14721

Алгоритм анализа качества системы при детерминированных и случайных воздействиях

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Алгоритм анализа качества системы при детерминированных и случайных воздействиях Задача анализу известной динамической системы в конкретных условиях ее эксплуатации состоит в определении выходных реакций и сигналов управления систем при определенных входных сигнал...

Русский

2013-06-09

80.51 KB

3 чел.

Алгоритм анализа качества системы при детерминированных и случайных воздействиях

Задача анализу известной динамической системы в конкретных условиях ее эксплуатации состоит в определении выходных реакций и сигналов управления систем при определенных входных сигналах, сравнении достигнутых выходных сигналов с желаемыми, вычислении ошибки и получение на ее основе показателя качества системы.

При анализе качества работы СУ исходят из того, что структурная схема и параметры устройств системы известны. Требуется оценить качество ее работы.

Под качеством работы динамической системы понимают свойства сложной системы, которые характеризуют успешность решения ДС задач функционирования в определенных эксплуатационных условиях и в определенный интервал времени или, иначе говоря, характеризует некоторую меру полезных свойств системы.

Решение задач анализа начинается с выбора показателя качества или совокупности показателей. Потом уточняются свойства идеальной и реальной систем. Здесь же четко определяется функциональное назначение и формулируется понятие ошибки системы. Следующий этап задачи - установление динамических характеристик воздействий и других сигналов, которые отвечают каждому варианту условий эксплуатации. Желательно знать модели сигналов, близких к реальным эксплуатационным.

Качество сложной динамической системы, как правило, имеет многочисленные грани, стороны. В зависимости от конкретики целей функционирование и назначение системы разные стороны качества имеют разный вес. Учет по возможности всех важных сторон качества одновременно практически невозможно. Это сильно загромождает критерии (показатели) качества системы и делайте задачи синтезу и анализу качественных систем практически не разрешимыми.

Как правило, в практике определяют главную сторону качества исследуемой системы. Эта сторона качества выступает его эквивалентом, критерий качества такой системы один. Однокритериальные задачи решаются более просто, а результаты обеспечения качества эффективнее.

В практике нередко за главную сторону качества (его эквивалент) избирают некоторую близость реального функционирования системы к ранее определенному нормативному, т.е. точность. В этих случаях понятие "точность" может однозначно характеризовать качество системы, т.е. выступать в роли его эквивалента, а точностной показатель качества может стать критерием ее качества. Таковы, например, критерии качества управления многими типами летательных аппаратов. Например, основной стороной качества систем навигации и управление полетом летательных аппаратов есть некоторая мера близости реальных траекторий полета к нормативным, программных, то есть точность траекторных полетов.

Если близость (точность) выполнение нормативного функционирования системы есть эквивалентом ее качества, то его оценку начинают с определения понятия ошибки системы в функционировании.

Содержание задачи анализа качества функционирования системы проиллюстрируем на примере ДС приведенной на рис.1.

Здесь x – Фурье-образ вектора выходных реакций системы x(t); ψ – Фурье-образ вектора возмущений ψ(t); i – Фурье-образ вектора желаемых сигналов i(t); ε – Фурье-образ вектора ошибок системы, W – передаточная функция измерительной системы.

Рис.1. Структурная схема измерительной системы (задача анализа)

Ошибка системы в функционировании ε(t) – разность между векторами реальных исходных x(t) и желаемых выходных и(t) сигналов системы

,        (1)

где вектор желаемых сигналов i(t) есть результатом желаемого преобразования программного сигнала функцией Φ(t). Причем, при исследовании ДС, чтобы проверить работоспособность, соответствие определенным требованиям данной системы, желаемый сигнал выступает как некая эталонная мера, которая причем назначается исследователем в зависимости от целей и задач работы (функционирования) системы. Иначе говоря, посредством задания желаемого сигнала и вычисления ошибки системы возможно выполнить поверку данной ДС, т.е. установить пригодность данной системы. Здесь Φ(t) – некоторая желательная матрица передаточных функций системы, которая непосредственно отвечает целям функционирования системы, ее назначению - .

Желаемый сигнал – результат абсолютно точного преобразования "идеальной" системой полезной составляющей входного (программного) сигнала. Очевидно, что реальная система отличается от желаемой - „идеальной”. Отличие вызовется, во-первых, наличием помех в сигналах „вход-выход” и необходимостью средств преодоление их влияний соответствующим выбором динамических свойств системы. Во-вторых, желаемые динамические свойства системы не всегда точно реализуются аппаратно. Ошибка системы (1) в функционировании может состоять из детерминированной и случайной частей

;         (2)

,         (3)

которые будем называть детерминированной и случайной ошибками.

Если качество функционирования системы определяется, в основном, детерминированной ошибкой, то за показатель качества принимается интегральная квадратичная ошибка вида

.      (4)

Здесь n-измеримый вектор детерминированной ошибки системы (2), – ее Фурье-образ; R(t) – весовая симетрическая положительно определенная матрица размера n x n, R(s) – ее Фурье-образ; tr – след матрицы; „*” – символ єрмитова сопряжения. Частотный образ критерия (4) полученный с помощью теоремы Парсеваля.

Показателем качества системы при случайных воздействиях принято брать среднюю квадратичную ошибку, которая построенная на случайной ошибке системы (3) и имеет вид

,      (5)

где – транспонированная матрица спектральных плотностей случайной ошибки системы; R(s) – весовая матрица, не отличается от такой же в выражении (4).

Таким образом, основные этапы решения задачи анализу качества такие:

  1.  по известным динамическим характеристикам звеньев и системы в целом, а также входных управляющих и возмущающих воздействий и помех определяются выходные сигналы системы (их динамические характеристики);
  2.  устанавливаются свойства “идеальной” системы и модели динамики желаемых сигналов, выбирается вид желаемого показателя качества системы;
  3.  определяется понятие ошибки системы;
  4.  вычисляется значение показателя качества в заданных эксплуатационных условиях;
  5.  проводится сравнение вычислительного значения показателя качества с нужным, делается вывод о пригодности системы, ее эффективности, целесообразность усовершенствования системы с целью повышения ее качества, оценивается влияние тех или других эксплуатационных факторов и параметров конструкции на качество системы и т.п.
  6.  исходя из выражений для показателей качества, находим ошибку системы ε, а потом и эрмитово сопряженную ошибку ε*, либо спектральную плотность ошибки системы для системы при случайных воздействиях. Подставив найденные выражения ε и ε*, а также весовую матрицу R = En в интеграл (4) или (5) и соответствующим образом вычислил его, определим значения (число), которое определяет качество системы в заданных условиях работы. Поскольку выражения (4), (5) характеризуют ошибку, то чем такое число будет меньшим, тем качество выше.

Определение характеристик выходных реакций ДС.

Если система находится под воздействием некоторых детерминированных (периодических, непериодических) сигналов, то в качестве характеристик выходного сигнала можно принять его представление в частотной области. Основная задача спектрального анализа – выявление гармонического спектра сигналов, т.е. определение частот гармонических составляющих сигнала (выявление частотного спектра), амплитуд этих гармонических составляющих (амплитудного спектра), и их начальных фаз (фазового спектра).

В основе спектрального анализа лежит теория Фурье о  возможности разложения любого периодического процесса с периодом (где - круговая частота периодического процесса, - частота в герцах) в бесконечную, но счетную сумму отдельных гармонических составляющих.

Таким образом, частотный спектр периодического колебания состоит из частот, кратных основной (базовой) частоте , т.е. частот .

Любой периодический процесс может быть представлен в виде так называемого ряда Фурье, причем комплексные амплитуды гармонических составляющих имеют действительные и мнимые части – спектры. Исходя из чего, исходный процесс можно представить в виде ряда Фурье

.

Разложения в ряд Фурье позволяют рассматривать совокупность комплексных амплитуд как изображение периодического процесса в частотной области. Желание  распространить  такой подход на произвольные процессы привело  к вводу понятия Фурье-изображения в соответствии со следующим выражением:

.

Чтобы выполнить преобразование процесса, представленного во временной  области,   в  его  представление  в частотной области, используют процедуру fft, а также необходимо, сделать следующее:

  1.  - по заданному значению дискрета времени Ts рассчитать величину Fmax диапазона частот (в герцах) по формуле:                         

;       (6)

  1.  в по заданной длительности процесса Т рассчитать дискрет частоты df по формуле:

;       (7)|

  1.  по вычисленным данным сформировать вектор значений частот, в которых будет вычислено Фурье-изображение. Чтобы получить Фурье-изображение, необходимо, выполнить следующие действия: к результатам действия процедуры fft применить процедуру fftshift, которая  переставляет местами первую и вторую половины полученного вектора;                                                          
  2.  •     перестроить вектор частот по алгоритму:                                    |

;     (8)

  1.  следует иметь ввиду, что графики в частной области удобнее выводить при помощи процедуры stem.

Фильтрация данных в MATLABе

Фильтрация - преобразование заданного сигнала с помощью линейного фильтра, описываемого передаточной функцией вида

Фильтрация осуществляется в MATLABе при помощи оператора filter следующим образом

y = filter(b, a, x),

где x – заданный вектор значений входного сигнала; y – вектор значений выходного сигнала фильтра, получаемого вследствие фильтрации; b, a – вектор коэффициентов числителя, знаменателя передаточной функции фильтра (звена).

Чтобы избежать фазовых искажений полезного сигнала при его восстановлении, можно воспользоваться процедурой двойной фильтрации – filtfilt. Обращение к ней имеет такую же форму, что и к процедуре filter. В отличие от последней процедура filtfilt осуществляет обработку вектора x в два приема: сначала в прямом, а затем в обратном направлении. Результат имеет практически нулевое искажение фазы и амплитуду, измененную квадратом отклика амплитуды фильтра.

Если система находится под воздействием случайных стационарных центрированных процессов, то возможно определить такие неслучайные характеристики (вероятностные) случайного выходного сигнала, как спектральная плотность, корреляционная функция. Причем на основе теоремы Винера-Хинчина возможно определить нужные матрицы спектральных и взаимных спектральных плотностей системы.

  (9)

Выражения (9) представляют собою теорему Винера-Хинчина.

Если x(t) = y(t), то транспонированная матрица спектральных плотностей процесса x(t) запишется как

.

Теорему Винера - Хинчина (выражение (9) возможно использовать для определения спектральных (взаимных спектральных) плотностей сигналов в многомерных динамических системах.

В программе MATLAB процедуры psd, csd осуществляют построение графических зависимостей спектральной (взаимно спектральной) плотностей случайных стационарных центрированных процессов от частоты.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43148. Анализ эффективности использования материальных ресурсов на ОАО «Химрезерв» 531.5 KB
  Основной задачей деятельности любого предприятия является оптимизация его производственной программы, которая позволяет увеличить прибыль или достичь ожидаемых социальных эффектов. В связи с этим постоянно существует потребность в усовершенствовании существующих и внедрении принципиально новых подходов к управлению материальными сырьевыми ресурсами, которые являются одним из основных компонентов производственного процесса в промышленности. Важную роль в повышении эффективности их использование на предприятии играет, прежде всего, правильная организация бухгалтерского учета и анализа как источника информации для принятия управленческих решений.
43149. Розробка плана-конспекту уроку з використанням інтерактивної дошки за темою «La peinture française» 1.11 MB
  Ось чому темою для своєї курсової роботи ми обрали саме дослідження роботи з інтерактивною дошкою, що є одним з найпоширеніших представників новітніх технологій у навчанні. Вибір і актуальність цієї теми зумовлені необхідністю ознайомлення з порівняно нещодавно введеним у навчально-виховний процес пристрою та розробки плану уроку з його використанням. Розвиток засобів навчання та можливості їх технічної реалізації суттєво випереджають можливості створення повноцінних методик застосування таких засобів, ось чим можна пояснити брак методик роботи з вищевказаним типом технологій.
43150. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для работы с текстовыми файлами 351 KB
  Составить программу которая читает текст из разбитого на строки текстового файла и записывает в выходной файл текст с выравниванием по центру. Имена входного и выходного файлов вводятся пользователем. Цель работы Составить программу которая читает текст из разбитого на строки текстового файла и записывает в выходной файл текст с выравниванием по центру.
43151. Разработка Case-системы 498 KB
  На этапе появления подобных средств термин CSE употреблялся лишь в отношении автоматизации разработки программного обеспечения. Сегодня CSE средства подразумевают процесс разработки сложных ИС в целом: создание и сопровождение ИС анализ формулировка требований проектирование прикладного ПО и баз данных генерацию кода тестирование документирование обеспечение качества конфигурационное управление и управление проектом а также другие процессы. Актуальность курсовой работы заключается в следующем: CSEсистемы существенно сокращают сроки...
43152. Розробка додатку з використанням візуальних компонентів, створення БД та графічних зображень 290 KB
  Організувати меню, пункти якого дозволяють обирати виконання одного з трьох завдань курсової роботи. Передбачити пункт меню допомоги роботи з додатком та коректний вихід з додатку. При виборі пункту меню з одним із завдань, вирішення цього завдання відображується в окремому модальному вікні. Тема першого завдання – використання візуальних компонентів із вкладок компонентів Standart, System, Additional при роботі з масивами даних. Оброблений масив, список даних вивести в таблицю MS Word, створену за допомогою Delphi.
43153. Принятие управленческого решения на основе обработки информации в базе данных 154 KB
  Для каждой единицы техники необходимо хранить её инвентарный номер название устройства его модель год выпуска какому подразделению устройство принадлежит на текущую дату т. Каждый клуб характеризуется следующей информацией: название дата создания город спонсоры ФИО название организации если это не частное лицо главный тренер который тренирует команду клуба в настоящее время необходимо хранить историю о всех тренерах – ФИО возраст звание. Также необходимо знать информацию о наличии залов клуба название зала адрес...
43154. Количественный отбор и оценка инновационных идей на рынке бытовой техники 1.32 MB
  На сегодняшний момент роль инноваций в экономике значительно увеличилась. Каждой компаний без применения инноваций фактически невозможно создать продукцию, которая была бы конкурентоспособна, имела бы высокую степень качества, новизны и конечно же наукоемкости. Таким образом, инновации в современной рыночной экономике это своеобразный инструмент конкурентной борьбы, который создает у покупателей потребности, в результате чего снижается себестоимость, производитель получает дополнительные инвестиции и что немало важно, создает имидж производителя новых товаров, что дает возможности завоеваний новых рынков, в том числе и внешних.
43155. Методы локализации неисправностей на аппаратуре СВ и РМ 701.5 KB
  Содержание Введение В данной курсовой работе рассматриваются пути поиска неисправностей РМ10 при следующих внешних проявлениях: Яркая засветка экрана ЭЛТ БИО Особое внимание уделяется нахождению оптимальной методики поиска неисправностей и обоснование различных вариантов поиска созданию алгоритмов поиска неисправности на структурном функциональном и принципиальном уровнях. именно в нём содержатся устройства отвечающие за яркость изображения на экране ЭЛТ. Рассмотрим работу ЭЛТ БИО по функциональной схеме чтобы определить неправильное...