Моделирование электротехнических систем и систем автоматики

9.ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

Программирование компьютерных моделей обеспечивается за счет программных средств, которые называют языками моделирования. Эти языки делятся на три группы:

•языки программирования аналитических моделей;

•языки программирования моделей имитационного типа;

•языки программирования комбинированных моделей. Классификационная структура языков моделирования по-

казана на рис. 68.

Рис. 68. Структурная классификация программного обеспечения моделей

121

9.1. Программное обеспечение аналитических моделей

На заре компьютерного моделирования программы для моделей писались на существующем в то время универсальном для всех вычислительных машин языке, который назывался Ассемблер. Ассемблер – это язык машинных команд, понятный для любой ЭВМ, но которым достаточно хорошо владели только специалисты.

С развитием аппаратного и программного обеспечения для ЭВМ появились программы, которые писались на языках высокого уровня. Эти языки были представлены совокупностью команд, понятных для обычного пользователя, и которые с помощью дополнительных программ-трансляторов автоматически переводились в совокупность машинных кодов. Первыми из таких языков, применяемых для моделирования, были языки Алгол и Фортран. Позднее появились более совершенные языки высокого уровня, такие как Бейсик, Паскаль и Си и т.д.

Использование программ, написанных на языках высокого уровня, позволило значительно снизить трудоемкость программирования и обеспечить возможность менее квалифицированным пользователям составлять программы для реализации аналитических моделей.

Развитие программных языков высокого уровня и совершенствование вычислительных возможностей ЭВМ привело к появлению особого вида программ, которые стали называться графическими редакторами. С помощью этих программ математические модели приобрели возможность графического отображения результата моделирования.

Сочетание возможностей языков высокого уровня с возможностями графических редакторов обеспечили переход к следующему этапу совершенствования языков моделирования. На этом этапе моделирование становится объектно-модульным. Переход на принципы объектно-модульного моделирования обеспечил возможность пользователям составлять модели из

122

отдельных компонентов (модулей), программы которых заранее определены.

Одним из языков объектно-модульного типа является программный пакет МАТLAB (Matrix Laboratory) и его приложения. Специальные приложения Simulink и SimPowerSystems пакета МАТLAB успешно применяются для моделирования динамических систем, в том числе электротехнических систем и систем автоматики. Библиотечное приложение языка МАТLAB Simulink используется, как правило, для разработки моделей объектно-аналитического типа. Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:

1.Commonly Used Blocks – блоки общего назначения.

2.Continuous – линейные блоки.

3.Discontinuities – блоки неоднородные.

4.Discrete – дискретные блоки.

5.Logic and Bit Operations – логические и битовые опе-

рации.

6.Logicup Tables – таблицы поиска.

7.Math Operations – блоки математических операций.

8.Model Vertifications – модели проверки.

9.Model-Wide Utilities – широкомодельные утилиты.

10.Ports & Subsystems – компоненты и подсистемы.

11.Signal Atteibutes – признаки сигнала.

12.Signal Routing – направления сигнала.

13.Sinks – регистрирующие устройства.

14.Sources – источники сигналов и воздействий.

15.User-Difned Functions – функции, определенные пользователем.

16.Additional Math & Discrete – прикладная и дискретная математика.

Для создания аналитической модели с помощью функциональных модулей программного приложения Simulink необходимо выбрать в нем раздел с соответствующим набором функциональных модулей. Каждый из этих модулей выполняет в мо-

123

дели определенное математическое или логическое действие. Для объединения исходных модулей в единый алгоритм модели необходимо их соединить в соответствии со структурой этого алгоритма. Каждый из модулей приложения Simulink имеет в своем составе определенные точки ввода и точку вывода результата. Некоторые блоки могут иметь только одну из таких точек. Объединение блоков в модель осуществляется через точки ввода-вывода.

Номенклатурный набор этих блоков определяется логикой или математической структурой модели. Для примера, набор функциональных блоков из раздела Commonly Used Blocks приложения Simulink показан на рис. 69.

Рис. 69. Набор функциональных модулей в разделе Commonly Used Blocks приложения Simulink

В аналитической модели, созданной в приложении Simulink, сигналы ввода и вывода имеют один и тот же тип, поэтому функциональные блоки любого раздела из этого приложения могут безошибочно объединяться в заданный алгоритм модели. Варианты моделей, выполненных из модулей этого приложения, были рассмотрены нами в предыдущих разделах.

124

Для создания моделей объектно-аналитического типа может быть использован язык SFC, язык последовательных функциональных схем. Язык SFC – это графический язык, который позволяет описать хронологическую последовательность действий (шагов) в программе модели (рис. 70). Эта последовательность осуществляется с помощью пошаговых действий (этапов), описанных отдельной подпрограммой. Переход к каждому этапу (шагу) определяется проверкой истинности заданного условия перехода. Шаг в программе SFC представляет собой отдельную подпрограмму, написанную на одном из языков высокого уровня (например, на языке IL или ST).

Примером программы, записанной на языке SFC, может быть следующий фрагмент алгоритма модели, в котором пошагово меняется значение параметра времени Т. В примере (см. рис. 70)

вSFC модели представлено три последовательных шага (Init, Step2 и Step3), в результате выполнения которых параметр Y дискретно меняет свое значение

вкаждом шаге этой программы. Данная программа является частью общего алгоритма модели,

вкотором формируются условия перехода от одного шага к другому. Эти условия определяют значения параметров IN, и L1.

При запуске этой программы первоначально выполняется программа шага “Init”, записанная на языке IL (список инструкций) как:

По этой программе командой LD параметр времени T#1S загружается в память, после чего следующей командой ST содержание ячейки памяти передается параметру Y. При этом Y = 1 с. После этого присвоения программа ожидает изменения состояния логического параметра IN. Как только этот параметр получит истинное значение, программа переходит к выполнению шага “Step2”. Подпрограммой этого шага, так же записанной на языке IL, параметр Y приобретает значение 2 с. После выполнения шага “Step2” программа снова ожидает выполнения второго условия, по которому параметр L1 должен быть истинным. При выполнении этого условия программа переходит к выполнению шага “Step3”, в котором по аналогии параметр Y принимает значение 2500 м/с. Истинное значение параметра L1 возвращает программу к повторному выполнению шага “Step2”.

Для создания имитационных моделей схемного типа применяется следующий набор программных пакетов:

•языки типа LD – релейных диаграмм;

•программный пакет Electronics Workbench;

•программный пакет Multisim;

•программное приложение SimPowerSystems.

Язык LD – это графический язык релейно-контактных схем, реализующий структуры электрических цепей. На этом языке достаточно просто создавать электрические схемы управления включением или выключением некоторых релейных элементов, таких как катушки, лампы и однобитовые элементы памяти. В состав инструментальных средств этого языка входят некоторые объектные модули, такие как триггеры, таймеры и счетчики. Пример модели, составленной на этом языке, был показан на рис. 62.

9.2. Программное обеспечение схемных имитационных моделей

Примером языка, предназначенного для построения имитационных моделей схемного типа, является программный пакет Electronics Workbench. Для создания имитационной модели

126

в этом пакете используют меню выбора функциональных модулей, которое содержит следующие элементы;

•источники напряжения и тока;

•базовые элементы схем (резисторы, конденсаторы трансформаторы и т.д.);

•диоды и диодные мосты;

•транзисторы;

•усилители;

•логические элементы;

•микросхемы;

•измерительные инструменты.

Структура меню выбора инструментов в пакете Electronics Workbench показана на рис. 71.

Рис. 71. Структура меню выбора инструментов в пакете Electronics Workbench

127

С помощью этого инструментального набора строятся модели электрических или электронных устройств, работоспособность которых проверяется в процессе запуска модели в работу. Элементы инструментального набора соединяются в модель в соответствии с ее функциональной схемой. Варианты моделей, выполненных из модулей этого программного пакета, были рассмотрены нами в предшествующих разделах. Например, схема одной такой модели показана на рис. 58.

Программный пакет Multisim является более совершенным программным средством для создания схемных имитационных моделей. В арсенале его инструментальных средств используются элементы, аналогичные элементам программного пакета Electronics Workbench. Принцип их ввода в структуру модели сохранен. Однако способ выбора рабочих компонентов для построения модели в этом пакете имеет свою специфику. Структура стандартной панели выбора инструментов для создания модели в пакете Multisim показана на рис. 72.

Рис. 72. Структура меню выбора инструментов в пакете Multisim

128

В составе инструментальных средств пакета Multisim есть полный набор элементов, необходимых для создания принципиальной схемы схемной модели. Этот набор представлен широким номенклатурным рядом стандартных параметров этих компонентов, что избавляет разработчика модели от использования дополнительных справочных материалов. Кроме того, в составе инструментальных средств пакета Multisim есть специальные компоненты под названием «интерактивные элементы», с помощью которых можно изменять их характеристики во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели и потенциометры, малейшие изменения характеристик таких элементов сразу же отражаются на процессе работы имитационной модели.

Как и программный пакет Electronics Workbench, пакет Multisim позволит пользователям подключать к схеме модели виртуальные приборы. Кроме того, пакет Multisim предлагает более 15 различных функций анализа полученного результата.

Схема модели для исследования характеристик усилителя, разработанная в программном пакете Multisim, показана на рис. 73. Эта модель составлена из электротехнических элементов, выбранных из соответствующих меню инструментального набора этого пакета. Методика соединения выбранных элементов в структурную схему модели аналогична методике, применяемой для создания моделей в программном пакете Electronics Workbench.

Для регистрации и оценки результата работы модели в ее структуру введен объектный модуль виртуального осциллографа (Oscilloscope XSC2), который в развернутом виде показан на рис. 74. С помощью этого виртуального прибора можно не только визуально оценить характер полученного результата моделирования, но и получить численное значение результата в любой точке осциллограммы. Для этой цели виртуальный осциллограф снабжен двумя вертикальными курсорами 1 и 2, которые могут с помощью стрелочных указателей перемещаться по его экрану.

129

Рис. 73. Схема модели для исследования характеристик усилителя

Рис. 74. Схема модели для исследования характеристик усилителя

130