ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Компьютерные методы исследования с визуализацией движений механизмов и процессов обработки вещества (материала)

Чаще всего для отображения результатов исследования ЭК используются различные графические зависимости (частотные характеристики, корневые показатели, переходные характеристики и т. д.), которые не отражают на­глядно суть процесса, происходящего в объекте, а позволяют судить о рабо­тоспособности системы только по косвенным признакам, таким как устойчи­вость, колебательность, чувствительность, время переходного процесса и т. п.

Эффективность проектирования повышается, если при исследовании при­меняется визуализация динамических процессов в ЭК.

Независимо от разбиения конкретной автоматизированной системы уп­равления на подсистемы для каждой из них выполняется внешнее и внутрен­нее проектирование (макро - и микропроектирование). На стадии макропроек­тирования разрабатывается обобщенная модель процесса функционирования, позволяющая разработчику получить ответы на вопросы об эффективности различных алгоритмов управления объектом при его взаимодействии с внеш­ней средой.

Для работы на этапе макропроектирования программная система должна иметь библиотеку модулей, отражающих конфигурацию и свойства типовых элементов электромеханических комплексов и эмулятор программируемого контроллера (ЭПК), функциональным назначением которого является непос­редственно реализация алгоритма управления.

Развивая блочно-модульную идеологию построения средств и систем уп­равления до уровня механизмов, агрегатов и комплексов, можно выделить группы оборудования [8], для которых характерны общие функциональные задачи управления в технологическом процессе (функциональные модули). Соответственно можно подготовить программные модели модулей и программ­ные блоки, решающие задачу управления этими модулями. Из таких модулей можно формировать блоки-комплексы, а следовательно, обеспечивать эконо­мичную технологию проектирования компьютерных систем управления лю­быми ЭК.

В результате использования блочно-модульного подхода к проектированию определяется объектно-ориентированная модель программного обеспечения и все основные объекты (включая данные и основные операции), требуемые для выполнения системных функций, а также следующие компоненты модели: диаграммы классов, содержащие ключевые классы предметной области;

Спецификации классов, описывающие семантику классов, их отношения, атрибуты и ключевые операции;

Диаграммы, изображающие взаимодействие объектов при выполнении си­стемных функций;

Схемы организации функционирования электромеханических комплексов, классификации/детализации и схемы потоков данных с использованием свя­зей родитель—потомок с различными основаниями классификации;

Словарь данных, в котором перечислены все основные сущности, относя­щиеся к предметной области, включая классы, отношения и атрибуты.

Организационная структура отображает сложившуюся модель функциони­рования комплекса. При декомпозиции выделяются функциональные подсис­темы, определяемые типовыми решаемыми задачами.

Существующие математические пакеты в полной мере не решают постав­ленную задачу.

В основе предлагаемой методики визуализации динамических процессов, происходящих в ЭК, лежит одновременное решение дифференциальных урав­нений, а следовательно, динамическое изменение в пространстве или плос­кости положения графических примитивов (точек, линий, окружностей, пря­моугольников и др.), отображающих движения механизмов оборудования, входящего в состав ЭК (табл. 6.7). Визуализация более сложных технологичес­ких объектов производится с использованием совокупности простейших гра­фических примитивов.

Основная проблема, которая возникает при визуализации, — это время решения и объем информации о перемещении. Время решения зависит от порядка дифференциальных уравнений, которыми описывается СУ техноло­гическим объектом. Однако если учесть, что СУ на первой стадии проектиро­вания отлажена, т. е. настроены все ее контуры (рассчитаны регуляторы), то описание системы можно свести к описанию звеньев первого, второго поряд­ков — передаточным функциям замкнутых внешних контуров — и математи­ческому описанию свойств обрабатываемого материала. Это позволит повы­сить быстродействие в получении выходной координаты, характеризующей исполнительный орган, а следовательно, уменьшить объем информации о перемещении. Но упрощение математического описания потеряет всякий смысл, если частоты процессора компьютера приближаются к значению, при котором все расчеты будут выполняться в реальном времени. Поэтому основ­ной задачей в этом случае является формирование графических примитивов и их динамическое отображение в зависимости от результатов математического моделирования.

Для решения поставленных задач применим математический пакет MATLAB, дописав недостающие функции (программные единицы).

Существует несколько способов взаимодействия системы MATLAB с вне­шними программами:

• запись расширения MATLAB на обычных языках программирования, та­ких как C/C++, Fortran и т. п.;

• вызов вычислительного ядра MATLAB из своей программы и получение результата вычислений из среды MATLAB в свою программу. В этом случае MATLAB выступает как своего рода вычислительный сервер для внешней про­граммы;

• управление средой MATLAB при помощи команд DDE (Dynamic Data Exchange) или ActiveX (OLE) Automation;

• простой обмен данными со средой MATLAB через МАТ-файлы, структу­ра которых описана в документации к системе.

Для того чтобы написать модуль, расширяющий набор функций MATLAB, нужно создать обычную динамическую библиотеку (DLL) для Microsoft Windows со специальным набором функций (интерфейсом). Для этого используют си­стему программирования Borland С++ Builder версия 6.0, которая является одной из систем программирования для разработок, ориентированных на кон­цепцию визуально-событийного программирования. Эта система позволяет разрабатывать 32-разрядные приложения для операционных систем Windows, а также корректировать производные классы, функцию WinMain и т. п., что при профессиональном подходе уменьшает вероятность ошибок в программе. Сама программа при этом имеет меньший код по сравнению с другими систе­мами программирования вследствие специфики языка С.

В документации к системе MATLAB для подобных расширений употреб­ляется термин МЕХ-файл (Matlab Extension). Специально назначать МЕХ в качестве расширения имени файла необязательно, MATLAB может прекрас­но работать и с стандартным расширением подобных динамических библио­тек — DLL.

Папка matlabextern на диске, где установлена система, содержит все не­обходимые файлы-заголовки для программ на языке С (каталог matlab externinclude), а также несколько примеров модулей (matlabexternexamples), реализующих некоторые расширения системы, приведенные целиком в виде исходных текстов программ на языке С.

Кроме того, имеется папка matlabexternsrc, в которой приведен исход­ный текст некоторых вспомогательных функций, весьма облегчающий отлад­ку модулей расширения MATLAB.

В М ЕХ-файлах для обмена параметрами всех типов с вычислительной сре­дой MATLAB используется одна структура — mxArray (Matlab Extension Array).

Программный интерфейс создаваемой динамической библиотеки доста­точно прост. В нем экспортируется единственная функция с двумя параметра­ми — входным и выходным массивами структур mxArray.

Прототип интерфейсной функции объявлен в заголовочном файле matlabexternincludemex. h.

Приведем порядок создания dll-файла в Borland С++ Builder версия 6.0, вызываемого из MATLAB.

1. File New

Откроется диалог New вкладка Projects:

А) выбираем тип создаваемого проекта: Win32 Dynamic-Link Library

Б) заполняем Project Name: {progl}

Location: {указываем путь к нужной директории}

2. File New

Откроется диалог New вкладка Files:

А) выбираем тип создаваемого файла: С++ source file

Б) заполняем File Name: {progl}

3. Скопировать в директорию проекта файл matlab. lib (прилагается)

4. Добавить скопированный файл к проекту:

Project —> Add ToProject Files matlab. lib 5. Работа с С++-ым файлом, входящим в проект: обязательно включить следующие хедера: #include <windows> #include <mex. h> #include <matrix. h>

(Далее идет текст нужной программы (функции))

6. Добавить к проекту файл {progl. def}:

А) File New: откроется диалог New вкладка Files:

Б) выбираем тип создаваемого файла: text Files с) заполняем File Name: {progl. def]

7. Открыть {progl. def) и заполнить его: LIBRARY «{progl}»

EXPORTS mexFunction

8. Tool Options Вкладка «Directories» включить путь: C:MATLABexterninclude

9. Project -> Settings: Output file name: {progl. dll}

10. F7 (Build) -> создастся файл {progl. dll}

11. Открываем MATLAB

12. File —> Set Path: указываем путь к созданному dll-файлу

13. С командной строчки MATLAB: »{progl} а выполнится нужный С-н--ный код.

Если для исследования ЭК применяется подсистема моделирования дина­мических процессов MATLAB Simulink, то для создания нужного блока целесо­образно применять технологию S-функций (Simulink-функции). С помощью язы­ков программирования (С, С++, Ada или Fortran) пользователь может создавать описание сколь угодно сложных блоков (например, блоков, обеспечивающих взаимодействие системы Simulink с аппаратными средствами; блоков на основе математических уравнений; блоков, реализующих анимационные возможно­сти) и включать их в Simulink-модель, при этом блоки ничем не будут отли­чаться от стандартных библиотечных блоков системы Simulink. Создаваемые таким образом блоки могут реализовывать непрерывные, дискретные или гибрид­ные (дискретно-непрерывные) модели.

Ножницы

І>л. = 0.0 м/с

'л, = 2115, мм j}t = 150ij, мм dK =25, мм

Ножницы

Hp = 1,42, м/Г

Т

JV = 2500, мм hn. = 1500, мм d^ = 25, мм

^ Ножницы

Увил 1,0 м/с

W

Л = 2500, мм = 1500, мм d*. = 25, мм

Рис. 6.27. Динамические картинки, полученные при исследовании динамики процесса резания металла:

А — поступление листа на рольганг перед ножницами: б — остановка листа для выравнивания у борта рольганга, выравнивание листа, установка листа для реза переднего конца; в — оконча­ние реза переднего конца; г — установка листа на мерный рез при перемещении по рольгангам: д — окончание реза листа с включением рольгангов качающегося и за ножницами; е — вклю­чение рольганга перед ножницами для транспортирования второй части листа для реза заднею конца, остановка второй части листа для отрезания заднего конца, окончание процесса; и. — скорость листа; і' — скорость рольганга

Созданные на языках С, С++, Ada или Fortran S-функции компилируются в исполняемые файлы с расширением *.dll. Подробно методика создания S-функ - ций изложена в [19, 61].

В качестве примера рассмотрим компьютерное исследование системы уп­равления ножницами с катящимся резом, математическая модель которой показана на рис. 6.16.

Система автоматизации участка ножниц поперечного резания реализует управление последовательным линейным технологическим процессом в рам­ках комплексной автоматизированной системы управления листовым прокат­ным станом в соответствии с графиком перемещения листа металла [8].

Компьютерные исследования системы управления ножницами с катящим­ся резом проводятся в два этапа.

На первом этапе исследования разработанные программное обеспечение и математическая модель обеспечивают построение переходных процессов при различных управляющих воздействиях, что позволяет отстроить систему уп­равления оптимальным образом.

На втором этапе компьютерных исследований отрабатываются различные алгоритмы управления с визуализацией динамических процессов. При этом пе­реходят к упрощенным структурной схеме и ее математическому описанию, что возможно, так как на первом этапе компьютерных исследований была про­изведена настройка системы управления. Порядок системы дифференциальных уравнений, описывающих упрощенную структурную схему, будет ниже.

При визуализации лист металла представляется в виде параллепипеда с соответствующими размерами (класс Metal), ножницы — в виде сектора кру­га (класса CecNoj) (рис. 6.26).

Обеспечив программу возможностью управления координатами в соот­ветствии с моделью, приведенной на рис. 6.16, и графиком перемещения листа [8], а также ограничителями движения листа и другими элементами, на экране дисплея при исследовании можно получить динамические кар­тинки, изображенные на рис. 6.27.

Таким образом, используя предложенную методику исследования техно­логических комплексов, можно отрабатывать различные режимы их работы в реальном времени.