СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 1 2

СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 1. 2. 3. 4. 5. Методы моделирования процессов в системах управления. Инструментальные средства математического моделирования динамических систем. Программная система MSC. Adams. Mat. Lab/Control System Toolbox/Simulink. Среда моделирования Lab. VIEW

1. Методы моделирования процессов в системах управления Методы моделирования Для исследования объектов и систем управления используются различные методы моделирования. Не претендуя на полноту, выделим основные из них: · физическое моделирование; · математическое моделирование на ЭВМ; · полунатурное моделирование. 2

Какой метод использовать? Целесообразность применения того или иного метода определяется в каждом конкретном случае в зависимости от исследуемой системы и условий ее работы. При этом необходимо иметь набор правил и условий, выполнение которых обеспечивает требуемую точность изучения реального объекта по его модели. Эти правила и условия формулируются в теории подобия. 3

Физическое моделирование При использовании физического моделирования процессы, протекающие в модели и в оригинале, имеют одинаковую, а иногда и различную физическую природу. Физическая модель может отличаться от оригинала размерами, скоростью протекания и физической природой процессов или материалами, из которых она изготовлена. Примерами такого моделирования может служить изучение аэродинамических свойств самолета при помощи его макета в аэродинамической трубе. 4

Аэродинамическая труба 5

При физическом моделировании Необходимо для каждого конкретного объекта создать свою модель. При этом изготовление сложных моделей обходится, как правило, очень дорого, требует больших материальных и трудовых затрат, а изменение параметров модели часто затруднительно, либо нецелесообразно. Поэтому, несмотря на определенные преимущества, физическое моделирование находит ограниченное применение при исследовании сложных объектов и систем управления. Для этой цели широко применяется математическое моделирование. 6

Математическое моделирование Исследование объекта осуществляется посредством математической модели, реализованной, как правило, на ЭВМ с использованием тех или иных математических методов. При моделировании на ЭВМ в качестве объекта моделирования (оригинала) выступают исходные уравнения, представляющие математическую модель реального объекта, а в качестве модели — процессы, протекающие в соответствии с этими уравнениями и воспроизводимые на ЭВМ в виде “машинных решений” путем реализации программ. Математическое моделирование осуществляется на АВМ и ЦВМ, поэтому часто такие способы называют аналоговым и цифровым моделированием. 7

Имитационное математическое моделирование Имитационная модель рассматривается как специальная форма математической модели, в которой: Ø декомпозиция системы на компоненты производится с учетом структуры проектируемого или изучаемого объекта; Ø в качестве законов поведения, могут использоваться экспериментальные данные, полученные в результате натурных экспериментов; Ø поведение системы во времени иллюстрируется заданными динамическими образами. 8

Имитационное моделирование на ЭВМ является одним из наиболее мощных средств исследования сложных динамических систем. Оно дает возможность проводить вычислительные эксперименты с еще только проектируемыми системами и изучать системы, натурные эксперименты с которыми, из-за соображений безопасности или дороговизны, не целесообразны. В тоже время, благодаря своей близости по форме к физическому моделированию, этот метод исследования доступен более широкому кругу конечных пользователей. 9

Поколения математического моделирования Простота математических описаний, типична линейность уравнений и малая размерность. Методы анализа связаны в основном с получением аналитических решений и графическим построением на фазовой плоскости. II. Модели становятся существенно нелинейными, чисто математический аппарат дополняется логикосемантическим. Возрастает размерность, достигая нескольких десятков, а то и сотен. Такие модели называются "сложными", "большими", а рабочим инструментом на этом этапе становится вычислительный эксперимент, проводимый на быстродействующих ЭВМ. I. 10

Поколения математического моделирования III. Третье поколение математических моделей характеризуется переходом к моделям виртуального мира. Виртуальное моделирование можно определить как воспроизведение трехмерного мира компьютерными средствами. При этом резко возрастает объем обрабатываемой и воспроизводимой информации (например, количество визуализируемых "деталей" достигает нескольких тысяч). Виртуальное моделирование позволяет создавать тренажерные модели (в том числе мультимедийные), модели, используемые в управлении технологическими процессами и системах автоматизации. В проектировании систем управления модели, основанные на передаточных функциях объектов, сменяются системными методами пространства состояний. Третий этап математического моделирования также связан с динамическим моделированием сложных систем управления в реальном масштабе времени. Широкое применение находят средства визуального проектирования и визуального программирования, основанные на объектноориентированном подходе. 11

Полунатурное моделирование Это моделирование с реальной аппаратурой, при котором часть системы моделируется, а остальная часть является реальной. Такое моделирование сложной системы управления позволяет анализировать как всю систему в целом, так и отдельные её элементы, исследовать влияния кинематики и динамики элементов реальной аппаратуры на работу САУ, несмотря на то, что их математическое описание отсутствует. 12

Стенд полунатурного моделирования РЛС 13

2. Инструментальные средства математического моделирования динамических систем В 90 -е годы большую популярность приобретали инструментальные среды визуального моделирования. Они позволяют вводить описание моделируемой системы в естественной и преимущественно в графической форме (рисовать функциональную схему, размещать на ней блоки и соединять их связями), а также представлять результаты моделирования в наглядной форме в виде графиков, диаграмм или анимационных изображений. Достоинством визуального моделирования является то, что пользователь не заботится о программной реализации модели в виде последовательности исполняемых операторов. На компьютере создается удобная графическая среда, в которой можно создавать виртуальные системы и проводить эксперименты с ними. Реальные устройства, измерительные приборы, кабели и т. п. заменяются их образами на экране монитора. Образы можно перемещать, соединять и разъединять с помощью мыши. Пользователь может видеть и оценивать результаты моделирования. При этом программная реализация виртуального стенда скрыта от пользователя. Для проведения экспериментов не требуется никаких особых знаний о компьютере, операционной системе и математическом обеспечении. 14

Визуальные средства моделирования Существует множество визуальных средств моделирования. Многие из них ориентированные на прикладные области (электроника, электромеханика, теплотехника и т. д. ), другая группа - универсальные пакеты ориентированные на определенную математическую модель (уравнения в частных производных, статистические модели), которые мы здесь не будем рассматривать. Можно выделить две основные группы пакетов программ, широко используемых при математическом и визуальном моделировании сложных динамических систем: Мощные калькуляторы для сложных математических вычислений (Matcad, Mathematica, Maple). Специализированные интегрированные пакеты для моделирования динамических систем (MSC. ADAMS, Dy. Mo. La, Dynast, Multisim, Vis. Sim, MVS, MATLAB/Simulink, Lab. WIEW). 15

3. Программная система MSC. ADAMS (MSC. Software Corporation ) Ø Ø Ø Интегрированная программная система для виртуального моделирования сложных машин и механизмов. Заменяет дорогостоящие натурные эксперименты компьютерным моделированием. Позволяет создать полностью параметризированную модель изделия: она строится непосредственно в препроцессоре или импортируется из популярных CAD-систем. Задав связи компонентов модели, приложив нагрузки, определив параметры кинематического воздействия и запустив расчет, можно получить данные, полностью идентичные результатам натурных испытаний системы. Таким образом, представление о работе изделия складывается еще до начала изготовления опытного образца. Позволяет исследовать десятки, сотни и даже тысячи вариантов конструкции, выбирать лучший, совершенствовать будущее изделие, затрачивая на это во много раз меньше времени и средств, чем при традиционном подходе. Может использоваться для улучшения конструкций как простых механических и электромеханических устройств, так и сложных изделий современного производства вплоть до автомобилей и самолетов, железнодорожной техники и космических аппаратов. Ее основой являются высокоэффективный препроцессор и набор решателей. Препроцессор обеспечивает как импорт геометрических примитивов из многих CAD систем, так и создание твердотельных моделей непосредственно в среде MSC. ADAMS. Использование постоянно совершенствующихся решателей обеспечивает получение эффективных результатов при проектировании сложных узлов и изделий. 16

Примеры моделирования устройств и механизмов в MSC ADAMS Модель автомобильного двигателя Моделирование усилителя руля легкового автомобиля Моделирование нагружения элементов подвески легкового автомобиля в полной нелинейной постановке Моделирование работы шасси самолёта Моделирование стыковочных операций на орбите Моделирование работы системы стабилизации пушки при движении танка по пересечённой местности 17

Рабочее окно программы MSC ADAMS и структура программного пакета (последняя реализация MSC ADAMS-2012) 18

Совместное моделирование сложных мехатронных систем в MSC ADAMS и MATLAB/SIMULINK При проектировании сложных мехатронных систем с успехом применяются совместно используемые программы Matlab/Simulink и Adams. Они могут работать автономно, в режиме совместного моделирования, а также моделирования в реальном времени. Дополнительно к методу совместного моделирования, в котором уравнения механической системы заимствуются из программного пакета MSC Adams Solver и решаются с использованием вспомогательных компонентов системы Matlab/Simulink, используется возможность обмена данными с помощью программы MSC Adams, которая базируется на блоке RTW программы Matlab. Сконструированная в программе Simulink система регулирования с помощью RTW может экспортироваться в коде С. Она считывается программой MSC Adams и используется в общей системе расчетов. Этим обеспечивается следующее: Øсокращается общее время расчетов, так как сложная мехатронная система может быть рассчитана одним решающим устройством, благодаря чему отпадает необходимость в постоянном обмене данными между Adams Solver и Matlab во время расчетов; Øпользователи MSC Adams могут непосредственно от специалистов в области регулирования получать разрабатываемые ими модели и использовать для дальнейшего моделирования; Øпоявляются вспомогательные возможности программы, например дополнительная обработка результатов, анализ вибраций и т. п. 19

MSC. EASY 5 – программа моделирования и динамического анализа сложных гетерогенных систем Программный пакет MSC. EASY 5 предоставляет широкие возможности для моделирования сложных технических систем и устройств: гидроприводов, трансмиссий, двигателей внутреннего сгорания, систем управления, пневматических, механических, электрических устройств, систем кондиционирования, различных двигателей (включая гибридные) и т. д. Пользователю MSC. EASY 5 - специалисту в конкретной области техники остаётся соединить эти “устройства” для выполнения поставленной задачи и приступить к оптимизации параметров системы (изделия). Возможно “встраивание” расчётной схемы MSC. EASY 5 в модели других систем MSC. Важной особенностью MSC. EASY 5 является её полная совместимость с системой MSC. Adams, что позволяет разрабатывать и исследовать расчётные модели сложных технических устройств, включающих как механическую часть (она моделируется средствами MSC. Adams), так и систему управления (её модель создаётся средствами MSC. EASY 5). Такая модель работает как единая система и комплексно воспроизводит функционирование всего устройства. 20

4. Mat. Lab/Control System Toolbox/Simulink Система MATLAB - это операционная среда, в составе которой используется множество интерфейсов: • диалог с пользователем через командную строку или графический интерфейс, • просмотр рабочей области и путей доступа, • редактор и отладчик М-файлов, • работа с файлами, экспорт и импорт данных, • интерактивный доступ к справочной информации, • динамическое взаимодействие с пакетом программ Microsoft Office и др. Реализуются эти интерфейсы через командное окно, инструментальную панель, системы просмотра рабочей области и путей доступа, редактор/отладчик М-файлов, специальные меню и т. п. Система MATLAB - это мощная платформа объектно-ориентированного программирования. Библиотека MATLAB насчитывает свыше 1000 функций, состав которых постоянно расширяется. Пользователь имеет возможность дополнить библиотеку MATLAB собственными функциями. MATLAB - открытая система. 21

Control System Toolbox Control System предназначен для моделирования, анализа и проектирования систем автоматического управления - как непрерывных, так и дискретных. Функции пакета реализуют традиционные методы передаточных функций и современные методы пространства состояний. Частотные и временные отклики, диаграммы расположения нулей и полюсов могут быть быстро вычислены и отображены на экране. В пакете реализованы: Ø полный набор средств для анализа SISO и MIMO-систем; Ø временные характеристики: передаточная и переходная функции, реакция на произвольное воздействие; Ø частотные характеристики: диаграммы Боде, Николса, Найквиста и др. ; Ø разработка обратных связей; Ø проектирование LQR/LQE-регуляторов; Ø характеристики моделей: управляемость, наблюдаемость, понижение порядка моделей; Ø поддержка систем с запаздыванием. Дополнительные функции построения моделей позволяют конструировать более сложные модели. Control System содержит средства для выбора параметров обратной связи. Среди традиционных методов: анализ особых точек, определение коэффициента усиления и затухания. Среди современных методов: линейно-квадратичное регулирование и др. Пакет Control System включает большое количество алгоритмов для проектирования и анализа систем управления. Кроме того, он обладает настраиваемым окружением и позволяет создавать свои собственные m-файлы. 22

Simulink - это интерактивная система для автоматизации процесса моделирования, имитации и анализа динамических систем. Она дает возможность проектировать динамические системы на основе графических блокдиаграмм, исследовать работоспособность систем в интерактивном режиме и на этой основе совершенствовать проекты. Система Simulink полностью интегрирована с MATLAB. Simulink может работать с линейными, непрерывными, дискретными, многомерными системами. Simulink также интегрируется с программным средством Stateflow, которое представляет собой среду для построения и моделирования событийно-управляемых систем. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования. 23

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом среды MATLAB. С другой стороны, доступ к функциям MATLAB и его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав MATLAB пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink, например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox. Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения, например, Sim. Power. Systems – моделирование электротехнических устройств, Real-Time Workshop - моделирование процессов в реальном времени, Digital Signal Processing Blockset – набор блоков для разработки цифровых устройств и т. д. При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков. Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada. 24

5. Среда моделирования Lab. VIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) - среда моделирования, разработанная компанией National Instruments. Lab. VIEW основана на концепции графического программирования виртуальных измерительных систем и систем ввода/вывода сигналов и позволяет создавать приложения для сбора, обработки и визуального представления измеряемых и рассчитываемых данных. Благодаря своей гибкости и масштабируемости, Lab. VIEW может использоваться как средство разработки виртуальных приборов и систем в задачах моделирования, а также в качестве эффективной среды для измерения сигналов, обработки результатов и обмена данными на базе реального лабораторного и промышленного оборудования. В производственных системах Lab. VIEW находит применение на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний. Lab. VIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с нттерактивной технологией быстрого создания виртуальных приборов и систем (Экспресс ВП), которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые виртуальные приборы. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию. В качестве примера ниже показано окно программы Lab. WIEW для 25 исследования модели САУ с дискретным ПИД-регулятором.

Модель САУ с дискретным ПИД-регулятором 26

К основным преимуществам Lab. VIEW можно отнести следующие: 1. Гибкость создаваемых приложений при построении измерительных систем, которая обеспечивается, в зависимости от требований, за счет насыщения системы дополнительными средствами анализа и отображения данных. 2. Высокие эргономические показатели создаваемых виртуальных приборов с точки зрения разрабатываемого человек - машинного интерфейса измерительных систем. 3. Отсутствие требований по знанию языков программирования и владения сложными методиками программирования. Применение средств графического программирования позволяет разрабатывать приложение на уровне блок-схем и диаграмм. 4. Широкий набор инструментов для – разработки интерфейса пользователя, работающего с измерительным и управляющим оборудованием; – обработки результатов эксперимента; – разработки сетевых приложений; – обработки SQL запросов и поддержки удаленных баз данных; – создания Common Gateway Interface (CGI) и использования web-сервера; – и многое другое. 5. Возможность включения разрабатываемых приложений в программные модули, написанные на других языках (Pascal, C, C++). 6. Согласно ОСТ 9. 2 -98, программная продукция компании National Instruments (Lab. VIEW, Lab. Windows/CVI и др. ) является сертифицированным инструментальным средством разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения, а их аппаратура полностью соответствует международным стандартам на организацию измерительно-управляющих устройств и систем. 7. Совместимость с операционными системами Windows, Mac OS X, Linux и Solaris. 27

Основные области применения Приложения, написанные в Lab. VIEW, находят применение в разнообразных отраслях промышленности: Ø автомобильная промышленность; Ø телекоммуникации; Ø аэрокосмическая промышленность; Ø полупроводниковая промышленность; Ø биомедицина; Ø разработка и производство электроники; Ø управление технологическими процессами. 28

Поддержка технологии ОРС в Matlab и Lab. VIEW В Mat. Lab, начиная с версии 7, входит пакет OPC Toolbox, поддерживающий ОРС серверы версии v 2. 05 a. Он содержит также блоки Simulink для обмена данными с ОРС серверами. Аналогично, Lab. VIEW, начиная с версии 7, также имеет встроенную поддержку стандарта ОРС. Это обеспечивает удобный обмен данными и командами между SCADA-системами и пакетами моделирования, что в свою очередь предоставляет широкие возможности для моделирования процессов в сложных технических системах, в автоматизированных системах управления производством и технологическими процессами, в испытательных стендах, тренажерных системах и т. п. 29