НИРС Андреев / 140600.68_СДМ.В.2.1_Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации.ч3

связанных с техногенной нагрузкой на среду обитания. Улучшение конкретных технологических показателей, связанных с уменьшением загрязнения атмосферы, почвы, накапливания не утилизируемых производственных отходов, происходит в первую очередь с внедрением прогрессивных технологий и оборудования, оснащенных контрольноизмерительными приборами и системами оптимизации технологических режимов, контроля аварийных ситуаций.

Всвязи с отсутствием методических материалов по решению экологических задач в рамках системного подхода при оценке экологичности конкретного производства многие проблемы возникают на стадии наладки, ввода в эксплуатацию, но нередко и о процессе эксплуатации объекта.

Первый Всероссийский съезд по охране природы принял концепцию перехода Российской Федерации на модель устойчивого развития, основанную на тесной взаимосвязи экологии и экономики.

Разработка современных машин и других технологических объектов с высокими экологическими характеристиками, применение энергосберегающих технологий, способствующих улучшению экологических показателей, также тесно связаны с работами в области совершенствования электроприводов и систем автоматизации.

Вданной области основными направлениями работ, решающих задачи экономики и экологии, являются:

совершенствование комплектных электроприводов и средств автоматизации с использованием материалов, не выделяющих газы, пыль, вредные продукты окисления, снабжение их эффективными системами защиты и очистки, включая замкнутые оборотные циклы водоохлаждения:

расширение номенклатуры и совершенствование характеристик контрольно-измерительных приборов;

использование систем автоматического управления с повышенными требованиями к надежности функционирования;

разработка новых технических и программных средств контроля технологических процессов, связанных с опасностью загрязнения окружающей среды; внедрение на экологически опасных производствах мощных информационных систем.

В России в рамках Федеральной системы обязательной экологической сертификации поставлена задача разработки систем управления окружающей средой на предприятиях и производствах металлургического комплекса, литейных и прокатных производствах, предприятиях металлообработки и оборонной промышленности и т.д.

На базе Московского института стали и сплавов создан Центр сертификации в металлургии ЭКОСЕРТ, предлагающий услуги по экологической сертификации, аудиту, консалтингу и обучению специалистов по курсам «Системы управления окружающей средой» и «Федеральная система обязательной экологической сертификации».

Раздел 2. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МАШИН

Лекция 8. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ

3.Анализ компьютерных средств

4.Matlab Simulink и его приложения

Литература: Учебное пособие, часть 3, стр. 293-299

1.Анализ компьютерных средств

Винженерной практике при проектировании электромеханических комплексов (ЭК), а также при автоматизированном выборе наилучших проектных решений, широко применяются компьютерные методы исследования и синтеза. Эти методы позволяют повысить эффективность решений и сократить сроки и затраты на ввод ЭК в промышленную эксплуатацию.

Компьютерные исследования электромеханического комплекса выполняются по его модели, под которой понимается формализованное описание объекта, системы объектов, процесса или явления, выполненное посредством математических соотношений, набора чисел и (или) текстов, графиков, таблиц, словесных формул и т. п. В зависимости от поставленной задачи, способа создания и предметной области различают модели математические, физические и информационные. Однако часто встречаются и специальные типы моделей: эвристическая, логическая, концептуальная и т.д.

Сложность математического описания любого ЭК зависит: от необходимости одновременного рассмотрения всей совокупности факторов, отражающих свойства объекта управления; описания информационных систем и возмущений; точности движения электроприводов сепаратных систем; количества взаимосвязей.

Впроцессе математического моделирования модель может уточняться, усложняться или упрощаться.

Воснове существующих в настоящее время функциональноориентированных методов, направленных на совершенствование методологии программирования, лежит процесс целенаправленного разделения реализуемых моделей на составные, более простые части, т.е. декомпозиция модели, которая может быть функциональной или проводиться по структуре данных.

Программа математического моделирования строится по модульноструктурному принципу с четкой унификацией правил оформления подпрограмм и их взаимного сопряжения (интерфейса) по управлению и информации.

Структурный подход к программированию позволяет произвести

декомпозицию разрабатываемой программы на ряд более простых составных частей (модулей), которые могут проектироваться автономно.

При разработке программных модулей следует стремиться к тому, чтобы наличие предварительных знаний об их внутренней структуре не являлось обязательным для сборки больших программ.

Желательно обеспечить максимальную независимость программных мол; лей, что достигается отказом от использования общих переменных, а так правильным расположением операций ввода-вывода.

Современные электромеханические системы характеризуются большим числом взаимосвязанных входных и выходных параметров. В математическое описании динамика электромеханических систем представляется система дифференциальных и алгебраических уравнений.

С появлением вычислительной техники новых поколений и совершенствованием методов ее использования наметился новый системный подход к организации процесса проектирования на ПК заключающийся в создании крупных программных комплексов, построенных по модульному принципу, с универсальными информационными и управляющими связями между модулями. При решении задач данного класса используются единые информационные массивы, организованные в банки данных.

Для решения задач исследования и оптимизации используются различные программные продукты: специализированные пакеты, библиотеки программ, математические системы программирования. Хорошо разработаны методики и алгоритмы, позволяющие исследовать режимы работы сложных электромеханических комплексов, анализировать их качество, рассчитывать частотные характеристики и импульсные переходные функции, исследовать динамику сложных систем, содержащих элементы с нелинейными характеристиками, рас считывать оптимальные процессы при наличии ограничений, исследовать динамику стохастических систем и т.д.

При выборе того или иного программного продукта необходимо учитывать: вид математического описания исследуемой электромеханической системы; особенности представления данных модели;

порядок дифференциальных уравнений, порядок и вид матрицы (симметричная, избыточная, вырожденная и т.д.) и количество структурных элементов графа, используемых для математического описания электромеханической системы; вид представления результатов расчета;

число и вид нелинейных характеристик, описывающих управляющие и возмущающие воздействия;

возможность гибкого изменения математической модели. На этапе проектирования электромеханической системы возможные решения обычно оцениваются на основании интуиции и предыдущего опыта. Однако в настоящее время, как правило, требуется инструментарий, позволяющий стандартизировать процесс принятия решений.

Таким образом, последовательное применение известных пакетов программ, решающих отдельные задачи, позволяет получить требуемый

результат. Однако такой подход не всегда удобен, так как увеличивается время исследования и требуется согласование формата и вида представления данных.

Для решения задач исследования и синтеза систем автоматизированных электроприводов применяют следующие программные средства: MATLAB (MathWorks, lnc); GPSS (компания Minuicman Software — США); SC1LAB,

MATHCAD (Mathsoft, lnc); DERIVE (Soft Warehouse); SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных) или DCS (Distributed Control Systems — распределенная система управления)

— системы, реализующие в том числе и функции схематичного отображения технологических процессов; Case - средства (Computer-Aided Software / System Engineering) и др. Указанные средства отличаются друг от друга формой представления данных, характером решаемых задач, графическими возможностями, способностью взаимодействия.

Внастоящее время для задач исследования и синтеза ЭП и СА чаще всего применяют MATLAB и GPSS.

MATLAB предназначается для проектирования систем управления, анализа данных, обработки изображений, цифровой обработки сигналов, визуализации полученных результатов и разработки собственных приложений.

ВMATLAB помимо обычных языковых конструкций, позволяющих выполнять процедурное, объектно-ориентированное и визуальное программирование, содержится большое количество встроенных алгоритмов для математических расчетов и для анализа и графической визуализации данных, численных и символьных вычислений, создания инженерной и научной графики, имитационного моделирования, программирования, разработки приложений и графического интерфейса пользователя (GUI).

Программы MATLAB являются платформно - независимыми, поэтому пользовательские программы при необходимости могут быть перенесены на любую платформу без изменения.

Открытая архитектура облегчает применение MATLAB для изучения языковых конструкций, принципов программирования и создания пользовательских приложений.

MATLAB содержит специализированные графики, помогающие понять работу сложных систем, а также представить результаты их исследования. С помощью MATLAB можно создавать высококачественную графику для визуализации динамических процессов в исследуемых ЭК и презентации.

Набор специализированных приложений (Toolbox) позволяет обрабатывать сигналы и изображения, разрабатывать системы управления, проводить исследования с использованием нейронных сетей и др. Имеются тулбоксы, расширяющие функциональные возможности программы в сборе данных, создании отчетов и написании программ, включающих в себя процедуры на языках C/C++ или Fortran, функционирующих в среде MATLAB или в виде независимых приложений.

MATLAB также содержит интерфейс для вызова Java-процедур,

коммуникационный интерфейс (последовательный порт) для связи с внешним оборудованием и современные инструменты проектирования графического пользовательского интерфейса, а также поддерживает популярные форматы файлов — CDF (Common Dala Format), FITS (Flexible Image Transport System), HDF И HDF-EOS.

В MATLAB входят специализированные пакеты прикладных программ (Toolbox) для решения математических задач (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Пакеты, входящие в Matlab предназначенные для решения математических задач

	Наименование	Назначение
	Toolbox
	NAG Foundation	Библиотека математических функций The Numerical
		Algorithms Group Ltd
	Spline Statistics	Сплайн-аппроксимация
	Optimization	Статистический анализ данных и моделирование
		методом Монте-Карло
	Partial Differential	Нахождение экстремумов линейных и нелинейных
	Equations	функционалов при наличии связей и ограничений
	Symbolic Math	Решение уравнений в частных производных
	Extended Symbolic	Символьная математика
	Math	Расширенная символьная математика (включает в себя
		систему Maple)
		2. Matlab Simulink и его приложения

Для моделирования, имитации и анализа динамических систем применяется интерактивный инструмент MATLAB Simulink, который позволяет при помощи графических блок-диаграмм моделировать динамические системы и исследовать их работоспособность. Simulink, полностью интегрированный с MATLAB, обеспечивает немедленный доступ к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с приложением MATLAB Stateflow для моделирования поведения, управляемого событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений.

Simulink Performance Tools содержит четыре инструмента для пользователей Simulink, проектирующих крупномасштабные, сложные модели: Simulink Accelerator, ускоряющий выполнение кода при имитации моделей от двух до десяти раз; Model Differencing, графически подчеркивающий отличия между двумя моделями; Model Profiler,

собирающий данные функционирования генерирующий HTML-отчет; Model Coverage, выдающий отчете возможных путях имитации модели.

Для мониторинга сигналов и параметров в Simulink-моделях применяется приложение Dials & Gauges Blockset.

При создании и настраивании отчетов из MATLAB Simulink и Stateflow моделей и данных в различных выходных форматах, включая HTML, RTF, XML и SGML, применяются приложения MATLAB Report Generator и Simulink Report Generator, что обеспечивает возможность автоматического документирования создаваемых систем и включения в них любых данных из рабочей среды MATLAB.

MATLAB Compiler включает в себя MATLAB C/C++ Math and Graphics Libraries и позволяет компилировать m-файлы в коды на С и C++, обеспечивая возможность создания независимых программных продуктов. Компилятор содержит алгоритмы оптимизации, существенно увеличивающие скорость выполнения программы. Модуль для Visual Studio позволяет использовать MAT LAB-компилятор из Microsoft Visual Studio.

В MATLAB включены специализированные Toolbox, предназначенные для автоматизации проектирования систем управления (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Пакеты, входящие в Matlab предназначенные для проектирования систем управления

Наименование
пакета		Назначение
прикладных
программ
	Моделирование,	анализ	и	проектирование	как
Control System	непрерывных, так и дискретных во времени линейных
	автоматических систем управления.
Nonlinefr
Control Design	Проектирование нелинейных систем.
(NCD) Blocksct
	Проектирование, моделирование и анализ систем с
	нечеткой логикой. Имеет средства для преобразования
	входных данных в выходные данные системы правил и
Fuzzy Logic	связей произвольной сложности, выраженные обычным
	языком. Системы могут быть имитированы в MATLAB или
	включены в блочные диаграммы Simulink с возможностью
	генерации кода для независимого выполнения.

Продолжение таблицы 8.2

Наименование

пакета

Назначение

прикладных

программ

Синтез систем управления на основе линейных матричных

LMI Control

неравенств.

Содержит

функции

для

проектирования и

анализа таких характеристик систем управления, как

помехоустойчивость, производительность и др.

Model Predictive

Управление с эталонной моделью. Полезен для управления

системами

с большим

числом

входных

и

выходных

Control

переменных, имеющих много связей.

μ -Analysis and

μ -анализ

и

синтез.

Содержит

набор

функций для

использования

в анализе

и

проектировании

устойчивых

Synthesis

линейных систем с многими переменными.

Робастное управление. Содержит специализированный

Robust Control

набор инструментов

для

анализа

и синтеза

систем

управления, устойчивых по отношению к случайным

возмущениям

Quantitative

Feedback Theory

Проектирование робастных систем с обратной связью.

(QFT) Control

Design

Нейронные сети. Применяется в областях, где формальный

Neural Network

анализ чрезвычайно труден или невозможен, например при

распознавании образов, идентификации и управлении

нелинейными системами

System

Идентификация параметров в системах управления.

Identification

Frequency

Domain System

Идентификация в частотной области

Identification

Моделирование

и

тестирование

взаимосвязанного

xPC Target

оборудования, управляющих систем и систем цифровой

обработки сигналов

Communications

Разработка

современных

коммуникационных

систем,

включая моделирование в реальном масштабе времени

В MATLAB также включены специализированные приложения, предназначенные для автоматизации проектирования в реальном времени

(табл. 8.3).

Таблица 8.3

Приложения, входящие в Matlab предназначенные для автоматизации проектирования в реальном времени

	Наименование				Назначение
	приложения Real
		Дополняет Simulmk. позволяя автоматически
	Real – Time Workshop	генерировать		С-код		прямо		из	блочных
		диаграмм пакета Simulink
		Расширяет возможности приложения Rcal-Time
	RealTime Workshop	Workshop, позволяя осуществлять генерацию
		высококачественного				встраиваемого			кода для
	Embedded
		Simulink-моделей, и осуществляет генерацию
		кола из Slateflow
		Обеспечивает простую в использовании среду
	Real - Time Windows Target	макетирования и реальном времени, полностью
		контролируемую			через		пользовательский
		интерфейс Simulink
		Обеспечивает моделирование и симуляцию,
		позволяющие			проектировать				системы
		обработки сигналов в режиме реального
	DSP Blockset	времени и осуществлять проверку этих систем.
		DSP	Blockset		позволяет			использовать
		инструменты			Simulink		для		обработки
		потоковых		данных			и	выполнения
		многоступенчатых операций

Для моделирования и исследования электромеханических систем будут полезны библиотеки MATLAB, приведенные в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Библиотеки, входящие в Matlab предназначенные для моделирования и исследования электромеханических систем

Наименование		Назначение
библиотеки
	Моделирование энергетических систем, включая
Power Systems	устройства электротехники		и		промышленной
	электроники
	Моделирование	механических				систем,
	составленных из отдельных элементов, таких как
	механические блоки, соединения, узлы крепления,
SimMechanics	исполнительные элементы и датчики. С помощью
	этих элементов формируется описание сложной
	механической системы с присоединенными к ней
	другими динамическими моделями и контроллером
	Моделирование, интегрирование и имитация
Aerospace	авиационных,	космических,		реактивных			и
	турбореактивных	систем	и		подсистем		в
	приложении Simulink
Filter Design	Проектирование,	моделирование			и	анализ
	цифровых фильтров
Image Processing	Набор средств для анализа и обработки цифровых
	изображений

Лекция 9. СИНТЕЗ, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

2. Автономные системы управления

Литература: Учебное пособие, часть 3, стр. 299-303

1.Автономные системы управления

Кавтономным системам относятся однодвигательные системы автоматического управления, например управляемые электроприводы насосов, компрессоров, напольного электротранспорта и др.

Рассмотрим системы управления (СУ), построенные по принципу подчиненного регулирования. В этом случае синтез систем сводится к расчету регуляторов различных видов (П-, ПИ-, ПИД-, И - регуляторов и др.), контуров тока, скорости, положения и др. Для синтеза регуляторов в

зависимости от требуемых динамических характеристик применяются стандартные настройки: оптимум по модулю (ОМ) и симметричный оптимум (СО), а в методах модального управления — стандартные распределения корней характеристических полиномов. Такие настройки соответствуют стабилизирующим и следящим (контурным) режимам работы систем, а также режимам параболических, треугольных и трапециидальных движений, характерных для больших изменений переменных и соответствующих пусковым, тормозным, циклическим, программно-логическим режимам работы систем электроприводов. Последнее реализуется формированием соответствующих программных заданий на входы систем управления с использованием или без использования ограничений переменных регуляторов.

После проведения синтеза регуляторов переходят к исследованию различных режимов работы автономных систем, формируя, различные управляющие и возмущающие воздействия. Для этого используют матричное описание СУ или ее описание в виде передаточных функций и соответственно Control System Toolbox либо систему визуального моделирования Simulink с описанием СУ в виде соответствующих S- моделей.

В составе Control System Toolbox можно выделить следующие основные процедуры, приведенные в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Процедуры Control System Toolbox

Процедура			Назначение
	Формирование LTI-объектов
ss	Создание модели пространства состояния
zpk	Создание модели нули - полюсы - коэффициенты (НПК)
tf	Создание модели передаточной функции
		Извлечение данных
ssdata	Извлечение матриц пространства состояния
zpkdata	Извлечение данных о нулях, полюсах, коэффициенте передачи
tfdata	Извлечение	числителя	(числителей)	и	знаменателя
	(знаменателей) передаточной функции