CC BY
45
100
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 378
С. Н. Березин, П. Е. Валивач
Военно-морской политехнический институт
В. Г. Грачёв
Группа компаний «Транзас»
ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЕМ СПЕЦИАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЁРОВ ИНЖЕНЕРОВ-ЭЛЕКТРИКОВ
Рассмотрены основные этапы формирования структуры адаптивной системы управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажёров военно-морских инженеров-электриков (выпускников Военного учебно-научного центра Военно-морской академии - ВУНЦ ВМФ (ВМА)). Для описания функционирования ряда блоков системы дополнительно предложен автомат Мили. Связи между элементами разработанной адаптивной системы описаны с помощью передаточных функций. Используя полученное характеристическое уравнение, можно построить кривую переходного процесса контура регулирования адаптивной системы и оценить качество переходных процессов (при этом необходимо рассчитать значения величин постоянных времени и коэффициентов, указанных передаточных функций).
характеристическое уравнение, адаптивность, система, управление, содержание специальной подготовки, электротехнические тренажёры, автомат Мили, передаточная функция, контур регулирования, алгебраическое уравнение.
Введение
Приступая к разработке любой системы управления, необходимо руководствоваться принятыми принципами управления и такими понятиями, как «объект управления» (его математическая модель), «цель управления», «стратегия управления». Если математическая модель задана не полностью, то возникает необходимость в адаптивном управлении. Концепция адаптивного управления предполагает управление в условиях неполной информации о модели объекта и учёт воздействия внешней среды на систему. При этом необходимо задать эталонную модель объекта управления. Совершенствование существующей в неявном виде системы управления содержанием специальной подготовки военно-морских инженеров-электриков (в-м-и-э) необходимо осуществлять путем интроспекции, следуя от границ системы к её элементам, предполагая, что
решение проблемы лежит в границах самой системы, т. е. все отклонения вызваны дефектами в элементах системы и объясняются их специфическими причинами.
1 Переменные и параметры
адаптивной системы управления
Формируя структуру адаптивной системы управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажёров (эТ) в-м-и-э (рис. 1) необходимо определить управляющие факторы U, за счет изменения которых достигается такое состояние объекта, оцениваемого параметрами X, при котором гарантируется требуемое качество (Q) содержания специальной подготовки в-м-и-э. (Авторы предлагают ввести в научный оборот новый термин «электротехнические средства обучения» (эТСО).)
2013/2
Proceedings of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588X. Известия ПГУПС 2013/2
^ - требуемые значения критериев качества и глубины содержания специальной подготовки в—м—и—э
Q - критерии качества содержания специальной подготовкив-м-и-э^и- управляющие воздействия ВХОД
g - контролируемые, но не управляемые параметры содержания и качества специальной подготовки в-м-и-э ^ - управляемые переменные содержания специальной подготовки в-м-и-э
1 Требуемое состояние объекта
Закон «Об образовании»
ГОС ВПО КТ к в-м-и-э
X" - результат текущего контроля соответствия критериев качества обучения курсанта заданным
О - информационный сигнал
U' = Кд е
Управляющий орган
1. Начальник ВУНЦ ВМФ
2. Начальник ВМПИ
3. Заместитель начальника ВМПИ по УНР
4. Учебный отдел
5. Ученый совет ВМПИ
6. Начальник электротехнического факультета (ЭТФ)
7. Зам. Начальника ЭТФ по учебной части
8. Ученый совет ЭТФ
9. Кафедры ВМПИ
Устав ВМПИ, Методические документы ВМФ и ВМПИ
1. Президент РФ(Верховный Главнокомандующий ВС РФ)
2. Министр обороны РФ
3. Министр образовании и науки РФ
4. Главное управление кадров МОРФ
5. Департамент военного образования МО РФ
6. Заказывающее управление ВМФ
4А Орган мониторинга качества специальной подготовки
Приказы №№ 80 от 2003 г., 319 от 2005 г. МО РФ, методические документы министерства образования и науки,
МОРФ
Абитуриент
Группа экспертных оценок 4Б (ШИ по НУР)
и
8 = £ - X’
в
Текущий контроль соответствия критериев качества обучения курсантов заданным
Фактическое состояние объекта
Учебная программа и тематический план Успеваемость курсанта
X"
e Содержание специальной подготовки и ЭТ в-м-и-э
Компетентность, широта и глубина знаний, умения, навыки, опыт, самостоятельная работа
а
Q
Военно-морской инженер-электрик (в-м-и-э)
Выход Y
Z
Рис. 1. Структура адаптивной системы управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажеров военно-морских инженеров-электриков
Общетехнические задачи и пути их решения 101
102
Общетехнические задачи и пути их решения
На рис. 1 обозначены следующие величины:
S [1:4] - переменные, характеризующие абитуриента (знания по математике, физике, литературе, русскому языку);
Y [1:4] - выходные переменные, характеризующие в-м-и-э (навыки по четырем видам деятельности: специальная, техникоэксплуатационная, административно-управленческая, воспитательная);
Q [1:5] - критерии качества содержания специальной подготовки в-м-и-э: q1 - фундаментальность электротехнического обучения, дающего глубину и широту знаний в общеинженерной сфере; q2 - сложность специализации электротехнического обучения, позволяющая быстро адаптироваться к корабельным условиям и успешно осуществлять обязанности командира группы и вахтенного механика; q3 - интегральные характеристики и уровни творческих навыков и способности к восприятию новых достижений науки и техники; q4 - способность к реализации полученных знаний в служебной деятельности; q5 - интегральные характеристики качества подготовки выпускников и их образования в социальной и гуманитарной сфере;
X [1:5] - управляемые переменные процесса специальной подготовки в-м-и-э: х1 -уровень фундаментальности знаний, умения и навыки по электротехническим дисциплинам; х2 - усвоение пяти уровней согласно квалификационным требованиям; х3 - уровень знаний по последним достижениям науки и техники в области электротехники; х4 - широта (объём) знаний; х5 - самостоятельная работа);
B [1:5] - контролируемые, но не управляемые параметры содержания и качества специальной подготовки в-м-и-э (специализация электротехнического образования, креативность мышления, организация обучения, творческая активность, уровень гуманизации);
Х" - результат текущего контроля соответствия критериев качества обучения обучающихся заданным;
U - управляющие воздействия на содержание и качество специальной подготовки в-м-и-э;
Z - внешние возмущающие воздействия на качество специальной подготовки в-м-и-э;
£, - требуемые значения критериев качества и глубины содержания специальной подготовки в-м-и-э; s - отклонение фактического состояния объекта (рис. 1, блок 6) от требуемого; C - информационный сигнал в элемент 1 (ГОСы,_квалификационные требования к в-м-и-э); A - задающие воздействия на элемент сравнения 3;
~q'X’ - информационные сигналы в элемент сравнения 3;
O,U ’ - информационные сигналы в элемент 5;
а - информационный сигнал с флотов ВМФ РФ о службе выпускников;
К4 - коэффициент, отражающий процесс управления.
В состав элемента 4 (управляющего объектом исследования) вводится дополнительный элемент -4А, позволяющий осуществлять мониторинг качества специальной подготовки выпускников, и элемент 4Б, дающий экспертную оценку поступающей информации.
2 Краткая характеристика процесса управления
Процесс управления складывается из циклов управления. По цепи обратной связи информация о реальном состоянии объекта передается с выхода системы обратно на его вход.
В системах с отрицательной обратной связью информация поступает с упреждением об относительном значении конечного результата (сигналы поступают в противофазе) [1]. В элементе 7 обрабатывается информация с флотов ВМФ РФ о качестве службы выпускников (а). Соответственно задающее воздействие (A) поступает в элемент уравнения 3, информационный сигнал (C) - в элемент 1, а информационный сигнал 0 - в элемент 5.
На рис. 2 представлена структурная схема и граф разработанной адаптивной системы управления, а на рис. 3 - блок-схема собственно адаптивного процесса.
2013/2
Proceedings of Petersburg Transport University
ISSN 1 81 Б-Б88Х. Известия ПГУПС 2013/2
Вход
Выход
Рис. 2. Структурная схема (а) и граф (б) адаптивной системы управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажеров военно-морских инженеров-электриков
Общетехнические задачи и пути их решения 103
104
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 3. Блок-схема адаптивного процесса управления содержанием технологии высшего профессионального образования и технических средств обучения в-м-и-э
2013/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
105
Управление содержанием электротехнических тренажёров предлагается осуществлять в разделе их методического обеспечения посредством формирования дидактических единиц такого компонента содержания специальной подготовки, как знания на стадии технического задания. При этом предлагается заложить в исходные знания материалы диссертационного исследования и ряда статей, написанных одним из авторов ранее [2-7].
3 Формирование характеристического уравнения
Наличие связей между элементами разработанной адаптивной системы описано с помощью передаточных функций. Представляется целесообразным рассмотреть элементы 2, 5, 6, 7 в качестве апериодических звеньев с передаточными функциями: элемент 2 - W =——8—; элемент
8 T8S +1
5
W5 =-—-5 T5S +1
элемент 6
W =■ —6
TS +1
= (K5 • K6 • K4Б + K5 • K6 • K4A • S +
+ K5 • K6 • K4Б • S • T7 + K5 • K6 • K4Б x
X S • T8 + K5 • K6 • K4 A • S2 • T7 +
+ K5 • K6 • K 4 A • s 2 • t +
+ K 5 • K 6 • K 4 A • s 3 • T7 • t +
+ K5 • K6 • K4Б • s2 • T7 • T{)/
(S + S2 • T5 + S2 • T6 + S2 • T7 + S2 • T8 + +S3 • T5 • T6 + S3 • T5 • T7 + S3 • T5 • T8 +
+s 3 • t • T7+s 3 • t • T+S3 • T7 • t +
+ K5 • K6 • K7 • K4Б + K5 • K6 • K8 • K4Б + +S4 • T5 • T6 • T7 + S4 • T5 • T6 • T8 +
+S4 • T5 • T7 • T8 + S4 • T6 • T7 • T8 +
+S5 • T5 • t • T7 • T +
+ K 5 • K f K7 • K 4 A •S +
+ K 5 • K 6^ V K 4 A •S +
+ K5 • K6^ K7 • K 4 A' S2 T8 +
+ K5 • K6^ K8^ K 4 A • S2 •T7 +
+ K 5 •K 6 •K 7 •K 4Б •ST +
+ K5 •K6 •K8 •K 4Б •ST7),
элемент 7 - W = -
K
T7 S +1
. В свою очередь,
элемент 4 (включающий в себя элементы 4А и 4Б) представлен в виде суммы передаточных функций пропорционального и
интегрирующего звеньев - W4 = K
K
4Б
4A
S
(см. рис. 2).
Передаточная функция контура регулирования адаптивной системы выглядит следующим образом:
W =-
Wn
W4 W W
1 + WnpWoc 1 + W4 W W •Woc
(Wa + Гб ) W • W6
1 + Г + Гб)-W5 W6 (Г7 + Г8)
Ka
Ka
S ) T5S +1 T6S +1
1 + 1 K. A + K4Б
Ka
S ) T5S +1 T6S +1 ^ T7S +1 T8S +1
где S5 T5 T T T + S4 • (T5 T T +
+T5 T t + T5 T7 T+t6 T T)+
+S3 • (T T + T5 T + T5 T8+T6 T +
+r6 T + T7 T)+S2 • (T + T + T7 +
+ T + K5-K6-K7 • K4A T8 + K5 • K6 X XK8^ K4A T7) + S(1 + K5 • K6 • K7 X
X K4 A + K5 • K6 • K8 • K4 A +
+ K5 • K6- K7 • K4Б T + K5 • K6 X
X V K 4Б T7) + K5 • K <• K 7 • K 4Б +
+K5 • K6 • K8 • K№ = 0 - характеристическое уравнение.
Используя полученное характеристическое уравнение, можно построить кривую переходного процесса контура регулирования адаптивной системы и оценить качество переходных процессов (при этом необходимо рассчитать значения величин Т и
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/2
106
Общетехнические задачи и пути их решения
коэффициентов K, указанных передаточных функций).
Рассмотрим полученное алгебраическое уравнение:
h = s 5 • т • T6 • T • г8 +
+S4 • (T • T • т+т • т • T8 +
+ T • Т-1 • T8 + Т6 • T7 • T8 ) +
+S3 • (T • T + T • T+T • T8 +
+ T6 • T7 + T6 • T8 + T7 • T8) +
+ S2 • (T + T, + T7 + T8 +
+ K5 • K6 • K7 • K4A • T8 + (1)
+ K5 • K6 • K8 • K4A • T7) +
+ S (1 + K 5 • K 6 • K 7 • K 4 A +
+ K 5 • K 6 • K8 • K 4 a +
+ K5 • K6 • K7 • K4Б • t +
+ K5 • K6 • K8 • K4Б • T7) +
+ K5 • K6 • K7 • K4Б +
+ K5 • K6 • K8 • K4Б = 0.
Рассмотрим случаи, характеризирующие невыполнение данного характеристического уравнения, определяющего передаточную функцию контура регулирования. Очевидно, что в наиболее общем случае передаточная функция не определена при выполнении системы условий:
SS =
= <
= Т5 • Т, • Т7 • Т = 0;
Т5 • Т6 • Т7 + Т5 • Т6 • Т +
+Т6 • Т7 • Т = 0;
Т5 • Т6 + Т5 • Т7 + Т5 • Т8 +
+ Т6 • Т7 + Т6 • Т8 + Т7 • Т8 = 0;
Т + Т6 + Т7 + Т8 + K5 • K6 • K7 Х Х K4A • Т + K5 • K6 • K8 • K4A • T7 = 0;
1 + K5 • K6 • K7 • K4 A + K5 • K6 Х Х K8 • K4A + K5 • K6 • K7 • K4Б • T + +K5 • K6 • K8 • K4Б • T7 = 0;
K5 • K6 • K7 • K4Б +
+ K5 • K6 • K8 • K4Б = 0
(2)
Данная система решаема при условиях, которые делают возможным появление особенностей неконтролируемого поведения передаточной функции адаптивной системы управления:
T5 = 0;
Т6 = 0;
T7 = 0;
K6 = -
K 5 • K 7 • K 4 A
K8 =- K 7;
1
Т = K 4A
Q —
K
4Б
Т5 • Т6 • Т7 • Т8 = 0.
В том случае, если
(3)
K5 • K6 • K4Б = 0 K7 + K8 = 0
(4)
характеристическое уравнение (1) порождает два уравнения четвертой степени:
h = s 4 • Т5 • Т6 • Т7 • т +
+S3 • 7 • Т6 • Т7+Т5 • Т6 • Т8 +
+т, • Т7 • Т8)+S2 • 7 • т6 +
+ Т5 • Т) + Т5 • Т8 + 76 • Т) +
+ 76 • 78 + Т7 • 78) + (5)
+ S • 7 + 76 + Т7 + 78 +
+ K5 • K6 • K 7 • K 4 A • 78 +
+ K5 • K6 • K8 • K4A • Т7) +
+ 1 + K5 • K6 • K 7 • K 4 A +
+K5 • K6 • K8 • K4A = 0;
hn = S4 • T5 • 76 • T7 • 78 +
+ S3 • 7 • 76 • T7 + T5 • 76 • 78 + 76 • T7 • 78 ) +
+ S2 • 7 • 76 + T5 • T7 + T5 • 78 + 76 • T7 +
+ 7, • 78 + T7 • 78) + S • 7 + 76 + T7 + 78 +
+K 5 • K 6 • K7 • K4 a • 78 +
+K5 • K6 • K7 • K4a • 77) +
+ 1 + K5 • K6 • K7 • K4Б • 78 +
+ K5 • K6 • K8 • K4Б • T7 = 0.
2013/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
107
Они определяют все комбинации параметров, задающие условия устойчивости функционирования передаточной функции либо ее отсутствия.
Рассмотрим случай, когда корни характеристического уравнения (1) явно определены. Это, в частности, имеет место при условии
=
= K5 • K6 • K7 • K4Б +
+K5 • K6 • K • K4Б = 0;
Т • Тб • T + т • Тб • т + Тб • T • т = 0;
1 + K 5 • K г к • K 4 A +
+ K 5 к б K8 K 4 A + , (б)
+ K 5 к б K7 K 4Б • Т +
+ K 5 к б K8 K 4Б • Т7 = 0;
Т • Тб+т5 • т + Т5 • т +
+ Т6 • Т7 + Т6 • Т + Т7 • Т8 = 0
что эквивалентно
h4 =<
K 4 a = -
1
K5 • Kб •(К7 + K8) =0 T • Т
K 4Б = 0
Т = -
Т7 + Т8
Т = 0
(7)
Следовательно, коэффициенты K5, K6, Т7, Т8 и суммы K7 + K8, Т7 + Т8 не равны нулю. Тогда уравнение (1) примет вид
h5 = S(Т • S + K5 • Kб • K7 • K4A • Т • S +
+Т7 • S + Т5 • S + K5 • K6 • K8 • K4A • Т7 • S + (8) + K5 • Kб • K7 • K4A + K5 • Kб • K8 • K4A + 1).
Его нетривиальное решение:
S = ■
- K5 • Kб • K7 • K4 A -
Т5 + Т + K 5 • k б • k7 • k 4 A • Т + ) -K5 • kб • k8 • k4a -1
+Т7 + K5 • Kб • K8 • K4 A • Т7 '
(9)
Очевидно, что при выполнении условий
(-K5 • Kб • K7 • K4a -- K5 • Kб • K8 • K4a -1) = 0;
Т + Т8 + K5 • Kб • K7 • K4A • Т + (10)
+ Т7 + K5 • Kб • K8 • K4 A • Т7 = 0
параметр S не определен, т. е. система работает непредсказуемо.
Изучая комбинации значений параметров данной формулы, установим все условия устойчивости функционирования передаточной функции1.
В общем случае исследование корней характеристического уравнения (1) возможно после определения их в явном виде в соответствии с требованиями [8].
Заключение
На наш взгляд, представленная адаптивная система достаточно полно описывает процесс управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажёров военно-морских инженеров-элек-триков в структуре военно-морского образования России. Однако отсутствие до настоящего момента математического описания, структурных и блок-схем, существующего в неявном виде управления содержанием специальной подготовки в-м-и-э препятствует дальнейшему обновлению и оптимизации обучения. Разработанная адаптивная система управления содержанием специальной подготовки и электротехнических тренажёров военно-морских инженеров-электриков является подсистемой более высокого уровня управления (Военный учебно-научный центр ВМФ, «Военно-морская академия», Военноморской политехнический институт).
Библиографический список
1. Долгосрочный прогноз и управление многоуровневыми социально-экономическими системами / Н. И. Бондаренко. - Великий Новгород, 2000. - 534 с.
1 Уравнения 1-10 составлены при участии Незбай-ло Т. Г.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/2
108
Общетехнические задачи и пути их решения
2. Вековые циклы динамики развития электротехнического знания и образования / П. Е. Ва-ливач, А. И. Субетто // Вестник КГУ им. Н. А. Некрасова. - 2006. - № 1. - С. 25-27.
3. Математический анализ гипотезы очередного всплеска открытий в теоретических основах электротехники к 2020 году / П. Е. Валивач и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2009. - № 3 (84). - С. 14-27. - (Серия «Наука и образование»).
4. Основные исторические этапы становления электротехнического образования военно-морских инженеров-электриков России / П. Е. Валивач // Труды Третьей Международной научно-практической конференции. - СПб. : Изд-во Санкт-Петербургского гос. политехнического ун-та, 2003. - С. 719-721.
5. Состояние проблемы становления и использования современных технических средств
обучения, их классификация и задачи дальнейшего развития / П. Е. Валивач // Вестник СПбУ МВД России. - 2011. - № 4 (52). - С. 163167.
6. Концептуальная модель адаптивной системы управления содержанием высшего профессионального образования специалистов ВМФ / П. Е. Валивач // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - № 3 (84). - С. 214-222. - (Серия «Наука и образование»).
7. Гносеологические аспекты и исторические факторы, влиявшие на формирование содержания военно-морского образования в различных социальных условиях / П. Е. Валивач. -СПб., 2011. - 9 с. (Деп. в ИНИОН РАН 06.03.12 г. № 61040).
8. Теория нахождения корней алгебраических уравнений / Т. Г. Незбайло. - СПб. : Корона-Век, 2007. - 208 с.
УДК 656.25
П. Е. Булавский, Д. С. Марков
Петербургский государственный университет путей сообщения
СИНТЕЗ ФОРМАЛИЗОВАННОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Предложена формализованная схема (ФС) электронного документооборота технической документации (ЭДТД) систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) как сложной системы массового обслуживания (ССМО).
ФС включает описание внешней среды в виде модели потока заявок - комплектов технических документов (ТД), систем и процессов обслуживания (обработки) заявок, формализуемых на языке параллельных логических схем алгоритмов (ПЛСА). ФС обеспечивает естественный переход к синтезу имитационной модели (ИМ) ЭДТД и в значительной мере определяет ее адекватность.
система железнодорожной автоматики и телемеханики, электронный документооборот технической документации, имитационное моделирование, формализованная схема.
Введение
Создание такой сложной и объемной системы, как электронный документооборот технической документации (ЭДТД) систем
железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), является непрерывным процессом. ЭДТД разрабатывается и внедряется поэтапно, на протяжении длительного периода времени, а уже внедренные подсистемы
2013/2
Proceedings of Petersburg Transport University
