Моделирование технических средств автоматизации и управления
advertisement
Моделирование технических средств автоматизации и управления Общая характеристика Современные технические средства автоматизации и управления (ТСАУ) многочисленны и разнообразны. В их состав входят электрические, электромеханические, пневматические, гидравлические и вентильные преобразователи энергии, устройства управления, передачи и обработки информации и регистрирующие приборы. Исследование процессов функционирования ТСАУ и их элементов, разработка алгоритмов управления базируются на методах и технологиях математического моделирования и вычислительного эксперимента. Наибольшим спектром возможностей в области моделирования обладают система MatLab с объектнои проблемноориентированным пакетом расширения Simulink. Второй по возможностям решения задач для компьютерного моделирования является система MathCAD. Затем следует отметить, рассмотренные в данной дисциплине, такие прикладные программные продукты как: Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench (EWB), предназначенная для моделирования и анализа аналоговых, цифровых электронных схем и создания на каждом компьютере виртуальных электронных лабораторий. На базе EWB разработана система программного обеспечения микроконтроллеров Multisim 9, которая имеет уникальную базу виртуальных двух- и трехмерных активных и пассивных электронных компонентов, включающих свыше 17000 наименований, набор из 20 виртуальных контрольно – измерительных приборов и 24 средства для анализа проектируемых электронных схем. Следующей прикладной программой, которой достаточно широко пользуются для решения практических задач в любой области деятельности, является Excel. В большинстве случаев пользователи Excel изучают лишь те функции и средства, которые необходимы для решения каких-то конкретных задач. Поэтому мало кто может с уверенностью утверждать, что знает абсолютно все возможности электронной таблицы и ее надстроек и выполняет свои расчеты самым простым и быстрым способом В ведущих исследовательских институтах и на электромашиностроительных заводах используют ELCUT мощный современный комплекс программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов. Весьма полезным оказывается ELCUT в задачах дефектоскопии и неразрушающего контроля, а так же в задачах электромагнитного экранирования жилых и производственных помещений и электромагнитной совместимости Для решения задач, связанных конструированием и разработкой технологий изготовления отдельных элементов и устройств производственных механизмов и установок на первый план выходят такие прикладные программные продукты, как T-FLEX CAD 3D и P-CAD Система T-FLEX CAD 3D является системой параметрического твердотельного и поверхностного моделирования. Она содержит самые современные средства для создания моделей различной сложности. Использование общепринятых форматов для экспорта и импорта позволяет обмениваться геометрическими данными со многими приложениями САПР. T-FLEX CAD 3D также включает в себя полный набор инструментов для двухмерного проектирования и получения чертёжной документации с поддержкой отечественных и международных стандартов P-CAD представляет собой интегрированный пакет программ, предназначенный для проектирования многослойных печатных плат радиоэлектронной аппаратуры при разработке систем управления электромеханическими и энергетическими системами. Моделирование Моделирование – метод научного исследования реальных объектов путем построения и исследования модели, т.е. воспроизведение характеристик реального объекта на другой объект (модель), специально созданный для их изучения. Основные этапы процесса моделирования: постановка проблемы, построение (выбор) модели, ее исследование и наложение полученных результатов на оригинал. Моделирование как процесс содержит в себя три элемента: • субъект (исследователь), • объект исследования, • модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта. Модель и оригинал Модель – искусственная система, которая позволяет исследовать отдельные свойства реального объекта. Оригинал – объект, определённые свойства которого подлежат изучению методом моделирования. Между моделью и оригиналом должно существовать известное подобие. Подобие – это взаимно-однозначное соответствие между исследуемым объектом (моделью) и оригиналом, при котором правила перехода от параметров модели к параметрам оригинала известны, а математическое описание допускает их преобразование к тождественному виду. Основы построения моделей Основой для построения моделей энергетических и электромеханических систем служат физические законы, определяющие принципы функционирования этих систем и их элементов. При этом в зависимости от поставленной задачи необходимо выделить те законы, которые существенным образом влияют на важнейшие характеристики исследуемого объекта, и отказаться от учета второстепенных факторов, не усложняя модель без необходимости. Виды моделей В качестве моделей энергетических и электромеханических систем различают модели физические, математические и геометрические. Геометрические модели дают внешнее представление оригинала и большей частью служат для демонстрационных целей. Они показывают принцип действия, взаимное расположение объектов в процессе сборки, компоновку. Геометрическое моделирование – вид моделирования, который состоит в получении представления об объекте с помощью макетов, чертежей. Физические модели предназначены для определения численных значений величин, характеризующих поведение реального объекта путем измерения соответствующих величин в модели. Физическая модель – это модель, выполненная из конкретных материалов по определенной технологии и с соблюдением геометрических соотношений (либо пропорций). Она максимально отражает физические процессы в исследуемом объекте. Физическое моделирование – вид моделирования, при котором соответствующие величины оригинала и модели должны иметь одинаковую физическую природу. Физическое моделирование сохраняет особенности проведения эксперимента на оригинале, но существенно облегчает получение требуемых результатов. Математическая модель – это описание оригинала с помощью математической символики. Это система математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, которые характеризуют некоторые свойства оригинала. Математическое моделирование – моделирование по аналогии, при котором оригинал и модель описываются одинаковыми уравнениями, но соответствующие величины оригинала и модели имеют различную физическую природу. Математическое моделирование – метод исследования процессов путем построения системы математических соотношений (математических моделей), описывающих их. При математическом моделировании используют специальные законы конкретных наук, результаты наблюдений и экспериментов. Результаты математического моделирования дают возможность предвидеть развитие процесса, рассчитать его характеристики, управлять этим процессом, проектировать системы с желательными характеристиками и т.д. При использовании методов моделирования в электромеханике, энергетике и электротехнике, как показывает практика, наиболее эффективным и универсальным инструментом исследователя и инженера при решении задач анализа, синтеза и управления электромеханическими и энергетическими системами и установками является метод математического моделирования. Схема математической модели Математическое описание Математическое описание динамических объектов энергетических и электромеханических систем является одним из основных этапов моделирования. Математическое описание состоит из двух подсистем уравнений – компонентной и топологической. Топологические уравнения – это системы алгебраических и дифференциальных уравнений. Это уравнения электрического и механического равновесия, составляемые на основе законов Кирхгофа и Ньютона. Уравнения отдельных элементов схемы называются компонентными. Численный анализ Решение алгебраических и дифференциальных уравнений реализуется с использованим численных методов. Эффективность моделирования при этом оценивают по двум показателям — точности и быстроте нахождения решения. Обычно между ними существует противоречие: для повышения точности уменьшают шаг интегрирования, но при этом увеличивается время счёта. Многие исследования в области численных методов посвящены разрешению этого противоречия, но достигнутые результаты пока не позволяют считать проблему решённой. Одним из возможных путей решения указанной проблемы является построение системы моделирования с переменной структурой. При этом корректное моделирование решается на стыке таких направлений как компьютерное моделирование и информационные системы. Где информационные системы представляют собой прикладное программное обеспечение Моделируемая же система представляется в виде совокупности моделей, каждая из которых имеет свою систему уравнений. Таким образом, модели и методы их решения составляют две стороны процесса моделирования. Для улучшения характеристик процесса моделирования в настоящее время в процессе расчётов частично изменяют методы (или их параметры), в частности, могут менять тип метода, шаг интегрирования и даже модель в зависимости от того, какой режим рассчитывается в данный момент. Таким образом математическая модель современной системы состоит из частных моделей отдельных модулей. Каждый модуль может иметь несколько вариантов модели: нелинейную и линеаризованную, с большим или малым числом переменных состояния, постоянство (непостоянством, функциональной зависимостью) параметров, вероятностным или детерминированным характером параметров и связей. Структурное моделирование Рассматриваемый подход требует составление на этапе подготовки модели ее структурной схемы и реализации принципов визуального программирования. Последнее требование как правило можно обеспечить выбрав соответствующий прикладной программный пакет При структурном моделировании моделируемая система, например, система автоматического управления задается в виде структурной схемы, в которую могут быть включены и отдельные ее реальные элементы (регуляторы, исполнительные органы и т.п.). В структурной схеме задаются параметры основных звеньев и указываются ориентировочные пределы изменения варьируемых параметров, например, коэффициентов усиления и постоянных времени звеньев. Моделирование каждого звена системыоригинала осуществляется в отдельности, а затем из моделей звеньев составляется общая модель, точно воспроизводящая структурную схему оригинала. Структура интегрированного электромеханического комплекса
