6.5. Автоматизированная система исследовательского проектирования линейных систем управления МПО

Для иллюстрации принципов автоматизации проектирования СУ МПО приводим описание автоматизированной системы исследовательского проектирования (АСИП) для анализа и синтеза линейных регуляторов состояния (см. этапы 1.3, 2.3, 3.1, 3.2 на рис. 6.1.).

Функциональная структура АСИП. Автоматизированная система обеспечивает выполнение на ЦВМ следующих функций в любом необходимом проектировщику порядке:

- подготовку рабочей библиотеки проектировщика, предназначенной для хранения исходных данных и промежуточных результатов на весь период проектирования (режим );

- ввод данных в рабочую библиотеку, их коррекцию, а также вывод содержимого последней на устройство печати (режим );

- расчет коэффициентов обратных связей регулятора состояния (режим );

- расчет математических ожиданий компонент векторов состояния и управления при воздействии на объект, охваченный обратными связями, постоянных возмущений (режим МО);

- расчет дисперсий компонент векторов состояния и управления при воздействии на объект, охваченный обратными связями, случайных центрированных возмущений (режим );

- расчет характеристических чисел объекта без регулятора и объекта, охваченного обратными связями регулятора состояния (режим );

- оценку качества системы управления по дисперсиям и математическим ожиданиям, заключающуюся в формировании итоговых таблиц по данным, находящимся в рабочей библиотеке проектировщика (режим ):

- расчет коэффициентов наблюдателя полного порядка для восстановления кинематических параметров движения (режим );

- расчет дисперсий восстановливаемых переменных на выходе наблюдателя (режим );

- оценку качества системы управления по дисперсиям и математическим ожиданиям (режим ).

Программное обеспечение системы разработано на языке в операционной системе ОС ЕС ЭВМ, его используют в виде общего программного модуля, с помощью которого выполняют задания проектировщиков, введенные в ЦВМ.

Организация работы и задачи проектировщика. Задание проектировщика для ЦВМ при работе с АСИП состоит из набора перфокарт, в который входят два последовательных раздела. Первый раздел содержит управляющие карты, предназначенные для обеспечения доступа к программному модулю и рабочей библиотеке проектировщика, а также для осуществления необходимых стандартных действий по управлению операционной системой ЦВМ. Перфокарты этого раздела выдают

проектировщикам одновременно с заданиями по расчету. Задача проектировщика заключается в подготовке к перфорации второго раздела задания, составляющего пакет исходных данных. Перфорацию подготовленных проектировщиками пакетов исходных данных и ввод заданий в ЦВМ осуществляют сотрудники вычислительного центра. На основании анализа полученных результатов проектировщик принимает решение о дальнейших действиях, направленных на выполнение задания по расчету.

Структура пакета исходных данных. Основу пакета исходных данных составляют перфокарты режимов работы АСИП, определяющие функции, которые должны быть выполнены при вводе задания в ЦВМ. Каждую перфокарту режима работы заполняют следующим образом:

где - строка символов из восьми элементов. После каждой перфокарты режима работы должны следовать перфокарты внутреннего под- пакета данных, обеспечивающих конкретный режим исходными и управляющими данными. Информация, составляющая пакет исходных данных, может размещаться в любом месте перфокарт с 1 колонки по 80. Элементы внутреннего подпакета данных отделяют друг от друга либо запятой, либо одним или несколькими пробелами, либо запятой и одним или несколькими пробелами. Порядок следования элементов произвольный. Каждую строку символов перфокарты режима работы, а также окончание внутренних подпакетов данных обязательно следует завершать символом .

Основные правила заполнения строки символов перфокарт режима работы. Позиции 1 и 2 заполняют именами выполняемых функций. Позиция 3 при выполнении курсового расчета всегда содержит . Позиции 4 и 7 являются разделяющими, заполняют символом . Позиция 5 определяет необходимость подготовительных расчетов коэффициентов при расчетах уравнений типа Риккати и Ляпунова, заполняют символами: - да, - нет. Позиция 6 определяет потребность в начальном приближении решения уравнений типа Риккати и Ляпунова, ее при выполнении курсового расчета заполняют символами: - начальное приближение необходимо и берется нулевым, - начальное приближение не нужно.

Позиция 8 определяет этап выполнения функции и осуществляет регулирование объема вывода на печатающее устройство. При выполнении курсового расчета позицию заполняют символами: при ограниченном выводе информации на печатающее устройство и при получении очередных приближений решения уравнений типа Риккати и Ляпунова, при завершающем этапе выполнения функции, когда надо обеспечить запись полученных результатов в рабочую библиотеку проектировщика, или при необходимости обеспечить полный объем вывода на печатающее устройство.

Правила построения подпакетов данных для различных режимов работы АСИП. Режим подготовки рабочей библиотеки проектировщика (IN) предназначен для полной очистки библиотеки и записи в рабочую библиотеку информации о проектировщике, проводимой работе, размерностях вектора состояния "DX" и вектора управления "DU" управляемого объекта. Соответствующие перфокарты режима и внутреннего пакета данных заполняют следующим образом:

где - строка символов длиной не более 22 элементов, определяющая фамилию проектировщика, INFORM - строка символов длиной не более 58 элементов, определяющая существо выполняемой работы.

Режим ввода и коррекции данных в рабочей библиотеке проектировщика и вывода содержимого последней на устройство печати (PD) предназначен при выполнении задач расчета для передачи в рабочую библиотеку информации:

- о матрицах, определяющих объект ;

- о векторе постоянных возмущающих воздействий ;

- о матрице интенсивности белого шума, воздействующего на объект ;

- о матрицах, определяющих интегральный квадратичный критерий качества .

Внутренний подпакет данных содержит только ненулевые элементы исходных данных. Соответствующие перфокарты режима и внутреннего подпакета при вводе или корректировке исходных данных заполняют следующим образом:

При необходимости распечатать полностью содержимое рабочей библиотеки проектировщика соответствующие перфокарты режима и подпакета имеют вид

При этом помимо исходной информации на устройство печати выводят:

- матрицу объекта, охваченного обратными связями регулятора полной структуры;

- матрицу , определяющую обратные связи;

- вектор математических ожиданий компонент вектора состояния объекта, охваченного обратными связями;

- вектор математических ожиданий компонент вектора управления объекта, охваченного обратными связями;

- матрицу дисперсий компонент вектора состояния объекта, охваченного обратными связями.

Режим расчета коэффициентов обратных связей регулятора состояния (OS) предназначен для расчета матрицы , определяющей обратные связи, и матрицы объекта, охваченного обратными связями, и записи последних в рабочую библиотеку. Обратные связи определяют с помощью решения алгебраического матричного уравнения Риккати методом Эйлера 1-го порядка. Решение уравнения Риккати можно считать полученным, если все элементы искомой матрицы порядков больше соответствующих элементов матрицы невязки алгебраического уравнения Риккати. Сходимость алгоритма обеспечивается выбором величины шага интегрирования.

В случае первоначального запуска решения перфокарта режима имеет вид

На этапах получения очередных приближений решения перфокарту режима заполняют следующим образом:

На этапе завершения расчета обратных связей перфокарта режима имеет вид

.

При выполнении расчетов внутренний подпакет всегда содержит следующие параметры:

- H - шаг интегрирования (отрицательная величина при расчете обратных связей);

- MOD - модификатор решения задачи, представляющий собой строку бит длиной единица (при расчетах рекомендуется MOD = - для решения уравнений с учетом свойств симметрии решения матричных уравнений Риккати и Ляпунова, в случае MOD = обеспечивается расчет всех уравнений);

- MAXCYCLE задаваемое количество шагов решения;

- PREC - точность применяемой при расчетах арифметики, представляющая собой строку символов длиной единица (PREC ='S' - обычная точность; PREC = 'D' - удвоенная точность).

Пример внутреннего подпакета при расчете обратных связей:

Режим расчета дисперсий компонент векторов состояния и управления (DR) предназначен для расчета матрицы дисперсий и записи последней в рабочую библиотеку. Матрицу дисперсий определяют с помощью решения алгебраического матричного уравнения Ляпунова методом Эйлера 1-го порядка. Все рекомендации по составлению карты режима аналогичны режиму определения обратных связей при условии замены имени выполняемой функции на . Внутренний подпакет содержит те же параметры, что при расчете обратных связей, однако шаг интегрирования должен быть положительной величиной.

Режим расчета математических ожиданий (МО) предназначен для расчета векторов МОХ и записи последних в рабочую библиотеку. Перфокарта режима работы имеет вид

Внутренний подпакет для этого режима не нужен.

Режим расчета характеристических чисел (HN) выполняет расчет и вывод на устройство печати характеристических чисел различных матриц. Для расчетов необходимы два варианта перфокарт режимов работы. Если в шестой позиции перфокарты режима находится символ:

- О - производят расчет характеристических чисел объекта без регулятора;

- В - выполняют расчет характеристических чисел объекта, охваченного обратными связями регулятора состояния.

Внутренний подпакет данных для этого режима при проведении расчетов не нужен. Перфокарты режима заполняют следующим образом:

.

Режим оценки качества системы управления (CS) обеспечивает формирование итоговых таблиц по данным, находящимся в рабочей

библиотеке, и вывод их на устройство печати. Внутренний подпакет данных для этого режима не нужен. Перфокарта режима работы имеет вид

Краткая характеристика операционной системы. АСИП рассчитана на эксплуатацию в среде ОС ЕС ЭВМ. Она включает в себя библиотеку программ (БП), логически распадающуюся на две части. Первая содержит программы обслуживания, доступные только лицам, ответственным за эксплуатацию и сопровождение системы. Вторая образуется рабочими программами, доступными пользователям системы, которые обеспечивают все ее функциональные возможности. Кроме того, система содержит совокупность рабочих библиотек проектировщиков (библиотек данных БД), предназначенных для хранения данных, необходимых в процессе проектирования.

Библиотека программ является разделяемой, т. е. допускает одновременное использование несколькими заданиями, запущенными на выполнение в ОС ЕС. Библиотеки индивидуальные. Каждому пользователю системы выделяют свою библиотеку, доступную только ему.

Под библиотеки на внешних носителях требуются следующие объемы памяти. Для БП на дисках типа 5050 (объемом 7,25 Мбайта) необходимо примерно 10 цилиндров, а на дисках типа 5061 (объем 29 Мбайт) 3 цилиндра.

Каждой БД при максимальном порядке исследуемой системы управления на дисках типа 5050 требуется 1 цилиндр, а на дисках типа 5061 - 0,25 цилиндра.

Для эффективной эксплуатации системы необходимо включение в библиотеку каталогизированных процедур ОС ЕС (SYSI. PROCLIB) пяти процедур суммарным объемом до 100 карт.

В процессе расчетов система требует не более 128 Кбайт (обычно до 100 Кбайт) оперативной памяти. Время работы исполнения одного задания зависит от набора режимов системы и исходных данных. Оно лежит в пределах 15 мин для процессора ЕС-1033.