Проектирование — это процесс придумывания или изобретения таких компонентов системы, которые позволяли бы ей выполнять определенные задачи.

Процесс проектирования подразумевает планирование деятельности по созданию некоторого изделия или системы. В результате этой инновационной деятельности инженер творчески применяет свои знания и навыки для определения типа системы, ее функционального назначения и составных элементов. Основными этапами проектирования являются:

1) определение запроса на создание системы, основанного на оценках мнений различных общественных групп — от политиков до рядовых потребителей;

2) детальная проработка возможного решения проблемы на основе объединения различных мнений;

У) оценка альтернативных вариантов решения проблемы, удовлетворяющих выдвинутым требованиям;

4) выбор конкретного варианта и его реализация.

В реальной жизни проектирование ведется с учетом ряда ограничений, одним из которых является фактор времени. Проектирование обычно ведется по жестко установленному графику, поэтому в конечном счете выбирается такой вариант системы, который не является идеальным, но может рассматриваться как достаточно хороший. Во многих случаях выигрыш во времени является единственным определяющим фактором.

Главная задача проектировщика — это составить перечень требований, которым должно удовлетворять техническое устройство. Под требованиями имеются в виду точные формулировки того, каким должно быть устройство и что оно должно делать. Техническая система проектируется таким образом, чтобы удовлетворялись все выдвинутые требования. При этом неизбежно приходится иметь дело с такими объективными факторами, как сложность проектирования, возможные компромиссы, расхождения с практикой в процессе проектирования, а также определенные риски.

Сложность проектирования обусловлена широким диапазоном используемых для этого методов, знаний и литературы. И здесь при определении требований к системе необходимо учитывать очень много факторов, не только классифицируя их по относительной важности, но также задавая их либо в числовой форме, либо в виде словесного описания, либо обоими этими способами.

Под компромиссом понимают возможность выбора между двумя конфликтующими критериями проектирования, каждый из которых является приемлемым.

При создании технического устройства его окончательный вид бывает далеко не похож на то, как оно было задумано. Например, наше умозрительное представление о проблеме, подлежащей решению, не всегда совпадает с ее словесным описанием, в конечном счете выливающимся в задание требований к системе. Эти различия внутренне присущи процессу движения от абстрактной идеи к ее практической реализации.

Отсутствие абсолютной уверенности в том, что проектируемый технологический объект будет функционировать заранее предсказанным образом, есть причина для некоторой неопределенности. Эта неопределенность связана с возможностью появления не-

предвиденных последствий, или риска. Следовательно, процесс проектирования системы есть деятельность, сопряженная с риском.

Сложность, компромисс, расхождение с практикой и риск — всё это факторы, неотъемлемые от процесса создания новых систем и устройств. Иногда влияние этих факторов на процесс проектирования можно свести к минимуму, но исключить их полностью невозможно.

В процессе технического проектирования участвуют два типа мышления — анализ и синтез, между которыми имеется принципиальное отличие. При анализе основное внимание уделяется построению моделей физических систем. Целью здесь является более глубокое понимание процессов, происходящих в этих системах, и указание путей уточнения их моделей. Напротив, синтез — это деятельность, в результате которой создаются новые физические структуры.

Процесс проектирования может идти по многим направлениям, прежде чем окончательно будет выбрано какое-то одно из них. Это тщательно продуманный процесс, с помощью которого проектировщик создает нечто новое, удовлетворяющее определенным потребностям несмотря на практические ограничения. По своей природе этот процесс является итерационным — ведь с чего-то надо будет начать! Опытные инженеры обычно прибегают к упрощению сложных систем с целью их анализа и синтеза. При этом неизбежно возникает различие между сложной реальной системой и ее моделью. Подобные различия объективно присутствуют на всём пути от исходной концепции до конечного изделия. Интуитивно понятно, что намного проще постепенно совершенствовать исходную концепцию, чем пытаться сразу создать конечное изделие. Иными словами, техническое проектирование никогда не идет по жестко установленному пути. Это — итерационный, нелинейный, творческий процесс.

Основной метод, используемый в большинстве задач технического проектирования, — это метод анализа и оптимизации параметров. Он основан на (1) идентификации ключевых параметров, (2) формировании конфигурации системы и (3) оценке того, насколько данная конфигурация отвечает предъявляемым к системе требованиям. Эти три этапа образуют замкнутый цикл. Как только установлены ключевые параметры и синтезирована структура системы, проектировщик может приступить к оптимизации параметров. На практике число таких настраиваемых параметров обычно стремятся свести к минимуму.

Синтез системы управления

Синтез системы управления — это уникальный пример технического проектирования. Еще раз подчеркнем, что цель проектирования состоит в определении конфигурации системы, требований, которым она должна удовлетворять, и задании основных параметров, удовлетворяющих предъявляемым к системе требованиям.

Первый шаг процесса синтеза — это определение назначения системы. Например, мы можем заявить, что целью управления является поддержание заданного значения скорости вращения электродвигателя. Второй шаг — это указать те переменные, которые подлежат управлению (в нашем случае это скорость вращения). На третьем шаге мы должны предъявить требования к точности, с которой необходимо поддерживать скорость вращения электродвигателя. Последнее определяет выбор датчика, с помощью которого измеряется переменная, подлежащая управлению.

Поставив себя на место инженера, первое, что мы должны сделать, — это попытаться создать конфигурацию системы, которая обладала бы желаемым качеством. Такая конфигурация обычно включает в себя датчик, объект управления, исполнительное устройство и регулятор, как показано на рис. 1.9. Следующий шаг состоит в выборе кандидата на роль исполнительного устройства. Принятие решения здесь зависит от типа объекта управления, но в любом случае выбранное устройство должно быть способно эффективно влиять на поведение объекта управления. Например, если мы хотим управлять скоростью вращения махового колеса, то в качестве исполнительного устройства нам надлежит выбрать электродвигатель. При этом датчик должен быть способен измерять скорость с высокой точностью. Наконец, мы должны получить модель для каждого из этих элементов.

Следующий шаг состоит в выборе регулятора, который часто представляет собой сумматор, выполняющий операцию сравнения желаемого и действительного значений выходной переменной объекта, и следующий за ним усилитель сигнала ошибки.

Заключительный шаг процедуры синтеза состоит в настройке параметров системы, которые обеспечивали бы желаемые показатели качества. Если в результате подбора параметров мы сможем достигнуть желаемого качества, то процесс синтеза на этом заканчивается и нам остается оформить рабочую документацию. В противном случае, возможно, потребуется заменить конфигурацию системы или выбрать исполнительное устройство и датчик с улучшенными характеристиками. После этого мы должны будем повторять все этапы синтеза до тех пор, пока не будут удовлетворены требования, предъявляемые к системе, или пока мы не решим, что эти требования являются слишком жесткими и их необходимо ослабить. Процесс синтеза системы управления наглядно изображен на рис. 1.19.

Требования к качеству замкнутой системы управления должны затрагивать ее основные характеристики, к которым относятся (1) хорошая компенсация возмущений, (2) желаемый вид реакции на задающее входное воздействие, (3) адекватные выходные сигналы исполнительного устройства, (4) малая чувствительность к изменению параметров и (5) робастность.

На техническое проектирование сильное влияние оказало появление мощных и сравнительно недорогих компьютеров, а также высокопроизводительных программных средств анализа и синтеза систем управления. Например, самолет Боинг-777, оснащенный самой современной бортовой аппаратурой, был почти полностью спроектирован с помощью компьютерных технологий. Высокоточное компьютерное моделирование крайне важно для проверки результатов синтеза систем. Во многих случаях сертификация системы управления путем натурного моделирования требует значительных затрат времени и денег. Тот же Боинг-777 около 2400 раз был испытан с помощью компьютерного моделирования, прежде чем был построен первый самолет этой серии.

Другим замечательным примером анализа и синтеза с применением компьютеров является создание экспериментальной ракеты DC-X Дельта Клиппер корпорации МакДон-нелл Дуглас, которая была спроектирована, построена и испытана в полете всего за 24 месяца. Это позволило сэкономить примерно 80% финансовых вложений и 30% времени.

Подводя итог, можно дать следующую формулировку задачи синтеза регулятора: дана модель объекта управления (вместе с датчиком и исполнительным устройством), а также установлены цели управления; требуется определить соответствующий регулятор либо прийти к заключению, что таковой создать невозможно.

1. Определение целей управления

2. Выбор переменных, подлежащих управлению

3. Формулировка требований к этим переменным

4. Выбор конфигурации системы и исполнительного устройства

5. Получение моделей объекта управления датчика и исполнительного устройства

6. Выбор регулятора и определение

ключевых параметров, ____ подлежащих настройке _____

7. Оптимизация параметров и анализ качества системы

 

Если качество системы не удовлетворяет предъявляемым требованиям, изменить ее конфигурацию и, возможно, выбрать другое исполнительное устройство.

Если качество системы удовлетворяет предъявляемым требованиям, закончить процедуру синтеза.

Рис. 1.19. Процесс синтеза системы управления

Пример синтеза: управление скоростью вращения диска

Во многих современных приборах используется диск, который должен вращаться с постоянной скоростью. Это, например, проигрыватель компакт-дисков или грампластинок, дисковод компьютера, требующие вращения с постоянной скоростью, несмотря на износ и изменение характеристик электродвигателя и вариацию других параметров. Наша задача состоит в синтезе системы управления скоростью вращения диска, которая гарантировала бы, что действительная скорость отличается от желаемой не более, чем на заданную величину. Мы рассмотрим два варианта решения этой задачи: разомкнутая система и система с обратной связью.

Чтобы обеспечить вращение диска, мы должны в качестве исполнительного устройства выбрать электродвигатель постоянного тока, скорость вращения которого пропорциональна приложенному напряжению. Этот входной сигнал двигателя должен иметь достаточную мощность, поэтому нам также потребуется выбрать усилитель.

Разомкнутая система (без использования обратной связи) изображена а рис. 1.20 (а). В этой системе для задания напряжения, пропорционального желаемой скорости, использована батарея. Затем это напряжение усиливается и подается на двигатель. Функциональная схема данной системы изображена на рис. 1.20 (б).

Чтобы реализовать систему с обратной связью, нам необходимо выбрать датчик. Одним из возможных решений является тахогенератор, выходное напряжение которого пропорционально скорости вращения его вала. Тогда замкнутая система будет иметь вид, изображенный на рис. 1.21 (а). Функциональная схема этой системы приведена на рис. 1.21 (б). Сигнал ошибки образуется как разность между входным напряжением и напряжением тахогенератора.

!/ Можно ожидать, что замкнутая система по своим характеристикам будет превосходить разомкнутую, т. к. она всегда будет стремиться свести ошибку к минимуму. Если элементы системы обладают стабильными характеристиками, то в замкнутой системе можно добиться точности поддержания заданного значения скорости, в 100 раз превышающей аналогичный показатель разомкнутой системы.

Пример синтеза: система управления введением инсулина

В этом и последующих примерах на синтез мы воспользуемся процедурой, представленной на рис. 1.19. В данной главе мы подготовим предварительный план синтеза, выполнив этапы 1-4 схемы рис. 1.19, т. е.(1) установим цель управления, (2) определим переменные, на которые необходимо воздействовать, (3) сформулируем требования к системе и (4) разработаем одну или несколько возможных конфигураций системы.

Системы управления широко используются в медицине для автоматического введения препаратов в организм пациента. Подобные системы могут применяться для регулирования кровяного давления, уровня сахара в крови, частоты сердечных сокращений. Наиболее распространены разомкнутые системы введения медицинских препаратов, в которых используются математические модели, описывающие связь между дозой введенного препарата и:оответствующим эффектом. Имплантированная в тело человека система является разомкнутой, т. к. пока еще не разработаны миниатюрные датчики содержания глюкозы в кро-зи. Наилучшим из известных решений является запрограммированный под конкретного пациента миниатюрный насос, который вводит в организм инсулин в соответствии с показаниями на основании истории болезни. Более сложные системы должны будут использовать эбратную связь по результатам измерения содержания глюкозы в крови.

Наша цель (этап 1) заключается в синтезе системы регулирования концентрации са-tapa в крови больного диабетом. Изменение концентрации глюкозы и инсулина в крови шорового человека показано на рис. 1.22. Система должна вводить инсулин в кровь из эаллончика, имплантированного в организм больного.

Таким образом, переменной, подлежащей управлению (этап 2), является концентрация глюкозы в крови. Требование к системе управления (этап 3) сводится к тому, чтобы

Обед

Рис. 1.22

Уровни глюкозы и инсулина в крови здорового челолвека

Завтрак Второй завтрак
Время ——————>•

а)

Программируемый генератор сигнала

Напряжение на входе микродвигателя

Микродвигатель, насос и клапан

Скорость

••введения

инсулина

Скорость

б)

Действительный

——— *		y(t\		введения инсулина —————»	Организм человека, кровь, поджелудочная железа	уровень в к
Усилитель	Микродвигатель, насос и клапан
Л7
Датчик
-J Измеренное содержание

глюкозы

Желаемый уровень глюкозы в крови

Рис. 1.23. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) системы управления содержанием глюкозы в крови

она была способна поддерживать содержание глюкозы в крови диабетика, близкое к тому, как это имеет место для здорового человека (рис. 1.22).

На этапе 4 мы можем предложить предварительную конфигурацию системы управления. Разомкнутая система должна содержать заранее запрограммированный генератор сигнала и микродвигатель с насосом, регулирующий скорость введения инсулина, как показано на рис. 1.23 (я). Замкнутая система, изображенная на рис. 1.23 (б), должна содержать датчик, измеряющий действительное содержание инсулина в крови. Это измеренное значение затем сравнивается с желаемым, и, если есть необходимость, включается микродвигатель с насосом.

1.12. Пример синтеза с продолжением: