1760

УДК 681.06:621.3 ББК 32.973.26-018.2

Щ 61

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор С.Ф. Абдулин (ОмГИС), доктор технических наук, профессор И.Г. Браилов (ОмГТУ)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии и учебнометодическим советом факультета ТТМ в качестве учебного пособия по дисциплинам “Теория автоматического управления”, “Автоматизация технологических процессов и производств”, “Проектирование систем управления” для специальности 210200 – Автоматизация технологических процессов и производств.

Щербаков В.С., Руппель А.А., Глушец В.А. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB И SIMULINK: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 160 с.

Предназначено для студентов всех форм обучения по специальностям, изучающим основы теории автоматического управления, теоретические основы электротехники и электропривода.

Учебное пособие в простой и доступной форме знакомит читателей с программными продуктами MАTLAB и Simulink. Приводятся типовые структурные схемы систем автоматического управления и их характеристики. Рассмотрены задачи анализа и синтеза как линейных, так и нелинейных систем автоматического управления. Приведены примеры моделирования электротехнических схем. Изложение сопровождается подробно разработанными примерами, иллюстрациями, пиктограммами.

Ил. 165. Библиогр.: 20 назв.

2

Оглавление

1.2.1.Командное меню.............................….................................. 8

1.2.2.Панель инструментов.......................................……............ 9

1.2.3.Панель запуска компонентов системы и браузер рабочего пространства................................................…..... 10

1.2.4.Окно истории сессии и браузер текущей директории….. 11

2.2.1.Continuous – раздел непрерывных блоков....................….. 16

2.2.2.Discrete – раздел дискретных блоков............................….. 16

2.2.9.1.Additional Discrete – дополнительные дискретые блоки..……………………………………………… 24

2.2.9.2.Additional Linear – дополнительные линейные блоки........………………………………………….. 24

2.2.9.3. Дополнительные блоки Additional Sinks....……… 25

2.2.9.4.Блоки триггеров Flip Flops............................…….. 26

2.2.9.5.Раздел преобразований Transformations..........…... 27

2.3.1.Создание нового окна модели.......................................….. 27

2.3.2.Панель инструментов.....................................................….. 28

2.3.3.Командное меню.............................................................….. 29

2.3.4.Размещение блоков в окне модели................................…. 30

2.3.5.Выделение блока или группы блоков в окне модели..…. 31

2.3.6.Сохранение модели.........................................................…. 31

2.3.7.Установка параметров блоков, входящих в модель.....…. 31

2.3.8.Установка параметров моделирования..........................…. 31

2.3.9. Добавление надписей и текстовых комментариев……… 33

3

2.3.10.Соединение блоков между собой..........................……... 34

2.3.11.Создание отвода линий...........................................…….. 34

2.3.12.Удаление соединений..............................................…….. 35

2.3.13.Изменение размеров блоков...................................…….. 35

2.3.14. Перемещение блоков и вставка блоков в соединение... 35

2.3.15.Печать текущей модели...........................................……. 35

2.3.16.Вставка модели в текстовые редакторы………………. 36

3.7.Интегрирующее звено.....................................................………. 58

3.8.Дифференцирующее звено.............................................………. 60

3.9.Звено с постоянным запаздыванием..............................………. 62

5.1.1.Критерий устойчивости по корням характеристического уравнения.........................................................................…. 69

10.3.Пример расчета однофазных электрических цепей синусои-

дального тока..........................................................................………... 155

10.4.Пример моделирования асинхронного электрического дви-

1. ЗНАКОМСТВО С ПРОГРАММНЫМ ПРОДУКТОМ MATLAB

1.1. Основные сведения о системе MATLAB

Использование персональных компьютеров в учебном процессе позволяет облегчить труд преподавателя и дать практические навыки в решении тех или иных задач, возникающих в процессе обучения. Для этих целей используется целый набор интегрированных программных систем и пакетов программ, охватывающих практически весь спектр решаемых задач. В частности, средства для автоматизации математических расчетов: Reduce, Derive, TK Solver, Mathcad, Mathematica, Maple V, MATLAB и многие другие.

Система автоматизации математических расчетов MATLAB является одной из старейших и мощнейших в этой области. Название системы произошло от сокращения – МАТричная ЛАБоратория (MATrix LABoratory), но эта ориентация программы практически не ощущается теми пользователями, которые не интересуются непосредственно матричными вычислениями, вследствие проработанности и продуманности синтаксиса языка программирования системы.

Система MATLAB была разработана фирмой Math Works, Inc. как язык программирования высокого уровня для математических, инженерных, научных и технических вычислений. В процессе развития система “обрастала” различными дополнениями в виде пакетов расширения, с увеличением количества которых росли и возможности системы. Но также несколько увеличилась сложность ее освоения на первых этапах, что несколько компенсируется развитой системой помощи (на английском языке).

Как и всякая компьютерная программа, система MATLAB обладает как достоинствами, так и недостатками. Достоинства системы очевидны и частично описаны выше, лишь необходимо отметить легкость написания программ в данной системе и открытость ее архитектуры, что позволяет легко изменять систему “под себя” и создавать новые пакеты расширений. К недостаткам системы можно отнести: линейную запись выражений и формул, что по сравнению, например, с системой Mathcad выглядит несколько неудобочитаемым; некоторую громоздкость системы, что создает сложности в ее изучении на первых этапах.

В данный момент существует довольно большое количество литературы, посвященной системе MATLAB и ее приложениям, но даже вся эта литература не может охватить все возможности и способности этого программного продукта. В частности, недостаточно освещен вопрос о применении системы MATLAB (а точнее, пакета расширения Simulink) для решения задач анализа и синтеза систем автоматического управления (САУ). Поскольку данное учебное пособие посвящено исключительно этому во-

6

просу, в нем будет использоваться только пакет расширения Simulink и работа непосредственно с системой MATLAB описываться не будет. Но так как пакет расширения Simulink не может функционировать без системы MATLAB, в следующем подразделе даны краткие рекомендации по пользованию системой MATLAB.

Также необходимо отметить, что данное учебное пособие ориентировано на использование версии MATLAB 6.0 Release 12 и версии Simulink

4.0(далее в тексте - без номера версии).

Вопросы установки системы MATLAB также опускаются. Предполагается, что MATLAB используется в операционной системе

Windows 95 OSR2, Windows 98 или Windows 98 OSR2. Запуск системы

MATLAB 6.0 производится из главного меню операционной системы либо двойным щелчком левой кнопки мыши на иконке MATLAB на рабочем столе.

После запуска появляется основное окно системы MATLAB. Это обычное окно приложений Windows, его можно перемещать, изменять его размер, открывать на весь экран и т. д.

1.2. Пользовательский интерфейс MATLAB

Интерфейс MATLAB 6.0 использует все возможности операционной системы Windows, следовательно, все окна, появляющиеся во время работы системы, можно перемещать, изменять их размеры, открывать на весь экран, сворачивать и закрывать.

После запуска системы появляется основное окно MATLAB (рис.1.1), которое состоит из пяти частей:

1– командное меню;

2– панель инструментов;

3– панель запуска компонентов системы (Launch Pad) и браузер (редактор) рабочего пространства (Workspace);

4– окно истории сессии1 (Command History) и браузер текущей директо-

рии (Current directory);

5– командное окно (Command Window).

1 Сессией здесь называется сеанс работы в системе MATLAB в прямом режиме ввода команд

7

1

2

5

3

4

Рис.1.1. Основное окно системы MATLAB

1.2.1. Командное меню

Командное меню (рис.1.2) предназначено для управления и настройки системы и содержит следующие пункты:

File – операции открытия нового файла, загрузки, сохранения и печати файлов, стандартные для операционной системы Windows;

Edit – операции редактирования сессии и работы с буфером обмена (команды Cut, Copy и Paste), стандартные для операционной системы

Windows;

View – управление внешним видом окон MATLAB;

Web – доступ к интернет-ресурсам;

Window – переключение между открытыми окнами MATLAB;

Help – доступ к справочной системе и демонстрационным примерам

MATLAB.

Рис.1.2. Командное меню системы

MATLAB

8

Стандартный способ открытия меню мышью - это выбор пункта меню и щелчок по нему левой кнопки мыши. Кроме того, для открытия какойлибо позиции главного меню можно воспользоваться “горячими клавишами” – при нажатой клавише Alt нажать клавишу символа, подчеркнутого в названии позиции. Например, чтобы открыть позицию Window, надо, удерживая клавишу Alt, нажать клавишу W.

Рис.1.3. Подменю командного меню сис-

темы MATLAB

Открытая позиция главного меню выглядит как подменю (рис.1.3), содержащее различные операции и команды. Выделенная команда или операция исполняется при нажатии клавиши Enter. Выполнение команды можно также осуществить двойным щелчком мыши.

1.2.2. Панель инструментов

Панель инструментов (рис.1.4) системы MATLAB предназначена для быстрого доступа к основным функциям интерфейса, что осуществляется с помощью кнопок, выполняющих следующие функции:

1– New M-file - выводит пустое окно редактора m-файлов;

2– Open file - открывает окно для загрузки m-файла;

3–Cut- вырезает выделенныйфрагмент ипомещает его вбуфер обмена;

4– Сору - копирует выделенный фрагмент в буфер;

5– Paste - вставляет фрагмент из буфера в текущую строку ввода;

6– Undo - отменяет предшествующую операцию;

7– Redo - восстанавливает последнюю отмененную операцию;

8– Simulink - открывает окно браузера библиотек Simulink;

9– Help - открывает окно справки;

10– Current Directory - выбор рабочего каталога системы.

Оназначении кнопок говорят и всплывающие подсказки, появляющиеся, когда стрелка мыши устанавливается и некоторое время удерживается на соответствующей кнопке.

Рис.1.4. Панель инструментов системы MATLAB

9

Наиболее важной кнопкой (для целей данного учебного пособия) является кнопка открытия окна браузера библиотек Simulink (см. рис.1.4,

поз.8).

1.2.3. Панель запуска компонентов системы и браузер рабочего пространства

Панель запуска (рис.1.5) предназначена для быстрого доступа к компонентам системы MATLAB (в том числе и к Simulink) и к их описаниям, а также к ссылкам Internet.

Рис.1.5. Панель запуска компонентов системы MATLAB

Браузер рабочего пространства (рис.1.6) предназначен для удобного просмотра хранящихся в оперативной памяти переменных, используемых системой при своей работе (пакет расширения Simulink также создает переменные в рабочей области).

Рис.1.6. Браузер рабочего пространства системы MATLAB

10