Частотные методы анализа и проектирования систем с разрывным управлением и их применения (05.10.2009)

Автор: Бойко Игорь Михайлович

Бойко Игорь Михайлович

ЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ С РАЗРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность; промышленная безопасность и экология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тула 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Грязев Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Краснова Светлана Анатольевна;

доктор технических наук

Мозжечков Владимир Анатольевич;

доктор технических наук, профессор

Тупиков Николай Григорьевич

Ведущая организация – ГУП «Конструкторское бюро

приборостроения», г. Тула

Защита состоится «15» декабря 2009 года в «14.00» часов

на заседании диссертационного совета Д 212.271.05 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г. Тула, проспект им. Ленина, 92,

9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан «__» __________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

В.М. Панарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Системы с разрывным управлением находят самое широкое применение во всех областях техники. В первую очередь это релейные системы, которые благодаря своей простоте используются в виде многочисленных регуляторов с двухпозиционным управлением («включено/выключено»). Развитие теории релейных систем в 40-50-ые годы связано главным образом с появлением конструкций релейных рулевых приводов (L. Maccoll, H. Bilharz, I. Flugge-Lotz) и вибрационных регуляторов напряжения (Л. Гольдфарб). Позднее появился ряд работ по теории релейных систем, в которых были предложены различные подходы к анализу периодических движений и их устойчивости: частотные методы (Я. Цыпкин, B. Hamel), матричный метод (П. Бромберг), метод, использующий z-преобразование (E. Jury), метод анализа в пространстве состояний (D. Atherton, K. Astrom), метод конечно-разностных операторов (Г. Поспелов). Также были разработаны и методы синтеза релейных систем - синтез в пространстве состояний (Н. Фалдин). Кроме того, для анализа и проектирования релейных систем широко используется приближенный метод гармонической линеаризации (Е. Попов). В 60-70-ые годы понятие разрывного управления стало ассоциироваться не только с релейными системами, но и появившимися в то время системами с переменной структурой, а также скользящими режимами, существование которых возможно как в релейных системах, так и в системах с переменной структурой (С. Емельянов, В. Уткин).

Несмотря на простоту принципа действия (в особенности релейных систем), динамика систем с разрывным управлением значительно сложнее динамики линейных систем. В системах с разрывным управлением возможны такие эффекты как автоколебания, наличие нескольких положений равновесия, скользящие режимы, хаос. В силу этого существует несколько различных теорий, отражающих те или иные теоретические или практические аспекты анализа и синтеза таких систем. В то же время можно отметить, что проблеме анализа и синтеза таких систем с учетом их реакции на внешние управляющие и возмущающие воздействия, уделено значительно меньшее внимание в исследованиях и публикациях, чем проблеме анализа автономных движений. Это в еще большей степени относится к теории систем со скользящими режимами. Подавляющее большинство публикаций, посвященных этой теме (за некоторыми исключениями, основывающимися на отличающихся от настоящей работы подходах), затрагивает только так называемые идеальные скользящие режимы, реализуемые как переключения управления с бесконечно высокой частотой, и в основном автономные режимы работы. При использовании методов, ориентированных на идеальные скользящие режимы (если поверхность переключения при этом формируется с учетом всех компонент вектора состояния), анализ системы как следящей оказывается невозможным, поскольку слежение в такой системе имеет идеальную точность. В то же время известно, что на практике точность систем не идеальна. Поэтому построение модели, учитывающей причины этой неидеальности, и соответствующих методов анализа и синтеза очень важно для практики проектирования таких систем.

Появление теории так называемых скользящих режимов высокого и в частности второго порядка (А. Левант, G. Bartolini, Л. Фридман) – теории, которая активно развивается в последнее десятилетие – ставит новые научные проблемы как в плане развития частотных методов анализа и синтеза, так и в приложениях этой теории. Предложенные как средство устранения высокочастотных вибраций, присущих обычным скользящим режимам, разработанные алгоритмы реализации скользящих режимов высокого (в частности второго) порядка поставили новые вопросы (на которые, в частности, призвана ответить настоящая работа) – действительно ли они позволяют устранить высокочастотные вибрации, и дают ли они преимущества перед обычными скользящими режимами в плане динамики осредненных движений. Ответы на эти вопросы могут быть получены путем создания частотных методов анализа скользящих режимов второго порядка.

Таким образом, создание частотной теории систем с разрывным управлением помогло бы решить многие теоретические проблемы, а также породить целый ряд методов и методик анализа и синтеза систем с разрывным управлением в различных областях техники, включая усовершенствование существующих методов проектирования вышеперечисленных систем.

Целью работы является повышение эффективности проектирования релейных систем, а также систем с переменной структурой, имеющих скользящие режимы (в том числе скользящие режимы второго порядка), в частности, таких систем как релейные автоколебательные рулевые пневмоприводы, настройщики регуляторов в распределенных системах управления, использующих релейные тесты, и наблюдатели состояния, основанные на скользящих режимах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Разработать частотный метод анализа автоколебаний и прохождения внешних воздействий через релейную систему, основанный на предложенной автором новой частотной характеристике (названной годографом возмущенной релейной системы - ГВРС).

Получить аналитические зависимости для ГВРС, связывающие его с моделью системы, и методы его расчета.

Разработать метод анализа систем со скользящими режимами, имеющих паразитную динамику (динамику датчиков и исполнительных механизмов).

Разработать метод анализа систем со скользящими режимами второго порядка, имеющих паразитную динамику (динамику датчиков и исполнительных механизмов).

Разработать метод синтеза корректирующих устройств в релейных автоколебательных рулевых пневмоприводах.

Разработать методы идентификации динамики технологических процессов и проектирования (настройки) пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) регуляторов в распределенных системах управления технологическими процессами, основанные на релейных тестах с обратной связью.


загрузка...