Министерство образования Московской области Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего

Министерство образования Московской области
Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего
профессионального образования Московской области
«Краснозаводский химико-механический колледж»
Рассмотрено на заседании
цикловой комиссии и рекомендованы
к утверждению
Председатель цикловой комиссии
__________ Л. И. Степанова
«_____»_____________ 2014 год
Утверждаю
Заместитель директора по УВР
___________С.В.Тринитатова
«______»__________ 2014 год
Методические рекомендации
для выполнения курсового проекта
по дисциплине «Программное обеспечение АСУТП и П»
для студентов 5-го курса специальности
220301 «Автоматизация технологических процессов и производств по отраслям»
Разработал преподаватель
информатики
________ Л.И.Степанова
Краснозаводск 2014
Пояснительная записка
Методические рекомендации для выполнения курсового проекта
по дисциплине «Программное обеспечение АСУТП и П»
предназначены для
студентов 5-го курса специальности 220301 «Автоматизация технологических
процессов и производств по отраслям»
Пособие разработано в соответствии с Положением об организации,
выполнении
и
защите
курсовой
работы
(проекта)
ГБОУ
СПО
МО
Краснозаводский химико-механический колледж.
В методических рекомендациях рассмотрены: содержание, оформление и
этапы выполнения курсового проекта, приведены алгоритмы моделирования
звеньев системы автоматического регулирования, кратко рассмотрены основные
приемы работы с прикладной программой Simulink, приведены критерии
оценивания защиты курсового проекта.
Составил: преподаватель информатики Степанова Л.И
2
Содержание
Стр.
Введение …………………………………………………………………….
4
Состав и оформление курсового проекта …………………………………. 5
Последовательность моделирования САР……………………………….
7
Приложение 1 ……………………………………………………………….. 13
Справочные данные элементов системы
Приложение 2………………………………………………………………..
14
Библиотеки элементов Simulink
Приложение 3 ……………………………………………………………….. 25
Критерии оценивания защиты курсового проекта
по дисциплине «Программное обеспечение АСУТП и П»
Список литературы …………………………………………………………. 26
3
Введение
Современные компьютерные программы для построения моделей, анализа
и оптимизации систем автоматического регулирования (САР),
владении
ими,
существенно
повышают
при должном
эффективность проектирования
автоматизированных систем управления (АСУ). Компьютерное имитационное
моделирование позволяет
модели,
по
сравнению
строить и исследовать более сложные и полные
с
аналитическими
инженерными
компьютерного
моделирования
моделями,
методами.
требуют
получаемыми
Программные
учета
некоторой
традиционными
средства
для
специфики
их
применения, и даже некоторого изменения мышления, которое отличается от
подходов, приводимых в учебниках.
Целью курсового проекта «Компьютерное моделирование системы
автоматического регулирования» является закрепление студентами знаний по
дисциплине «Программное обеспечение АСУТП и П» и приобретение навыков
компьютерного моделирования звеньев системы автоматического регулирования
по структурной схеме САР с заданными статическими характеристиками и
передаточными функциями в среде MatlabSimulink и электронных таблицах
MsExcel.
В методических рекомендациях рассмотрены: содержание, оформление и
этапы выполнения курсового проекта, приведены алгоритмы моделирования
звеньев системы автоматического регулирования, кратко рассмотрены основные
приемы работы с прикладной программой Simulink, приведены критерии
оценивания защиты курсового проекта.
Выполнение курсовой работы по дисциплине «Программное обеспечение
АСУТП и П» является подготовительным этапом к выполнению дипломной
работы и способствует овладению методами компьютерного моделирования и
выбора элементов АСУ.
4
Состав и оформление курсового проекта
Пояснительная записка курсового проекта
По объему пояснительная записка должна быть не менее 15-20 страниц
печатного текста. Текст пояснительной записки должен быть оформлен в
соответствии с ЕСТД и ЕСКД (ГОСТ 7.32, 2.105, 6.38)
Пояснительная записка курсового проекта должна состоять из следующих
частей:
1. Титульный
лист.
Тема
курсового
проекта
«Компьютерное
моделирование системы автоматического регулирования»;
2. Бланк задания;
3. Содержание;
4. Введение, в котором раскрывается актуальность, значение темы и цель
курсового проекта;
5. Основная часть включает в себя:
 описание структуры САР и ее звеньев;
 моделирование статических характеристик звеньев САР;
 моделирование динамических характеристик звеньев САР;
 моделирование частотной характеристики звена системы (по заданию
преподавателя)
6. Заключение
содержит
выводы по результатам компьютерного
моделирования звеньев САР;
7. Список использованных источников;
8. Приложения – скриншоты компьютерных моделей звеньев САР и
графики статических, переходных и частотных характеристик.
Алгоритм выполнения курсового проекта
По заданию курсового проекта необходимо разработать компьютерные
модели звеньев системы автоматического регулирования, структурная схема
которой представлена на Рис.1.
5
Х
_
Х0
ОР
Y0
Д
ИМ
З
К
Р
Рис.1.
Элементы системы регулирования
Для реализации компьютерной модели САР нужны следующие элементы
системы регулирования:
1. ОР - Объект регулирования (управления) – управляемый процесс, который
характеризуется своими закономерностями и
рядом входных и выходных
переменных.
2. Д - Датчик – устройство для измерения регулируемой величины.
3. К - Усилитель – устройство для согласования каналов передачи информации
по уровню сигнала, мощности.
4. Р - Регулятор – устройство, непосредственно изменяющее значение
регулируемого параметра.
5. ИМ - Исполнительный механизм – устройство, обеспечивающее передачу
управляющего воздействия на объект регулирования.
6. З - Задатчик – устройство для формирования заданного значения
регулируемой переменной.
6
Последовательность моделирования САР
1. Получить у преподавателя структурную схему системы регулирования.
Объект регулирования студент выбирает в соответствии со своим номером в
журнале.
Элементы
системы
заданы
статическими
характеристиками
и
передаточными функциями. Необходимо из «Справочных данных элементов
системы» (Приложение 1.) выбрать по одному устройству.
Объекты регулирования описываются статическими характеристиками:
1) Y=N-X; 2) Y=X/N
где N – номер студента в журнале.
Построить экспериментальную статическую характеристику звена:
 регулятора;
 датчика;
 исполнительного механизма
Порядок выполнения работы:
- собрать структурную схему в модельном окне в соответствии с заданным
вариантом (Рис. 2.1.);
- составить таблицу из 5-6 значений входной и выходной величин;
- изменяя на входе (Constant) звена сигнал в заданном диапазоне (5-6 точек),
измерить выходной сигнал (Display) после окончания переходных процессов и
сделать соответствующие записи в таблице;
1
Звено
Constant
0
Display
Рис. 2.1. – Структурная схема
-
построить
по
полученным
значениям
в
масштабе
статическую
характеристику звена.
Теоретические сведения
Для математического описания процессов в системе автоматического регулирования
(САР) необходимо для каждого элемента составить уравнение, связывающее входную и
выходную переменные. Совокупность всех уравнений представляет собой математическую
модель САР. Звено структурной схемы САР – это графическое представление уравнения,
связывающее входную и выходную переменные (Рис. 2.2.)
7
Рис. 2.2. – Звено структурной схемы

Х(p) – входная переменная; Y(p) – выходная переменная

Статическая характеристика звена – это зависимость выходной величины от входной в
статических (установившихся) режимах. Для снятия статической характеристики
необходимо задаться рядом значений входного воздействия и измерить соответствующие им
значения выходной величины (выходная величина измеряется по окончанию переходных
процессов). Графическое представление зависимости выходной величины от входной и есть
статическая характеристика. Краткое описание библиотек элементов Simulink дано в
Приложении 2.
2. Снять переходную характеристику звена по структурной схеме:
 регулятора;
 датчика;
 исполнительного механизма;
Порядок выполнения работы:
 собрать структурную схему в модельном окне в соответствии с заданным
вариантом.
 промоделировать систему
и открыть окно осциллографа с графиком
переходного процесса (Рис.2.3.)
Рис.2.3. – Пример структурной схемы моделирования звена
по передаточной функции
Теоретические сведения
Динамические характеристики показывают характер изменения выходной величины во
времени при изменении входного воздействия (переходной процесс). Одним из видов
динамической характеристики является переходная характеристика – реакция звена (или
системы) на единичное ступенчатое воздействие. Возможный вид переходной
характеристики приведён на рисунке 2.4. По кривой переходного процесса определяются
основные динамические (и статические) свойства систем:
 устойчивость – способность системы принимать прежнее или новое установившееся
состояние после окончания переходных процессов;
 колебательность системы;
 перерегулирование, оценивающее максимальное отклонение выходной величины от
установившегося значения:
Y Y
 ,%  max уст.  100 %,
Yуст.
8
где Ymax – максимальное отклонение выходной величины;
Yуст – установившееся значение выходной величины;
 число и период ( Tk ) колебаний;
 время переходного процесса tп и ряд других.
Рис.2.4. – Динамическая характеристика
Если входным воздействием являлось возмущающее воздействие в системе, то
величина Yуст характеризует величину статической ошибки системы. По
установившемуся значению выходной величины можно также определить
передаточный коэффициент звена, который равен
Y уст.
Х вх .
, где Хвх – величина входного
воздействия.
Обратите внимание, что график переходного процесса в окне Scope отображается
только в промежутке времени от 50 до 100 с, а не от 0 до 100 с, как это было задано в
параметрах интегрирования. Это можно исключить, если в параметрах осциллографа
(Scope parameters) в закладке (Data history) увеличить число запоминаемых
осциллографом точек (строка Limit data points to last) или убрать «галочку» в Limit data
points to last (Рис.2.5.).
Рис.2.5.
3. Снять
частотные
характеристики
звена
системы
(по
заданию
преподавателя).
9
Для снятия частотных характеристик целесообразно воспользоваться
моделью, приведённой на Рис.2.6. На экране осциллографа в этом случае будут
отображены осциллограммы (входного воздействия и выходной переменной).
k
Tp  1
Рис.2.6. Модель снятия частотной характеристики звена
Теоретические сведения
Частотные характеристики показывают реакцию звена или системы на гармоническое
(синусоидальное) входное воздействие. Частотные характеристики широко используются для
теоретического исследования свойств замкнутых систем регулирования. Предполагается, что
входное воздействие меняется по синусоидальному закону y = xmaxsinωt, где xmax – амплитуда
входного воздействия, ω – круговая частота входного воздействия. Выходная переменная для
линейных систем при этом имеет также синусоидальный характер, но синусоида выходного
сигнала, как правило, сдвинута по фазе относительно синусоиды входного воздействия.
Частота входного воздействия теоретически изменяется от нуля до бесконечности.
Выходная переменная будет иметь ту же частоту, что и входная, но на разных частотах
будут различны её амплитуда и фазовый сдвиг относительно входного сигнала. Законы
изменения амплитуды и фазового сдвига выходной переменной при изменении частоты и есть
частотные характеристики. На практике оценивают изменение не самой амплитуды
выходной переменной, а изменение усиления амплитуды при изменении частоты. Усилением
амплитуды называется отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного
воздействия:
A
ymax
;
xmax
(1)
где ymax – амплитуда выходного сигнала (см. Рис. 6.);
xmax – амплитуда входного сигнала.
Фазовый сдвиг φ (в радианах или угловых градусах) определяется, как это показано на
Рис.2.7.
Рис.2.7.
График зависимости усиления амплитуды от частоты А(ω) называется амплитудной
частотной характеристикой (АЧХ), а график зависимости фазового сдвига от частоты φ(ω)
– фазовой частотной характеристикой (ФЧХ). Пример АЧХ и ФЧХ приведён на Рис.2.8.
10
Практически частотные характеристики снимаются следующим образом:
1) На вход исследуемого звена (системы) подаётся синусоидальный сигнал определённой
частоты и амплитуды, при этом выходной сигнал будет также синусоидальным;
2) По (Рис. 2.7.) вычисляется усиление амплитуды и графически определяется фазовый
сдвиг для заданной частоты входного воздействия;
3) Полученное значение усиления амплитуды при заданной частоте откладывается на
координатной плоскости А(ω), а значение фазового сдвига – на координатной плоскости φ(ω);
4) Изменяется частота входного воздействия (обычно без изменения его амплитуды) и
проделывается то же самое;
5) Итак – для ряда значений частоты ω (теоретически – до бесконечности).
А(ω)
ω
φ(ω)
ω
Рис.2.8. Пример АЧХ и ФЧХ
В Matlab для анализа систем автоматического управления может использоваться
специальный инструмент LTI Viewer (обозреватель LTI-объектов). В этом разделе
автоматически строятся переходная характеристика, АЧХ, ФЧХ, ЛАХ, ЛФХ, АФЧХ.
С инструментом LTI Viewer можно познакомиться, открыв в модельном окне:
Tools → Linear Analisys.
При выборе данного инструмента откроется окно с 2 элементами (Рис. 2.9) – а точкой
входа (Input Point) и точкой выхода (Output Point):
Рис.2.9 – Сигналы Model Inputs and Outputs
Точку входа и точку выхода помещают в необходимых местах структурной схемы в
модельном окне, при этом открывается окно LTI Viewer: untitled, в котором и отображаются
основные характеристики. Точки Input Point и Output Point устанавливают в структурной
схеме таким образом, чтобы выделить тот фрагмент схемы, характеристики которого
необходимо получить. Например, если необходимы характеристики всей замкнутой системы,
точку Input Point помещают на вход структурной схемы, а точку Output Point – на выход. При
этом откроется окно характеристик LTI Viewer: untitled, в котором будут представляться
необходимые характеристики (Рис.2. 10.) Запускается программа в меню Simulink этого окна
командой Get linearized model. При нажатии правой кнопкой мыши на поле диаграммы
откроется меню, изображенное на Рис.2. 10.
11
Рис. 2.10 – Окно LTI Viewer: untitled
В данном меню можно выбрать тип характеристики системы, используя раздел Plot
Types (тип графика):
- Step – переходная характеристика;
- Impulse – весовая характеристика;
- Bode – ЛАХ и ЛФХ;
- Bode Magnitude – ЛАХ;
- Nyquist - диаграмма Найквиста.
В этом же меню в разделе Characteristics (характеристики) можно определить
некоторые свойства системы, например:
- Setting Time – время переходного процесса;
- Peak Response – перерегулирование;
- Stability (Minimum Crossing) – устойчивость системы.
При помощи инструмента LTI Viewer автоматически выполняется проверка
устойчивости системы по характеристикам Bode. Для этого необходимо в разделе
Characteristics выбрать свойство Stability (Minimum Crossing). На графике появятся
характерные точки (Рис.2. 11). При подводе курсора к точке всплывает подсказка со
сведениями о системе (Phase Margin (deg) – фазовый сдвиг в градусах; Delay Margin – величина
задержки, показывающая запас по времени до потери устойчивости; At frequency – частота,
на которой произошла потеря устойчивости; Closed Loop Stable? – устойчива (Yes) или
неустойчива (No).
Рис.2.1. – ЛАХ и ЛФХ системы
12
Приложение 1.
Справочные данные элементов системы
РЕГУЛЯТОРЫ
Статическая характеристика
Передаточная функция
1/2
Y=N *X
W(p)=p+1/p+N/2
Y=(N+1)1/2* X/N
W(p)=p+2/p+N/3
Y=(2N+1)1/2 *X/N1/2
W(p)=p+3/p+N/3
Y=(N+1)1/2*X
W(p)=p+4/4Np
Y=(4N+1)1/2X/N1/2
W(p)=p+4/p+N/4
Y=N1/2(X+1)
W(p)=p+5/p+N/5
Y=(N/2)1/2(X+2)
W(p)=p+6/p+N/6
ДАТЧИКИ
Статическая характеристика
Передаточная функция
1/2*
Y=(N+1) X
W(p)=1+p/(p/N)р-1
Y=(N+1)1/2*X/N
W(p)=p+2/(p/N)-1
Y=(N2+1)1/2*X/N
W(p)=2p+1/(p/N)-2
Y=(2N-1)1/2*X
W(p)=3p+2/(p+1/N)
Y=(3N-2)1/2*X
W(p)=2p+1/(p+2/N)
Y=N1/2-X
W(p)=2p+2/(p+4/N)
Y=(N/2)1/2-X
W(p)=4p+3/(p+5/N)
Y=(3N)1/2-X
W(p)=5p+2/(p+5/N)
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Статическая характеристика
Передаточная функция
1/2
Y=X/N
W(p)=p+1/N
Y=X/(N+1)1/2
W(p)=2+N/2Np
Y=NX/(N2+1)1/2
W(p)=3+N/3Np
Y=NX/(N2+2)1/2
W(p)=4+N/4Np
Y=NX/(N2+4)
W(p)=Np+1/2N
13
Приложение 2.
Библиотеки элементов Simulink
Прикладной пакет Simulink, работающий под управлением программы
MATLAB, широко используется для исследования систем автоматического
регулирования по их структурным схемам. Для запуска Simulink необходимо
запустить программу MATLAB.
После вызова программы MATLAB 6.5 на экране появится окно MATLAB,
показанное на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 – Окно MATLAB 6.5
Пакет Simulink позволяет осуществлять исследование (моделирование во
времени) поведения динамических линейных и нелинейных систем, причем
составление системы и ввод её характеристик можно производить путем сборки
на экране схемы соединений элементарных звеньев. В результате такой сборки
получается модель системы, которая сохраняется в файле с расширением .mdl.
Начать работу с пакетом Simulink можно из командного окна MATLAB,
щелкнув для этого на соответствующей кнопке панели инструментов, показанной
на рисунке 1.2 стрелкой.
Рисунок 1.2 – Окно MATLAB (раздел Simulink)
14
Чтобы начать сборку структурной схемы, необходимо в окне Simulink library
browser (рисунок 1.3) вызвать команду File→ New → Model, или нажать в этом же
окне на кнопку Create a new model (см. рисунок 1.3, стрелка).
Рисунок 1.3 – Окно Simulink library browser
После этого на экране появится новое окно untitled, называемое модельным
окном (рисунок 1.4), в котором и будет осуществляться сборка модели.
Рисунок 1.4 – Модельное окно
Окно имеет строку меню, панель инструментов и рабочее поле.
Сборка модели заключается в том, что графические изображения выбранных
блоков с помощью мыши перетаскиваются из окна раздела библиотеки в
модельное окно, а затем выходы одних блоков в модельном окне соединяются с
15
входами других блоков (также с помощью мыши) в соответствии с имеющейся
структурной схемой. Соединение блоков выполняется следующим образом:
указатель мыши подводят к определенному выходу нужного блока (при этом
указатель должен приобрести форму крестика), нажимают левую кнопку и, не
отпуская её, перемещают указатель к нужному входу другого блока, после чего
отпускают кнопку. Если соединение выполнено верно, то линия соединения
блоков будет изображена черным цветом.
Любая моделируемая система должна включать в себя один или несколько
блоков-источников, генерирующих сигналы, которые вызывают срабатывание
моделируемой системы, и один или несколько блоков-приёмников, которые
позволяют получить информацию о выходных сигналах этой системы (увидеть
результаты моделирования).
Библиотека блоков Simulink – это набор визуальных объектов, из которых
можно составить структурную схему любого устройства или системы.
Если с помощью контекстного меню вызвать библиотеку Simulink, на экране
появится окно Library: simulink, в котором представлены графические
обозначения разделов этой библиотеки (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 – Окно Library: simulink
Из всех разделов библиотеки Simulink познакомимся с основными разделами,
необходимыми для создания структурных схем линейных и нелинейных систем:
Sources (источники сигналов); Math Operations (математические операции);
Continuous (непрерывные элементы); Sinks (приемники сигналов), Signal Routing
(пересылка сигналов).
16
Блоки, входящие в раздел Sources, предназначены для формирования
сигналов, обеспечивающих работу системы:
– постоянный сигнал. Блок обеспечивает формирование постоянного скалярного или
векторного сигнала в момент запуска моделирующей программы. Чтобы открыть
диалоговое окно настройки блока, необходимо щёлкнуть по самому блоку. Блок
характеризуется единственным численным параметром Constant Value. Его можно
задать с клавиатуры. Окно настройки параметров этого блока показано на рисунке
1.6. В моделях блок может использоваться для создания ступенчатого входного
воздействия.
Рисунок 1.6 – Диалоговое окно настройки блока Constant
– единичный ступенчатый сигнал. Этот блок обеспечивает создание ступенчатого
сигнала. В отличие от блока, рассмотренного выше, здесь имеется возможность
изменять не только конечный, но и начальный уровень входного сигнала, а также
время задержки подачи воздействия с момента пуска моделирующей программы. В
диалоговом окне настройки блока Step, изображенном на рисунке 1.7,
устанавливаются следующие параметры:
Step time – длительность задержки скачка сигнала;
Initial value – начальное значение (уровень сигнала до скачка);
Final value – конечное значение (уровень сигнала после скачка);
Sample time – эталонное время (шаг изменения модельного времени).
Параметры ступенчатого сигнала изображены на рисунке 1.8.
Рисунок 1.7 – Диалоговое окно настройки блока Step
В диалоговом окне настройки, изображенном на рисунке 1.7, установлены
параметры по умолчанию, которые можно изменять с клавиатуры.
17
Рисунок 1.8 – Параметры ступенчатого воздействия Step
– генератор гармонических колебаний. Предназначен для формирования
синусоидального сигнала с заданными параметрами. Здесь сами параметры
блока зависят от типа используемых технических расчетов (Sine type).
Возможны два варианта:
Time Based –
основанный на времени (используется при непрерывных
сигналах); Sample Based – основанный на числе дискретов времени.
В процессе выполнения проекта будут использоваться только непрерывные
функции, поэтому рассмотрим только Time Based.
В диалоговом окне настройки Time Based, изображенном на рисунке 1.9, для
непрерывных функций введены следующие параметры:
Amplitude – амплитуда синусоидального сигнала;
Bias – смещение относительно оси Х;
Frequency – частота колебаний (радиан в секунду);
Phase – начальная фаза (в радианах).
Рисунок 1.9 – Диалоговое окно настройки блока Sine Wave
Параметры синусоидального сигнала приведены на рисунке 1.10. В
диалоговом окне настройки данного блока можно изменять параметры сигнала с
клавиатуры.
Рисунок 1.10 – Параметры синусоидального сигнала
18
В разделе Math Operations (математические операции) содержат блоки,
которые реализуют некоторые встроенные функции системы MATLAB (рисунок
1.11).
Рисунок 1.11 – Блоки раздела Math Operations
Они объединены в 4 группы. В первую группу, Math Operations, входят
блоки, осуществляющие математические преобразования входных величин:
– Sum. Блок суммирует поступающие на него входные сигналы (в том числе с
разными знаками). Диалоговое окно блока изображено на рисунке 1.12. Для
управления работой блока используются параметры Icon Shape (Форма изображения:
round – круглый, rectangular – прямоугольный) и List of sings (Список знаков).
Например, если заданы знаки + – + (без пробелов), сумматор будет иметь три входа,
причём сигналы со знаками «плюс» будут суммироваться, а сигнал со знаком «минус»
– вычитаться. Положение вертикальных чёрточек около знаков определяет взаимное
положение входов – расстояние между входами, знаки которых разделены
чёрточками, больше, чем между входами, знаки которых располагаются рядом.
Рисунок 1.12 – Диалоговое окно настройки блока Sum
19
– блок, выполняющий умножение или деление нескольких входных сигналов.
Диалоговое окно настройки содержит два параметра: Number of inputs (количество
входов) и Multiplication (умножение – скалярное или матричное).
– блок, осуществляющий умножение двух входных величин, если они скалярные,
или определяющий сумму произведений элементов двух входных векторов
одинаковой длины.
– усилитель входного сигнала. Единственный параметр – это коэффициент
усиления (задаётся в диалоговом окне). В структурных схемах этот усилитель –
пропорциональное безынерционное звено.
– блок, позволяющий выбрать функцию для преобразования входного сигнала.
Вторая группа каталога Math Operations, Vector Operations, содержит
блоки, осуществляющие векторные операции. В состав третьей группы, Logic
Operations, входят блоки, осуществляющие логические операции. Четвертая
группа,
Complex
Vector
Conversions,
содержит
блоки,
осуществляющие
преобразования комплексных векторных величин. Для моделирования линейных
(и многих нелиненейных) систем достаточна только группа Math Operations.
Наиболее широко используемые для структурного моделирования линейных
систем звенья представлены в разделе Continuous (непрерывные элементы).
Блоки Continuous реализуют динамические звенья, описываемые линейными
дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, то есть
линейные стационарные звенья (рисунок 1.13).
Для составления структурных схем линейных САР чаще всего используются
звенья:
– идеальное интегрирующее
коэффициентом.
звено
с
единичным
передаточным
– идеальное дифференцирующее звено с единичным передаточным
коэффициентом.
– блок, позволяющий задать линейное звено с произвольной передаточной
функцией (при условии, что степень числителя не больше степени
знаменателя).
Блоки позволяют моделировать звенья с передаточными функциями
W ( p) 
 m p m   mm11 p m 1  ...  1 p  1
1
; W ( p)  p; W ( p)  mn n
.
p
Tn p  Tnn11 p n 1  ...  T1 p  1
В MATLAB оператор дифференцирования
ps.
20
Рисунок 1.13 – Блоки раздела Continuous
Наиболее универсален блок Transfer Fcn, позволяющий моделировать
линейное
звено
с
произвольной
передаточной
функцией.
Для
задания
передаточной функции в верхней строке (Numerator) диалогового окна (рисунок
1.14) записываются числовые значений коэффициентов числителя передаточной
функции, в нижней строке (Denominator) – числовые значения коэффициентов
(постоянных времени) знаменателя передаточной функции (дробные значения
записываются через точку). Все параметры заключаются в квадратные скобки, а
каждый из коэффициентов отделяется друг от друга пробелом. Местоположение
коэффициента определяет степень производной при этом коэффициенте.
Например, чтобы задать 0,1р + 1, следует в соответствующей строке диалогового
окна задать коэффициенты [0.1 1], а для задания 0,5р2 + 1 следует набрать [0.5 0
1] (коэффициенты записываются через пробел).
Рисунок 1.14 – Диалоговое окно настройки блока Transfer Fcn
Блоки раздела Sinks (рисунок 1.15) позволяют оценить правильность работы
моделируемой системы. Наиболее часто используются 3 блока:
21
Рисунок 1.15 – Блоки раздела Sinks
– предназначен для отображения числовых значений измеряемой
величины;
– используется для вывода графика изменения выходной величины во
времени (осциллограф);
– двухвходовой осциллограф.
Блок Display используется в тех случаях, когда интерес представляют только
численные значения измеряемых параметров (например, при снятии статических
характеристик).
Блок Scope (осциллограф) удобен при исследовании динамических свойств
систем и звеньев, например, при снятии переходных характеристик. График
переходного процесса выводится на экран осциллографа, вид которого показан на
рисунке 1.16.
Рисунок 1.16 – Внешний вид окна осциллографа
22
Некоторые
параметры
осциллографа
можно
поменять
через
кнопку
«Parameters» в его меню. На вкладке «General» в строке Number of axes можно
задать желаемое количество входов осциллографа, следовательно, и количество
отображаемых переходных процессов (каждый процесс будет отображаться в
своём окне). Время развёртки осциллографа задаётся в строке Time range. На
вкладке Data history задаётся количество запоминаемых осциллографом точек из
полученной осциллограммы – если график переходного процесса будет состоять
из большего, чем задано в параметрах осциллографа точек, на экране сохранится
только «хвост» осциллограммы.
В раздел Signals Routing (рисунок 1.17) включены блоки, обеспечивающие
разного рода пересылки сигналов, такие как переключения сигналов, объединение
нескольких сигналов в шину, разделение сигналов шины.
Рисунок 1.17 – Блоки раздела Signal Routing
Из всех блоков данного раздела чаще используют шины Mux и Demux,
количество входов и выходов которых численно изменяется в диалоговом окне
соответствующего блока. Блок Mux позволяет объединять несколько сигналов в
одну шину без операций над этими сигналами. Часто это используется для подачи
нескольких сигналов на один экран осциллографа (при увеличении числа входов
осциллографа увеличивается и число его экранов). Блок Demux позволяет
разделить один сигнал по нескольким шинам.
Над блоками и структурными схемами в модельном окне можно производить
различные операции, обеспечивающие удобство работы с ними. При нажатии на
23
блоке правой кнопкой мыши, появляется меню Format (форматирование
элемента). В этом меню:
 Font – шрифт блока;
 Flip name – зеркальное отображение надписи;
 Hide name – скрыть имя блока;
 Flip block – зеркальное отображение блока;
 Rotate block – поворот блока на 90°.
Скопировать элемент, фрагмент или всю структурную схему можно путём
выделения нужных объектов (щелчком по ним левой кнопкой мыши или
обведением их курсором) и перетаскиванием мышью при нажатой клавише Ctrl,
либо копированием и вставкой через вкладку меню Edit.
24
Приложение 3.
Критерии оценивания защиты курсового проекта
по дисциплине «Программное обеспечение АСУТП и П»
№
критерии
1.
Актуальность
2.
Глубина
освещения
темы,
достоверность
результатов
3.
Логика
изложения
4.
Наглядность
5.
Качество
научной
дискуссии
Культура
докладчика
3 балла
Указывается и
аргументируется
значимость и
современность изучаемой
проблемы.
Описание методов и
организации
компьютерного
моделирования.
Соответствие основных
положений и выводов
поставленным задачам
моделирования. Обработка
и интерпретация
моделируемых данных в
виде таблиц, графиков,
схем с необходимым
анализом результатов
моделирования.
Четкость суждений,
последовательность,
обоснованность
положений, ясность и
краткость изложения
мысли.
Полученные скриншоты
компьютерных моделей и
графики САР вполне
отвечают требованиям.
Ответы на вопросы
конкретны, убедительны
Оценки
2 балла
Значимость и
современность изучаемой
проблемы лишь
указывается.
1 балл
Не указывается значимость
и современность
проблемы.
Неполное описание
методов и организации
компьютерного
моделирования.
Частичное соответствие
основных положений и
выводов поставленным
задачам моделирования.
Частичная обработка и
систематизация
результатов
моделирования и их
анализ.
Отсутствие описание
методов и организации
компьютерного
моделирования.
Несоответствие основных
положений и выводов
поставленным задачам.
Описание результатов
моделирования без
анализа.
Расплывчатость
суждений, слабая
аргументация положений,
излишняя детализация.
Нарушение логики
изложения.
Полученные скриншоты
моделей и графики САР
частично отвечают
требованиям.
Ответы на вопросы не
достаточно убедительны,
иногда уклончивы
Мало эмоциональная
грамотная речь. Слабый
контакт с аудиторией.
Владение собой.
Опрятный внешний вид.
Полученные скриншоты
моделей и графики САР не
отвечают требованиям.
Затруднения в ответах,
отсутствие ответов.
Грамматически
Речевые ошибки. Неумение
правильная, эмоциональная
владеть собой. Отсутствие
речь. Выдержка и
контакта с аудиторией.
уверенность. Контакт с
аудиторией. Эстетичный
внешний вид.
7. Оформление
Курсовой проект оформлен В оформлении
Явное несоблюдение
работы
в соответствии с
отмечаются
требований к оформлению
требованиями с ЕСТД и
незначительные
работы
ЕСКД (ГОСТ 7.32, 2.105,
неточности
6.38)
(несоответствие размеров
Материал изложен
полей, единичные
последовательно и
ошибки в тексте).
логически, литературным
языком.
12- 15 баллов – удовлетворительно; 16-18 баллов – хорошо; 19-21 баллов – отлично
6.
25
Список литературы
1. Солонина А.И. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в Simulink.СПб: БХВ Петербург, 2012. - 432 с.: ил. - (Учебное пособие)
2. Горшков Б.И. Автоматическое управление: Учебник для СПО - М.: ИРПО:
Издательский центр «Академия», 2003.- 304с.
3. Королев А.Л. Компьютерное моделирование – М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2012.-296с. (Педагогическое образование)
4. Королев А.Л. Компьютерное моделирование. Лабораторный практикум –
М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 230с. (Педагогическое
образование)
5. Ануфриев И. Е., Смирнов А. Б., Смирнова Е. Н. MATLAB 7. - СПб.: БХВПетербург, 2005. - 1104 с :
26