книги / Проектирование и исследование идентификационных моделей управляющих систем реального времени

лов, идентификации моделей объектов и верификации построенных моделей, LabVIEW позволяет проводить полунатурное моделирование, что выгодно отличает данный программный продукт от других программных пакетов.

Как известно, процедура идентификации включает в себя обработку экспериментальных данных, расчет модели и оценивание результатов идентификации моделированием. Рассмотрим возможные способы реализации данных этапов в среде LabVIEW

4.3.2. Сбор и обработка экспериментальных данных

Обычно необработанные данные содержат мало полезной информации в явном виде. Перед тем как представлять экспериментальные данные, их необходимо должным образом обработать: отфильтровать шум, провести компенсацию параметров окружающей среды, поэтому функции обработки сигналов – обязательная часть набора инструментов практически каждого инженерного приложения. В среде LabVIEW имеется обширный программный инструментарий, позволяющий выполнить обработку сигналов без привлечения дополнительного программного обеспечения и необходимости написания собственных процедур обработки.

Под анализом в режиме реального времени подразумевается, что анализ данных осуществляется сразу же после их сбора в том же приложении. Анализ данных необходимо проводить сразу после фиксации. Анализируя изменения сигнала, можно менять поведение программы в соответствии с ними, например сохранять определенные данные на диск или менять частоту оцифровки, а также выполнять функции автоматического управления. Все это можно реализовать только путем встраивания алгоритмов анализа в программу.

Обычно решения, основанные на результатах измерений, принимаются в автоматическом режиме, т.е. в программу встраивается логика работы в определенных условиях. К примеру, система автоматизации на производстве может включить световую индикацию, когда температура поднимается выше заданного порога. Однако автоматический режим принятия решений подходит не для всех приложений. Очень часто необходимо лично контролировать процесс выполнения программы, чтобы избежать ситуаций, когда пользователи сохраняют данные в файлы или базу данных, а затем извлекают и анализируют их лишь для того,

171

чтобы обнаружить ошибки и скорректировать процесс сбора. В таких случаях приложение должно предоставить пользователю собранные

иобработанные данные в максимально удобном для восприятия виде. С помощью диалоговых окон LabVIEW можно разработать интерактивное приложение, позволяющее пользователю корректировать поведение программы в процессе работы. Например, при достижении определенного уровня температуры можно запросить у оператора разрешение на выполнение определенных действий (кнопка «ОK») или продолжить работу в текущем режиме (кнопка «Продолжить»).

Независимо от метода анализа LabVIEW предоставляет пользователю наборы математических функций и функций анализа, которые естественным образом взаимодействуют с функциями сбора данных и отображения информации. При этом пользователь избавлен от необходимости конвертации данных из одних форматов в другие, что требуется при работе с несколькими различными инструментами сбора и анализа данных. Кроме этого, LabVIEW предоставляет возможность проведения поточечного анализа – метода, наиболее подходящего для приложений, работающих в режиме реального времени.

Поточечный анализ подразумевает обработку данных с учетом каждой новой выборки (рис. 4.21). Такой подход используется при высокоскоростной обработке детерминированных данных в режиме реального времени. Поточечный подход упрощает проектирование, реализацию

итестирование приложения, поскольку в таком случае работа приложения хорошо согласуется с естественным ходом процесса, контролируемого приложением.

Рис. 4.21. Поточечный анализ измерений

172

Поточечный анализ более тесно связан с процессом сбора и анализа данных, поскольку задержка между измерением и обработкой результата минимизируется.

Оперативный анализ не всегда является оптимальным методом работы с данными. В случае, когда отсутствует необходимость оперативно реагировать на изменения данных, следует использовать постобработку данных. Проведение постобработки не накладывает столь жестких ограничений на минимальную производительность системы, как оперативный анализ, поскольку вычисления производятся уже после завершения сбора данных. По этой же причине отложенный анализ позволяет использовать расширенный инструментарий и многократную обработку исходных данных для более глубокого анализа.

Обработка данных отдельно от сбора обычно требует их записи в двоичный, текстовый файл или файл специфического формата. LabVIEW поддерживает большое количество стандартных форматов файлов, а технология DataPlugins дополнительно расширяют возможности поддержки. С помощью DataPlugins можно описать формат любого файла, чтобы приложение LabVIEW могло корректно извлечь записанные данные.

Программная среда LabVIEW позволяет не только обрабатывать экспериментальные данные и сохранять их в нужном формате, но и сохранять в формате Windows. Так, LabVIEW предоставляет возможность передачи данных непосредственно в MS Excel, а использование Toolkit LabVIEW Report Generation позволяет подготовить отчет по результатам работы программы. В случае, когда необходимы дополнительные возможности интерактивного анализа данных, можно воспользоваться отдельным приложением NI DIAdem.

Одно из достоинств LabVIEW заключается в том, что данная программная среда предоставляет возможность вести и сбор данных, и их одновременный анализ (рис. 4.22), т.е. сохранять в одном виртуальном приборе несколько экспресс-ВП

LabVIEW значительно упрощает разработку систем измерений и оперативного анализа, поскольку является ориентированной на инженерные приложение средой, а также имеет внушительный набор функций обеспечения сбора данных и обработки сигналов.

173

Кроме того, программная среда LabVIEW предлагает использовать экспресс-ВП, реализующие следующие высокоуровневые функции:

–спектральные измерения;

–измерения искажений;

–тональные измерения;

–измерения амплитуды и уровня;

–измерения переходных процессов;

–аппроксимацию кривых;

–статистику;

–свертку и корреляционные функции;

–имитацию и моделирование сигналов;

–маскирование и ограничение;

–сглаживание и передискретизацию.

Несмотря на то что LabVIEW является средой преимущественно графического программирования, она также имеет необходимый инструментарий для работы с текстовыми вычислительными алгоритмами благодаря компилятору .m файлов. Компилятор LabVIEW MathScript поддерживает синтаксис .m файлов и более 800 обычно используемых математических функций, функций анализа, обработки сигналов иуправления.

Окно LabVIEW MathScript обеспечивает интерактивный интерфейс, с помощью которого можно загружать, сохранять, разрабатывать и выполнять .m файлы.

Окно LabVIEW MathScript позволяет использовать различные команды создания графиков для визуализации результатов анализа

(рис. 4.25).

LabVIEW MathScript позволяет выбрать следующие формы отображения экспериментальных данных:

–столбчатые диаграммы (2D и 3D);

–контурные диаграммы (2D и 3D);

–диаграммы величины ошибки;

–векторные диаграммы;

–сетка;

–круговые диаграммы;

–полярные диаграммы;

–точечные диаграммы;

–поверхности;

–деревья;

–каскадные (водопадные) диаграммы.

176

–интегрирование и дифференцирование (Integ & Diff);

–вероятность и статистика (Probability and Statistics);

–оптимизация (Optimization);

–дифференциальные уравнения (Differential Equations);

–геометрия (Geometry);

–полиномы (Polinomial);

–скрипты и формулы (Scripts & Formulas).

Кроме того, разработано приложение к LabVIEW System Identification Toolkit, которое реализует типовые алгоритмы идентификации.

System Identification Toolkit сочетает в себе инструментарий для сбора экспериментальных данных и систему алгоритмов идентификации. Алгоритмы идентификации реализуются как для дискретных, так и для непрерывных систем.

Идентификация осуществляется с помощью приложения System Identification Assistant, которое позволяет разрабатывать модель динамической системы управления. По аналогии с ВП в System Identification Toolkit вводится виртуальное поле Express Workbench. Это новая структура, которая может содержать несколько интерактивных средств

LabVIEW (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Пример окна Express Workbench

178

Запуск System Identification Assistant осуществляется из директории

System Identification Toolkit > Launch System Identification Assistant.

Первый этап процедуры идентификации – это ввод экспериментальных данных. Их можно получать через DAQ или загрузить из сохраненного файла. Файл должен иметь расширение .lvm.

Загрузка из сохраненного файла осуществляется с помощью опции меню Express Workbench – Add Step и выборки файла из директории

(рис. 4.27)

C:\Program Files\National Instruments\ExpressWorkbench\System Identification Assistant\Examples\dc_motor\dc_motor_test1.lvm.

Рис. 4.27. Загрузка исходных данных

Одновременно можно загрузить массивы входных и выходных данных, для этого необходимо поставить флажки у соответствующих файлов (на рис. 4.27 это файлы Motor Input и Motor Output).

При закрытии окна в левой стороне экрана появится справочная информация. На рис. 4.27 появилось сообщение об успешной загрузке исходных данных.

179

Для того чтобы увидеть входные и выходные данные в виде графика, необходимо выбрать опцию меню Add Display и второй файл

(рис. 4.28)

Рис. 4.28. Графики входного и выходного сигнала

После загрузки исходных данных можно перейти к процедуре идентификации. Для этого необходимо выбрать структуру модели и запустить процедуру параметрической идентификации (рис. 4.29)

Add Step>System Identification>Model Estimation>Parametric

Estimation.

На рис. 4.29 выбрана ARMAX-модель (AutoRregressive-Moving Average with external input) – модель авторегрессии скользящего среднего. Для запуска процедуры идентификации необходимо выбрать оп-

цию Close.

В левой стороне экрана появятся оценочные параметры и графики входного и выходного сигнала модели исходного объекта (рис. 4.30).

180