4 Тарау. Тұрақты ток қозғалтқышын модельдеу үшін Labview бағдарламалық ортаның қолданылуы

Қазіргі кезде автоматтық басқару жүйесінің (АБЖ) жұмысын зерттеу және сапасын бағалау жүйенің жұмыс тиімділігін қамтамасыз ететін, маңызды міндеті болып табылады. АБЖ зерттеу бағдарламалық ортаны қолдану негізінде модельдеу жолымен жүзеге асырылады. Қолданбалы бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеудің заманауи құралдары бағдарламалардың кең таңдауын ұсынады: Matlab, LabView, Classic, Mathcad… Бірақ қандай орта ең ыңғайлы және көп функционалды? LabVIEW. LabVIEW қолдануды болжаймыз ол құрылымдық схемалар формасында бағдарламаларды жасау үшін арналған, бағдарламалаудың графикалық тілін қолданады. LabVIEW автоматтық басқару жүйелерінің (АБЖ) және деректерді жинау жүйелерін құру үшін арналған, функциялар мен инструменталдық құралдарының ауқымды кітапзаналарын құрайды. LabVIEW сонымен қатар бағдарламаларды әзірлеудің стандартты инструменталдық құралдарын қамтиды [1].

Басқару жүйелерін зерттеу кезінде LabVIEW жүйесін қолданудың бірқатар артықшылықтары бар:

• алған өлшеу нәтижелерінің көрнекілігін арттыру, зерттелетін шамалардың бар тәуелділіктерін визуалды байқау және өзара әрекеттестіктердің негізгі заңдылықтарын анықтау мүмкіндігі;

• ақпаратты кестелік, цифрлық немесе графикалық формасында көрсету оның алдын ала өңделуін жүргізуге мүмкіндік береді;

• ақпаратты сақтау мен өңдеу ыңғайлығы қайталанба эксперименттерді өткізу қажеттілігінен арылтады.

Бірақ, аталған ортаның ең басты артықшылығы АБЖ зерттеу кезінде нақты физикалық элементтерін қолдану мүмкіндігі болып табылады. LabVIEW зерттеу процесінде басқарудың нақты объектілерін қолдануға мүмкіндік береді, өлшеуіш және басқару аппаратурасымен өзара әрекеттесуді ұйымдастыру, ақпаратты жинау, өңдеу, ақпаратты және есептердің нәтижелерін көрсету үшін түрлі құралдардың қосылуы үшін қолданылуы мүмкін, осылайша жүргізілетін зерттеулердің зор анықтығы мен нақтылығын қамтамасыз ете отырып, LabVIEW түрлі жағдайларды, сонымен қатар апаттық және «мүкін еместерін» жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

LabVIEW бағдарламалық ортасы үшін анайы міндеті бар пакеттердің зор саны әзірленген. Олардың қатарына пакет Control Design and Simulation Toolkit жатады. Бұл пакетті қондырған соң функциялардың стандартты жиынтықтары LabVIEW басқару жүйелерін басқару және жобалаудың және модельдеу кітапханасының кітапзана элементтерімен толықтырылады [2].

Жұмыстың негізгі мақсаты оқыту процесінде АБЖ модельдеу және зерттеу үшін Control Design кеңейту модулін зерттеу бойынша әдістемелік нұсқаулардың әзірленуі болып табылады. Control Design базалық функцияларының тізімі 1 суретінде берілген.

4.1 сурет. Control Design функциялар палитрасы.

LabVIEW бағдарламалары виртуалды аспаптар деп аталады, себебі олардың түрі мен функциясы нақты өлшеуіш аспаптарына ұқсатады, сонымен бірге виртуалды аспаптар бағдарламалаудың стандартты тілдер бағдарламаларындағы функцияларына ұқсас.

Аатоматтық басқару жүйелерінің көбісін қолданыс алдында енгізу алдында модельдеу қажет, және LabVIEW тек модельдеу ғана емес, сонымен бірге өнеркәсіпте және ғылыми зерттеулерде түрлі технологиялық процестерін басқару және автоматтандыру үшін кеңінен қолданылатын, инженерлерді, студенттерді қуатты және ыңғайлы бағдарламалау құралымен қамтамасыз етеді.

Қазіргі кезеңде жоғары білім беру саласында, сапалы білім алуға ықпал ететін, оқытудың инновациялық әдістерін енгізу жұмысы жүргізілуде. Осыған байланысты көптеген университеттер мен техникумдар зертханалық жабдық базасының жақсартуын жүзеге асырады. Бұл міндеттің шешілуі көптеген оқу орындары үшін экономикалық тұрғыдан шамасы келмейтіндігі мәселелердің бірі болып табылады.

Сондықтан бірқатар жағдайда, тәжірибелік зерттеулер мен ақпараттық технологияларды қолдануын жалпы дербес компьютерлерде өткізген жөн. Қойылған міндетті шешідің бұл тәсілі қолжетімді және жеткілікті тиімді болып табылады. Қазіргі кезде көптеген бағдарламалық орталардың болуы бағдарламашыларға аса күрделі міндеттердің шешілуін жеңілдетуге мүмкіндік береді.

Динамикалық объектілердің виртуалдық модельдерін (ДОМ) құру үшін құрастырылған әмбебап модулі желілік және желілік емес дифференциалдық және алгебралық теңдеулер жүйелері түрінде жазылуы мүмкін, динамикалық объектілердің модельдерін тұруға мүмкіндік береді.

4.1 Динамикалық объект моделінің сипатталуы Әмбебап ДОМ LabVIEW құрылған екі DLL тұрады. 1, 2 суретінде көрсетілген кіріс және шығыс (беткі панель), сонымен қатар, жүйе немесе зерттелетін объект символдық форматтан арнайы сандыққа сипатталатын, дифференциалдық және алгебралық теңдеулерді декодтау үшін арналған бірінші DLL бастапқы блок-диаграммасының келтірілген фрагменті.

Кіріс параметрі бес элементтен тұратын кластер болып табылады:

- екі өлшемді (2D) дифференциалдық теңдеулерінен символдық түрде оң және сол жақ бөліктерін белгілеу үшін жолдар массиві (ізделіп отырған немесе белгісіз параметрлердің);

- белгілі сандық мәнімен параметрлер түрінде белгілеу үшін бірөлшемді (1D) жолдар массиві (пайдаланушымен есептеу процесінде өзгертілуі мүмкін), ол дифференциалдық жүйеге де, желілік алгебралық теңдеулер жүйесіне де кіреді;

- алгебралық теңдеулер жүйесінің оң және сол жақ бөліктерін белгілеу үшін екі өлшемді (2D) жолдар массиві (егер ондай болса);

- желілік алгебралық теңдеулер жүйесіне кіретін белгісіз параметрлерді белгілеу үшін бір өлшемді (1D) жолдар массиві;

- дифференциалдық және /немесе желілік алгебралық теңдеулерге, соынмен қатар белгілі сандық мәні бар параметрлеріне де тәуелді қосымша шамалар есебі үшін қажетті, формулалардың оң және сол жақ бөліктерін белгілеу үшін екі өлшемді (2D) жолдар массиві.

Шығыс параметрі сегіз элементтен тұратын кластер болып табылады:

-сандық массивтердің үш жұбы (үш өлшемді (3D), екі өлшемді (2D)

Желілік алгебралық, дифференциалдық теңдеулердің, қосымша шамалар есебінің формулалар жүйесінің оң жақ бөлігінің сандық көрсетілуін ұсынады;

• 

• Бір өлшемді (1D) желілік алгебралық, дифференциалдық теңдеулердің, қосымша шамалар есебінің формулалар, жүйесіне кіретін (белгілі және белгісіз) барлық символдық параметрлер мәндерінің сандық көрсетілуін ұсынатын массив. Бұл бір өлшемді массив жоғарыда сипатталған сандық массивтердің үш жұбына дейін толықтырғыш болып табылады;

• Желілік алгебралық теңдеулер жүйесіндегі белгісіз саны

1 – сурет. Кіріс және шығыс параметрлері (беткі панель) бірінші DLL МДО

2 сурет – бірінші DLL МДО блок-диаграммасының фрагменті

3, 4 суретте көрсетілген кіріс және шығыс параметрлері (беткі панель), сонымен қатар, келтірілген екінші DLL блок-диаграммасы, ол 4-ші тәртіптегі Рунге-Кут әдісінің көмегімен дифференциалдық теңдеулердің оң бөліктерін есептеу және матрицалық формада желілік алгебралық теңдеулер жүйесін шешу үшін арналған:

Кіріс параметрі он екі элементтен тұратын кластер болып табылады:

және бірінші сегізі бірінші DLL кітапханасы кластері элементтері болып табылады;

- тоғызыншы жұмыс алгоритміне байланысты есептеу процесінде пайдаланушымен өзгертілуі немесе өзгеріссіз болуы мүмкін жүйенің белгілі параметрлер сандық мәндері бар бір өлшемді массивті (1D) көрсетеді.

- оныншы ағымдағы уақыт сәтіндегі дифференциалдық теңдеулердің сол жақ бөліктерінің белгісіз параметрлерінің сандық мәндері бар бір өлшемді (1D) массивті көрсетеді ;

• он бірінші – ағымдағы уақыт сәті текущий момент времени ;

• он екіншісі – интеграциялау қадамы .

Шығыс параметрі үші элементтен тұратын кластер болып табылады:

- келесі (есептік) уақыт сәтіндегі дифференциалдық теңдеулердің сол жақ бөліктерінің белгісіз параметрлерінің сандық мәндері бар бір өлшемді массиві (1D);

- келесі (есептік) уақыт сәтіндегі, формуланың қосымша шамалардың сандық мәндері бар бір өлшемді (1D) массиві,

оларды есептеу үшін жазылған

- жазылған желілік алгебралық теңдеулер жүйесіне кіретін, келесі (есептік) уақыт сәтінде белгісіз параметрлердің сандық мәндері бар бір өлшемді массив (1D)

.

3 сурет – кіріс және шығыс параметрлері (беткі панель) екінші DLL МДО

4 сурет – Блок-диаграмма екінші DLL МДО

«Асинхронды қозғалтқыш-тәуелсіз қоздырудың тұрақты ток қозғалтқышы» жүйесінің математикалық моделі

Асинхронды қозғалтқыштың (АҚ) математикалық моделі нөлдік өткізгішсіз жұлдыз орамдар қосылысы схемасымен координаттардың үш фазалық жүйесінде жазылған:

- дифференциалдық теңдеулер жүйесі

Тәуелсіз орамы бар тұрақты ток қозғалтқышының математикалық сипатталуы

5 суретте координаттардың үш фазалық жүйесінде LabVIEW ортасында әмбебап кітапханалық модульге АҚ математикалық сипатталу жазбасы көрсетілген және тікелей іске қосу және жүктемені түсіру кезі графиктері келтірілген. 6 суретте модульдің DLL шақыртуы көрсетілген координаттардың үш фазалық жүйесіндегі АҚ жұмысын модельдеу кезіндегі әмбебап кітапханалық блок-диаграмма көрсетілген.

\

5 сурет – координаттардың үш фазалық жүйесінде және әмбебап кітапханалық модульдің қолданылуы кезінде ауыспалы процестер графиктерінде АҚ математикалық сипатталуы.

6 сурет – әмбебап кітапханалық модулінің DLL шақырту жолымен координаттардың үш фазалық жүйесіндегі АҚ жұмысын модельдеу кезіндегі блок-диаграмма түрі.

7 суретте қоздырудың тәуелсіз орамымен ТТҚ математикалық сипатталуының LabVIEW ортасында әмбебап кітапханалық модульге жазбасы көрсетілген және тікелей іске қосу мен жүктемені түсірудегі графиктер келтірілген. 8 суретте қоздырудың тәуелсіз орамымен ТТҚ жұмысын модельдеу кезіндегі әмбебап кітапханалық модульдің DLL шақырту көрсетілген блок-диаграмма келтірілген.

7 сурет – әмбебап кітапханалық модульді қолдану кезіндегі ауыспалы процестердің графиктері мен тәуелсіз қоздыру орамымен ТТҚ математикалық сипатталуы.

8 сурет – әмбебап кітапханалық модульдің DLL шақырту жолымен тәуелсіз қоздыру орамымен ТҚҚ АҚ жұмысын модельдеу кезіндегі блок-диаграмманың түрі.

Суреттерден көрініп тұрғандай, объектінің математикалық моделі бағдарламасына жазу үшін ақпаратты енгізу үшін бірнеше алаңы көзделген. «SODE» алаңы жолдардың екі массивіне ие, оларға канондық символдық түрінде дифференциалдық теңдеулер енгізіледі (бірінші массивке – ізделіп отырған шама, екіншісінде – теңдеулердің оң жақ бөліктері). «Expressions of SODE» алаңы да оыслайшы ұйымдастырылған, тек айырмашылығы, оған ізделіп отырған (белгісіз), сонымен қатар өзгертілетін (белгілі) айнымалыларына тәуелді қосымша параметрлерді есептеуге арналған формулалар жазылатындығы. Теңдеулер жолдарында жазылған барлық ізделіп отырған (белгісіз) және өзгертілетін (белгілі) айнымалылар бағдарламаның дұрыс жұмысы үшін «Parameters» алаңында көрсетілетін болуы тиіс. Әмбебап кітапханалық модулі дұрыс жұмысының екінші «Бастапқы жағдайлар» және дифференциалдық теңдеулер санының теңдігі, соынмен қатар «Параметрлер мәндері» саны мен «Parameters» алаңындағы элементтер санының теңдігі болып табылады.

Құрастырылған модульдің қолданылуымен жүзеге асырудың үлгісі

Үлгі ретінде, МДО көмегіен «асинхронды қозғалтқыш-тәуелсіз қоздырудың тұрақты ток қозғалтқышы» электр жетегі жүйесін зерттеу үшін виртуалдық зертханалық стенд құрылған. 9 суретте бұл стендтің сыртқы түрі келтірілген.

Виртуалдық стенд екі бөліктен тұрады: біріншісі электр машиналары жұмыс тәртіптерін басқару және параметрлерін белгілеу үшін арналған, және «Схема», «Электр машиналарының параметрлері» атты екі қосымша парақтарын қамтиды; екіншісі динамикалық (ауыспалы процестер мен фазалық портретті) және статикалық сипаттамаларын көрсету үшін арналған.

«Схема» қосымшасы интерактивті басқару және стенд жұмысын көрнекті көрсету үшін арналған, стендтің мнемосхемасын қамтиды. Бұл қосымшада пайдаланушы бақылау-өлшеуіш аспаптардың (вольтметр, амперметр, тахометрлер) көмегімен электр машиналарының жұмысын бақылау мүмкіндігіне ие болып, сонымен бірге: қуаттану автоматтары, релелік-контактілі аппаратурасы мен тиристорлық түрлендіргіштер көмегімен оларды басқара алатын болады.

QF1 – фазалық ротормен АҚ қуаттануы;

QF2 – фазалық роторымен АҚ динамикалық тежеу тәртібін жүзеге асыру үшін тиристорлық түрлендіргіштің ТП1 қуаттануы;

QF3 –тәуелсіз қоздыру орамымен ТТҚ зәкірлік тізбегінің ТП2 тиристорлық түрлендіргіштің қуаттануы;

QF4 – тәуелсіз қоздыру орамымен ТТҚ қоздыру орамы тізбегінде ТП3 тиристорлық түрлендіргіштің қуаттануы;

SB1-SB7– электр машиналарының жұмыс тәртіптерін басқаруға арналған батырмалар;

SB1, SB2 – фазалық роторымен АҚ іске қосу/реверс АД;

SB3 – фазалық роторымен АҚ динамикалық тежеу тәртібін қосу; SB4 – ТТҚ;

SB5 – тәуелсіз қоздыру орамымен ТТҚ динамикалық тежеу тәртібінің қосылуы;

SB6, SB7 – фазалық роторымен АҚ тоқтату / қоздырудың тәуелсіз орамымен ТТҚ.

Реостаттардың көмегімен АҚ ротор тізбегіндегі кедергіні (Rдр) өзгерту, ТТҚ тәуелсіз қоздыру орамымен (Rдв) зәкірлік орамның (Rдт, Rп) өзгерту мүмкіндігі бар.

«Ауыспалы процестер» қосымщасында электр машиналарының әрқайсысы үшін ауыспалы график түрінде экранға шығаруға мүмкіндік беретін екі координаталық жазықтықтар орналасқан. Абсцисстер осі бойынша секунда бойынша уақыт ескеріледі, координата осі бойынша пайдаланушы тізімнен қажетті сипаттамаларды координаталық жазықтықтардың әрқайсысынан «+» «-» элементтерінің көмегімен таңдап алу мүмкіндігі бар.

«Фазалық портрет» қосымшасы АҚ фазалық портретін графикалық көрсету үшін алаңын қамтиды. Абсциссасы бойынша және ординат осі бойынша пайдаланушы «+» «-» элементтерінің көмегімен қажетті шамаларды тізімнен таңдап алуы мүмкін. Сызықтың әр түрлі түсімен фазалық портреттерді бір жазықтықта шығару мүмкіндігі болады. Басқа түсі бар учаскеге ауысу үшін «Ауысу» батырмасын басу қажет. Барлық графиктерді жою үшін «тазарту» батырмасы қызмет етеді.

«Статикалық сипаттамалар» қосымшасы: электр машиналарының түрлі жұмыс тәртіптерін зерттеу кезінде жүргізілген эксперименттерінің нәтижелерін тіркеу үшін қажетті «Ағымдағы эксперимент» және «Эксперименттер таблицасы» таблицаларынан тұрады, «Атауы» алаңы ағымдағы жүргізіліп жатқан эксперименттің атауын енгізу үшін және бір координаталық жазықтықты эксприменттер нәтижелерінің график түрінде көрсетілуі үшін арналған. «Жазу» батырмасын басу бойынша барлық аспаптардың ағымдағы көрсеткіштері «Ағымдағы эксперимент» таблицасына жазылады. Таблицаның қандай да бір жолын тінтуір курсорымен белгілеп, «Жою» батырмасын басып, жоюға болады. «Ағымдағы эксперимент» таблицасына жазылған деректер, «Атауы» алаңын толтырғаннан кейін «Эксперименттер таблицасы» таблицасына автоматты түрде көшіріледі. Бірнеше таблицалармен жұмыс жасау мүмкіндігі бар, сонымен қатар, олардың арасындағы қайта қосу скроллер астында орналасқан айналдыру арқылы жүзеге асырылады. Алынған эксперименталдық деректер негізінде статикалық сипаттаманы құру үшін «Атауы» алаңын толтырып, шығып тұратын тізімдерден X, Y кооррдинаталарына сәйкес келетін шамаларын таңдап, «Құру» элементінде қанат белгісін қою қажет. Бұл кезде координаталық жазықтықта эксперименталды ауытқыма көрінеді. Ауытқымаларды көрсету ыңғайлығы үшін графиктердің сыртқы түрін түзету мүмкіндігі бар – сызықтардың түрі, ені, түсін өзгерту, нүктелердің көріну тәсілін таңдау және т.б.

Сыртқы оң жақ бұрышында математикалық модельдің есептен жаңылысы нақтылығын беру үшін «Есептеу қадамы» сандық контроллер орналасқан.

Стенд жұмысын «Схема» қосымшасында оң жақ жоғарғы бұрышындағы тиісті батырмасының көмегімен немесе «Динамикалық сипаттамалары» қосымшасына ауыстыру жолымен тоқтата тұруға (үзілісті қосуға) болады. «Электр машиналарының параметрлері» қосымшасынан «Схема» қосымшасына ауысу кезінде автоматтық түрде үзіліс қосылады.