Моделирование замкнутой САР программным методом и при помощи системы имитационного моделирования ИМОДС

Моделирование объектов САР, объекта управления. Особенности параметрической оптимизации. Описание пакета ИМОДС: назначение и функции, система файлов, структура меню пользователя. Описание программы и моделируемых объектов. Оценка параметров системы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Разработка систем, в том числе и сложных систем, как правило, требует применения математического моделирования, в частности, имитационного моделирования. При моделировании имитационных элементов моделируется поведение отдельных подсистем сложных систем (СС) и их взаимодействие с учётом влияющих факторов, координатных и параметрических возмущений.

Широкое применение имитационного моделирования в ходе проектирования и эксплуатации СС делает актуальной решение задач и создание методик построения и исследования имитационных моделей.

Реальные СС исследуются с помощью двух типов математических моделей:

аналитические;

имитационные.

В аналитических моделях поведение СС описывается некоторыми функциональными отношениями и логическими условиями, которые можно вычислить в процессе эксперимента. Наиболее полное исследование удаётся провести на имитационных моделях. Аналитические модели позволяют изучить общие свойства СС, например, оценить устойчивость времени доставки пакета. Когда явления в СС настолько сложны и многообразны, что аналитическая модель становится громоздкой или очень грубой, то исследователь вынужден применять имитационную модель. В имитационном моделировании поведение компонент системы описывается набором алгоритмов, которые затем реализуют ситуации, относящиеся к системе. Моделирующие алгоритмы позволяют по исходным данным содержащим сведения о начальном состоянии СС, о координатных и параметрических возмущениях, об изменении свойств СС во времени позволяют отобразить реальные явления и оценить поведение системы во времени.

Можно рекомендовать исследователю применение имитационного моделирования в следующих случаях:

если не существует законченной постановки задачи и идёт процесс познания объекта;

если аналитические методы имеются, но они настолько сложны и трудоёмки, что их применение затруднено, то имитационные модели позволяют упростить сложность свойств СС;

когда желательно оценить поведение имитационной модели в процессе определённого промежутка времени, причём контролировать выходы отдельных компонент в единую систему;

для построения тренажёров и эксплуатации техники.

Имитация и моделирование почти синонимы, практически все расчёты на ЭВМ выполняются моделями реальных объектов. Чтобы отличить математические модели друг от друга исследователи стали давать им различные названия: имитационные модели (ИМ) и математические модели (ММ).

Имитационное моделирование означает, что имеется дело с такими моделями, с помощью которых результат нельзя вычислить заранее, а поведение СС определяется в течение времени, модельного времени.

Имитация представляет собой численный метод проведения экспериментов на ЭВМ над моделями, описывающими поведение СС на заданном интервале времени.

Поведение компонент СС и их поведение в имитационной модели чаще всего описывается набором алгоритмов, реализованном на некотором языке моделирования. Программную имитационную модель необходимо вначале отладить и испытать на адекватность, а затем использовать в имитационных экспериментах. Поэтому под имитацией на ЭВМ понимают:

конструирование;

моделирование;

испытание;

многократное использование модели в экспериментах.

Пользователь на основании имитационных экспериментов принимает решения о качестве функционирования системы в различных режимах работы.

Задание на курсовую работу

Дана структурная схема объекта.

Рис. 1

Объект регулирования состоит из инерционного звена 2 порядка и звена запаздывания.

Цель работы:

Провести моделирование замкнутой САР программным методом и при помощи системы имитационного моделирования ИМОДС.

Задачи работы:

Выполнить программную реализацию имитационной модели системы управления в заданных режимах работы, состоящей из ПИ-регулятора и инерционного объекта второго порядка с запаздыванием.

В качестве результата вывести фазовый портрет графики переходного процесса при нулевом и единичном воздействии (с использованием графической подсистемы Excel).

Реализовать прогон модели на системе имитационного моделирования ИМОДС для двух указанных случаев.

Выполнить оптимизацию модели в ИМОДС. Представить результаты оптимизации.

Представить в качестве результатов оптимизации графики переходных процессов и фазовые характеристики при нулевом и единичном воздействии.

Оценить параметры системы до и после оптимизации.

Имитационное моделирование проводить для двух случаев:

1) f=1, ys=0; 2) f=0, ys=1.

Примечание: постоянные времени, транспортное запаздывание и характеристики регулятора k1, k2 выбираются из таблицы согласно варианту по списку группы; для реализации инерционного звена 2 порядка использовать метод Рунге-Кутта.

№ п.п	=20 сек
	Т1, сек	Т2, сек	Т3, сек	кр	кр/Ти
6	20	200	0	0,51	0,028



1. Теоретическая часть

1.1 Методы моделирования

1.1.1 Моделирование систем автоматического регулирования

Характеристики промышленных объектов сведены к типовым характеристикам, поэтому многочисленные законы функционирования регуляторов, работающих с промышленными объектами тоже можно свести к типовым законам, а именно:

Пропорциональный закон

Интегральный закон

Пропорционально - интегральный закон

Пропорционально - дифференциальный закон

Пропорционально - интегрально - дифференциальный закон

Пропорциональный регулятор

Описывается в динамике следующим уравнением:

x(t) = K1*y(t)

Любой регулятор по отношению к объекту, являющейся неизменной частью системы, можно считать последовательным корректирующим звеном, поэтому для определения влияния регулятора на систему найдем его передаточную функцию и определим, к каким типовым динамическим звеньям его нужно отнести:

W(p) = x(p)/ y(p) = K1

Пропорциональный регулятор относится к безинерционным звеньям и обеспечивает хорошие динамические свойства системы.

Интегральный регулятор

Описывается в динамике следующим уравнением:

x(t)/t = K1*y(t)

W(p) = x(p)/ y(p) = K1/p

Интегральный регулятор относится к интегрирующим звеньям и обеспечивает хорошие статические свойства системы, но ухудшает при этом динамику систему.

Пропорционально - интегральный регулятор

Описывается в динамике следующим уравнением:

x(t) = K1*y(t) + K0*

W(p) = K1 + K0/p

Пропорционально - интегральный регулятор можно представить как последовательное соединение безинерционного, интегрирующего и пропорционально - дифференцирующего звеньев. Улучшает и статику и динамику системы.

Пропорционально - дифференциальный регулятор

Описывается в динамике следующим уравнением:

x(t) = K1*y(t) + K2* y(t)/t

W(p) = K1 + K2*p

Пропорционально - дифференциальный регулятор можно представить как последовательное соединение безинерционного и пропорционально - дифференцирующего звеньев. Улучшает динамику системы, внося при этом статическую ошибку в систему.

Пропорционально - интегрально - дифференциальный регулятор

Описывается в динамике следующим уравнением:

x(t) = K1*y(t) + K2* + K3* y(t)/t

W(p) = K1 + K2/p + K3*p

Пропорционально - интегрально - дифференциальный регулятор можно представить как последовательное соединение безинерционного звена, интегрирующего звена и пропорционально - дифференцирующего звена второго порядка. Улучшает как статику, так и динамику системы.

1.1.2 Моделирование объекта управления

Под моделированием какого - либо объекта, понимается воспроизведение и исследование другого объекта подобного оригиналу в форме, удобной для исследования, и перенос полученных результатов на моделируемый объект. При этом объекты считаются подобными, если характеристики процессов, протекающих в каком - либо из них отличаются от соответствующих характеристик другого объекта вполне определенными и постоянными коэффициентами в течение одного процесса.

Существуют различные методы моделирования:

геометрическое моделирование