Моделирование одноконтурной АСР.

Задание. Построить модель одноконтурной АСР с объектом, заданным передаточной функцией вида

 

и ПИ-регулятором с настройками К₀ = 0,08 и К₁ = 0,1.

Построить переходные характеристики по заданию и по ошибке.

Для моделирования объекта управления были использованы блоки передаточной функции (transferFunction), запаздывания (timeDelay) и константы (const).

Сигнал задания определяется в блоке константы (const). Выходные сигналы регистрируются в блоке графика (plot).

Настройки ПИ-регулятора задаются усилительными блоками (gain). Также в модели регулятора использован интегратор (integrator) и сумматор (summingJunction).

Обратная связь реализована с помощью формирователя связи (wirePositioner) и сумматора (summingJunction). По умолчанию все сигналы, поступающие на вход сумматора, берутся с положительными знаками. Для смены знака на противоположный (например, для организации отрицательной обратной связи) необходимо нажать клавишу «Ctrl» и, удерживая ее в нажатом положении, щелкнуть правой кнопкой мыши по соответствующему входу.

После расположения блоков на диаграмме, соединения их линиями связи и настройки диаграмма запускается на исполнение.

 

Ответы на вопросы:

 

1. Что такое модель и моделирование? С какой целью оно осуществляется?

Моде́ль (фр. modèle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец») — это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе, это упрощённое представление реального устройства и/или протекающих в нём процессов, явлений.

Построение и исследование моделей, то есть моделирование, облегчает изучение имеющихся в реальном устройстве (процессе, …) свойств и закономерностей.

На этапе структурного проектирования необходимо осуществить моделирование системы на уровне отдельных устройств и функциональных узлов. Моделирование функционирования системы связи на уровне диаграмм дает возможность достаточно быстро пройти этот этап и рассмотреть поведение системы, определив предварительные параметры ее архитектуры.

 

1. Для чего предназначена программа VisSim?

Программа VisSim предназначена 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 (USA). Эта программа – мощное, удобное в использовании, компактное и эффективное средство моделирования физических и технических объектов, систем и их элементов.

Программа предоставляет человеку развитой 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.

1. Какие дополнения внесены в программу VisSim/Comm?

Пакет может выполнять HMI-функции визуализации информации и внесения управляющего воздействия посредством стандартных плат сбора данных (DAQ-board), что приближает этот пакет к SCADA-программам (LabVIEW, GENIE, LABTECH, TRACE MODE, DasyLab, Test Point) и дает возможность отлаживать модели в реальном времени, в контур которых включены действующие технические устройства.

Пакет имеет возможность осуществлять динамический обмен данными между приложениями посредством DDE-сервера и DDE-клиента, что позволяет разбить проектируемую модель, и какую-то ее часть вынести в другой специализированный пакет для моделирования в синхронном режиме.

Пакет может значительно облегчить процесс проектирования изделий на цифровых сигнальных процессорах (DSP), автоматически генерируя программный C-код с построенных моделей (например, фильтры, компрессоры сигналов, регуляторы).

1. Что представляет собой интерфейс VisSim'а?

 

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

• вводить и получать данные,
• контролировать ход выполнения компьютером программы,
• подавать управляющие воздействия и наблюдать реакцию на них программы и т.п.

Программа VisSim предоставляет исследователю графический интерфейс, позволяющий основную часть работы по созданию модели выполнить с помощью мыши, а параметры элементов ввести с клавиатуры. Интерфейс VisSim состоит из главного окна, имеющего меню и ряд кнопок управления, воспринимающих щелчки копок мыши, и т.н. рабочего пространства, в котором строится и корректируется модель, наблюдаются результаты ее работы.

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.

 

1. Из каких пунктов состоит главное меню VisSim'а? Их назначение.

 

Пункты меню программного симулятора VisSim:

“File” – Позволяет создавать и сохранять файл, открывать имеющиеся, печатать и т.д.

“Edit” – Позволяет проводить редактирование данных.

“Simulate” – Позволяет запускать симуляцию и проводить ее настройку.

“Blocks” – Содержит в себе блоки размещаемые в рабочем пространстве.

“Analyze”

“View”

“Help” – Позволяет вызвать справку и узнать версию программы

 

1. В чем заключаются принципы построения моделей в среде VisSim'а?

 

Исходными данными для построения модели в VisSim’е являются структурно-функциональная схема моделируемой системы, процесса или объекта и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. Вместо таких уравнений могут быть заданы операторы или функции, характеризующие отдельные элементы моделируемой системы, например, передаточнные функции для линейных элементов и статические характеристики для нелинейных элементов.

Реальные системы и объекты состоят из отдельных, связанных и взаимодействующих друг с другом элементов. И для всей системы в целом, и для отдельных ее, должным образом выбранных элементов, можно указать место приложения воздействия, которое можно назвать входом, и место их реакции (отклика) на входное воздействие, называемое выходом. И воздействие, и реакция это некоторые физические величины, являющиеся функциями времени.

Модели систем и объектов в программе VisSim строятся из отдельных элементов – т.н. блоков. Блок это виртуальный аналог физического элемента реальной системы. «Виртуальный» в данном контексте значит воображаемый, физически не существующий, реализуемый программно, но с точки зрения человека, работающего с моделирующей программой, блок воспринимается зрением, он видим на рабочем пространстве VisSim. Термин «аналог» предполагает, что блок функционирует, он подчиняется тем же самым уравнениям, что и реальный, моделируемый элемент системы.

Виртуальные блоки VisSim’а могут иметь или вход, на который может быть подан выходной сигнал другого блока, или выход, виртуальный сигнал с которого может быть подан на вход другого блока. Наконец, блоки могут иметь и вход, и выход одновременно. Взаимодействие между блоками отображается т.н. линиями связи, указывающими направление передачи воздействий (сигналов) от одного блока к другому.

Взаимодействие между блоками моделируется сигналами – функциями времени, передаваемыми между блоками по линиям связи. Сигналы в модели могут быть измерены с помощью виртуальных измерительных устройств или рассмотрены и изучены с помощью виртуального осциллографа.

Внешне виртуальные блоки VisSim с некоторой степенью условности воспринимаются исследователем так же, как реальные устройства. Например, генераторы вырабатывают сигналы, блоки-преобразователи реагируют на входные сигналы в определенном смысле точно так же, как реальные устройства на реальные воздействия, индикаторы показывают величины сигналов.

Т.о. принцип построения модели в VisSim’е состоит в вынесении на рабочее пространство моделей реальных элементов (блоков) и соединении их в соответствии с заранее составленной структурно-алгоритмической схемой моделируемой системы. Такое построение модели из виртуальных блоков очень похоже, с известной степенью условности, на построение реальной системы из настоящих блоков (генераторов, осциллографов, и других устройств) в производственных условиях или на лабораторном стенде.

 

1. Перечислите основные блоки VisSim'а. Почему они являются виртуальными аналогами реальных устройств и приборов?

 

Блоки VisSim’а 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’е 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.

Генераторы

Генераторы это блоки, имеющие только выход.

Генераторы вырабатывают изменяющиеся во времени или постоянные сигналы.

Примерами таких блоков в VisSim являются блоки:

• step (ступенька) – генератор ступенчатой единичной функции 1₀(t);
• ramp (спуск, подъем)– генератор линейно растущего сигнала t·1₀(t);
• sinusoid – генератор синусоидального сигнала X_msin(ωt+φ);
• const – генератор постоянного сигнала, величина которого не меняется в процессе работы модели;
• slider (скользящий контакт, ползунок) – генератор постоянного сигнала, величину которого можно менять в процессе работы модели.

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 transferFunction – передаточная функция. Этот блок позволяет создавать модели как простых, так и очень сложных элементов линейных систем и систем в целом;
• integrator – блок интегратора, осуществляющий интегрирование входного сигнала по времени и являющийся фундаментальным кирпичиком любой модели линейной системы;
• summingJunction – сумматор двух и более сигналов, его выходной сигнал равен сумме входных.
• gain – усилитель.

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:

• осциллограф – plot, виртуальный осциллограф VisSim’а представляет собой окно, похожее на экран осциллографа, в котором изображается зависимость наблюдаемых сигналов от времени. На боковой стороне осциллографа помещены условные изображения входов, к которым могут быть подключены выходы других блоков диаграммы для наблюдения поведения их сигналов в зависимости от времени.
• цифровой индикатор – display, выводит в цифровом виде значение сигнала на выходе того блока, к которому он подключен. Этот прибор используется для измерения постоянных величин

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: label – надпись.

Блоки VisSim’а имеют визуальное сходство с реальными аналогами для упрощенной работы оператора с симулятором.

1. В чем состоят принципы управления моделью и получения результатов моделирования в среде VisSim'а?

 

Построенную модель следует запустить в работу, щелкнув по кнопке с зеленым треугольником "Пуск" . В результате работы модели выходные сигналы блоков начнут изменяться, их величины просматривают на виртуальном осциллографе и других индикаторах. Параметры некоторых сигналов и блоков исследователь может изменять в процессе работы модели, другие параметры можно изменить, остановив процесс работы модели. Продолжительность работы модели можно задавать до ее запуска, можно и прерывать работу модели по желанию исследователя.

Получив эту команду, программа начинает анализировать то, как соединены блоки, на основе этого анализа составляет дифференциально-алгебраические уравнения, описывающие модель и решает их. Полученные результаты, как функции модельного времени, периодически и очень часто, придаются значениям входных и выходных сигналов блоков. Эта способность программы выполнять столь сложные, интеллектуальные действия, удивляет и восхищает.

Дифференциально-алгебраические уравнения математически описывают т.н. динамические объекты, объекты очень широкого класса, обладающие инерционностью и рядом других свойств. И поскольку программа VisSim способна решать такие уравнения, то в ней можно моделировать системы и объекты очень широкого диапазона сложности.

Решение уравнений проводится по шагам – дается малое приращение времени, вычисляются, с учетом начальных условий, значения сигналов на выходах и входах всех блоков, затем вновь дается малое приращение времени, проводятся вычисления и т.д. Малая величина шага интегрирования позволяет исследователю воспринимать сигналы как непрерывные. Выходные сигналы любого блока при желании можно наблюдать на экране виртуального осциллографа или измерять виртуальным цифровым индикатором. В результате решения можно получить зависимости выходных сигналов от времени. Таким образом, работа по моделированию систем в программе VisSim для исследователя похожа на работу на реальном стенде.

Кроме того, программа позволяет более глубоко проанализировать полученные результаты и оптимизировать модель. Например VisSim предоставляет возможность быстрого построения частотных характеристик фрагментов модели и всей системы.

 

1. В чем заключаются принципы функционирования программы VisSim?

 

После того, как модель построена, когда на рабочее пространство вынесены и соединены в нужном порядке блоки, составляющие систему, генераторы сигналов и индикаторы, а также введены параметры элементов модели, может быть запущен процесс ее функционирования. Для этого следует щелкнуть по кнопке с зеленым треугольником "Пуск".

Получив эту команду, программа начинает анализировать то, как соединены блоки, на основе этого анализа составляет дифференциально-алгебраические уравнения, описывающие модель и решает их. Полученные результаты, как функции модельного времени, периодически и очень часто, придаются значениям входных и выходных сигналов блоков. Эта способность программы выполнять столь сложные, интеллектуальные действия, удивляет и восхищает.

Дифференциально-алгебраические уравнения математически описывают т.н. динамические объекты, объекты очень широкого класса, обладающие инерционностью и рядом других свойств. И поскольку программа VisSim способна решать такие уравнения, то в ней можно моделировать системы и объекты очень широкого диапазона сложности.

Решение уравнений проводится по шагам – дается малое приращение времени, вычисляются, с учетом начальных условий, значения сигналов на выходах и входах всех блоков, затем вновь дается малое приращение времени, проводятся вычисления и т.д. Малая величина шага интегрирования позволяет исследователю воспринимать сигналы как непрерывные. Выходные сигналы любого блока при желании можно наблюдать на экране виртуального осциллографа или измерять виртуальным цифровым индикатором. В результате решения можно получить зависимости выходных сигналов от времени. Таким образом, работа по моделированию систем в программе VisSim для исследователя похожа на работу на реальном стенде.

Кроме того, программа позволяет более глубоко проанализировать полученные результаты и оптимизировать модель. Например VisSim предоставляет возможность быстрого построения частотных характеристик фрагментов модели и всей системы.

 

1. Что нужно сделать, чтобы текст и надписи на рабочем пространстве VisSim'а были на русском языке?

 

Переключить раскладку…

 

1. Как создать надпись на рабочем пространстве?

 

Нужно выбрать в пункте меню: Blocks/Annotation/lebel для создания заголовка и Blocks/Annotation/comment для создания комента.

 

1. Как изменить шрифт надписи на кириллицу?

Нужно нажать правой кнопкой на блок и выбрать вкладку FONT. В ней нужно выбрать нужный шрифт.

1. Как вынести на рабочее пространство VisSim'a генератор синусоиды? Как и какие параметры синусоиды можно изменить?

 

Нужно выбрать Blocks/Signal Producer/sinusoid для вывода синусоиды. В этом блоке можно редактировать Частоту, Амплитуду и Начальную задержку.

1. Как соединять и разъединять блоки? Можно ли соединить два входа блоков или два выхода? Почему?

 

Левой кнопкой мыши подтянуть выход одного блока к входу другого. Нет, т.к. сигнал не сможет правильного передвигаться.

1. Порядок вынесения на рабочее пространство и использования осциллографа. Как и какие настройки его можно менять? Как увеличить размер окна осциллографа на весь экран? Как еще можно повысить точность отсчитывания значений координат точек с экрана осциллографа?

 

В меню выбрать Blocks/Signal Consumer/plot для вывода осциллографа. В нем можно изменить цвет линий, разметочную сетку, линейки и т.д. Для увеличения на весь экран достаточно 2 раза нажать край окошка или значок «Увеличения размера окна». Для повышения точности отсчитывания значений координат точек с экрана осциллографа нужно задать настройки размера шага в симуляции: Simulate/Simulation Proprieties/Step Size (Для точности нужно менять значения пошагово).

 

1. Как записать значения изображенной на осциллографе функции времени в файл?

Нужно нажать на осциллограф правой кнопкой мыши или двойным щелчком левой и выбрать пункт Save Data to File.

 

1. Что такое const и slider в VisSim'e? Чем похожи и чем отличаются эти генераторы?

 

Const и slider – это источники сигнала. Const выдает постоянный сигнал, который редактируется в настройках блока. Slider, в отличие от const, можно редактировать в рабочем пространстве, но для настройки десятичных чисел необходимо зайти в настройки блока

 

1. Что такое meter и display в VisSim'e? Когда предпочтительнее использовать тот или иной из этих индикаторов?

 

Meter это блок, который показывает сигнал визуально с помощью стрелки, а display показывает в виде числового формата. Если необходимо получить точную числовую информацию о сигнале, то предпочтительнее использовать блок display.

 

1. Как изменить время функционирования (симуляции модели), т.е. время, в течение которого работает модель?

 

Для изменения времени функционирования нужно настроить в меню Simulation/Simulation Proprieties/Start и End.

 

1. Как изменить шаг интегрирования Step Size? Какой шаг интегрирования можно считать оптимальным? Как его подобрать?

 

При увеличении шага интегрирования, точность определения сигнала снижается. Самым оптимальным считается шаг в 0,01.

 

1. Как изменить количество точек на экране осциллогорафа?

 

Для этого нужно увеличить/уменьшить размер шага в настройке Step Size.

Вывод: Познакомилась с графическим интерфейсом программы Vissim, а также приобрела навыки создания и моделирования простейших структур, текстового и графического оформления диаграмм.