Курсовая работа: Модель дослідження стійкості та якості перехідних процесів слідкувальної системи
Метою даної курсової роботи є побудова моделі дослідження стійкості та якості перехідних процесів слідкувальної системи.
Завданням курсової роботи є:
– аналіз моделей управління підсистеми слідкувального приводу;
– проектування формалізованої моделі системи;
– розробка математичної моделі;
– розробка програмного комплексу системи;
Предметом дослідження є застосування системного підходу для проектування складних автоматизованих систем.
Об’єктом дослідження є аналіз методів дослідження стійкості та якості перехідних процесів слідкувальної системи.
В процесі розробки курсової роботи було використано аналітичні, математичні, графічні методи, методи об’єктно – орієнтованого проектування та програмування.
1. Теоретичні засади системного аналізу об’єктів та процесів комп’ютеризації
1.1 Задачі системного управління структурою і властивостями складних об'єктів
Особливості задач управління структурою і властивостями складних об'єктів. Перейдемо до вивчення властивостей та особливостей задач управління структурою і властивостями складних об'єктів. Передусім потрібно виявити фактори, що зумовлюють потребу створення і використання складніших класів задач управління об'єктами.
До розглянутих вище задач управління працездатністю і безпекою належать задачі управління складними об'єктами різного призначення за умов штатного режиму функціонування. Але водночас цей клас задач має певні обмеження. Ці обмеження випливають з математичного формулювання задач оптимального управління, в якій не враховано цілу низку практично важливих факторів, то належать до реальних умов функціонування сучасних складних систем. Зокрема, недостатньо враховано реальні взаємодії об'єкта і зовнішнього середовища, наприклад, такі важливі особливості, як неповнота, невизначеність і неточність вихідної інформації, запізнення інформації, інерційність і запізнення управління, не марковість процесу зміни стану об'єкта.
У математичному формулюванні задачі трактування терміна «оптимальний» є досить вузьким і не враховує реальну множинність, невизначеність і суперечливість цілей. Не враховано можливості таких змін умов функціонування об'єкта, що призводять до позаштатної або критичної ситуації. Зокрема, не враховано зовнішні нестаціонарні збурювальні сили, які впливають на рухомий об'єкт в атмосфері і зумовлені не прогнозованими значними варіаціями густини і температури атмосфери, потужними турбулентними рухами повітря, особливо на межі атмосферних фронтів циклону й антициклону, а також відмінністю аеродинамічних реальних властивостей від розрахункових. Ці фактори вносять невизначеність у характеристики сил, які реально впливають на керований об'єкт. Математично ця невизначеність виражається невизначеністю правих частин диференціальних рівнянь, що описують рух керованого об'єкта. Така невизначеність не гарантує можливості виконання обмежень на стан і управління, визначених співвідношеннями, а отже, не дає: змоги гарантувати у складних умовах штатний режим функціонування об'єкта, визначений співвідношенням. Отже, математичний і методичний апарат, який використовують для розв'язання задач управління класу У1, орієнтований на досить вузький клас детермінованих вихідних даних і не враховує багато реальних умов і ситуацій, характерних для прикладних задач управління. [1]
Ці недоліки враховано у класах задач управління вищих рівнів, зокрема в задачах, пов'язаних із необхідністю управління властивостями і структурою складних об'єктів. Насамперед розглянемо деякі прийоми усунення неповноти, невизначеності і неточності вихідної інформації в системах управління. У реальних умовах проектування систем управління складними об'єктами недостатній рівень інформованості ОІІР може бути зумовлений різними причинами. Найхарактернішими є такі ситуації.
Ситуація 1. На етапі проектування системи управління може виявитися, що частково або повністю невідомо властивості і показники зовнішніх впливів па керований об'єкт, і тому практично невідомо багато показників системи управління. Подібні ситуації були характерні під час створення космічних апаратів різного призначення.
Зокрема. під час створення місяцехода відомості про зовнішнє середовище практично були відсутні. Відомою, власне кажучи, була тільки одна властивість — відсутність атмосфери. А головних відомостей - якими є місячний грунт, які його механічні, фізичні, хімічні та інші властивості і показники - не було. За таких умов до системи управління ставлять вимоги, що принципово відрізняються від прийнятих під час розробки систем управління класу У1.
Зокрема, система управління повинна відповідати принципово новій вимозі, відсутній у системах управління класу У1. Суть її полягає в тому, що у процесі функціонування система управління повинна заповнити відсутню інформацію про зовнішнє середовище і на цій основі здійснити рішення про адекватну зміну параметрів, властивостей і структури керованого об'єкта. Отже, від системи управління в цьому випадку потрібно, щоб вона могла у процесі функціонування одночасно виконувати функції управління класу У1 (зміни параметрів стану), класу У2 (зміни властивостей) і класу УЗ (зміни структури). При цьому процедури зміни властивостей і структури можуть бути одноразовими і багаторазовими.
У випадку реалізації одноразової процедури система управління працює в такому режимі: заповнює відсутню інформацію, виконує корекцію властивостей і структури об'єкта Таку процедуру виконують за умови, що характеристики зовнішнього середовища залишаються практично незмінними упродовж всього терміну функціонування керованого об'єкта Цей варіант процедури характерний, зокрема, для використання певних типів всюдиходів у складних кліматичних умовах (болото, пісок, твердий грунт, в'язкий грунт тощо). Як приклад можна навести роботу всюдиходів у різні пори року у Заполяр'ї. [1]
Ситуація 2. Є досить точні первинні відомості про властивості навколишнього середовища і про керований об'єкт, на підставі яких можна створити систему управління. Однак у процесі функціонування керованого об'єкта властивості середовища або об'єкта можуть змінюватися у досить широкому діапазоні внаслідок впливу різних факторів Наприклад, у літальному апараті у процесі польоту в міру витрати пального змінюються його маса і розташування центра ваги. Одночасно зі зміною висоти польоту змінюється густина атмосфери і. як наслідок, - аеродинамічні властивості. Зазначені зміни властивостей об'єкта, а також нестаціонарні турбулентні процеси в атмосфері можуть призвести до того, що система управління, спроектована на підставі вихідної інформації, не забезпечить у процесі зміни властивостей керованого об'єкта і навколишнього середовища необхідних якісних показників функціонування об'єкта За таких умов виникає необхідність забезпечити постійну зміну його властивостей і структури, адекватну зміні зовнішніх впливів. Така система управління повинна забезпечити необхідні якісні показники функціонування об'єкта у будь-який момент наявної ситуації.
Ситуація 3. Ця ситуація є узагальненням двох попередніх. Для неї характерні як недостатня інформованість про зовнішні умови і фактори на етапі розробки керованого об'єкта, так і можливість не прогнозованих нестаціонарних змін зовнішніх умов у процесі функціонування об'єкта.
Спільною властивістю розглянутих ситуацій є необхідність пристосування до нових умов у процесі їхніх змін. Принципово його реалізують різними способами: зміною тільки властивостей, зміною тільки структури, або одночасною зміною властивостей і структури керованого об'єкта. Здатність нестаціонарної системи пристосовуватися до змін зовнішньою середовища або характеристик об'єкта називають адаптацією. Системи, що мають здатність адаптуватися до мінливих умов, прийнято називати адаптивними. Тут під нестаціонарною системою розуміють цілісний об'єкт, що складається з керованого об'єкта і системи управління, які с структурно взаємопов'язаними і функціонально взаємодіють для досягнення заданих цілей.
Отже, цей короткий аналіз показує, що в реальних умовах неповноти, неточності і суперечливості вихідної інформації ефективне функціонування сучасних складних систем можливе лише за наявності здатності до адаптації у процесі зміни наявних умов. Адаптація можлива тільки за необхідного рівня інформованої про властивості зовнішнього середовища і керованого об'єкта у процесі його функціонування. Звідси випливає, що задачі адаптації та оптимізації управління тісно взаємопов'язані із задачами адаптивного оптимального опрацювання інформації у разі зміни наявної ситуації. Такі задачі виходять за рамки підходів теорії управління класу У1. Розглянуті фактори стимулювали розвиток різних засобів та методів адаптивного управління і сприяли появі методів управління класів У2 і УЗ.
Водночас невпинне зростання обсягу і підвищення рівня вимог до сучасного виробництва ставить принципово нові, суттєво складніші теоретичні і практичні задачі управління. Поки що зроблено тільки перші кроки в теоретичному дослідженні найактуальніших проблем управління класів У4 і У5. Однак практичні задачі класу У4, зокрема задачі управління розвитком складних багаторівневих, багатопрофільних систем, розв'язують багато в чому інтуїтивно та емпірично вже кілька десятиліть. Класичним прикладом задач цього класу можна вважати розробку програм розвитку різних видів збройних сил. Такі задачі розв'язують у кожній незалежній державі, що приділяє належну увагу забезпеченню національної безпеки. В економіці подібні задачі виникають у будівництві та модернізації великих промислових підприємств із багатопрофільним виробництвом. Як приклад можна назвати хімічні комбінати, комбінати кольорової металургії тощо.
Задачі управління класу У5 є подальшим принциповим ускладненням задач класу У4. Воно полягає в тому, що під час розвитку керованого об'єкта принципово змінюється його зовнішня властивість — призначення, а отже, і цілі об'єкта. За таких умов задача виявляється принципово складнішою, ніж розробка самого об'єкта. Справді, розробник нового об'єкта має можливість вибору вигляду, структури, функцій, елементів кожного ієрархічного рівня й об'єкта загалом. У випадку управління призначенням ситуація, у якій розв'язують задачу, є принципово іншою. Об'єкт вже існує, має від лагоджені технології, систему постачання і збут) продукції, а також сформований колектив робітників та службовців із певним досвідом практичної діяльності у певному середовищі та профілі спеціальної професійної підготовки. Потрібно змінити в об'єкті головну властивість - його призначення, але водночас максимально зберегти всю наявну виробничу інфраструктуру і забезпечити максимально ефективне використання у новій сфері практичної діяльності. Очевидно, що забезпечити ефективне і своєчасне розв'язання широкого кола організаційних, технологічних, економічних, науково-технічних, соціальних і багатьох інших проблем, що виникають у цій ситуації, можна лише за наявності їхнього системного узгодження за цілями, задачами, термінами, ресурсами, очікуваними результатами, а також за наявності багаторівневого управління. [1]
1.2 Аналіз вимог до точності та стійкості слідкувальної системи
Точність системи автоматичного управління, одна з найважливіших характеристик систем автоматичного управління (САУ), що визначає міру наближення реального керованого процесу (КП) до потрібного. Відхилення КП від потрібного викликається динамічними властивостями об'єкту управління (ОУ) і САУ, помилками вимірювальних і виконавчих пристроїв, що входять в САУ, внутрішніми шумами в деяких її елементах і зовнішніми перешкодами. Воно складається з систематичної і випадкової помилок. Систематична помилка є математичним чеканням випадкового відхилення КП від потрібного. Випадкова помилка зазвичай характеризується дисперсією або середнім квадратичним відхиленням (в разі одновимірного КП) або кореляційною матрицею (в разі багатовимірного КП). Співвідношення між систематичною і випадковою помилками визначається смугою пропускання системи (діапазоном частот коливань вхідного сигналу, на які система помітно реагує). З розширенням смуги пропускання система стає менш інерційною і систематична помилка зменшується, проте при цьому збільшується дисперсія випадкової помилки. Тому при проектуванні САУ шукають деяке компромісне рішення задачі вибору смуги пропускання. Точність тісно пов'язана з іншою важливою характеристикою САУ - її чутливістю.
На початковому етапі розвитку автоматики питання про облік випадкових помилок не виникало і точність САУ характеризували лише систематичною помилкою. Необхідність обліку випадкових помилок, що виникла вперше при вирішенні завдань прицілювання при стрілянині і бомбометанні з літака і збільшена з появою радіолокації, привела до створення і розвитку статистичної теорії КП, яка стала одннм з найважливіших напрямів теорії автоматичного управління. Основні завдання статистичної теорії КП: 1) розрахунок точності при заданих характеристиках ОУ, САУ і випадкових обурень - статистичний аналіз САУ; 2) визначення оптимальних характеристик САУ, при яких досягається найбільша можлива точність при заданих статистичних характеристиках сигналів управління і перешкод, - статистичний синтез САУ. Статистична теорія КП дає методи статистичного аналізу і синтезу систем різних класів (лінійних, таких, що приводяться до лінійних, описуваних стохастичними диференціальними або різницевими рівняннями), а також загальні методи оптимізації лінійних і нелінійних систем по різних критеріях і методи визначення гранично досяжною (потенційною) точністю при заданих статистичних характеристиках корисних сигналів і перешкод. Методи статистичної теорії КП складні і вимагають вживання ЕОМ.