Разработка и исследование комплекса методов повышения качества проектирования алгоритмов регулирования в распределенных системах управления тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 658.51.012.011.56:681.3—192

РУБЦОВА Элла Евгеньевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 01.01.11. — Системный анализ и автоматическое управление

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

, Москва 1990

■ ■> ) (//ГО

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Ре волюции и ордена Трудового Красного Знамени институт« стали и сплавов и в ордена Ленина Институте проблем управ ления (автоматики и телемеханики).

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент АМБАРЦУМЯН А. А.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор ДЕВЯТКОВ В. В., кандидат технических наук, доцент ЛЕВИН М. И.

Ведущее предприятие — 1 Институт АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ (АЭП).

Защита состоится « » ' 1990 года в часов н; заседании специализированного совета Д-053.08.07 Москов ского института стали и сплавов по адресу: 117936, Москва В-49, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мое ковского института стали и сплавов.

Автореферат разослан « » 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент Е. Н. ДЕРКАЧЕ1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы При разработке современных распределенных систем управления, реализуемых на Сазе программируемых контроллеров, разно увеличился . обьем автоматизация, прежде всего, за счет применения традиционных Функций (регулирования, защит, первичной обработки сигналов) для вспомогательных технологий. В связи с этим возрос объем программирования на нижнем (контроллерном) уровне АСУ ТП, что, в свою очередь, вызвало развитие технологий индустриального программирования. ' .

Одяа из таких технологий предполагает компиляцию (сборку) программы из готовых программных модулей библиотеки стандартных Функций. Получение конечных программ производится по результатам этапа технического проектирования. При этом для алгоритмов регулирования традиционно принята форма представления в виде функциональных схем (ФС), отражающих связь программных модулей по данным.

В процессе технического проектирования, как правило, возникает необходимость локальных изменений ФС типовых алгоритмов, вызванная совершенствованием технологического оворудованкя, накоплением опыта автоматизации и модификацией программируемых контроллеров. Анализ реальных проектов показал, что при изменении ФС на этапе технического проектирования в большинстве случаев допускаются ' ошибки. Причинами ошибок являются: неверная декомпозиция алгоритма лрл представлении егб в виде ФС, отсутствие методов учета ограничений программной реализации, неточность настройки параметров модулей.

По Функциональной схеме производится сборка программы, и ошибки в ФС неизбежно приводят к ошибкам в программах. Метод

м.оделгрования, используемый в »ряде проектных организаций для проверки правильности и обнаружения ошибок алгоритма, принципиально ограничен в' возможности исследования всего пространства входных данных и, поэтому, недостаточен для ответственны?: приложений.

Алгоритмы' регулирования предназначены для поддержания основных эксплуатационных ренинов технологических объектов и, поэтому, оказывают большое влияние на качество функционирования объектов управления. Необнаруженные ошибки алгоритмов регулирования приводят, л лучшем случае, к ухудшению качества, а, в худшем - к потере устойчивости систем регулирования и возникновению аварийных ситуаций. Исправление ошибок после программирования затруднено, поскольку управляющие! программы размешаются в постоянном запоминающем устройстве программируемых контроллеров.

Таким образом, при индустриальной технологии программирования алгоритмов нижнего уровня распределенных АСУ ТП актуальна разработка методов повышения качества проектирования на этапах, предшествующих программированию, в том числе методов повышения качества проектирования алгоритмов регулирования, заданных функциональными схемами.

Цель работы. разработка и научное обоснование комплекса методов выявления, диагностики, исправления ошибок, основанных на идеях верификации (доказательства правильности), позволяющих ■ повысить качество проектирования алгоритмов регулирования,

заданных функциональными схемами, на этапах, предшествующих

#

программной реализации.

Иетоды исследования основаны на применении системного анализа, теории автоматического управления, опыта и теории

верификации программ, теории ЛС1 лмоского вывода и исчиметая высказываний, прикладного программирования.

Научная новизна. Расширен, адаптирован и детализирован Функциональный подход к верификации (доказательству правильности) для нового класса объектов: алгоритмов регулирования, заданных функциональными схемами. а также представлений разработчиков об их правильности. Свойства алгоритмов этого типа: динамический характер, связь с объектом управления, - находятся вне поля зрения традиционных подходов к верификации. Выявлены критерии правильности алгоритмоь этого типа.

Предложен метод проверки правильности и настройки 5>С алгоритмов регулирования, основаинкй на формализации представлений разработчика о поведении система регулирования и ■ позволяющий сохранить корректность проектного продукта на различных этапах проектирования. • .

Практическая ценность работы. Комплекс взаимосвязанных методов верификационной отладки ФС алгоритмов регулирования (комплекс методов обнаружения, исправления ошибок и обоснования правильности с- использованием верификации), являющийся результатом работы, позволяет создать инструментальные средства повышения качества проектирования алгоритмов этого класса на -этапах, предшествующих программированию. За счет этого предполагается сокращение времени наладил и пуска системы. управления на объекте и повышение надежности функционирования АСУ ТП.

Реализация работы. Методика верификационной отладки алгоритмов, заданных функциональными схемами, передана в НПО ЦЕНТРПРОГРАММСИСТЕМ для создания на ее основе инструментальных

средств. Она использована при разработке регулятора скорости установки для очистки труб У0Т1 во Всесоюзном научно-исследовательском институте стали (ВНИИСТ). Алгоритм проверки правильности и настройки ШД-регуляторов реализован средствами пакета turbopascal-4, сдан"в ЦФАП и передан в отдел КИПиА Ярославского радиозавода для использования пра наладке систем регулирования скорости плунжера машин литья аллшиния под давлением.

Апробация. Результаты работы докладывались и обсуждались на XXXV конференции молодых ученых HAT (Институт проблем управления) (Москва,1989), XI Всесоюзном совещании по проблемам управления (Ташкент,1эа&)„ XXXI Всесоюзной школе-соиинаре им. Гаврилова (Суздаль,1990), 44-й конференции студентов и молодых ученых КИСиС (Москва,1990К I Международной научно-практической • конференции молодых ученых а специалистов в области приборостроения "ИЯТБРПРИБОР-80" <Москва,199о).

Публикации. По теме диссертации опубликовала © работ.

Структура я объем диссертации. Диссертация изложена на 193 страницах, состоит из введения. Трех глав, заключения и приложения, содержит 23 рисунка и 9 таблиц. Список цитируемой литературы включает эа наименования.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ' АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ, РАССМАТРИВАЕМЫХ В РАБОТЕ

Инструментальный комплекс автоматизированной разработки (ИКАР) прикладных программ распределенных АСУ ТП, реализуемых на базе программируемых контроллеров, поддерживает соорочную технологи», проектирования -и программирования . прикладных программ. Одна из подсистем комплекса предназначена для

проекгиро»ания алгоритмов регулирования, используемы* на нижнем уровне распределенных АСУ ТП. Эти алгоритмы имеют в основе типовые законы регулирования, дополненные встроенными операциями контроля отклонений от номинальных режимов, .переключения первичной обработки, метрологического контроля, фильтрации, согласования с измерительной- и регулирующей аппаратурой. Создание методического обеспечения подсистемы проектирования таких алгоритмов является предметом данной работы. .

Функциональные схемы алгоритмов 'характеризуются структурой, моделью элемента, поведением.

Структура ФС. В дайной работе рассматриваются ФС, структура которых есть ациклический ориентированный граф. Верояны графа соответствуют блокам алгоритма (функциям) и имеют к входящих ребер и 1 выходящее. Вершины помечены именами блоков алгоритма, ребра - именами перенеичнх, являющихся входами и выходами блоков. Каждому входу элемента структуры сопоставляется входная переменная. Если входная переменная, сопоставленная некоторому входу, не меняет свого значения во времени, то такой вход будем называть вуодом настройки. -а. переменную, соответствующую этому входу, - параметром настгойки. Вход, переменная которого может менять свое значение в различные момента дяскретяого. времени (такты) ^т т={0,1 ,г,... \, начиная с 1*0, будем называть -информационным. а соответствующую ему входную переменную, информационной входной переменной. Каждому элементу структуры вЬ . соответствует ЕХ=(х1,..,хп,р1....,рк} - множество входов элемента (включающее подмножество информационных входных переменных Х=(х1,...,хп} и подмножество параметров настройки р=1р1.....рк)) и выходная переменная у.

Модели элементов ФС. Элементы ФС алгоритмов регулирования

нижнего уровня АСУ ТП могут Сыть статическими и динамическими.

Выход статического элемента при заданных параметрах настройки однозначно определяется значениями информационных переменных в текущем такте.

Для описания моделей элементов функциональных схем в данной работе используется аппарат I.?-функций, формулы, позволяющие определить значение выходной переменной элемента, в атом аппарате называются формирующими правилами и обозначаются Т(Х,Р). Значение выходной переменной статического элемента определено, в общем случае, не при всех значениях входных переменных, что может быть вызвано, например, математической неопределенностью алгебраического выражения е(х,р), или особенностями численного метода его реализации. Множество всевозможных наборов входных переменных статического элемента, при которых значение выходной переменной определено, задается в виде предиката 11(Х',Р) ь...4 ьп(х,р) (где ь1(я,р> , 1*1. ..п, носит название ограничения на применимость). Если при произвольном наборе х,Р этот предикат имеет значение "истинно", то элемент применим на данном входном наборе, если - "ложь", то элемент не применим. Для математической определенности некоторого ограничения на применимость этого предиката может быть .необходима истинность предшествующих ему ограничений. Статические элементы ФС описываются ьр-Функциями вида

; У={Ь1(Х,Р)}...{Ьп(Х,Р)) Р(Х,Р). II)

Эта формула означает следующее. Бели истинен предикат ^(х.р), ... , и при этом истинен ьп(Х,Р), то значение выходной переменной V определяется формирующим правилом р(х!р).

- Среди статических элементов есть условные выражения, описываемые ЬР-функцией с использованием операции дизъюнкции v

У»{ЬиГХ,Р)}...{Ь1ш<Х,Р|}Р1<Х, , V ...

V {Ьп1(Х>Р)}...{Ьпт(х,Р)}Рп(Х,Р). (2) Формула (2) означает, что если истинен предикат 1„(х,р)..... и при этом истинен ь, (х,Р), то значение ьлходной

11 1Л1

переменной определяется формирующим правилом р1(х,р); или, .. ■.,

или если истинен предикат ьп1(х,Р), ..., я при этом истинен

предикат ь (Х,Р), то значение выходной переменной определяется пш

Формирующим правилом Р (Х,Р). ЬР-функоия (П является частным

п . .

случаем ьг-функции (2).

В общем случае статические элементы реализуют отображение ЬР; {МХ.РН ( Ух>р 1>у), означающее, что любому набору переменных х,р, (принадлежащих множеству 1>х р всех возможных наборов х,Р), для которого истинен предикат их,;), соответствует значение выходной переменной у (принадлежащее множеству всех возможных значений у).

Выход динамического элемента при ' заданных параметрах настройки определяется не только значениями информационна входных переменных в текучей такте, но и предысторией информационных входных и выходной переменных от некоторого такта 1-1 до обозначаемой у*(1-Д,0. В связи, с этим

формирующие правила имеют вид

р^х'и-к.ОЬу'и-кл-П.р), ,1=1..к, -где р-*(х*( ь-к,г)) ,у*( ),р)- линейные термы переменных

предыстории с постоянными коэффициентами. Коэффициенты являются ' алгебраическими выражениями от параметров настройки.

О применимости динамического элемента имеет смысл говорить в произвольном такте на произвольной предыстории. В текущем такте ь элемент применим, если он применим в предшествующих тактах, на преднстории входных и выходной переменных, начиная с

ю

t=o, и при этом истинен предикат J^(x*(t-k.-t)! ,y*(t-k,t-i),P), зависящий от предыстории от момента t-k, который назван ограничением на + применимость в этом такте, В описание динамических элементов введены алгоритмические ограничения на применимость, определяемые теорией дискретных моделей для описания поведения непрерывных систем; а именно ограничения на скорость изменения входных сигналов и такт дискретности.

Для обеспечения детерминированности алгоритма, задаваемого ФС, на всех тактах работы, динамические элементы заданы такими, что для нескольких начальных тактов t<k (называемых разбегом) ограничения на применимость и формирующие правила различны (верхний индекс ограничения и формирующего . правила соответствует номеру такта разбега), а для всех тактов t>k ограничения «а применимость и формирующие правила одинаковы (имеют, верхний индекс к).

Динамические элемента рассматриваемого класса описываются интервальными LF-функциями вида

y(t)« <t=¡0) <X0((X<0),P))F°(X(0),P) v

,V (t=l) {11((Я*(0.1),у(0),Р)) Г1(х','(0,1>,у|0),Р) V...V

v {t>k} {Jk(X*(t-k,t)),y*<t-k,t-l),P>}

(Fk(X*(trk,t)),)-»(t-k,t-l),P)), (3) где I,J(x*(t-k,t)),y*(t-k,t-i),p) - конъюнкция предикатов типа UP)¿ типа неравенства TJ(x*(t-k,t)) ,y*(t-k,t-i ),p)<const или двойного неравенства

conetl < TJ(x"'(t-k,t)),y*lt-k,t-l),P) < const2, где T-'lx'tt-k.t)) ,y*(t-k,t-i),p), - линейные термы переменных предыстории с постоянными коэффициентами. Коэффициенты является алгебраическими выражениями от параметров настройки.

и

ьр-фориула (3) означает следующее.

Если ь=о и при этом элемент применим (то есть истинен предикат ]^л((х(о),р)) значение функции определяется стоящей за этим предикатом формулой р°(х(о),р)( иначе значение Функцгч при 1=0 не определено; ... ; если (>к и при этом элемент применим (то есть, элемент был применим, на всех тактах от до г-1 и при этом истинен предикат ¡(1<(х*(г-к,ъ)), у*( ь-к, г-1) ,Р)) значение функции определяется формулой к1с(х*(г-кл)) ,у4(ъ-к,ь-1) ,р), иначе значение функции в данном такте" ь не определено. Значения отдельных переменных предыстории как в ограничении, так и в формирующем правиле могут быть несущественны. В частном случае любой из предикатов ^ может быть тождественно истинным,' тогда предикат перед формирующим правилом отсутствует.

Заметим, что безусловные статические элементы (1), на содержащие нелинейных алгебраических, операций над информационными переменными, можно рассматривать как частный случай динамических элементов (з), если- учесть, что ьр-функция этих элементов задана на одном временном • интервале ^о. Выделенный класс статических элементов назовем линейными безусловными одноинтервальными динамическими элементами.

В "силу рекурсивности ьр-Функции, динамические элементы реализуют отображение .

ЬР: !МЬ( Х*(0,и,Р)> •( ^,х*(0> ■» (4)

означающее, что любому моменту времени 1 любому значении

параметров настройки Р, любой предыстории- входов от нуля до момента I, х*(0,ъ) (принадлежащим множеству ' .. ,, всех

(и,Ь|,Г

возможных для такта t наборов р и х*(о,ъ)), таким что истинен предикат ьи,х*( о,ъ) ,Р), сопоставляется значение выхода у в момент времени I (принадлежащее множеству Р всех возмоипос для

такта г значений выходной переменной).

ФС, состоящая только из статических элементов, называется в данной работе статической, а ФС, содержащая хотя бы один динамический элемент - динамической.

Поведение ФС в любом такте определяется порядком соединения ее элементов, так что значение на выходе ФС зависит от предыстории выходной, входных переменных ФС и предыстория последовательно вычисляемых выходных переменных всех элементов ФС. В диссертации доказано что ФС, содержащая динамические элементы типа (4), реализует функции типа (4), описывающую поведение динамической ФС.

. Заметим, что одной из разновидностей функциональных схем алгоритмов регулирования являются структурные схемы (СС), используемые в теории автоматического регулирования. В СС допускается наличие циклов (обратных связей), причем известны правила замены всех типов используемых циклов на эквивалентные ациклические СС, Чтобы представить алгоритм, заданный СС, в виде ФС, необходимо заменить все циклы эквивалентными ацикличесмкими СС. Модели элементов СС задаются в виде передаточных функций н функции суммирования (вычитания).. Напомним, что передаточная Функция получается путем преобразования по Лапласу линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, отражающего связь выхода и входа элемента СС при нулевых начальных условиях. Поэтому в аппарате передаточных функций нет средств для описания условных выражений, нелинейных алгоритмов, особенностей программной реализации ' (дискретность времени,

I

ограничения диапазона представления чисел, численных методов). Таким образом, СС являются .частным случаем ФС.

В рамках модели ФС введен; определение эквивалентных по входо-выходному поведению статических и динамических схем.

Определение 1. Два статические ФС з*р, (с одинаковыми X ир> эквивалентны по внешнему доведению тогда и только тогда, когда для любого набора значений входных переменных х, р, обе ФС либо не применимы, либо применимы и значения у1 и у' на выхода обеих ФС совпадают.

Определение г. Две динамические ФС , (с одинаковыми х и Р) эквивалентны по внешнему поведению тогда и только тогда, когда в любой момент времени г, при любых значениях парамеров настройки Р, для любой предыстории входных переменных, начиная с до момента 1, обе ФС либо на применимы, либо применим« и значения у1Ю и у2Ю в этот момент времени яа выходе обеих ФС совпадают.

МЕТОД ФОРМАЛИЗОВАННОГО АНАЛИЗА АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ, ЗАДАННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СХЕМАМИ

На основании определений эквивалентности. ФС поставлена задача формализованного анализа ФС.

Пусть дана ФС, состоящая из и элементов со структурой, моделями элементов и поведением, определенными выше. (Требуется найти функциональную схему из одного элемента, эквивалентную данной схеме по внешнему поведению. Ограниченную Функцию такого элемеята будем называть собственной функцией ФС а,

синтаксически отделимое от нее ограничение • - собственным ограничением ¿С ьсобст.

Заметим, что в структурных схемах алгоритмов регулирования, решается за„ача, аналогичная поставленной выше задаче формализованного анализа ФС. За счет неограниченности,

безусловности и «гневности передаточных функций по изображению по Лапласу входных и выходных переменных, исключение изображения промежуточных переменных при подстановка передаточных функций по СС (после проведения замени циклов ациклическими СС) на вызывает затруднений. Разработка специального метода формализованного анализа ФС потребовалась в связи с тем, что ФС описыв.иот более широкий класс алгоритмов, включающих условные выражения, ограничения и нелинейности.

Метод формализованного анализа ©С включает две операции!

1) свертку ФС из двух элементов в один эквивалентный элемент,

2) последовательное применение операции свертки ФС из двух элементов в один элемент для ФС из м элементов.

Негоды выполнения операции свертки ФС из двух элементов в один элемент различны для статических и динамических схем.

Если ФС, состоит из статических элементов с ъг-функциями ЬБ2 типа (1), (2), собственная функция такой ФС получается с использованием подстановки ьк-функций элементов. Пусть ЬР-фуякции элементов (рис.1)

ьи: у= {ь1(х1)} р1(х1),

Ъ= {Ь2(£2,У)) Р2(Х2,У).

Х21

X

* Р1 Р2

XII • | Ь?1 У ЬР2

ЗПп' (

Х2ш

РЮР2 '

ЬКЗ

рис. ■ 1 . •

Тогда результат подстановки может быть описан [^-функцией вида Ы^оЫ^: 1= (11(Х1)){Ь2(Х2,У)|У=Р1(Х1)} Р2(Х2,Г)|У=Р1(Х1),

(ьприв) не требуется истинности собственных ограничений «С (ьл ), то Формируется теорема тз (критерия кг).

Таблица 1.

СТАТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Критерии правильности Схемы построения теорем верификации

К1 •п, (V х) (ь®^ ьсобст'"

К1.К2 та, (V X) иЦ* ьоб ]

К2 тз= (V X) 4 ьпривь

КЗ ,эт вх т4:1УХ) 1ЬРсобст = ЬРЭГ}.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

К1 Т11 (У1>0) [(V Х*(0,1),у*<0,1-1), Р) * * „ [1^1 1,Х Ю.Ц.у <0,1-1),Р)) + -». Ьсобст' »,х*(о,г),у*(о,ъ-1 ),р))1

К1 ,К2 Т2: (У1>0) [(V Х*(0,1),у*(0,1-1), Р) ьоб(Ь,х*(0Л1,у*(0а-1),р))].

К2 ТЗ: (П>0) С(УХ*<0. 1).У-*<0, 1-1) [Ь„л( 1,Х*(0,1),у*(0,1-1),Р) * ьпеяв (1,Х*(0,1),у*(0,1Г1),Р)]1.

КЗ Т4: (У1>0) ЦУХ*(0,1),у*(0,1-1),Р) ГЬКсобст(1,Х*(0,1),у*(0,1-1),Р) Ьпл(1,Х*(0,1).у*(0,1-1),Р) -■ ЬРЭТ(1,Х*(0,1), у*(0,1-1),Р). •

Если совокупность эталонов включает выходные ограничения,

то оказывает' 1 возможной проверка эталонов на непротиворечивость (верификация представления разработчика о правильности ФС), например, верификация эталонной функции

или модели объекта ьэт по критерию кг. Для доказательства ■ / 10

теорем верификации, имеющих вид импликаций, предлагается конструктивный способ доказательства, при котором формальным способом с.троится предикат, описывающий область ошибки ьош. В случае теорем вида Т1 этот предикат, имеет общий вид:

от* вх * п собст'

Верификация ФС алгоритма относительно критерия К1 будет успешной в том случае, если удастся доказать, что предикат тождественно ложен. Наоборот, если удастся найти хотя бы одну точку в области входных данных, для которой предикат истинен, это будет соответствовать наличию ошибки.

При входных . данных из области ошибки, определенной по критерию К1, может сыть превышен допустимей диапазон представления чисел в программируемом контроллере.

Если не выполняются выходные ограничения ФС регулятора (а они определяются возможностями исполнительного механизма) в условиях запланированного использования (критерий кг), то это может означать, что при входных данных из области ошибки регулятор будет выдавать на объект максимальное по модули управляющее воздействие. При этом, переходный процесс в системе регулирования может обладать неудовлетворительными показателями качества или потерять устойчивость.

Построение всех возможных теорем верификации (табл.1) и доказательство их в определенной последовательности лежит в основе предлагаемых методов диагностики алгоритма.

.1. При построении теорем, соответствующих одним и тем же критериям для ФС с учетом ограничений реализации и без их учета, диагностируется ошибка в ограничениях реализации.

2. При доказательстве теорем, построенных по критериям К1 и К2, диагностируется ошибка в эталоне (например, в выходных ограничениях), в предположении, что правильна ФС. ■ з. При разбиении области входных данных на естественные подобласти (например, для' защитных схем - на подобласть нормального функционирования и подобласть аварийных ситуаций) локализуется область ошибки в области входных данных. 4. При построении и доказательстве теорем верификации относительно критерия К1 1К2) для ФС в целом и последовательно для всех элементов ФС, может быть обнаружен ошибочный элемент.

В случае отрицательного результата верификации разработчик может сделать вывод о необходимости модификации эталона или ФС, либо и эталона и ФС. Одним из путей модификации является изменение параметров настройки элементов ФС. °

МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОСТИ И НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ ФС

Рассматриваются ФС, построенные на основе- наиболее распространенного пропорционально-интегрально- дифференциального (ПИД) закона регулирования. Предполагается, что объект регулирования может быть грубо идентифицирован моделью первого порядка с запаздыванием.

Основная идея методики заключается а выборе эталонов, относящихся к поведению ФС вместе с объектом, представлении этих эталонов (комплекса показателей качества) в виде функции эталонного поведения (ФЭП) и в оценке ее реализуемости для объектов данного типа. В процессе сравнения поведения ФС и ФЭП производите*, настройка системы регулирования варьированием параметров регулятора до достижения эталонного поведения.

В диссертации обоснована возможность получения ФЭП,

соответствующих типовым переходным процессам и определена зависимость параметров ФЭП от набора прямых показателей качества (времени регулирования, перерегулирования, числа колебаний за время,переходного процесса, остаточного отклонения).

Реализуемость ФЭП определяется при сравнении ее значений на протяжении времени регулирования с переходным процессом той же формы с минимальным временем регулирования или без перерегулирования, достижимым на данном объекте.

Бели реализуемость ФЭП доказана, то задача приближения поведения системы к поведению, описываемому ФЭП, может быть решена путем модификации настроек одного из элементов ®С, формирующего закон регулирования,

Данная задача решается как задача оптимизации. В качестве целевой Функции выбран интегральный .квадратичный критерий от разности значений ФЭП у ш, 1еТ и выхода системы регулирования г>[1] в момента времени г переходного процесса

и

3 - Е ( У,4 Ш-у.Ш )2 • Аг + 1 ■ фа • (1-.1.П (ф)), 1-1

где N - ближайшее наименьшее целое от отношения (з^ /Ь),

рр

1 - время регулирования, Ь - такт дискретности, 1 - параметр, рр *

(В * у - у Критерий дополнен Функцией штрафов

т • Ъ Я *Х 11Я1

1 ■ ф2 • П-» 1вп (ф) > г за превышение максимальной амплитудой выхода системы регулирования в переходном процессе (У ) максимальной

а аа х

амплитуды ФЭП (у ).

Первое приближение значений параметров настройки определяется при разработке системы регулирования с идеальной Функциональной схемой алгоритма управления на этапе эскизного проектирования инженерным методом.

Методика проверки правильнс-™',- и настройки регулятора по Функции эталонного поведения реализована с использованием пакета ТШ1ВОРАБСАЬ-4 .

Комплекс предложенных в диссертация методов объединен в методику верификационной отладки алгоритмов регулирования, заданных ФС. Методика опробована на примерах ФС реальных проектов и положена в основу создания подсистемы проектирования алгоритмов регулирования комплекса ИКАР,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ,.

1. Проанализирована сборочная технология проектирования алгоритмов регулирования нижнего уровня распределенных АСУ ТП и определено, что этап технического проектирования, предшествующий программной реализации является критическим. На этом этапе

о

высока вероятность появления ошибок, связанных с детализацией алгоритма при разбиении его на модули. Для повышения качества технического проектирования предложено включить в технологию комплекс методов выявления, диагностики, исправления ошибок, основанных на идеях верификации (доказательства правильности), (комплекс методов верификационной отладки).

2. Разработан и опробован на примерах реальных проектов метод формализованного анализа, алгоритмов регулирования, заданных функциональными схемами (ФС), результатом которого является функциональное описание поведения ФС, используемое для сравнения с представлениями разработчика о правильности ФС. .

3. Выявлены критерии правильности, свойственные представлениям разработчика о поведении алгоритмов регулирования.

4. Предложена методика опроса разработчика для выявления представлений о правильности ФС.

5. Разработаны методы диагностики ошибок ФС алгоритмов

регулирования и представлений разработчика об их правильности.

6. Разработан, реализован и сдан в ЦФАП метод проверки правильности и настройки ФС алгоритма регулирования на основе сравнения с формализованными представлениями разработчика о поведении системы регулирования при правильной настройке ФС.

7. Комплекс разработанных методов объединен в методику верификационной ртладки алгоритмов регулирования, заданных функциональными схемами. Эта методика является основой подсистемы проектирования алгоритмов регулирования инструментального комплекса автоматизированной разработки (ИКАР) прикладных программ программируемых контроллеров.

По теме диссертации опубликованы работы

1. Рубцова Э.Е. Технология проектирования микропроцессорных регуляторов инструментального комплекса ИКАР. - В кн.: XI Всесоюзное совещание по проблемам управления., Ташкент, Тезисы докладов, - И., 1989, С. 490-491.

2. Рубцова Э.Е. Информационная технология параметрической настройки рэгуляторов на основе эталона. МИСиС, И., (Деп. в ВИНИТИ 29.05.89, 3531 - В89). - 18 С.

3. Амбарцумян A.A., Пороцкий л.В., Рубцова' Э.Е. Инструментальный комплекс проектирования локального управления на базе персональных ЭВМ и СУБД d Base И Plus. - В кн. Практика применения баз данных для решения информационно-поисковых задач и задач управления. Тезисы докладов. 4-6 дек. 1989, - Пенза, 1989, С. 8-9.

4. Рубцова Э.Е. Верификация алгоритмов локальных регуляторов, заданных функциональными схемами. - В кн. Тезисы докладов 4 4-й научной конференции студентов и молодых ученых московского института стали и сплавов. - М.: МИСиС, 1990,С.35-36.

5. Рубцова Э.Е. Методические аспекты отладки и настройки Функциональных схем алгоритмов контуров регулирования в инструментальном комплексе ИКАР,- В кн. "Сборник тезисов докладов первой Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в области приборостроения ИНТЕРПРИБОР-90. Секция 1. Приборы и средства автоматизации." -М., ИНФОРМПРИБОР, 1990, С.26-27.

6. Рубцова Э.Е. Методика настройки регулятора по эталону.//Приборы и системы управления , N б, 1990, С. 22-24.

7. Амбарцумян A.A., Рубцова Э.Е. Управление дискретными системами. Курс лекций, М., МИСиС, 1990, 96 с.

8. Абрамова H.A., Амбарцумян A.A., Рубцова Э.Е. Метод формализованного анализа динамических алгоритмов, заданных Функциональными схемами. йн-т пробл. управления (HAT), М., (Деп. В ВИНИТИ 30.07.90, 4349-В90). - 18 С.

9. Абрамова H.A., Амбарцумян A.A., Коврига С.В,, Рубцова Э.Е, Методика верификационной отладки алгоритмов, заданных Функциональными схемами./ АН СССР. Ин-т пробл. управления (ИАТ).

- Препр.- И., 1990, - 51 с.

*

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, -получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный- вклад состоит в следующем; в [3,7,9) разработана методика проектирования алгоритмов регулирования, заданных функциональными схемами,' в [8J разработан метод Формализованного анализа алгоритмов регулирования, данных Функциональными схемами.

Автор выражает благодарность к. т.н. H.A. Абрамовой за консультации при работе над диссертацией.