Имитационное моделирование

Как было сказано раннее, под имитационное моделирование мы понимаем использованных для натурного объекта модели при решении инженерных задач. В области управления из основных инженерных задач является задачей испытания и наладки системы управления и обучения обслужищего персонала. Наиболее эффективный инструмент является натурно – математическое моделирование, когда в состав имитационной систем включается натурные и модельные блоки. Наиболее эффективный этот инструмент, является по тому, что в таких ситуациях отображается в малом диапазоне, в превращенных относительно рабочих значений входных и выходных воздействий. Как известно в малом диапазоне входных и выходных достаточно точными является сравнительно простые по своей структуре операторы пересчетной модели. Ниже приведены основные структуры схемы и краткое описание испытательного наладочного комплекса предназначенного для решении задач испытания наладки и обучения.

Структура многовариантного

испытательно-наладочного комплекса

Общая структура

Общее представление о структуре многовариантного испытательно-наладочного и обучающего комплекса (ИНиОК) на базе натурно-математического моделирования отображено с помощью схемы «Имитационно-моделирующий комплекс».

Эти представления были положены в основу разработки и создания варианта испытательно-наладочного и обучающего комплекса на базе средств цифровой вычислительной техники, укрупнённая структура которого представлена на рис. 15.

Согласно рис. 15 структурная схема ИНиОК содержит следующие основные функциональные блоки и элементы:

· действующую натурную схему управления, включающую натурный объект управления и натурную управляющую систему, в том числе исполнительные органы и измерительные блоки;

· блок связи с действующей натурной системой управления, состоящий из блоков аналогово-цифровых и аналоговых преобразователей и осуществляющий сбор и преобразование (в том числе и в цифровую форму) сигналов об измеряемых в действующей системе управления входных и выходных переменных объекта управления;

· блок записи и воспроизведения данных, состоящий из блока подготовки данных и любых накопителей, заменяющий непрерывно функционирующий блок связи с действующей натурной системой управления в режиме ретроспективного моделирования;

· блок коррекции и децимации сигналов, в котором осуществляется: необходимые преобразования цифрового сигнала, в том числе и прореживание, с целью сохранения его полезных свойств для решения конкретных дальнейших задач;

· блок оценивания, в котором оцениваются текущие значения натурных внешних управляющих и выходных воздействий, а также приведённых возмущений;

· блок формирования натурно-модельных данных, предназначенный для расчётной корректировки натурных реализаций внешних, управляющих и выходных воздействий, а также приведённых к выходу возмущений с целью получения заданных (желаемых) режимов;

· пересчётные модели каналов регулирования и преобразования внешних контролируемых возмущений, используемые для расчёта приведённого к выходу объекта управления неконтролируемого возмущения и корректировок натурных выходов объекта с целью получения их модельных значений;

· испытываемые системы, в качестве которых могут выступать как системы управления в целом, так и отдельные их элементы и части;

· система отображения информации, включающая в себя печатающее устройство, экран, графопостроитель и др.;

· пульт управления, необходимый для формирования воздействий как с целью выбора режима функционирования испытательно- наладочного комплекса, так и с целью обеспечения нормального протекания этих режимов, в том числе и реализация модельных управлений в режиме обучения.

Режим функционирования испытательно- наладочного и обучающего комплекса определяется:

· во-первых, режимом функционирования объекта управления, который характеризуется динамикой контролируемых, неконтролируемых внешних и управляющих воздействий. С этой точки зрения можно выделить два режима: натурный режим функционирования объекта управления, когда текущие значения его входных и выходных воздействий полностью соответствуют при моделировании их натурным значениям, а также натурно- модельный режим, когда осуществляется расчётная коррекция регистрируемых в действующей натурной системе управления данных о контролируемых внешних, управляющих и выходных воздействий с целью придания им желаемых свойств;

· во-вторых, режимом связи действующей натурной системы управления с остальными элементами испытательно–наладочного и обучающего комплекса. Здесь можно также выделить два режима: первый, когда эта связь осуществляется непрерывно, в темпе протекания процессов в натурной действующей системе; второй, ретроспективный режим, когда действующая система заменяется предварительно подготовленными и записанными натурными реализациями входных и выходных воздействий объекта управления, которые могут воспроизводится в ускоренном, реальном или замедленном масштабе времени;

· в-третьих, режимом, обусловленным особенностями решения конкретных задач, а именно: испытания, обучения и совместно испытания и обучения.

Из действующей системы управления на вход блока аналоговых преобразователей поступают сигналы W, U, Y об измеренных значениях фактически контролируемых внешних, управляющих и выходных воздействий натурного объекта управления. Одновременно же поступают по мере необходимости сигналы, пропорциональные базовым значениям W*, U*, Y*, названных переменных. Причём в качестве Y* можно использовать сигналы о заданных значениях выходных переменных объекта управления, регистрируемые на выходе задающих устройств в действующей системе управления. Ввод данных об изменениях W*, U*, Y* в испытательно–наладочный и обучающий комплекс осуществляется исследователем, управляющим процессом моделирования. В блоке аналоговых преобразователей решаются задачи нормирования и противоподменного сглаживания аналоговых сигналов.

После чего, поступающие из действующей системы управления сигналы W,U,Y, преобразуются в аналого-цифровом преобразователе в цифровую последовательность и подвергаются в ЭВМ предварительной обработке. В первую очередь в блоке коррекции и децимации сигналов осуществляется цифровая коррекция входных сигналов, вызванная наличием в блоке аналоговых преобразователей противоподменного фильтра. Зачастую из-за сложности аппаратной реализации аналогового оптимального противоподменного фильтра ограничиваются подключением в аналоговую часть подсистемы ввода данных в ЭВМ более простых по структуре фильтров, например, в виде инерционного звена первого или второго порядков, поскольку последние относятся к классу фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры), в то время как требуется подавать ограниченный спектр частот помехи, то такая противоподменная фильтрация приводит к искажению полезной составляющей входного сигнала. Для уменьшения этих искажений используется программная коррекция цифрового сигнала.

Децимация (прореживание с заданным коэффициентом) сигнала, в общем-то, не является обязательной операцией во всех процедурах предварительной обработки данных. Однако эту операцию целесообразно применять в испытательно- наладочном и обучающем комплексе по той причине, что он может быть использован для испытаний и настройки различных систем и их частей с заранее неизвестными свойствами и алгоритмами. Может оказаться поэтому, что различные испытуемые системы будут требовать наличие входных сигналов с различным шагом дискретности, например, в целях формирования управляющих решений и выдачи их через различные интервалы времени.

Блок оценивания предназначен для оценивания текущих значений контролируемых входных и выходных переменных натурного объекта, в частности, путем сглаживания сигналов W, U и Y об измеренных значениях входных и выходных переменных. Полученные сглаженные значения сигналов рассматриваются как оценки действительных значений переменных. Кроме того, здесь же расчётным путем с использованием модели каналов регулирования и преобразования контролируемых внешних воздействий оцениваются неконтролируемые возмущающие воздействия натурного объекта в виде приведённого к выходам объекта возмущения Y^Н.

Для реализации пересчётных математических моделей могут быть использованы следующие алгоритмы:

· алгоритм пересчётной модели в виде последовательного соединения апериодического звена и звена чистого запаздывания;

· алгоритм пересчётной модели в виде последовательного соединенных звена чистого запаздывания и интегрального звена с отсечкой;

· алгоритм пересчётной модели в виде последовательно соединённых интегрального звена и звена чистого запаздывания;

· алгоритм пересчётной модели в виде последовательно соединённых усилительного звена и звена чистого запаздывания.

В качестве испытываемых систем могут служить системы регулирования как с типовыми, так и с более сложными законами регулирования, , а также их отдельные элементы и части.

Детализация общей структуры ИНиОК для решения конкретных задач.

Представленный ниже образец многовариантного испытательно-наладочного и обучающего комплекса предназначен для решения следующих функциональных задач:

· первичной обработки аналоговых сигналов системы управления с целью выделения полезной составляющей;

· оценивания приведённого к выходу объекта возмущения;

· формирования внешних и управляющих воздействий с желаемыми свойствами;

· испытания САР:

с использованием натурных воздействий;

с использованием натурно-модельных воздействий;

· обучение:

с использованием натурных воздействий;

с использованием натурно-модельных воздействий;

· испытания САР и обучения:

с использованием натурных воздействий;

с использованием натурно-модельных воздействий.

Процедура решения первой из указанных выше задач, а именно - первичной обработки сигнала приведена на рис.21 в виде функциональной схемы, показывающей последовательность выполнения операций. Здесь первый блок обозначен генератором аналоговых сигналов чисто условно. В качестве такого может выступать действующая натурная система управления, генерирующая действительные значения переменных W, U, Y и Y* непрерывно в темпе процессом. Им может быть также накопитель данных, работающий в режиме воспроизведения предварительно проанализированных, отобранных и записанных сигналов с натурной действующей системы. И, наконец, генератором аналоговых сигналов может быть генератор типовых функций, таких как синусоидальных, прямоугольной волны и др. Однако в этом случае режим моделирования следует классифицировать как чисто модельный.

Во втором случае, испытательно-наладочный и обучающий комплекс, работающий в режиме ретроспективного моделирования, должен обеспечивать возможность автоматизированного анализа с реализацией данных и отбора тех временных участков данных, на которых режим функционирования натурного объекта приближается к желаемому (так называемых информативных участков). Накопителем данных должна обеспечиваться возможность синхронной записи и многократного воспроизведения сигнала W, U, Y, U*, Y* W*.

На рис. 24 приведена схема, поясняющая процесс оценивания приведённых к выходу объекта управления возмущений N. В основу этой процедуры положены сглаженные значения W^H, U^H, Y^H сигналов об изменениях контролируемых внешних W, управляющих U, и выходных Y воздействий, характеризующих работу действующей системы управления, вводимые вручную оператором базовые значения входных и выходных воздействий объекта управления U*, Y*, W*, а также модели каналов преобразования внешних воздействий и каналов регулирования.

Согласно рассматриваемой процедуре первоначально определяется отклонения контролируемых возмущений W^H, управлений U^H, выходов Y^H относительно их базовых значений U*, Y*, W*

(131)

Затем осуществляется преобразование отклонений и с помощью соответствующих моделей с целью определения эффекта их влияния на выходные переменные объекта управления.

Полученные приведённые к выходу объекта возмущения сопоставляются с теми изменениями выходной его переменой, которые имели бы место, если бы контролируемые внешние W^H и управляющие U^H воздействия совпадали бы с их базовыми уровнями U*, W*.

Реализация натурно-модельного режима функционирования объекта управления осуществляется оператором по команде с пульта управления. В этом случае подключается в работу блок формирования натурно-модельных данных, где осуществляется формирование возмущающих (в том числе и приведённых к выходу объекта управления) и управляющих воздействий с желаемыми свойствами по схеме, представленной на рис. 23.

При формировании возмущающих и управляющих воздействий с желаемыми свойствами используют следующие данные:

· о желаемых изменениях входных воздействий W^М* и U^M*, а также приведенных к выходу объекта управления возмущений N^M*;

· сглаженные оценки натурных изменений входных и выходных переменных объекта управления W^H, U^H, Y^H, N^H;

· модели каналов преобразования отклонений регулирующих и контролируемых возмущающих воздействий ;

Формирование U^M* и W^M* осуществляется по единой схеме, а именно:

1). Первоначально определяются отклонения δU^M* и δW^M*,

δU^M*= U^M*- U^H; (132)

δW^M*= W^M*- W^H; (133)

2). Затем осуществляется расчёт натурно-модельных значений контролируемых возмущений W^НМ и управлений U^НМ c учётом указанных выше ограничений, а именно:

U^HM=U^H+δU^M, (134)

где

; (135)

и – ограничения на управляющие воздействия;

; (136)

и – ограничения на возмущения.

Расчёт реакции натурно-модельного объекта управления на желаемые значения U^HM и W^HM осуществляется по следующей схеме:

- рассчитываются значения с использованием соответствующих моделей канала регулирования и преобразования внешних воздействий , т.е.

(137)

(138)

- рассчитываются натурно-модельные значения выходных переменных объекта управления Y^HM

(139)

где (140)

Схема, поясняющая реализацию задачи испытания системы автоматического регулирования как с натурными, так и натурно-модельными воздействиями, приведена на рис. 16 и 11. Указанные схемы являются практически одинаковыми, с той лишь разницей, что на последней присутствует блок формирования натурно-модельных данных, предназначенный для получения реализаций W^HM, U^HM, Y^HM, Y_wн с желаемыми свойствами.

Схемы включают в себя:

· пересчётную модель канала регулирования для расчётного определения текущих значений Y^M с использованием реализаций U^M, U^H (или U^HM), Y^H (или Y^HM). В предлагаемом варианте испытательно-наладочного и обучающего комплекса в качестве пересчётной модели используется последовательное соединение инерционного звена первого порядка и запаздывающего звена;

· испытуемый автоматический регулятор, качество работы которого требуется оценить и по возможности повысить в процессе испытания и настройки;

· система отображения информации, состоящая из печатающего устройства, графопостроителя и экрана.

На рис. 18 и 19 приведены схемы испытательно-наладочного и обучающего комплекса, работающего в режиме обучения с использованием как натурных, так и натурно-модельных воздействий.

Как и в предыдущем случае, эти схемы полностью аналогичны как для режима обучения с использованием натурных воздействий, так и натурно-модельных. В случае обучения с использованием натурно-модельных воздействий применяется вместо блока оценивания блок формирования натурно-модельных воздействий.

Пульт управления используется для реализации управляющих воздействий, сформированных обучаемым. При этом следует обратить внимание, что эти воздействия наносятся на втором, активном периоде обучения. В связи с этим весь процесс обучения разбивается на два периода:

1. Пассивный, когда с помощью системы отображения информации обучаемому демонстрируются характерные состояния объекта управления, типовые нарушения и соответствующие им реализации входных и выходных переменных;

2. Активный, когда обучаемому предоставляется возможность формирования и реализации на натурно-модельном объекте необходимых управляющих воздействий.

Рис. 21 и 22 поясняют работу испытательно-наладочного комплекса в том случае, когда реализуются одновременно оба режима - и испытания, и обучения - как с использованием натурных, так и натурно-модельных воздействий. Как видно из рисунков, испытательно-наладочный и обучающий комплекс представлен в виде двухканальной системы. В первом канале решается задача испытания и настройки системы, а во втором канале – обучения.

Рисунок 15 - Укрупнённая структура ИНиОК