книги / Моделирование электротехнических систем и систем автоматики

Сигнал U2 с выхода модуля Integrator1 умножается на коэффициент К2, который формируется модулем Constant4 и подается на следующий сумматор, который является входным модулем (точкой сопряжения D) для колебательного звена. На отрицательный вход второго суммирующего модуля подается сигнал с модуля умножения Prodauct4, который обеспечивает умножение параметра U3 на коэффициент К3, формируемый мо-

дулем Constant6.

Для формирования выходного сигнала U3 колебательного звена используются два последовательно соединенных интегрирующих модуля Integrator2 и Integrator3. На выходе модуля Integrator2 формируется первая производная параметра U3, которая модулем Prodauct3 умножается на коэффициент К3, формируемый модулем Constant5. После перемножения результирующий сигнал через отрицательный вход третьего сумматора подается на вход интегратора Integrator2, замыкая обратную связь первой ступени интегрирования. На положительный вход третьего сумматора поступает сигнал с предыдущего сумматора. Результат вычисления параметра U3 выводится в форме графика модулем Scope1.

Описанный алгоритм работы этой модели показывает, что решение уравнений любой математической модели можно обеспечить структурным подбором элементарных объектных модулей, выполняющих определенную математическую или логическую функцию над исходными или промежуточными параметрами. Порядок выполнения этих функций можно задавать определенным размещением этих модулей в модели или применением специальных модулей.

На примере нашей модели рассмотрим, каким образом в ходе работы модели можно менять значения коэффициентов К1, К2 и К3. Для этой цели в структуру модели вводятся модули, способные запоминать значения исходных данных. Эту роль выполняют модули Goto и From. Для подключения в работу этих модулей в структуре модели применены ручные пере-

91

ключатели (модули Manual Switch1, Manual Switch2 и Manual Switch3), которые обеспечивают возможность ввода значений коэффициентов К1, К2 и К3 в двух режимах:

•в режиме ввода от модулей типа Constant;

•в режиме ввода от модулей типа Goto, From.

Модули типа Manual Switch – это ручные переключатели, которые в исходном состоянии соединяют линию его выхода

сверхним входным контактом. В нашем примере к этим контактам всегда подключены модули типа Constant (Constant1; Constant3; Constant6), которые содержат постоянные значения коэффициентов К1, К2 и К3. Если установить курсор на контур этого переключателя и дважды щелкнуть по нему левой клавишей «мыши», то выход этого переключателя всегда перекинется на противоположный вход (в нашем случае это нижний контакт), к которому в нашей модели подключены модули типа From (From, From1, From2…). Модуль From всегда работает в паре

смодулем Goto, и они являются модулями памяти. Модуль Goto предназначен для записи в память исходных или промежуточных данных, в то время как модуль From предназначен для вывода из памяти этих данных. Процесс ввода и вывода всегда разовый, т.е. данные в памяти сохраняются в течение рабочего цикла модели. При запуске нового рабочего цикла модели данные в памяти сохраняются только в том случае, если в новом рабочем цикле не произошла их новая запись.

Формы записи исходных данных в элементы памяти могут быть различными. Примером могут служить алгоритмические структуры циклического ввода в память параметров коэффициентов К1, К2 и К3, показанные на рис. 47.

Вварианте на рис. 47, а этот ввод осуществляется через объектный модуль Mux, который объединяет несколько входных сигналов в один выходной. Количество входных сигналов этого элемента может быть выбрано через меню настройки. В процессе работы модели этот модуль выполняет функцию мультиплексора, т.е. последовательно соединяет входные каналы

92

а

б

в

Рис. 47. Варианты структур алгоритмов циклического ввода в память параметров коэффициентов К1, К2 и К3

93

с его единственным выходом, к которому подключен модуль типа Goto. Подключение каналов идет в направлении сверху вниз или слева направо. Время подключения равно времени рабочего цикла модели. Таким образом, число входных каналов модуля Mux определяет число повторений рабочего цикла модели. Иными словами, с помощью этого элемента организуется цикл с заданным числом повторений.

Вварианте на рис. 47, б ввод данных в элемент памяти Goto осуществляется через объектный модуль Multiport Switch, который выполняет функцию управляемого переключателя. Структурно этот переключатель всегда имеет вход управления

ивходы для приема входных сигналов. Вход управления (канал управления) предназначен для восприятия управляющего сигнала, который подается от соответствующего элемента управления (в нашем примере это элемент Timer).

Число информационных входов этого модуля может быть выбрано через меню его настройки. Этот модуль всегда имеет единственный выход, к которому в зависимости от значения управляющего сигнала подключается определенный информационный вход. В нашей модели к этому выходу подключается элемент памяти Goto. На вход канала управления всегда подается целочисленный сигнал, минимальное значение которого равно единице, а максимальное его значение не может превышать числа входных (информационных) каналов. В варианте на рис. 47, б сигнал на управляющий вход подается с объектного модуля Timer, который через заданное время последовательно меняет численное значение сигнала управления от 0 до 4.

Вварианте на рис. 47, в при вводе данных в элемент памяти Goto, кроме управляемого переключателя Multiport Switch, используются переключатели типа Switch. Принцип работы этих переключателей построен на основе логики ветвления по заданному условию. В схеме использованы два таких переключателя. В одном из них (в левом) сигнал управления не должен превышать числа 1, а в другом этот сигнал должен быть не больше 0.

94

Таким образом, анализ работы объектных модулей в аналитических моделях показывает, что их применение позволяет:

1)исключить использование аналитических методов при решении уравнений математической модели;

2)представить алгоритм этой модели в форме структурных связей отдельных функциональных модулей;

3)не требует от составителя модели наличия квалифицированных навыков программирования на алгоритмических языках;

4)способствует повышению структурной наглядности результативности процесса функционирования модели.

8.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОБЪЕКТНО-МОДУЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ

Как было сказано выше, модели объектно-модульного типа делятся:

•на аналитические;

•имитационные;

•комбинированные.

В свою очередь, модели имитационного типа можно разделить:

–на модели схемного типа (электрических и технологических схем);

–модели технических устройств и технологических процессов;

–модели тренажеров и мнемосхем систем управления. Хотя все перечисленные типы моделей формируются на

основе общих принципов построения, тем не менее отдельные виды этих моделей имеют свои особенности построения.

К общим принципам построения объектно-модульных моделей нужно отнести:

•способ задания параметров и функциональных качеств объектных модулей;

•способ взаимосвязи модулей в алгоритме модели;

95

• способ согласования сигналов разнотипных элементов в алгоритме модели;

• способ передачи результата моделирования к исполнительным элементам тренажеров и объектов управления.

8.1. Принципы построения объектно-модульных моделей аналитического типа

Для моделей аналитического типа способы взаимосвязи модулей и согласования сигналов разнотипных элементов обычно решаются одновременно. Модели этого типа редко используются в качестве программных средств управляющих систем и тренажеров, поэтому вопросы взаимосвязи модулей для этого типа моделей малоактуальны.

8.1.1. Способы задания параметров и функциональных качеств объектных модулей

Установка параметров объектных модулей в моделях аналитического типа, как и в других типах моделей, всегда производится через меню настройки оконного типа. Для вызова такого оконного меню на контур модуля, расположенного на рабочем поле модели, всегда устанавливается курсор, после чего двойным щелчком левой клавиши «мыши» раскрывается это окно.

Рассмотрим последовательность этого процесса на примере установки параметров модулей аналитической модели работы привода шахтного электровоза. Математическая модель этого привода описывается следующей системой уравнений:

T1 = Mд Rк,

Фв = U −iя ωRя ,

Се

96

где Т1 – тяговое усилие ходовых колес; Мд – тяговый момент двигателя; Rк – радиус ходового колеса; F1 – сила сопротивления движению электровоза; CM – конструктивная постоянная двигателя по моменту; Се – конструктивная постоянная двигателя по возбуждению; Фв – магнитный поток возбуждения двигателя; U – напряжение питания двигателя; Rя – радиус якоря двигателя; iя – ток якоря двигателя; x – перемещение электровоза; ω – частота вращения якоря.

Систему уравнений (64) можнопривестик следующему виду:

Для снятия неопределенности решения уравнения (65) вводим в структуру модели дополнительно два условия:

Структура аналитической модели работы привода электровоза, составленная согласно уравнениям (65) и (66) в приложении Simulink программного пакета МАТLВ, показана на рис. 48.

Все исходные и промежуточные параметры этой модели реализуются объектными модулями типа Constant, на контуре каждого из этих модулей (вместо численного значения) условно записан параметр, который он представляет в модели.

Для ввода численного значения для каждого из модулей Constant нужно установить курсор на контур одного из этих элементов и двойным щелчком левой клавиши «мыши» раскрыть окно установки параметров. Вид такого окна показан на рис. 49. Такая процедура вызова окна установки параметров применяется для всех функциональных модулей.

97

98

Рис. 48. Структура аналитической модели работы привода электровоза

Рис. 49. Окно для установки значения параметра модуля типа Constant

Встроке Constant value этого окна нужно записать необходимое числовое значение вводимого параметра для конкретного модуля и через ОК закрыть это окно. После этого значение величины введенной константы появится на контуре этого элемента.

Алгоритм аналитической модели объектного типа при решении уравнений этой модели совершает необходимые математические действия. Каждое их этих действий реализуется через соответствующий модуль.

Например, алгебраическое сложение двух и более кон-

стант выполняется модулем Sum. В нашей модели используется три таких модуля. Установка параметров для этого модуля производится аналогично. Вид раскрытого окна для установки параметров модуля Sum показан на рис. 50.

Вэтом окне в строке Liet signs устанавливается комбинация знаков соотношения слагаемых величин, которая может быть принята в одном из следующих вариантов (++, +–, –+ и – –). Для конкретного модуля пользователь выбирает одну из этих

99

комбинаций и устанавливает ее в строке Liet signs. В другой строке Icon shape этого меню можно выбрать форму изображения этого модуля на контуре модели. Эта форма может быть окружностью (round) или прямоугольником (rectangle). Закрытие этого окна выполняется аналогично предыдущему модулю.

Рис. 50. Окно для установки значения параметра модуля типа Sum

Функция умножения исходных параметров реализуется модулем Product, с помощью которого можно обеспечить умножение нескольких чисел. Раскрытие окна установки параметров для этого модуля обеспечивается вышеописанным способом. Число сомножителей этой математической функции устанавливается в строке Number of inputs этого окна. Это выполняется в позиции Main. При раскрытии позиции Signal Attributes устанавливаются пределы полученного результата, границы его округления и тип.

Функция деления исходных параметров реализуется функциональным модулем Divide, с помощью которого можно обеспечить деление двух чисел. При этом делимое число подключается к входу, обозначенному символом ×, а делитель под-

100