5. Методические указания

1. При задании суммарных коэффициентов передачи К_0∑=К₀С₀, К_п∑=К_пС_п и К_и∑=К_иС_и следует учитывать, что постоянные коэффициенты имеют значения К₀=10, К_п=1 и К_и = 1 с^-1. Коэффициенты передачи потенциометров С₀, С_п и С_и могут задаваться в пределах 0,05÷1. Интегрирующий блок имеет два диапазона: К_и и 10×К_и, то есть позволяет получить постоянные коэффициенты передачи 1 с^-1 и 10 с^-1.

2. При подготовке схемы моделирования следует отключить ненужные блоки путем установки потенциометров С_N, C_д в положение нулевого коэффициента передачи. Тумблеры в цепях обратной связи модели объекта управления и выходного сигнала управляющего устройства следует поставить в нижнее положение.

3. Для всех экспериментов следует выбрать задающее воздействие . Значение задающего воздействия А получить у преподавателя. Величину А следует отрегулировать соответствующим потенциометром в режиме РАБОТА.

4. При определении времени переходного процесса t_р переключатель секундомера следует установить в положение «От ε».

5. При определении квадратичной оценки могут использоваться два диапазона «J» или «10J» вычислителя оценки. При выборе диапазона следует руководствоваться удобством отсчёта значений и отсутствием зашкаливания измерительного прибора.

6. Экспериментальные и расчётные данные оформлять в табличных и графических формах.

6. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ОТЧЕТА

1. Цель лабораторной работы.

2. Основные теоретические положения.

3. Схема соединений лабораторной установки и исходные данные.

4. Структурная схема исследуемой системы автоматического управления. Передаточные функции системы с П, И и ПИ– регуляторами.

5. Экспериментальные и расчётные данные, оформленные в табличных и графических формах, по всем пунктам лабораторного задания.

6. Выводы по проведённым экспериментальным исследованиям.

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ПРОГРАММНОЙ среды VISSIM.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы: изучение прикладного программного пакета VisSim; исследование линейной системы автоматического управления, включающее оценку устойчивости и качества работы.

Продолжительность работы – 8 часов.

1. Общее представление о vissim

1. Назначение программы VisSim

Прикладной программный пакет VisSim – мощное, удобное в использовании, компактное и эффективное средство, предназначеное для построения, исследования и оптимизации виртуальных моделей физических и технических объектов, в том числе и систем управления. VisSim это аббревиатура выражения Visual Simulator – визуальная, воспринимаемая зрением, среда и средство моделирования.

Программа VisSim разработана и развивается компанией Visual Solutions [13]. Предоставляет человеку развитый графический интерфейс, используя который, исследователь создает модель из виртуальных элементов с некоторой степенью условности так же, как если бы он строил реальную систему из настоящих элементов. Это позволяет создавать, а затем исследовать и оптимизировать модели систем широкого диапазона сложности [5].

При описании и последующем построении модели в среде VisSim нет необходимости записывать и решать дифференциальные уравнения, программа это сделает сама по предложенной ей исследователем структуре системы и параметрам её элементов. Результаты решения выводятся в наглядной графической форме. Поэтому программой могут пользоваться и те, кто не имеет глубоких познаний в математике и программировании.

При использовании VisSim не требуется владеть программированием на языках высокого уровня или ассемблере. В то же время специалисты, владеющие программированием, могут создавать собственные блоки, дополняя ими богатую библиотеку стандартных блоков VisSim.

В настоящее время доступны следующие версии VisSim:

• Академическая версия 3.0 – для некоторых вузов поставляется фирмой Visual Solution Inc. бесплатно. Имеет некоторые ограничения и предназначена для использования в учебных, некоммерческих целях.

• Студенческая версия – доступна бесплатно.

• Версия 5 и 6 – возможности расширены, но бесплатно доступны только ознакомительные варианты.

2. Графический интерфейс

Интерфейс программы – это совокупность средств, позволяющих человеку общаться с ней:

• вводить и получать данные;

• подавать управляющие воздействия и наблюдать реакцию на них программы;

• контролировать ход ее выполнения и т.п.

Программный комплекс VisSim использует развитый графический интерфейс, позволяющий основную часть создания модели выполнить с помощью мыши, а параметры элементов ввести с клавиатуры. Интерфейс VisSim состоит из основной панели (главного окна), имеющей меню и ряд кнопок управления, воспринимающих щелчки кнопок мыши, и совокупности окон, в которых строится модель и наблюдаются результаты ее работы.

Основная панель (панель управления) – верхняя часть главного окна программы, появляющаяся в верхней части экрана после запуска VisSim (рис. 1). Она содержит меню, кнопки управления и настройки. Нижняя часть это Палитра блоков – структурированный набор вкладок, содержащих образцы моделей различных элементов, которые могут быть вынесены в окно модели (схемное окно). При необходимости палитра блоков может быть перенесена на другое место или вовсе удалена с экрана для освобождения места для схемы модели, индикаторов и др. На рис. 1 выделена кнопка Пуск (Симуляция) и два важных набора элементарных блоков: генераторы и индикаторы. Кроме этого, в Палитру включены блоки, часто используемые при построении разнообразных систем. Другие блоки из библиотеки VisSim могут быть доступны пользователю через Меню─>Блоки.

Рис. 1. Основная панель программы VisSim

С точки зрения исследователя, интерфейс программы VisSim представляет собой интерактивный виртуальный лабораторный стенд, обеспечивающий построение моделей из отдельных блоков, запуск процесса моделирования, управление им и контроль результатов (рис.2).

Рис. 2. Главное окно VisSim с примером простой диаграммы

Диаграммой в VisSim называется совокупность связанных, а также автономных блоков и надписей, помещенных на рабочее пространство и способных в известном смысле функционировать при запуске процесса моделирования. Диаграмма может быть сохранена в виде отдельного файла и, при необходимости, открыта вновь.

Модель VisSim это часть диаграммы, содержащая виртуальный аналог реальной или проектируемой системы. Диаграмма может содержать несколько моделей.

К модели VisSim в принципе могут быть подключены, с помощью дополнительных компьютерных плат, и внешние физические устройства, которыми модель системы, построенная в VisSim, сможет управлять. Таким образом, объектами управления модели системы автоматического управления, построенной в VisSim, могут быть не только виртуальные, но и реальные устройства.

3. Основные блоки VisSim

Блоки VisSim можно условно разделить на три основных категории и одну дополнительную:

• Блоки, имеющие только выход: генераторы.

• Блоки, имеющие вход и выход: преобразователи.

• Блоки, имеющие только вход: индикаторы.

  • Осциллограф.

  • Цифровой индикатор.

• Блоки без входов и выходов: надписи, комментарии и др.

Важным компонентом модели является соединительная линия – виртуальный аналог физического соединения элементов, передающего воздействия от одного элемента к другому. Соединительные линии в VisSim однонаправленные, передают сигналы с выхода одного блока к входу другого. Поэтому при построении модели следует так разделять реальную систему на функциональные блоки, чтобы последующий блок практически не влиял на функционирование предыдущего. Например, выходное электрическое сопротивление предыдущего блока должно быть значительно меньше входного сопротивления последующего блока.

Примечание: входные и выходные сигналы могут быть как одиночными функциями времени, так и набором таких функций. В последнем случае сигнал называется векторным, как и соответствующий вход или выход блока.

1. Генераторы сигналов

Генераторы – это блоки, имеющие только выход. Они вырабатывают изменяющиеся во времени или постоянные сигналы.

Примерами таких блоков в VisSim являются блоки:

• 1(t-dT) (step – ступенька) – генератор ступенчатой единичной функции Am×1(t);

• V(t-dT) (ramp – спуск, подъем) – генератор линейно нарастающего сигнала (с постоянной скоростью);

• синусоида (sinusoid) – генератор синусоидального сигнала X_msin(ωt+φ);

• синхроимпульсы (pulse Train) – генератор синхроимпульсов;

• a*(t-dT)^2/2 – генерирует параболический сигнал с постоянным ускорением;

• const – генератор постоянного сигнала, величина которого не меняется в процессе работы модели;

• регулятор (slider – скользящий контакт, ползунок) – генератор постоянного сигнала, величину которого можно менять в процессе работы модели.

Кроме этого, имеются блоки – генераторы случайных воздействий.

Для помещения блока на рабочее пространство следует выбрать меню Блоки, перейти на пункт Генераторы, затем щелкнуть по названию требуемого генератора, перевести курсор в нужное место рабочего пространства и щелкнуть левой кнопкой мыши.

2. Преобразователи

Преобразователи – это блоки, имеющие входы и выходы. Блоки-преобразователи способны воспринимать воздействия от других блоков, преобразовывать их в соответствии с определенными уравнениями или правилами и выдавать преобразованный сигнал (отклик, реакцию блока) на выход.

Важнейшие блоки для моделирования линейных систем:

• блок Передаточная функция (Transfer Function). Этот блок позволяет создавать модели как простых, так и очень сложных элементов линейных систем и систем в целом;

• блок Пространство состояний (State Space) – позволяет создавать модели по описанию систем в пространстве состояний;

• блок Интегратор (Integrator) – осуществляет интегрирование входного сигнала по времени и является фундаментальным кирпичиком любой модели линейной системы;

• Сумматор (SummingJunction) двух и более сигналов – его выходной сигнал равен сумме входных;

• Коэффициент передачи (gain) – усилитель.

Многие блоки этой группы, являющиеся элементами большинства моделируемых систем, вынесены на основную панель. Все возможные блоки – преобразователи доступны также на вкладке Блоки Панели управления.

3. Индикаторы

Индикаторы – это блоки, имеющие только вход. Индикаторы программы VisSim предназначены для отображения сигналов в форме, удобной и привычной для исследователя.

Важнейшими индикаторами являются блоки:

• блок Осциллограф (plot) является универсальным прибором визуализации входных сигналов;

• блок Дисплей (display) отображает текущие значения входного сигнала, используя заданное количество знакомест.

Кроме этого, в библиотеке блоков VisSim имеется светодиодный пробник (light), который осуществляет постоянный мониторинг входного сигнала, отслеживая его нахождение в трех диапазонах, а также прибор (meter) для визуализации величины входного сигнала, отображая ее с помощью стрелочного или шкального указателя.

Основные блоки-индикаторы находятся на Панели управления, а также доступны через пункт Меню─>Блоки─>Приборы и датчики.

4. Надписи и комментарии

Надписи – это блоки без входов и выходов. Эти блоки позволяют создавать на рабочем пространстве диаграммы VisSim текстовые области, которые помогают понять смысл диаграммы и содержат сведения о том, кто, когда и какую диаграмму создал. Основной блок: Метка – надпись.