1.4.5. Анализ динамических процессов систем управления

1.4.5. Анализ динамических процессов систем управления
В отдельную группу задач анализа можно выделить исследования
динамических
процессов,
протекающих
в
системах
автоматического
регулирования и управления наукоемких машиностроительных изделий.
К таким изделиям можно отнести тепловые энергетические установки, ядерные
установки различного назначения, системы автоматического управления следящих
приводов и роботов, двигателей, а также других технических систем, описание динамики которых может быть выполнено методами структурного моделирования. Для
решения задач этого класса широкое применение находят специальные программные
комплексы MATRIX, Simulink, VisSim, МВТУ и др.
Рассмотрим некоторые особенности работы с такими комплексами на примере
программы МВТУ, разработанной в МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Здесь возможно решение целого ряда задач:
• моделирование;
• оптимизация;
• анализ;
• контроль и управление (программа позволяет создавать виртуальные аналоги
измерительных приборов и управляющих устройств контроля и управления
переходными процессами).
Библиотеки типовых блоков. Вся совокупность типовых блоков программного
комплекса условно может быть разделена на две группы: общетехническая библиотека и
специализированные библиотеки. Общетехническая библиотека типовых блоков
содержит следующие каталоги (см. рис. 11 на вклейке):
- субструктуры;
- динамические звенья;
- нелинейные звенья;
- ключи;
- логические звенья;
- функции математические;
- дискретные звенья;
- источники входных воздействий;
- операции математические;
- векторные операции;
- данные и т.д.
В каждом из перечисленных каталогов содержатся типовые или специально
разработанные модели элементов динамических систем.
Например, из каталога «Динамические звенья» можно выбрать: динамическое звено
общего вида, идеальное интегрирующее звено, интегратор с насыщением, интегратор с
изменяемыми начальными условиями, апериодическое звено первого порядка,
колебательное
звено,
инерционно-интегрирующее
звено,
инерционно-
дифференцирующее звено, инерционно-форсирующее звено, переменные состояния,
идеальное запаздывающее звено.
В каталоге «Нелинейные звенья» хранятся следующие звенья: квадратичный
функционал
качества,
линейное
с
насыщением,
линейное
с
зоной
нечувствительности, линейное с насыщением и зоной нечувствительности, релейное
неоднозначное, релейное неоднозначное с зоной нечувствительности, зазор, люфт,
излом, произвольная однозначная нелинейность, запоминание минимума, запоминание
максимума, запоминание макс./мин. из двух скалярных сигналов, запоминание
макс./мин. из п векторных сигналов, переменное транспортное запаздывание,
дифференцирование, ограничение скорости изменения, дельта-функция и др.
Специализированные библиотеки содержат каталоги различных приложений:
«Реакторные блоки», «Логика АСУТП ВВЭР», «Роботы», «Элементы подземных
хранилищ газа». Ряд фрагментов структурных схем, сформированных в процессе
выполнения прикладных НИР и ОКР, хранится в виде субмоделей в отдельных каталогах.
Фактически
эти
каталоги
представляют
собой
дополнительные
специализированные библиотеки, из элементов которых могут быть скомпонованы
значительные фрагменты новых структурных схем.
Основные этапы работы с программой. Формирование и редактирование
структурной схемы проекта, ввод параметров звеньев, начальных условий, выбор
метода и параметров интегрирования осуществляется как с помощью специальных
графических процедур, так и посредством команд. Структурную схему исследуемой
задачи рекомендуется предварительно выполнить на черновике примерно в том же
виде, в каком она должна быть представлена на экране монитора.
Формирование структурной схемы и параметров ее элементов, выбор метода,
параметров интегрирования и т.п. целесообразно проводить в следующей
последовательности.
• В окне монитора, предназначенного для формирования схемы моделирования,
необходимые элементы размещают примерно так, как они должны быть расположены
в структурной схеме.
• Предварительно подобранные элементы схемы можно перекомпоновать,
используя процедуры их перемещения, изменения ориентации элементов, изменения
их размеров и др.
• Информационные связи между элементами указывают на экране монитора,
манипулируя «мышью».
• Параметры элементов (коэффициенты усиления, постоянные времени,
начальные условия и т.д.) задают на структурной схеме.
• Для расчета процессов указывают конечное время интегрирования, метод
интегрирования и другие параметры.
• Подготовленную схему (проект) необходимо сохранить, запустить задачу на
расчет, наблюдая и анализируя результаты протекания процессов.
В
качестве
примера,
демонстрирующего
особенности
использования
программного комплекса, остановимся на задаче моделирования динамики системы
автоматического регулирования ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ)
малой мощности с реактором интегрального типа. В процессе проектирования системы автоматического регулирования исследовались проблемы расчетного обоснования
ядерной безопасности ЯППУ в переходных режимах и в проектных аварийных
ситуациях
(обесточивание,
«стоп-вода»,
«стоп-пар»,
отключение
главного
циркуляционного насоса и секций парогенератора и др.). Структурная схема моделируемой системы (см. рис. 11 на вклейке) скомпонована с помощью элементов
каталога «Реакторные блоки», а субмодели «Кинетика нейтронов», «Система
управления», «Теплофизические параметры АЗ» и т.д., представляющие собой
сложные многоуровневые структуры, набраны из каталогов общетехнической библиотеки типовых блоков. Общее число элементов в схеме - более 370, функциональных
переменных - около 3000. На этом же рисунке размещены окна визуализации
поведения физических параметров системы автоматического регулирования в
процессе моделирования.