Этапы проектирования систем управления

Проектирование системы управления представляет собой сложный, трудоемкий и длительный процесс, схематично представленный на рис. 4.1.

Приведенные на рис. 4.1 этапы процесса проектирования обычно группируются в рамках общих этапов или стадий проектирования системы управления:

1) разработка технического задания на проектирование;

2) предварительное проектирование;

3) эскизное проектирование;

4) техническое (рабочее) проектирование;

5) серийное изготовление;

6) эксплуатация.

Рис. 4.1. Основные этапы проектирования системы управления

Качественная разработка технического задания на проектирование системы управления во многом определяет как уровень, так и успешность разработки системы управления.

Предварительное проектирование проводится с целью определения принципов построения системы управления и изыскания новых принципов, структур, технических средств, удовлетворяющих техническому заданию. Предварительное проектирование обычно относят к стадии НИР.

Эскизное проектирование и последующие этапы – это этапы опытно‑конст­рукторской разработки (ОКР). Результатом эскизного проектирования является детальная разработка возможности создания системы управления, удовлетворяющей заданным требованиям.

На этапе технического проектирования детально отрабатывают схемные, конструкторские, программные и технологические решения. Достаточно сложной и трудоемкой является задача проектирования программного обеспечения разрабатываемой системы управления и программной документации.

В процессе серийного производства осуществляется окончательная доводка принятых технических решений, программного обеспечения и отработка технологий изготовления с учетом особенностей серийного производства. В процессе эксплуатации проектировщик системы управления получает информацию, позволяющую внести необходимые изменения с целью доведения параметров системы до заданных.

Особенности процесса проектирования

Систем управления

Изучение процесса проектирования систем управления возможно как на физических, так и на математических моделях. Поскольку построение физических моделей процесса проектирования связано со значительными материальными и временными затратами, то, естественно, в настоящее время предпочтение отдается математическим моделям процесса проектирования систем управления.

В 60-е годы изучение процесса проектирования осуществлялось на основе теории управления. При этом система проектирования рассматривалась как стационарная детерминированная
линейная САУ, в большинстве случаев как одномерная. Этот подход используется и до настоящего времени при проектировании систем управления относительно простыми объектами управления.

В большинстве случаев система проектирования рассматривается как сложная система управления, имеющая следующие характерные особенности.

1. Отдельные управляемые подпроцессы автономны в том смысле, что каждый регулятор управляет ограниченным числом подпроцессов.

2. Управление подпроцессами происходит на основе относительно ограниченного количества информации.

3. Чем выше уровень управления, тем меньше требуется информации для его осуществления, т. е. при движении вверх по иерархии информация как бы уплотняется.

4. Существование цели управления для каждой подсистемы и общей цели для всей системы.

5. Взаимовлияние подпроцессов из-за ограничений на общую стоимость системы управления и как следствие – ограничения на штаты, оборудование и другие ресурсы.

Возможные математические модели процесса проектирования систем управления приведены на рис. 4.2.

Детерминированная математическая модель строится в тех случаях, когда факторы, влияющие на конечный результат процесса проектирования, поддаются точной оценке, а случайные факторы либо отсутствуют, либо ими можно пренебречь. Если факторы, влияющие на конечный результат процесса проектирования, являются случайными, то строится вероятностная математическая модель.

Поскольку процесс проектирования систем управления можно представить как процесс переработки информации, то для описания процесса проектирования может быть использована информационная математическая модель.

Рис. 4.2. Математические модели процесса

проектирования системы управления

Проектирование систем управления до сих пор, в значительной степени, основывается на интуиции, аналогии и индукции, т. е. на эвристических методах. Эвристические процедуры не получили формализованного отображения, а в основном ограничиваются описательной формой представления. Тем не менее, процесс проектирования с известной степенью приближения может быть представлен эвристической математической моделью.

Проектирование систем управления часто протекает в условиях неполной информации, когда складываются конфликтные ситуации. В этих случаях процесс проектирования может быть представлен теоретико-игровой моделью.

Методы сетевого планирования позволяют объективно устанавливать минимально необходимое время и расход людских и материальных ресурсов для выполнения проектных работ, выявлять критические пути, т. е. «узкие места» процесса проектирования, и вносить необходимые коррективы. Это говорит о том, что процесс проектирования системы управления можно описать сетевой моделью.

Требования к математической модели процесса проектирования:

1) модель должна отвечать строго поставленной задаче – не должна быть точнее, чем это необходимо для решения данной конкретной задачи;

2) модель должна быть простой и удобной для анализа и в то же время предельно чувствительной к исследуемым переменным, при этом не должны учитываться второстепенные для решаемой задачи факторы;

3) усложнение модели излишними подробностями чревато тем, что влияние интересующих нас переменных «утонет» в совокупности влияния других факторов.

Процесс проектирования систем управления включает в себя творческие и нетворческие (рутинные) операции. К творческим операциям относятся: изобретение новых, ранее несуществующих алгоритмов, принципов, методов, приборных решений
и т. д. К нетворческим операциям относятся: трудоемкие операции оформления технической, программной и технологической документации, многократно повторяющиеся расчеты, оформление результатов испытаний, построение графиков, таблиц и т. д.

Особое место при проектировании систем управления занимает задача сбора информации. Эта информация должна включать в себя:

1) сведения о ранее спроектированных системах управления и комплектующих их изделиях;

2) характеристики проектируемых в настоящее время и предполагаемых к проектированию систем управления и устройств;

3) параметры технических средств;

4) характеристики сервисного оборудования;

5) совокупность требований к проектируемой системе управления;

6) информация о средствах вычислительной техники, используемой при проектировании системы управления, имеющихся алгоритмах решения проектных задач и программного обеспечения, реализующего эти алгоритмы;

7) информация об имеющемся производственном оборудовании, его возможностях.

Нетворческие процедуры проектирования в значительной степени поддаются формализации (алгоритмизации), что позволяет привлекать к исполнению ЭВМ, в частности, системы автоматического проектирования (САПР). Поэтому для их выполнения также возможно широкое использование САПР и, в первую очередь, при отборе и анализе различных вариантов проектирования систем управления.