ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Анализ компьютерных средств

В инженерной 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.

В процессе математического моделирования модель может уточняться, ус­ложняться или упрощаться.

В основе существующих в настоящее время функционально-ориентирован­ных 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 модульно-струк - турному 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 моду­лей, что достигается отказом от использования общих переменных, а также правильным расположением операций ввода-вывода.

Современные электромеханические системы характеризуются большим числом взаимосвязанных входных и выходных параметров. В математическом описании динамика электромеханических систем представляется системой 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, рас­считывать 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, Inc); GPSS (компания Minuteman Software - США); SCILAB, MATHCAD (Mathsoft, Inc); 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.

В настоящее 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.

В MATLAB 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 Data Format), FITS (Flexible Image Transport System), HDF и HDF-EOS.

В MATLAB входят специализированные пакеты прикладных программ (Toolbox) для решения математических задач (табл. 6.1).