Глава 2. Система визуального моделирования VisSim

Данная система предназначена для решения систем дифференциаль­ных уравнений как линейных так и нелинейных . Система дифференци­альных уравнений вводится в виде структурных схем .VisSim обеспечивает модульное проектирование : каждая диаграмма имеет несколько уровней иерархии , переменные в системе могут быть как локальными на одном уровне , так и глобальными - действующими для всей диаграммы . Пре­доставляется возможность включать различные виды входных сигналов . Решение выводится в виде графика или таблично . VisSim предоставляет широкие возможности по наблюдению за ходом решения и для поиска возможных ошибок . Также VisSim может использоваться для вычисления и построения графиков зависимостей , решения статических уравнений . В дайной системе реализовано несколько сложных адаптивных алгорит­мов численного интегрирования , что дает возможность получать реше­ния с высокой точностью .

Использование растровых файлов придает внешнему виду диаграммы более понятный вид . Стандартный интерфейс Windows - приложения об­легчает освоение системы.

2.1. Управление системой

Управление системой осуществляется при помощи ввода пользова­телем команд . Команды разбиты на группы . Ввод команд осуществляет­ся при помощи обращения к меню . Главное меню находится в строке ни­же заголовка основного окна . Оно представляет собой несколько назва­ний групп команд для обращения к группе команд нужно на выбранном названии нажать правую кнопку мыши . Появится pull-down меню кото­рое будет содержать возможные команды . Команды которые недоступны в данный момент будут выделены серым цветом . Справа от названия ко­манд будут написаны "горячие клавиши" при нажатии которых возможно выполнение команды без обращения к меню .. На рис. 2.1Лг*2Л.З. приведены виды возникающих меню , а ниже дано описание некоторых команд.

2.1.1. Меню "Edit"

1. Отмена последней операции редактирования.

2. Переместить блоки в буфер временного хранения.

3. Копировать блоки в буфер временного хранения.

4. Вставить блоки из буфера временного хранения.

5. Удалить блоки без перемещения их в буфер временного хранения.

6. Изменить направления потока сигнала через блок.

18

I

s

£ "s

«

2

I I

1

i

7. Объединить один или больше блоков в один. При этом получается объ­единенный блок (Compaund Block).

8. Переименовать блок.

9. Добавить входной вывод.

10. Добавить выходной вывод.

11. Убрать один входной вывод.

12. Убрать один выходной вывод.

13. Опции управляющие выводом на экран. Возникает диалоговое окно

* Здесь можно изменить следующие параметры :

1.1.1 Вывести горизонтальную линейку.

13.2 Вывести вертикальную линейку.

13.3 Точность вывода чисел (15 или 6 знаков после запятой)

13.4 Введение сетки для соединяющих проводов.

13.5 Выбор цветного или ч/б режима.

13.6 Закрашивать объединенный блок в синий цвет.

13.7 Печатать параметры блока.

13.8 Печатать однострочные комментарии в блоке.

Auto Connector Radius - дистанция автосоединення . Если при отпускании несоединеного провода на этом расстоянии находится неподключенный вход блока то он автоматически подключается.

14. Перерисовать экран.

5S. Удалить один блок.

2.1.2. Меню "Simulate" - Расчет

1. Начать расчет.

2. Остановить расчет.

3. Продолжить остановленный расчет.

4. Изменить параметры расчета.

22

5. Вывести на экран контрольную панель (Control Panel), при помощи ко­торой можно управлять процессом расчета не обращаясь к основному меню

5.1 Начать расчет. 5.4 Пошаговое выполнение

5.2 Остановить расчет. 5.5 Время расчета.

5.3 Продолжить остановленный расчет. 5.6 Реальное время.

. 6. Позволяет получить СИ-код текущего расчета.

7. Текущие значения переменных будут начальными для следующего рас­чета.

2.1.3. Меню "Analize" ■ Анализ

1. Производит линеаризацию.

2. Выбор точек входного и выходного сигнала.

3. Получение передаточной функции.

4. Построение корневого годографа.

5. Установка диапазона дай построения корневого годографа.

6. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ.

7. Установка диапазона изменения частоты для построени* частотных ха­рактеристик.

8. Установка опций анализа.

9. Справочная информация

2.2. Работа с блоками VisSim 2.2.1. Вставка блоков

Чтобы вставить новый блок необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на Меню Блоков ( Blocks ) . Выбрать категорию, я тогда щелкнуть на названии блока который вам нужен . Появится очертание блока кото­рое будет двигаться за курсором мыши. Установите очертание блока в желательную позицию на диаграмме и нажмите левую кнопку мыши. Блок появится в этой позиции.

23

Чтобы вставить блок из временного буффа , выберите команду Edit/Paste. Чтобы изменить параметры блока переместите курсор мыши на блок и нажмите правую кнопку.

Отнятие бзвкм которые жпопыует YisSun дается * разделе " Блоке VuSuk'

2.2.2. Перемещение блоков

Перемещение одиночного блока к новому положению в том же самом иерархическом уровне. Нажмите левую кнопку мыши на желаемом блоке. Удерживая кнопку , двигая мышь переместите блок в новое положение, и опустите кнопку мыши . VisSim автоматически восстановит все соедини­тельные провода:

Перемещение группы блоков к новому положению в пределах одного иерархического уровня .Выберите группу блоков которые нужно перемес­тить . Нажмите левую кнопку мыши на любом блоке в выбранном наборе , переместите группу на новое положение , и отпустите кнопку. Снова VisSim автоматически соединит все провода.

Перемещение блока или группы блоков в разных иерархических уровнях . Выберите блок (один или несколько) который нужно переместить и ис­пользуйте команду Edit/Cut. Перейдите в иерархический уровень , где вы хотите вставить блоки . Используйте команду Edit/Paste.

2.2.3. Выбор блоков

Имеются три способа выбора блоков для последующих операций. Нажните SHIFT и нажмите левую кнопку мыши на фоне диаграммы что­бы назначить выбор блоков на текущем уровне иерархии . При этом вы­бираются невыбранные блоки и отменяется выбор для ранее выбранных блоков.

Нажмите левую кнопку мыши на фоне диаграммы. Удерживая кнопку переместите мышь. На экране появится ограничительная рамка . При отпускании кнопки все блоки попавшие внутрь рамки будут выбра­ны , а оказавшиеся вне ее останутся невыбранныни.

Выбор или отмена выбора для одного блока осуществляется нажа­тием SHIFT и левой кнопки мыши на изображении этого блока. Выбранные блоки изображаются на экране в реверсивном режиме. Блоки остаются выбранными пока вы явно не отмените выбор. Чтобы отменить весь выбор щелкните левой кнопкой мыши на пустой области экрана. Об­ратите внимание, что выбор составного блока неявно выбирает все скры­тые блоки.

24

2.2.4. Копирование блоков

Чтобы копировать один или больше блоков , выберите их и тогда используйте Edit/Copy и команду Edit/Paste чтобы копировать их на лю­бой уровень иерархии.

Быстрое копирование только одного блока в пределах уровня иерархии может осуществляться следующим образом . При удерживании SHIFT+CTRL нажните левую кнопку мыши на блоке . Появится очерта­ние блока которое будет двигаться за курсором мыши . Установите очер­тание в желательное положение и нажмите левую кнопку мыши.

2.2.5. Удаление блоков

Чтобы удалить один или больше блоков, выберите их и используйте команду Edit/Clear нажмите клавишу DELETE.

Чтобы удалять одиночные блоки , выберите команду Edit/Delete One Block переместите возникающий череп на удаляемый блок и нажните ле­вую кнопку мыши.

2.2.6. Соединение блоков

Для обеспечения передачи данных между блоками они соединяются соединительными проводами . Каждый блок имеет входной вывод и вы­ходной вывод . Исключением являются источники сигналов и приемники сигналов : первые имеют только выходной вывод , вторые - только аход-ной . На диаграмме входные выводы обозначаются стрелками . Соединять можно только входные выводы с выходными . Выходной вывод может быть соединен с несколькими блоками, входной только с одним .

Для соединения двух блоков подведите курсор мыши выводу блока с которого берется сигнал , таким образом , чтобы изменился вид курсора мыши . Курсор должен стать вертикально направленной вверх стрелкой . Нажмите левую кнопку мыши и перемещая мышь подведите курсор к входному выводу блока принимающего сигнал. При этом не экране будет рисоваться соедини!ельный провод. Когда вы подведете курсор к выводу отпустите кнопку мыши . VisSim автоматически завершит соединение с самым близким выводом который расположен в пределах радиуса автосо­единения , установленного в Edit/ Preferences.

Для удаления соединительного провода подведите курсор к входно­му выводу , так чтобы он опять стал вертикальной стрелкой . Нажмите левую кнопку мыши и передвиньте мышь . При этом конец соединитель­ною провода будет двигаться за курсором . Переместите конец провода в пустое место и отпустите кнопку . VisSim автоматически удалит провод.

25 ■'

2.3. Работа с составными блоками

2.3.1. Создание составного блока .

Для создании составного блока сначала выберите блоки, которые будут объединены. Затем выберите Edit / Create Compaund Block. Появит­ся диалоговый блок . Вы можете либо дать имя составному блоку, либо применить для его обозначения растровый рисунок .(Такие рисунки хра­нятся в файлах *.рсх , *.bmp . Дпя их создания и редактировании можно использовать различные графические пакеты , в т. ч. Paintbrush входящий в состав Windows 3.x.)

Чтобы дать имя . Введите имя в текстовый блок и щелкните на кнопке «Ж> . Максимальная длина имени—32 символа. Имя не должно содержать символ (.) .

Чтобы использовать рисунок . Щелкните на кнопке <Select Bitmap Image>. Выберите файл с рисунком . Для максимальной мобильности, растровые файлы должны находится в том же каталоге где диаграммы к которым они применяются.

VisSim выводит диаграмму с именем или рисунком изображаемым на созданном составном блоке.

2.3.2. Удаление составного блока

Возможно два способа удаления составного блока : удалить блок вместе с его содержимым , удалить блок, но содержимое перенести на бо­лее высокий уровень иерархии .

В первом случае удаление происходит как обычного блока . Во вто­ром случае следуйте следующим рекомендациям :

1. Войдите в выбранный составной блок.

2. Все входные сигналы подключите к блокам Variable.

3. Выберите все блоки щелчком левой кнопки мыши на пустом месте с нажатой клавишей SHIFT.

4. Выберите команду Edit / Cut.

-5. Нажмите правую кнопку мыши на пустом месте диаграммы чтобы пе­реместится на один уровень иерархии вверх.

6. Выберите команду Edit / Paste и установите блоки в желательную по­зицию на диаграмме.

7. Удалите первоначальный составной блок и соедините входные сигналы которые подключали во 2 пункте.

26

2.3.3. Просмотр иерархии

Чтобы посмотреть составной блок, установите курсор мыши на этот блок и нажмите правую кнопку. VisSim выведет на экран следующий ниже уровень иерархии и напишет имя составного блока в заголовке окна. Чтобы перейти в более высокий уровень нажмите правую кнопку мыши на пустой области экрана.

2.3.4. Составление структурных схем типовых звеньев

Для облегчения работы в VisSim необходимо максимально оптимизи­ровать структурную схему и при этом обеспечить необходимую нагляд­ность. Один из способов—использование иерархической системы (Блок , в нем еще блок и т. д. ) . Структурную схему в виде иерархической схемы можно представить по разному .

Один из таких способов - создание какого-либо звена в виде блока. Дпя примера приводится алгоритм создания некоторых линейных мини­мально-фазовых звеньев.

1. Построение идеально интегрирующего звена

Рис 2.3.1. Идеально интегрирующее звено Для составления звена необходимы следующие элементы : 2 элемента variable (Путь Blocks/ Annotation J) 1 элемент const (Blocks / Signal Producer / ) 1 элемент "Г (делитель) (Blocks / Arithmetic /) 1 элемент integrator (Blocks/Integration/) Дальнейший ход действий:

1. Полученные элементы размещаются на экране так , как показано на рис. 2.3.1.

2. Курсор наводится на блок variable и нажимается правая кнопка мыши . Появится диалоговое окно в котором требуется изменить переменную "variable" на ":Т\ Эта же операция проводится с другими блоками variable.

3. Элементы соединяются проводами аналогично показанному на рис.

4. Помечается все , что было заготовлено на экране ( нажатием левой кнопки мыши появляется прямоугольник , которых требуется охватить полученные элементы ).

5. Выберите команду Edit / Create Compaund Block ... , задайте имя со­ставного блока.

27

6. Войта в полученные блок и соединять последние элемента . Получен­ный блок должен иметь вид схожий с видок представленным на рис. .

7. Сохранить построенный блок на диске под каким-либо именем , чтобы в дальнейшем можно вставить этот блок в общую структурную схему .

2. Построение апериодического звена

Рис. 2.3,2. Апериодическое звено

Построение звена опирается на предыдущее построение. При построении требуются элементы :

4 элемента variable

2 элемента const

1 элемент "/" (делитель)

I элемент integrator

1 элемент " * " (произведение)

1 элемент summing Junction (сумматор)

1 элемент wirePosttioner

Полученную стрелку нужно повернуть на 180 градусов. Расположить элементы как на рис. 2.3,2.

Требуется сменить знак у одного из входов сумматора . Для этого курсор мыши навести на этот вход (курсор станет большое вертикальное стрелкой ) и нажать правую кнопку мыши. Дальнейший ход действий аналогичен уже рассмотренному.

3. Построение изодранного эвена.

Рве. 2.3.3. Изохронное звено 28

Вид иэодромного звена представлен на рис. 2.3.3. Построение этого звена аналогично построению апериодического эвена.

4. Построение реально-дифференцирующего звена

Рис. 2.3.4. Реально-дифференцирующее звено

Построение реально-дифференцирующего звена проводится аналогично рассмотренный.

5. Построение реально-форсирующего звена

Рис. 2.3.5. Реально-форсируюшее звено

При построении реально-форсирующего звена потребуются следующие звенья:

5 элементов variable 2 элемента const 2элемента "/" (делитель )

2 элемента integrator

1 элемент " * " (произведение)

3 элемента summing Junction (сумматор) 1 элемент wirePositioner (стрелка)

Схема соединения элементов представлена на рис. 2.3.5.

После составления всех необходимых звеньев (блоков) , можно при­ступать к формированию общей структурной схемы путем добавления

29

(File / Add ) тех звеньев (блоков) , которые были приготовлены (были со­хранены на диске).

2.4. Изменение параметров расчета 2.4.1. Изменения параметров блока

Для изменения параметров блока нажмите на нем правую кнопку мыши. Появится диалоговое окно , которое будет содержать параметры и опции используемые эти» блоком и доступные для изменение . В качестве примера приводится диалоговое окно для интегратора...

Здесь как параметр блока задано значение начального значения ин­тегратора (Initial Condition) . Вы можете установить это значение в строке ввода радом с параметром .

После изменения параметров нажмите на кнопку <ОК> . Если вы хотите отменить сделанные ваш изменения нажмите на кнопку <Сапсе1>.

2.4.2. Изменение параметров графика

Для изменения параметров графика нажмите правую кнопку мыши на выбранном графике'. Появится диалоговое окно " Plot Setup" вид ко­торого представлено на рис. 2.4.1. Сделайте желаемые изменения и на­жмите на кнопку <ОК> . Если вы захотите отменить изменение пара­метров то нажните на кнопку <Сапсе)> . Ниже приводятся объяснения по назначению параметров в этом диалоговом окне...

1. Установить режим вря котором на графике будут установлены фикси­рованные пределы по обоим осям.

2. Произвести гармонический анализ полученного сигнала.

3. Режим сохранения предыдущих графиков. Переменная Plot Count определяет максимальное количество зависимостей снимаемых с одного входа.

30

О

1

I

4. Режим помелей расчетных точек на графике.

5. Режим ввода зависимости одной координаты от другой.

6. Выбор номера входного сигнала аргумента.

7. Установка верхнего и нижнего пределов изменения аргумента.

8. Установка верхнего и нижнего пределов изменения Y-координаты .

9. Установка заголовка.

10. Установка подзаголовка.

Е1. Вход в режим считывания значений с графика.

12. Задание идентификаторов входных сигналов.

13. Задание логарифмического масштаба.

14. Установка масштабной сетки.

15. Установка режима вывода только расчетных точек .

16. Установка режима дискретного сигнала.

17. Закончить установку параметров.

18. Отменить установку параметров.

Графические блоки , хотя и немного сложнее обычных , но точно также могут перемещаться, удалятся , копироваться. Они могут входить в составные блоки. Кроме этого графические блоки могут изменять свой размер вплоть до размера экрана.

2.4.3. Изменение параметров расчета.

Параметры расчета определяют время начала и время конца расче­та, размер шага , алгоритм численного интегрирования и некоторые дру­гие параметры . Для того чтобы изменить параметры расчета выберите команду Simulate \ Change Parameters . Появится диалоговое ок­но "Simulation Parameters" вид этого окна представлен на рис. 2.4.2. Здесь вы можете установить:

1. Начальное время

2. Шаг

3. Конечное время

4. Режим автоматического запуска расчета

5. Выбор используемого алгоритма численного интегрирования.

2.4.4. Выбор метода численного интегрирования

Выбор метода численного интегрирования производится в диалого­вом окне " Simulate / Change Parameters " . Расположение алгоритмов в окне такое что , чем выше стоит алгоритм тем быстрее производится рас­чет , но тем больше погрешность расчета . Необходимо находить опти­мальное сочетание точности* и скорости расчета. Чтобы достичь этого начните с наиболее простого алгоритма и увеличивайте сложность пока не получите удовлетворяющее вас решение по точности . Для расчета в

32

I

I

■я о

I I

к 4

ri

&

нелинейных системах рекомендуется использовать алгоритмы с перемен­ным шагом или адаптивные алгоритмы ■

2.5. Вывод результатов расчета

2.5.1. Организация вывода расчета в файл

Иногда есть необходимость вывести значение расчетных точек в файл . Для этого в VisSim предусмотрен блок export . Этот блок имеет несколько входных выводов при подключении сигналов на эти выводы значения этих сигналов будут выводиться в файл имя которого задает пользователь. Для изменения параметров этого блока нажмите правую кнопку мыши на его изображения . Появится диалоговое окно "Data File Export" . Вия этого окна представлен на рис. 2.5.1. Здесь вы можете изме­нить следующие параметры:

1. Ввести имя файла.

2. Установить фиксированный интервал времени .

3. Вывод столбца времени и номер этого столбца. -

4. Периодическая запись данных .

5. Интервал времени периодической записи .

6. Пропустить заголовок VisSim .

7. Просмотреть данные.

8. Выбрать файл.

9. Начальное время.

10. Конечное время.

11. Максимальное количество расчетных точек.

12. Количество знаков после запятой -

13. Дописать вконец файла.

2.5.2. Печать графиков

Если вы хотите получить копню только графика то для выбранного окна графика нажмите кнопку управления окном (слева от¹ заголовка ок­на) в появившейся меню выберите команду Print. VisSim выведет график на полную страницу и не выводит изображение блока.

2.5.3. Печать блок-схем

Выберите команду File / Print чтобы напечатать часть вашей схемы которая является в настоящее время видима на экране. Печать в горизон­тальном режиме дает обычно лучший вид диаграммы иа бумаге . Исполь­зуйте команду File /Printer & System Coniig появится Панель Управления Системы . Нажмите мышь» на изображении принтера и в появившемся диалоговом окне вы сможете установить параметры печати.

34

1

S

1

9

о

I

о

ч •>■

i

2.6. Решение статических уравнений

VisSim предоставляет пользователю возможность решать статиче­ские уравнения как пример приводится блок-схеыа для решения квадрат­ного уравнения...

V^J+5-v + 6 = 0

Рис. 2.6.1. Решение статического уравнения.

В данном случае система нашла решение и поместила его в блок display . Найти решение не всегда возможно и так как решение находится методом приближения то решение получается единственным.

2.7. Возможные ошибки

Ошибки могут возникнуть в нескольких случаях :

Математическая ошибка .Такая ошибка возникает в результате не­допустимого математического действия {целение на ноль , попытка вы­числить логарифм от отрицательного числа) . В случае ее возникновения VisSim немедленно прекращает расчет и выводит на экран окно которое устанавливает характер ошибки . В этом окне предлагается сделать выбор по продолжению дальнейшего расчета: <Abort> Остановить расчет

<Retry> Повторить последний шаг расчета. Обычно это приводит к по­вторной выдаче сообщения об ошибке. <Ignore> Игнорировать ошибку и продолжить расчет. Тот блок где произошла ошибка высвечивается красным цветом . Нажми­те правую кнопку на высвеченном блоке чтобы сбросить ошибку.

Незавершенный или неправильный монтаж . VisSim автоматически присваивает нулевое значение неподсоединеным входным блокам .

Неустойчивое решение. Неустойчивое решение могут привести к ко­лебательному процессу амплитуда которого будег резко возрастать по ве­личине. Если это происходит проверьте правильность введенной блок-схемы , уменьшите шаг интегрирования .включите алгоритм который дает более точный результат.

36

2.8. Блоки VisSim

Описание наиболее часто применяемых блоков приведены в табл. Ш. Приведены названия блоков и путь доступа к ним. На рис. 2.8.1 — 2-8.8. показаны возникающие меню .

Допустим вы решили вставить в диаграмму график . В таблице за­дан путь : Blocks / Signal Consumer / plot . Подведите курсор к разделу Blocks главного меню , щелкните правой кнопкой мыши . Появится меню в котором щелкните правой кнопкой на разделе Signal Consumer - справа появится еще одно меню . В нем выбирите plot. Все меню изчезнут , а за курсором будет перемещаться прямоугольник . Выберите место , где вы хотите поместить блок графика и щелкните правой кнопкой . В вашей диаграмме появится блок графика . В таблице не приведены описания не­которых блоков:

Раздел Boolean. В этом разделе помещены различные блоки логики и сравнения . Выходом для данных блоков является 1 , если результатом логической операции или операции отношения для входных сигналов бу­дет "истина" .иначе 0 .

Раздел Transcendental. В этой разделе помещены блоки передаточ­ные функции которых имеют тригонометрический или трансцендентный характер.

Рис. 2.8.1. Ршдел "Blob / Annotation "

Рве. 2.8.2. Раздел "Blokj / Arithmetic'

Рас. 2.8.3. Раздел "Blob / Boolean "

Рве. 2.8.4. Раздел "Bloks/Integration "

Рис. 2.8.5 №дел "Blob /Nonlinear"

ftre. 2.8.6. Видел "Bloks / Time Delay "

Рис. 2.8.1. Раздал "Bloks / Signal Consumer "

Рис. 2.8.8. Раздел "Blob /Producer "

ЛИТЕРАТУРА

1. Теория автоматического управления : Учебник для вузов / Под редакцией А.В. Нетушила. — М.: Высшая школа , 1976.—400 с.

2. Бесекерский В.А. , Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. — М.: Наука, 1975. — 767 с.

3. Теория автоматического управления / Под редакцией А.А.Воронова. —М.:Высшая школа , 1986—387с.

4. Теория автоматического управления : Руководство к лабораторным работам/ Под редакцией А.Н. Серебрякова . — Челябинск : ЧПИ , 1977. —75 с.

5. Устюгов М.Н. Автоматизированное исследование систем управления : Учебное пособие. — Челябинск; ЧГТУ , 1996 . — 132 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ