Комплекс программ для автоматизированного проектирования динамических объектов

Введение 4
1 Проблематика автоматизированного проектирования систем автоматического
регулирования, цель и задачи исследования 8
1.1 Системы автоматического регулирования и автоматизация их
проектирования 8
1.2 Проблематика преподавания теории управления и методов
автоматизированного проектирования динамических объектов 10
1.3 Цель и задачи диссертационной работы 11
Выводы по разделу 1 14
2 Выбор материала для формирования образовательного процесса по
автоматизации проектирования динамических объектов 15
2.1 Общие принципы выбора учебного материала с учётом комплекса
дидактических единиц 15
2.2 Выбор материала по автоматизации проектирования динамических
объектов 19
Выводы по разделу 2 21
3 Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение
автоматизированного проектирования динамических объектов 22
3.1 Общие принципы организации процесса автоматизированного
проектирования динамических объектов 22
3.2 Общие принципы построения комплекса программ 29
3.3 Комплекс разработанных программ 30
Выводы по разделу 3 72
Заключение 74
Сокращения и обозначения 75
Список использованных источников 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А Модуль автоматизированного синтеза регулятора по желаемой передаточной функции в MathCAD14 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Модули формирования математической модели системы в
MathCAD14 93
ПРИЛОЖЕНИЕ В Модуль преобразования передаточной функции в
матричную форму переменных состояния в MathCAD14 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Модуль анализа графика апериодического процесса в
MathCAD14 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Модуль анализа графика колебательного процесса в
MathCAD14 124
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Модуль формирования математического описания двигателя
постоянного тока в MathCAD14 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Модуль формирования матричной математической модели
двигателя постоянного тока в MathCAD14 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Модуль формирования передаточной функции двигателя
постоянного тока в MathCAD14 147
ПРИЛОЖЕНИЕ И Модуль разложения передаточной функции на типовые
динамические звенья в MathCAD14 155
ПРИЛОЖЕНИЕ К Сведения об использовании материалов диссертации 163
Купить

Актуальность. Рассматриваемые в данной работе динамические объекты — это объекты, математические модели которых содержат обыкновенные дифференциальные уравнения.
В данном случае под динамическими объектами понимаются, прежде всего, системы автоматического регулирования. Теоретической основой их проектирования является теория управления.
Динамические объекты в целом и САР в частности широко распространены в природе и технике.
В образовательную программу направления подготовки бакалавров 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» включены две учебных дисциплины: «Теория управления» и «Автоматизированное проектирование встраиваемых систем». Эти учебные дисциплины тесно связаны: «Теория управления» даёт общие представления о системах автоматического регулирования и методах их проектирования; «Автоматизированное проектирование встраиваемых систем» демонстрирует методы и приёмы автоматизации как рутинных, так и творческих операций в процессе проектирования, и является продолжением первой дисциплины.
Обе дисциплины являются в значительной степени математическими, но в них математические методы применяются непосредственно к техническим объектам. Поэтому обе дисциплины обеспечивают переход от абстрактных математических знаний к конкретным задачам технического творчества. Это означает, что при изучении обеих дисциплин необходимы компетенции (знания, умения, навыки) различного рода, полученные из математики, физики, электротехники, программирования.
Проектирование динамических объектов представляет собой сложную задачу и осуществляется, как правило, с применением систем автоматизированного проектирования.
Но в настоящее время отсутствуют универсальные САПР, автоматизирующие все процессы проектирования САР и все необходимые проектные процедуры. Это связано с многообразием объектов, задач и соответствующих методов проектирования. Поэтому автоматизированное проектирование целесообразно выполнять с применением одной из универсальных математических программ — MathCAD, MatLab и т. п. Это позволяет создать специализированный комплекс САПР того объекта, с которым работает проектировщик, и дополнять его по мере необходимости новыми возможностями.
Процесс автоматизированного проектирования имеет два аспекта: методологический и технологический.
Методологический аспект связан с используемыми математическими моделями и методами расчетов, обеспечением требуемых характеристик разрабатываемой системы, минимизацией погрешностей и т. п.
Технологический аспект связан с выбором среды программирования, вы-явлением её функциональных возможностей, реализацией конкретных проектных процедур, использованием готовых библиотек и интерфейса.
Все эти обстоятельства должны учитываться как при проведении научных исследований с применением средств автоматизации проектирования, так и при организации обучения студентов.
Таким образом, существует актуальная задача создания комплекса про-грамм для автоматизированного проектирования динамических объектов, пред-назначенного для использования как в проектно-исследовательской работе научно-учебной лаборатории САПР, так и при организации учебного процесса.
Объект исследования — процесс проектирования динамических систем автоматического регулирования.
Предмет исследования — автоматизация проектных процедур при проектировании систем автоматического регулирования.
Цель работы — разработка методического, алгоритмического и программного видов обеспечения для использования в исследованиях научно - учебной лаборатории систем автоматизированного проектировано и в учебных курсах по автоматизированному проектированию систем автоматического управления.
Объект разработки — комплекс программ и методических материалов для автоматизации расчётов при проектировании.
Задачи работы:
1 Сформулировать требования к содержанию процесса автоматизированного проектирования систем автоматического регулирования, в том числе, с учётом применения полученных результатов в учебном процессе.
2 Выбрать и при необходимости доработать методы, методики и алгоритмы проектных операций в соответствии с этапами автоматизированного проектирования.
3 Программно реализовать разработанные алгоритмы для автоматизации проектных операций.
4 Подготовить материал для использования в учебном процессе.
Основная идея работы. Для процесса проектирования систем автоматического регулирования демонстрируются возможности автоматизации творческих и рутинных операций различного уровня — от синтеза системы до автоматизации вспомогательных операций, связанных с графической визуализацией результатов расчётов.
Методы, инструментальные средства и технологии. При получении результатов использовались методы системного анализа, теории автоматического управления, электротехники, программирования. Используемое программное обеспечение — программная среда MathCAD.
Научная новизна работы:
1) модифицирован метод синтеза системы автоматического регулирования с использованием желаемой передаточной функции замкнутой, которая задаётся в виде типовых динамических звеньев минимальной сложности из условия реализуемости передаточной функции регулятора;
2) разработан комплекс алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию ряда рутинных и отчасти творческих проектных операций.
Значение для теории автоматизированного проектирования заключается в развитии методов синтеза систем автоматического регулирования, в том числе с использованием возможностей и особенностей применения символьных процессоров.
Значение для практики заключается в том, что полученные результаты будут использоваться в ходе научно-исследовательских работ, выполняемых в НУЛ САПР ИКИТ СФУ, а также в учебном процессе по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника». При этом студенты будут обучаться по тем материалам, которые практически используются в научных исследованиях.
Личный вклад и сотрудничество. Все основные научные результаты получены лично автором. Основой некоторых методических материалов являются соответствующие публикации, на которые даны ссылки. В работе использованы отдельные процедуры из библиотеки, разработанной сотрудниками НУЛ САПР, на соответствующие материалы даны ссылки.
Список использованных источников содержит 31 библиографическую ссылку.
По результатам работы опубликована 1 статья в журнале по перечню ВАК.
Купить