6.3. Содержание пакета прикладных программ для исследовательского проектирования СУ МПО

При разработке систем управления движением МПО повышение предварительной обоснованности проектных решений на начальных стадиях проектирования имеет особое значение. Эти системы, как правило, бывают малосерийными или уникальными. Их проектирование даже при наличии прототипа требует значительных исследований, связанных с особенностями управляемого объекта и составом технических средств управления движением (СУД). В прямой зависимости от качества функционирования СУД находится мореходность некоторых типов МПО, а надежность СУД в ряде случаев непосредственно сказывается на живучести корабля в условиях экстремальных воздействий.

Процессы, протекающие в СУ МПО, отличаются значительной сложностью. Это объясняется видом функциональных связей между параметрами движения, многоканальным управлением и характером движения вблизи границы раздела воздушной и водной среды. Оценить качество управления в таких системах без всесторонних исследований во многих случаях затруднительно.

Особое значение исследовательского проектирования определяется еще и тем, что в процессе моделирования, анализа и синтеза формируется, углубляется и детализируется научно-техническое знание о системе, составляющее интеллектуальный фонд разработчика.

Опыт создания СУ МПО показывает, что углубленная проработка начальных этапов проектирования значительно облегчает последующий процесс проектирования, изготовления и сдачи системы. Пренебрежение исследовательским проектированием неизменно приводит к трудно разрешимым ситуациям на стадиях технического и рабочего проектов при испытании опытного образца.

Наличие ЭВМ и автоматизация проектирования открывают широкие возможности для использования современных достижений теории управления и вычислительной математики при анализе и синтезе СУ МПО. Для эффективного их использования требуется определенная организация пакета прикладных программ, содержание которого связано с этапами исследовательского проектирования.

Рис. 6.1. Этапы исследовательского проектирования.

На рис. 6.1 показано содержание этапов исследовательского проектирования и их взаимосвязь применительно к исследовательскому проектированию динамических систем, подверженных случайным внешним возмущениям.

Исходными предпосылками к исследовательскому проектированию служат характеристики управляемого объекта и технические требования к системе. Первая группа исходных данных является базой для построения полной нелинейной математической модели, вторая служит для формулировки общих критериев оценки работы системы. Объем исследований, связанных с формированием нелинейной математической модели в форме переменных состояния

направлен на поиск наиболее простой адекватной модели, а также оценку управляемости объекта по условию обеспечения стационарных рабочих режимов и его устойчивости в пространстве состояний.

Дальнейшее развитие модели объекта связано с ее линеаризацией при условии, что для объекта характерны стационарные режимы малых отклонений относительно балансировочных режимов опорных точек пространства состояний. Линеаризация включает в себя расчет опорных точек решением нелинейных уравнений

и может осуществляться путем разложения в ряде Тейлора, методом наименьших квадратов или идентификацией по данным натурных

(модельных) испытаний. Конечным результатом линеаризации служит совокупность матричных уравнений вида

которые должны быть дополнены уравнениями формирующих фильтров для случайных стационарных внешних возмущений

В уравнениях (6.1) - (6.3) - матрицы постоянных коэффициентов; - векторы состояния объекта, выходных координат, управлений и возмущений управляемого объекта; - вектор белого шума.

Частным критерием оценки качества функционирования линеаризованной системы, подверженной случайным внешним возмущениям, может служить дисперсионный критерий с ограничениями на величину математического ожидания выходных координат объекта

Минимизация критерия (6.4) при модели объекта (6.1) (6.3) составляет известную задачу теории линейных оптимальных систем [6]. Практический интерес с точки зрения исследовательского проектирования представляют следующие частные случаи:

а) минимизация при полном и точном измерении пространства состояния для объекта, находящегося под воздействием белого шума. Эта задача эквивалентна оптимизации свободного движения системы

при среднеквадратичном критерии. Результатом синтеза является оптимальный регулятор состояния

параметры которого могут быть рассчитаны по методу устойчивых экстремалей либо решением уравнения Риккати в алгебраической или дифференциальной форме;

б) минимизация при неполном и неточном измерении пространства состояния управляемого объекта. Задача синтеза оптимального регулятора дополняется синтезом оптимального наблюдателя;

в) расчет оптимальных параметров регулятора произвольной заданной структуры (случай возможный при проектрировании систем управления по известным прототипам), который осуществляется различными методами поисковой оптимизации, в частности, различными модификациями метода наискорейшего спуска.

Предварительный анализ синтезированной системы имеет целью сопоставить математические ожидания и дисперсии компонент вектора состояния с уровнем, определяемым техническим заданием. По результатам этого сопоставления может быть организован первый инерционный цикл синтез-анализ-синтез с вариацией параметров линейной модели и весовых множителей частного критерия. Математические ожидания рассчитывают по постоянным внешним возмущениям с использованием модели объекта и уравнений регулятора для установившегося режима, а дисперсии путем анализа расширенной модели системы, возбуждаемой единичным белым шумом, который сводится к решению матричного уравнения Ляпунова

- расширенные матрицы параметров объекта, формирующего фильтра и регулятора; - матрица дисперсий.

Заключительным этапом исследовательского проектирования является полный анализ системы на основе нелинейной модели. Сопоставление результатов этого анализа с общими критериями оценки системы может привести к необходимости изменения характеристик управляемого объекта или внести коррективы в технические требования к системе. По своей математической постановке это наиболее сложный этап, методология которого базируется на подходах имитационного моделирования. В круг исследования этого этапа входит анализ нормальных эксплуатационных и аварийных режимов, в частности, анализ областей устойчивости.

Разработка пакета прикладных программ включает в себя три уровня решения:

1. Теоретический уровень, связанный математической формулировкой прикладных задач анализа и синтеза судовых автоматических систем и обоснованием методов их решения.

2. Алгоритмический уровень, характеризующий поиск эффективных вычислительных процедур.

3. Уровень программного обеспечения, включающий в себя выбор стандартных подпрограмм базовых вычислительных алгоритмов и разработку сервисных программ.