Визуального моделирования

Лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ ПАКЕТА SIMULINK И ПРИНЦИПОВ

ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Цель работы  изучение пакета Simulink и принципов визуального моделирования.
1 Общие сведения
Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает.

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox – пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset – моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset – набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada.
2 Запуск Simulink
Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет MATLAB. Основное окно пакета MATLAB показано на рисунке 1. Там же показана подсказка появляющаяся в окне при наведении указателя мыши на ярлык Simulink в панели инструментов.

Рисунок 1  Основное окно программы MATLAB
После открытия основного окна программы MATLAB нужно запустить программу Simulink. Это можно сделать одним из трех способов:

Нажать кнопку (Simulink) на панели инструментов командного окна MATLAB.

В командной строке главного окна MATLAB напечатать Simulink и нажать клавишу Enter на клавиатуре.

Выполнить команду Open в меню File и открыть файл модели (mdl - файл).

Последний вариант удобно использовать для запуска уже готовой и отлаженной модели, когда требуется лишь провести расчеты и не нужно добавлять новые блоки в модель. Использование первого и второго способов приводит к открытию окна обозревателя разделов библиотеки Simulink (рисунок 2).

Рисунок 2  Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink
3 Обозреватель разделов библиотеки Simulink
Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы :

1 Заголовок, с названием окна – Simulink Library Browser.

2 Меню, с командами File, Edit, View, Help.

3 Панель инструментов, с ярлыками наиболее часто используемых команд.

4 Окно комментария для вывода поясняющего сообщения о выбранном блоке.

5 Список разделов библиотеки, реализованный в виде дерева.

6 Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков)

7 Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.

На рисунке 2 выделена основная библиотека Simulink (в левой части окна) и показаны ее разделы (в правой части окна).

Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:

Continuous – линейные блоки.

Discrete – дискретные блоки.

Functions & Tables – функции и таблицы.

Math – блоки математических операций.

Nonlinear – нелинейные блоки.

Signals & Systems – сигналы и системы.

Sinks - регистрирующие устройства.

Sources — источники сигналов и воздействий.

Subsystems – блоки подсистем.

Список разделов библиотеки Simulink представлен в виде дерева, и правила работы с ним являются общими для списков такого вида:

Пиктограмма свернутого узла дерева содержит символ "+", а пиктограмма развернутого содержит символ "-".

Для того чтобы развернуть или свернуть узел дерева, достаточно щелкнуть на его пиктограмме левой клавишей мыши (ЛКМ).

При выборе соответствующего раздела библиотеки в правой части окна отображается его содержимое (рисунок 3).

Рисунок 3  Окно обозревателя с набором блоков раздела библиотеки
Для работы с окном используются команды собранные в меню. Меню обозревателя библиотек содержит следующие пункты:

File (Файл) — Работа с файлами библиотек.

Edit (Редактирование) — Добавление блоков и их поиск (по названию).

View (Вид) — Управление показом элементов интерфейса.

Help (Справка) — Вывод окна справки по обозревателю библиотек.

Для работы с обозревателем можно также использовать кнопки на панели инструментов (рисунок 4).


Рисунок 4  Панель инструментов обозревателя разделов библиотек
Кнопки панели инструментов имеют следующее назначение:

1 Создать новую S-модель (открыть новое окно модели).

2 Открыть одну из существующих S-моделей.

3 Изменить свойства окна обозревателя. Данная кнопка позволяет установить режим отображения окна обозревателя "поверх всех окон”. Повторное нажатие отменяет такой режим.

4 Поиск блока по названию (по первым символам названия). После того как блок будет найден, в окне обозревателя откроется соответствующий раздел библиотеки, а блок будет выделен. Если же блок с таким названием отсутствует, то в окне комментария будет выведено сообщение Not found <имя блока> (Блок не найден).
4 Порядок выполнения работы
1 Запустить Simulink.

2 Изучить основную библиотеку Simulink. Открыть и изучить все разделы библиотеки.

3 В библиотеке Simulink вызвать DEMOS.

4 Изучить простые модели:

 трассировка прыгающего шара;

 моделирование маятника и др.

5 Изучить сложные модели:

 систему антиблокировки и др.

6 Изучить блоксхему Энергосистемы.

7 Изучить блоксхему DSP:

 адаптивная фильтрация;

 спектральный анализ;

 модуляция;

 разработка нелинейного управления (PID контроллер).
5 Требования к отчету
Отчет должен содержать краткие общие сведения, схему одной Simulink  модели (модели в отчетах не должны повторяться), график или рисунок результатов моделирования, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Расскажите об основных разделах библиотеки.

2 Что входит в раздел Continuous?

3 Что входит в раздел Discrete?

4 Что входит в раздел Functions & Tables?

5 Что входит в раздел Math?

6 Что входит в раздел Signals & Systems?

7 Что входит в раздел Sinks?

8 Что входит в раздел Sources?

9 Какие результаты получены при моделировании прыгающего шара?

10 Какие результаты получены при моделировании маятника?

11 Какие результаты получены при моделировании системы антиблокировки?

12 Какие результаты получены при моделировании адаптивной фильтрации?

13 Какие результаты получены при моделировании спектрального анализа?

14 Какие результаты получены при моделировании модуляции?

15 Какие результаты получены при моделировании нелинейного управления?

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ

МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Цель работы  изучение пакета Simulink и принципов создания моделей элементов электроснабжения.
1 Создание модели
Для создания модели в среде SIMULINK необходимо последовательно выполнить ряд действий:
1.1 Создать новый файл модели с помощью команды File/New/Model, или используя кнопку на панели инструментов (здесь и далее, с помощью символа “/”, указаны пункты меню программы, которые необходимо последовательно выбрать для выполнения указанного действия). Вновь созданное окно модели показано на рисунке. 1.1.

Рисунок 1.1 Пустое окно модели
1.2 Расположить блоки в окне модели. Для этого необходимо открыть соответствующий раздел библиотеки (Например, Sources - Источники). Далее, указав курсором на требуемый блок и нажав на левую клавишу “мыши” - “перетащить” блок в созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На рисунке 1.2 показано окно модели, содержащее блоки.

Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу “мыши”), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Для изменения размеров блока требуется выбрать блок, установить курсор в один из углов блока и, нажав левую клавишу “мыши”, изменить размер блока (курсор при этом превратится в двухстороннюю стрелку).

Рисунок 1.2  Окно модели, содержащее блоки
1.3 Далее, если это требуется, нужно изменить параметры блока, установленные программой “по умолчанию”. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой клавишей “мыши”, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При задании численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. На рисунке 1.3 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию и окно редактирования параметров данного блока.


Рисунок 1.3  Блок, моделирующий передаточную функцию

и окно редактирования параметров блока
1.4. После установки на схеме всех блоков из требуемых библиотек нужно выполнить соединение элементов схемы. Для соединения блоков необходимо указать курсором на “выход” блока, а затем, нажать и, не отпуская левую клавишу “мыши”, провести линию к входу другого блока. После чего отпустить клавишу. В случае правильного соединения изображение стрелки на входе блока изменяет цвет. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу “мыши”, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию, а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Схема модели, в которой выполнены соединения между блоками, показана на рисунке 1.4.

1.5 После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File/Save As... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 32 символов, должно начинаться с буквы и не может содержать символы кириллицы и спецсимволы. Это же требование относится и к пути файла (к тем папкам, в которых сохраняется файл). При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню Fille/Save. При повторных запусках программы SIMULINK загрузка схемы осуществляется с помощью меню File/Open... в окне обозревателя библиотеки или из основного окна MATLAB.

Рисунок 1.4  Схема модели
2 Модель нелинейного элемента электроснабжения
Библиотека блоков SimPowerSystems достаточно обширна, однако, иногда требуемая пользователю модель устройства может в ней отсутствовать. Это касается например, нелинейных элементов, насыщающихся реакторов, новых типов электродвигателей и т.п. В этом случае пользователь может сам создать нужную модель на основе блоков Simulink и блоков SPS. Общая структура модели показана на рисунке 2.1.

На схеме к управляемому источнику тока параллельно подключен измеритель напряжения. Между выходом измерителя напряжения и входом источника тока включена Simulink-модель, реализующая нужную вольт-амперную характеристику устройства. Параллельно источнику также подключен развязывающий резистор. Его наличие обусловлено, тем, что большое число блоков SPS выполнено на базе источников тока. При последовательном соединении таких блоков источники тока оказываются включенными последовательно, что недопустимо. Наличие же развязывающего резистора позволяет включать такие блоки последовательно. Величина сопротивления резистора должна выбираться достаточно большой, чтобы его влияние на характеристики создаваемого блока было минимально (обычно его величина для силовых электротехнических блоков выбирается в пределах 500 - 1000 Ом). Зажимами блока являются входной и выходной порты.


Рисунок 2.1  Структура модели
Таким образом, для создания электротехнического блока пользователь, прежде всего, должен создать обычную Simulink-модель, входом которой является сигнал пропорциональный напряжению на зажимах устройства, а выходом сигнал, пропорциональный току устройства, а затем использовать эту модель в схеме представленной на рисунке 2.1. При создании многофазных устройств, как правило, требуется создать модели отдельных фаз, а затем уже включить их по нужной схеме.
2.1 Модель нелинейного элемента
Пусть вольт-амперная характеристика нелинейного элемента задана выражением:

, (2.1)
где i и u - мгновенные значения тока и напряжения,

U₀ - пороговое значение напряжения,

I₀ - величина тока устройства при значении напряжения равном пороговому,

- показатель степени, определяющий нелинейность вольтамперной характеристики (обычно лежит в пределах от 0 до 50).

Схема блока нелинейного элемента показана на рисунке 2.2. Модель Simulink элемента реализована с помощью блока Fcn. Численные значения параметров приняты следующими:

U₀ = 110 кВ,

I₀ = 500 А,

α = 24.


Рисунок 2.2  Схема блока нелинейного элемента
Схема всей модели показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3  Схема всей модели

Рисунок 2.4  Схема модели нелинейного элемента с использованием фильтра
На схеме показаны датчики тока и напряжения, снимающие сигналы пропорциональные этим переменным. Графопостроитель XY-Graph по этим сигналам строит вольтамперную характеристику элемента. Полученные временные диаграммы тока и напряжения должны иллюстрировать нелинейность характеристики элемента.

Некоторым недостатком такой модели элемента является наличие безинерционного замкнутого контура образованного датчиком напряжения, блоком Fcn и управляемым источником тока (рисунок 2.1). Simulink выполняет расчет таких моделей используя итерационную процедуру, что несколько снижает скорость расчета. Также при наличии замкнутых алгебраических контуров становится невозможным расчет модели в ускоренном режиме (Acceleration mode). Чтобы разорвать безинерционный контур достаточно включить в линию между датчиком напряжения и источником тока фильтр с малой постоянной времени. Величина постоянной времени должна выбираться таким образом, чтобы изменение динамических свойств модели было минимальным (обычно величина постоянной времени фильтра выбирается в пределах от 10^-8 - 10^-6). Схема модели нелинейного элемента с использованием фильтра показана на рисунке 2.4.