправленияестьсопряженслетно-конструкторскиеиспытания (ЛКИ), которые составляют наиболее ответственный и сложныйэтап. Если на ЛКИ показаны характеристики системы, удовлетворяющиетребованиям технического задания, то решается вопрос о проведениигосударственных испытаний (ГИ), по результатам которых система может7быть принята в серийное производство.

На этапах испытаний осуществляетсясопровождающеемоделирование,котороевключаетвсевидымоделирования. Именно в этой работе рассматриваются все этапы разработкисистем управления с позиций использования моделирования, как ее научнойосновы и инструментальной реализации процесса моделирования.8Глава I. Типы системы управления и виды моделейВ этой главе рассмотрим типы систем, их особенности и чем вызвананеобходимость исследования этих систем с помощью моделирования.Покажем здесь также различные виды моделей, т.е. различныхспособов абстрактного представления систем и процессов, происходящих вних в зависимости от их природы и способов функционирования.§ 1.

Типы систем управленияПредставим следующие типы систем.1.Одноконтурные системы. К ним относятся системы, структуракоторых имеет следующий вид, показанный на рис. 3.Рисунок 3 – Структурная схема одноконтурной системыНа данном рисунке x(t) и y(t) – входной и выходной сигналысоответственно, в блоках показаны передаточные функции элементовсистемы,() – есть некоторые функции. Если эти функции сутьпостоянные коэффициенты, то система является линейной и ее исследованиеможно провести аналитическими методами. Если хотя бы одна функцияявляется нелинейной, то такая система – нелинейная, если жеявляетсяфункцией времени, то такая система – нестационарная, если же хотя бы однафункцияявляется нелинейной и зависит от времени, то такая система9является нелинейной и нестационарной.