VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Цели и задачи работы: обучение работы с графическим интерфейсом программы, освоение приемов моделирования и изучение основных структурных элементов среды VisSim.

Постановка задачи: в ходе работы студент получает возможность ознакомиться с назначением программного комплекса VisSim, особенностями интерфейса, принципами моделирования и типовыми элементами. Необходимо будет выполнить построение графика, характеризующего работу элемента, сделать выводы о правильности работы программы.

1.Краткие теоретические сведения

Программа VisSim была разработана для изучения и моделирования некоторых физических и технических объектов, а также для анализа и синтеза систем управления. VisSim это сокращенное выражение Visual Simulator, т.е. среда визуального моделирования.

В данной программе можно не только проводить анализ и синтез систем управления, но также решать дифференциальные уравнения и проводить разнообразные математические расчеты, с большими возможностями по оптимизации и поиску решения. Кроме того, данную программу можно использовать как виртуальный лабораторный стенд для проведения множества различных экспериментов.

Графический интерфейс VisSim

В программе VisSim используется графический интерфейс, который позволяет создавать модель с помощью разнообразных типовых блоков, которые можно брать с панели инструментов и помещать их в рабочее поле с помощью мыши. Здесь также можно настраивать параметры расчета, включать работу модели и т.д. На рис. 1 показано рабочее поле программы с примером построения графика синусоиды. График показан в специальном окне Plot

Рис.1. Рабочее пространство VisSim с примером модели

На рабочее пространство вынесены типовые блоки: генератор сигнала (синусоида) и графопостроитель. При запуске процесса моделирования в рабочем поле графопостроителя изображается сигнал, вырабатываемый генератором. В настройках генератора сигнала (типовой блок) можно менять начальную фазу, частоту, амплитуду и т.д.

Моделью (диаграммой) VisSim является совокупность специализированных блоков, пояснительных надписей и других типовых элементов, которые обеспечивают корректную работу модели, в зависимости от поставленной задачи. Разработанную модель можно сохранить для дальнейшей переработки, а также импортировать из нее экспериментальные и статистические данные для их дальнейшей обработки.

Основные приемы построения моделей в среде VisSim

Основой для построения модели является структурная схема моделируемой системы, а также дифференциальные (алгебраические) уравнения. Как правило, дифференциальные уравнения в явном виде не задаются, вместо них используются специальные операторы и статические характеристики. Например, изображения по Лапласу передаточных функций линейных элементов САУ или статические характеристики нелинейных элементов.

Рис 2. Структурная схема регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока

Основные блоки и структурные элементы VisSim

Блоки VisSim можно условно разделить на четыре основных типа:

• Блоки с одним выходом (генераторы, источники сигнала)

• Блоки с входом и выходом (различные преобразователи)

• Блоки с одним входом (индикаторы). Например, графопостроитель (осциллограф) и измерительный цифровой индикатор

• Блоки без входов и выходов (служебные элементы, комментарии и записи)

Рассмотрим каждый тип блоков подробнее:

Генераторы

Генераторы (signal producer) – блоки с одним выходом, без входа (рис. 3)

• step - генератор функции Хевисайда h0(t) (ступенька);

• ramp – генерирует линейно растущий/убывающий сигнал k*h0(t);

• sinusoid - генератор синусоиды;

• const – генератор константы (не меняющийся сигнал);

• slider (ползунок, скользящий контакт) - генератор постоянного сигнала, но в этом случае величину его можно менять, например, с помощью переменного сопротивления

Рис. 3. Типовые блоки-генераторы программы VisSim

Преобразователи сигнала

Данный тип блоков имеет не только входы, но и выходы.

Блоки-преобразователи принимают сигнал от других блоков, преобразовывают их в соответствии с определенными правилами (уравнениями) и формируют на выходе преобразованный сигнал.

Основные блоки-преобразователи:

• transferFunction - передаточная функция (рис. 4)

• integrator – интегрирующее звено

• summingJunction – суммирующее звено

• gain – усилительное звено

Рис. 4. Блоки, используемые для построения линейной системы

Индикация сигнала

Блоки-индикаторы имеют лишь один вход. Существует два основных вида (рис. 5):

• plot - график (осциллограф);

• display – индикатор (цифровой и с аналоговой шкалой);

Рис. 5. Блоки-индикаторы программы VisSim

Графопостроитель (plot) в VisSim – окно, в котором можно наблюдать изменение исследуемого сигнала в определенный промежуток времени. (см. рис. 1)

2. Выполнение работы

В данном случае исследуемая модель состоит из генератора синусоиды, генератора постоянной величины, а также генератора постоянной величины с ползунком. Также используется типовой блок Plot (графопостроитель). (рис. 6)

Рис. 6. Первая модель

Положим значение амплитуды для синусоиды равным 20. Окно настроек блока синусоиды на рис. 7.

Рис. 7. Настройки синусоиды

Вид функции на графопостроителе изменится следующим образом: (рис. 8)

Рис. 8. График после изменения параметров на входах

Кроме того, возможна настройка модуля Графопостроитель Панель его настроек на рис. 9.

Рис. 9. Настройки графопостроителя (осциллографа)

Здесь можно задать пределы по осям OX и OY, установить маркеры, прологарифмировать одну из величин (входную или выходную) и сохранить данные в файл. Кроме того, в подменю Labels можно задать название графика и обозначение осей (рис. 10)

Рис. 10. Настройки обозначения кривых и меток

Цифровой и аналоговый модули индикации

Теперь можем познакомиться с стрелочным и цифровым индикатором. Для этого следует поместить на рабочее пространство стрелочный прибор (meter), индикатор (display), а также генератор типа slider(константа с возможностью ручного изменения)(рис. 11)

Рис. 11. Стрелочный и цифровой индикаторы

Из рисунка следует, что стрелочный индикатор не работает корректно, если подать на его вход значение сигнала, большее его пределов измерения. В таком случае нужно их изменить (рис. 12)

Рис. 12. Окно настроек стрелочного измерительного прибора (meter)

Сделаем верхний предел измерений (EndValue) равным 150. Тогда шкала устройства изменится следующим образом: (рис. 12)

Рис. 13 Стрелочный измерительный прибор с исправлением

Из рис. 12 следует, что теперь измерения проводятся корректно и было достигнуто соответствие значений на цифровом индикаторе значениям на стрелочном приборе.

Параметры расчета

Функционирование модели, ее точность и адекватность – находятся в зависимости от параметров расчета. Так как мы имеем дело с численным решением дифференциальных уравнений, то необходимо учитывать величину шага интегрирования. В при уменьшении шага интегрирования повышается точность решения, однако это не всегда оправдано, т.к. время расчета увеличивается, а в повышении точности может не быть необходимости. В данном случае необходимо искать компромисс, позволяющий подобрать подходящее значение шага интегрирования.

Мы можем также менять время расчета (работы модели), с помощью – Simulate, далее SystemProperties.Для примера установим его равным 10 секундам. Аналогичным образом можно менять время интегрирования. (рис. 14)

Рис. 15. Окно параметров расчета

В качестве задания: задать последовательно следующие значения шага интегрирования: (0.1; 0.01; 0.001; 0.0001). Сравнить графики подобрать оптимальное значение шага интегрирования. Выполнять для первой модели (рис. 6)

2. Содержание отчета

1. Наименование работы, ее цель и краткие теоретические сведения.

2. Пошаговое решение поставленной задачи, с необходимыми пояснениями.

3. Скриншоты этапов выполнения

4. Выводы по работе.

3. Контрольные вопросы

1. Программа VisSim. Общие сведения и назначение.

2. Типовые блоки и элементы программы.

3. Основные настройки типовых элементов.

4. Параметры расчета.

СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ

1. Н. В. Клиначёв. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ В ПРОГРАММЕ VisSim Справочная система на русском языке. 2001. http://model.exponenta.ru/ vsmhlpru.zip (877 КБ)

2. Федосов Б.Т., Клиначев Н.В. О построении области устойчивости линейной системы по некоторому параметру стандартными средствами программ математического моделирования. 2002 г.

3. Федосов Б. Т., Клиначёв Н. В. Теория систем автоматического регулирования: Руководство к выполнению лабораторных работ. - Offline версия 3.2 для заочного обучения. - Рудный, Челябинск, 2004. - 125 файлов, ил.

Код для цитирования: Скопировать