Автоматизация процесса проектирования системы управления технологическим процессом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Программирование уже давно перестало быть уделом энтузиастов. Современный программист - не писатель или ученый, а квалифицированный рабочий. Прошли те времена, когда удавалось «удовлетворять собственный интерес за счет государства»: месяцами исследовать исходный код какой-нибудь совершенно бесполезной в практическом плане, но хитроумной системной утилиты, изучать устройство и принципы действия виртуальных таблиц объектного Паскаля, забираться в недра исходных текстов оригинально сделанных компонентов.

Конечно, небольшому проценту разработчиков по долгу службы нужны глубокие специфические знания (это в основном системные администраторы и специалисты по защите корпоративной информации), однако от подавляющего большинства программистов сегодня требуется, прежде всего, умение писать программы максимально быстро и без ошибок. При этом, чем меньше в программе будут использоваться малоизвестные возможности Windows и Delphi, тем лучше - ведь в исходных текстах, вполне возможно, придется разбираться (и совершенствовать их) другим программистам, причем, скорее всего, разной квалификации. В таких условиях для руководителя проекта на первый план выходит умение организовать слаженную работу коллектива, а для рядовых программистов - способность правильно понимать, что от них требуется (а это совсем не так просто, как кажется поначалу), и выполнять работу в срок. Решающим здесь становится качество работы: чем меньше программист допустит ошибок, тем быстрее он закончит работу.

Коммерческие компании предъявляют к своим сотрудникам достаточно жесткие требования. Это естественно, ведь цель любой компании - получение прибыли. Обычно они создают хорошие условия труда и выплачивают солидную зарплату, но рабочий день в таких компаниях расписан по минутам, и времени на изучение устройства нового компонента или принципов функционирования новой технологии подчас просто не найти. Поэтому вся мировая индустрия средств разработки приложений движется в направлении максимального упрощения процесса создания программ, переводя его на визуальный уровень. Это позволяет программисту сосредоточиться на логике решаемой задачи. В таком контексте система Delphi представляется средой, близкой к идеальной.

Данный дипломный проект разработан в среде Delphi. Целью его разработки является автоматизация процесса проектирования системы управления технологическим процессом. Программа повышает точность расчетов и позволяет освободить достаточно большое количество людей от рутинной работы.

Основное назначение разработанной программы - это использование ее в составе программного комплекса проектирования системы управления технологическим процессом. При этом результаты работы программы являются входными данными для последующего расчета. Однако, может потребоваться необходимость промежуточного контроля результатов вычисления в табличном или графическом виде. Поэтому в программе предусмотрена возможность вывода данных в виде графиков.

Программа реализует метод, являющийся ключевым при построении системы управления, при этом в процессе работы может потребоваться многократное решение данной задачи для различных условий. Множество этих решений позволяет выбрать наиболее оптимальное для данного конкретного случая.

программирование технологический управление передаточный

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Цель разработки

Целью разработки является автоматизация процесса проектирования системы управления технологическим процессом. Программа повышает точность расчетов и позволяет освободить достаточно большое количество людей от рутинной работы.

1.2 Анализ использования разработки

Разработанная программа может быть использована в учебном процессе с целью наглядного обучения студентов расчету регуляторов по кривой разгона объекта методом М.П. Симою.

1.3 Анализ методов решения

Программа использует метод, предложенный М.П. Симою для расчета передаточной функции объекта по его кривой разгона. На сегодняшний день этот метод является единственным простым алгоритмом для расчета. Так как большинство реальных объектов могут быть рассчитаны с использованием данного алгоритма, а описание более сложных объектов требует уникальной методики, которая не является универсальной для всех таких объектов, то использование этого метода оправдано. Автоматизация его может сводиться лишь к написанию машинного алгоритма, позволяющего ускорить расчет и минимизировать количество ошибок.



1.4 Анализ средств программирования

1.4.1 Обзор средств программирования

Вся мировая индустрия средств разработки приложений движется в направлении максимального упрощения процесса создания программ, переводя его на визуальный уровень. Существует несколько систем программирования, такие как Visual Basic, Visual C++, Java, FoxPro. Некоторые из них являются ориентированными на конкретное применение (Базы Данных, интернет приложения и т.д.) Среди них есть универсальные системы, самой развитой из которых является Visual C++, предоставляющая в распоряжение программиста наиболее мощные средства разработки приложений, что, однако, требует от программиста глубокого знания операционной системы и технических возможностей.

На сегодняшний день существуют системы программирования, не требующие глубокого знания работы системы и позволяющие создавать программы новичкам программирования. К одной из таких систем относится Visual Basic. Являясь самым простым языком программирования, он тем не менее постоянно совершенствуется и в постоянных версиях предоставляет программисту широкий спектр возможностей по созданию приложений. Однако, за простоту необходимо платить и такой платой является большой программный код, генерируемый системой и невысокое быстродействие.

Java - является одним из самых бурно развивающихся языков. Он создавался как универсальный язык, программы которого должны работать на любой аппаратной платформе. И в этом его большое преимущество. Последнее время появились версии языка, предоставляющие широкие возможности: от создания СУБД до систем автоматического регулирования, однако он по прежнему в большей степени ориентирован на интернет.

FoxPro - является системой программирования, ориентированной на создание СУБД, поэтому области применения среды ограничены рамками задач, решаемых с помощью баз данных, однако стоит отметить, что среда предоставляет полный набор возможностей для проектирования, создания и ведения баз данных, поддерживая современные технологии доступа к данным. Среди СУБД необходимо отметить Access, реализующей самые современные концепции и технологии баз данных, разрабатываемые корпорацией Microsoft, однако применение системы ограничено рамками БД, а язык программирования, встроенный в системы не позволяет реализовать сложные алгоритмы расчетов, требующих значительных аппаратных ресурсов компьютера. Access поддерживает наиболее перспективную технологию создания БД, реализующую универсальный графический интерфейс, переводящий весь процесс проектирования БД на визуальный уровень.

Перевод процесса создания программ на визуальный уровень позволяет программисту сосредоточиться только на логике решаемой задачи. В таком контексте система Delphi представляется средой, близкой к идеальной. Комфортное место разработчика сочетается с множеством технологий, интегрированных в среду, причем для перехода, допустим, от технологии DCOM к технологии CORBA, не требуется изучать никаких новых методик. Прикладному программисту достаточно понимать базовые принципы этих технологий, а весь вспомогательный программный код система Delphi сгенерирует автоматически.

Среда программирования Delphi позволяет создавать программу, компонуя ее из уже готовых частей и формируя другие части ее написанием текста, компилировать (с компоновкой), отлаживать и запускать созданную программу. Особенностью программирования в Delphi является то, что программист непосредственно видит практически все результаты своей работы на экране монитора (так называемое визуальное программирование), набирая из отдельных стандартных компонент ту часть программы, которая связана с передачей информации (интерфейс программы).

Среда программирования Delphi позволяет работать одновременно как с одним проектом и соответствующими ему файлами, так и с несколькими связанными проектами - группой, однако только один из них может быть в любой момент времени активным.

Управление созданием программы осуществляется с помощью мыши и клавиатуры через меню и систему окон. Многие элементы среды Delphi либо представляют собой стандартные компоненты Windows, либо обеспечивают обращение к таким компонентам.

Основными элементами среды программирования Delphi являются:

· Главное окно, включающее главное меню, панели инструментов, палитру компонентов;

· Текстовый редактор (Code Editor), отображаемый одним или несколькими окнами;

· Конструктор форм (Form), отображаемый одним или несколькими окнами - по одному на каждую форму;

· Администратор проектов (Project Manager);

· Инспектор объектов (Object Inspector),

· Библиотека компонент (Component Library);

· Архив объектов (Object Repository);

· Навигатор по объектам (Browser);

· Конструктор меню (Menu Designer);

· Встроенный отладчик;

· Локальные меню;

· справочная система.

Помимо этих компонент при установке Delphi автоматически подключаются графический редактор (Image Editor) и программа работы с БД - встроенная СУБД Database Desktop.

Пакет Delphi предназначен для создания сложных программ с использованием современных приемов программирования и стиля их оформления. Такие программы обычно компонуются из нескольких файлов. При работе с программой можно выделить две основные стадии. Первая стадия - стадия проектирования, на которой программа собирается из отдельных составных частей, ей задаются основные параметры и характеристики. Именно на этой стадии широко используются приемы визуального программирования, позволяющие наглядно наблюдать результаты создания программы еще до ее запуска. Вторая стадия - стадия выполнения программы, когда она решает поставленные перед ней задачи. Можно выделить третью, промежуточную стадию - стадию отладки, когда программа запускается и по различным признакам проверяется правильность ее работы. При обнаружении ошибок проектирование программы возобновляется.

Сама структура программы, использующая объектное программирование, и особенно механизм обработки событий, которые присутствуют при создании программ в Delphi, существенно отличается от традиционной структуры программы с жестким, заранее заданным алгоритмом. Здесь программа скорее выглядит как совокупность в некотором смысле самостоятельных, обособленных блоков, выполняющих те или иные операции, а связь между ними и любой последующий ход выполнения программы определяются результатами предыдущих этапов и взаимодействием программы через внешние устройства с пользователем.

Среда Delphi представляет собой интегрированную оболочку разработчика, в которую входит набор специализированных программ, ответственных за разные этапы создания готового приложения.

Исходный текст программы готовится в среде Delphi с помощью встроенного редактора исходных текстов. Этот редактор специализирован. Он отличается гибкими возможностями цветового выделения различных элементов текста программы и предоставляет возможность быстрого ввода часто встречающихся конструкций.

Левая панель редактора представляет собой Проводник, позволяющий быстро перемещаться между частями исходного текста и по структуре создаваемой программы.

Важнейшая характеристика разрабатываемой программы - удобство ее пользовательского интерфейса, наличие и доступность необходимых элементов управления. В системе Delphi имеется специальный проектировщик форм, с помощью которого окна будущей программы подготавливаются в виде форм. Проектировщик позволяет подобрать оптимальные размеры окон, разместить и настроить всевозможные элементы управления и меню, добавить готовые изображения, указать заголовки, подсказки, подписи и так далее.

На этапе проектирования форм программа как бы составляется из готовых компонентов - частей машинного кода, которые можно добавлять к ней с помощью всего нескольких щелчков мыши. Компоненты располагаются на палитре компонентов, разделенной на несколько самостоятельных панелей.

Компоненты обладают наборами свойств, характеризующими их отличительные особенности. Некоторые свойства имеются практически у всех компонентов (например, свойство Name). Другие свойства, например Caption, имеются у большинства компонентов - ведь заголовок необходим и для окна, и для кнопки. Некоторые свойства уникальны для конкретных компонентов.

Свойства компонентов в процессе проектирования формы настраиваются с помощью Инспектора объектов. Это специальная программа, показывающая список всех свойств данного компонента, отсортированных по категориям или в алфавитном порядке.

Значение любого свойства можно изменить, введя в соответствующее поле Инспектора объектов новую строку или выбрав нужное значение в раскрывающемся списке доступных значений.

Помимо свойств, компоненты содержат методы - программный код, обрабатывающий значения свойств, а также события - сообщения, которые компонент принимает от приложения, если во время работы программы выполняется определенное действие. Программист может самостоятельно формировать реакции программы на любые события каждого компонента.

Правильно подбирая компоненты и настраивая их совместную работу путем использования свойств, предназначенных для связи компонентов друг с другом, нередко удается создать приложение, не написав вручную ни строчки исходного текста. В системе Delphi существуют сотни готовых компонентов, и при решении многих задач бывает полезно предварительно поискать нужный компонент вместо того, чтобы выполнять работу по программированию, возможно, уже сделанную другими людьми. Компонентный подход к созданию программ позволяет повторно использовать разработки и во многих случаях значительно повышает эффективность труда.

Delphi - это настоящая находка для программирования под управлением Windows, а для разработчиков баз данных она стала сбывшейся мечтой. С помощью Delphi вы можете создавать программное обеспечение практически для всех типов однопользовательских баз данных, таких как dBase, Paradox, а также систем ODBC, как, например, Microsoft Access.

Характерной особенностью созданных с помощью Delphi программ для работы с БД является непременное использование в них BDE (Borland Database Engine), которая осуществляет роль связующего моста между программой и БД. BDE берет на себя всю низкоуровневую работу по обеспечению клиентской программы нужными ей данными.

BDE не является частью программы. В зависимости от типа СУБД она может размещаться на машине клиента или сервера. Программа может использовать низкоуровневый интерфейс API BDE для непосредственного обращения к данным, однако, обычно между ней и BDE располагается слой компонентов, существенно упрощающих разработку программ.

В версии Delphi появились средства, позволяющие работать с данными без BDE, - это ActiveX Data Objects (ADO) и InterBase Express (IPX).

На сегодня Delphi является одним из самых распространенных средств создания приложений баз данных. Простота и естественность языка, ориентация системы на разработку именно такого рода приложений, наконец, эффективность создаваемых с ее помощью программ сделали Delphi незаменимым средством разработки различного рода программ для доступа к БД.

1.4.2 Описание языка программирования

В системе Delphi используется специализированная, постоянно совершенствуемая версия языка программирования Паскаль, которая называется Object Pascal. Эта версия включает набор расширений, ориентированных только на применение в рамках среды Delphi5 и предназначенных для ускоренного создания приложений.

Язык Паскаль, названный в честь французского математика и философа Блеза Паскаля (1623-1662), был создан как учебный язык программирования в 1968-1971 годах Никлаусом Виртом в Высшей технической школе в Цюрихе. В настоящее время этот язык имеет более широкую сферу применения, чем предусматривалось при его создании. Целью работы Н.Вирта было создание языка, который

· строился бы на небольшом количестве базовых понятий,

· имел бы простой синтаксис,

· допускал бы перевод программ в машинный код простым компилятором.

По природе своей компьютер может выполнять только простейшие операции, которые можно вводить одну за другой в его память прямо в машинных кодах. Изнурительная монотонность такой работы привела когда-то первых программистов к естественному решению - созданию Ассемблеров, т.е. средств, упрощающих подготовку машинных кодов программ пользователя за счет написания их в некоторых мнемонических обозначениях с последующим автоматическим переводом. Дальнейшее развитие этих идей привело к созданию языков программирования высокого уровня, в которых длинные и сложные последовательности машинных операций были заменены одним-единственным обозначающих им словом - операторы. В области малых ЭВМ среди языков программирования высокого уровня следует в первую очередь назвать Бейсик. Программы, написанные на этом языке, к сожалению, часто содержат запутанные последовательности операторов.

Лингвистическая концепция Паскаля отрицает методы программирования, которые могут привести к подобным эффектам. В ней, напротив, пропагандируется системный подход, выражающийся, в частности, в расчленении крупных проблем на меньшие сложности и размеру задачи, легче поддающиеся решению. Основные принципы Паскаля таковы:

· Структурное программирование. Суть его заключается в оформлении последовательностей команд как замкнутых функций или процедур и в объединении данных, связанных по смыслу, в сложные структуры данных. Благодаря этому повышается наглядность текста и упрощается его отладка.

· Проектирование сверху вниз. Программист разбивает свою задачу на несколько более простых, после чего каждая из задач решается по отдельности. Затем компонуются результаты проектирования сверху вниз в целом.

· Объектно-ориентированное программирование делает следующий шаг от ремесла к науке программирования. Его руководящая идея заключается в стремлении связать данные с обрабатывающими эти данные процедурами в единое целое - объект. Характерной чертой объекта является инкапсуляция (объединение) данных и алгоритмов их обработки, в результате чего и данные, и процедуры во многом теряют самостоятельное значение. Фактически объектно-ориентированное программирование можно рассматривать как модульное программирование нового уровня, когда вместо во многом случайного, механического объединения процедур и данных акцент делается на их смысловую связь.

Объектно-ориентированное программирование основано на «трех китах» - трех важнейших принципах, придающих объектам новые свойства. Этими принципами является инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Инкапсуляция есть объединение в единое целое данных и алгоритмов обработки этих данных.

Инкапсуляция позволяет в максимальной степени изолировать объект от внешнего окружения. Она существенно повышает надежность разрабатываемых программ, т.к. локализированные в объекте алгоритмы обмениваются с программой сравнительно небольшими объемами данных, причем количество и тип этих данных обычно тщательно контролируется. В результате замена или модификация алгоритмов и данных, инкапсулированных в объект, как правило, не влечет за собой плохо прослеживаемых последствий для программы в целом.

Наследование есть свойство объектов порождать своих потомков. Объект-потомок автоматически наследует от родителя все поля и методы, может дополнять объекты новыми полями и заменять (перекрывать) методы родителя или дополнять их.

Принцип наследования решает проблему модификации свойств объекта и придает ООП в целом исключительную гибкость. При работе с объектами программист обычно подбирает объект, наиболее близкий по своим свойствам для решения конкретной задачи, и создает одного или нескольких потомков от него, которые «умеют» делать то, что не реализовано в родителе.

Полиморфизм - это свойство родственных объектов (т.е. объектов, имеющих одного общего родителя) решать схожие по смыслу проблемы разными способами. В рамках ООП поведенческие свойства объекта определяются набором входящих в него методов. Изменяя алгоритм того или иного метода необходимо перекрыть его в потомке, т.е. объявить в потомке одноименный метод и реализовать в нем нужные действия. В результате в объекте-родителе и объекте-потомке будут действовать два одноименных метода, имеющие разную алгоритмическую основу и, следовательно, придающие объектам разные свойства. Это и называется полиморфизмом объектов.

Алфавит языка.

Язык программирования Паскаль, как и любой другой, имеет свой алфавит. Как правило, алфавитом языка программирования называется набор символов (разрешенный к использованию и воспринимаемый компилятором), с помощью которого могут быть образованы величины, выражения и операторы данного языка.

Алфавит языка Паскаль составляют:

1. Символы, используемые для составления идентификаторов:

· Латинские строчные и прописные буквы,

· Арабские цифры от 0 до 9 (в идентификаторах цифры могут использоваться наряду с буквами, начиная со второй позиции),

· Символ подчеркивания.

2. Символы-разделители:

· Символ пробела. Основное назначение этого символа - разделение ключевых слов и имен.

· Управляющие символы. Эти символы могут применяться при описании строчных и символьных констант.

3. Специальные символы - символы, выполняющие определенные функции при построении различных конструкций языка: + - * / { } [ ] ( ) < > . , ` : ; ^ @ # $

4. Составные символы - группа символов, которые воспринимаются компилятором как единое целое: <= => := (* *) (. .) . .

5. « Неиспользуемые » символы. Символы, не используемые в идентификаторах (например, символы алфавита русского языка, (&), (%), (~), (!) и некоторые другие). Тем не менее, их можно использовать в тексте комментариев, а также в виде значений констант строк или констант символов.

6. Зарезервированные слова. Паскаль включает в себя так называемые ключевые или зарезервированные слова (begin, end, program). В качестве имен идентификаторов в программе зарезервированные слова использоваться не могут.

Идентификаторы

Идентификаторы в Паскале - это имена констант, переменных, меток, типов, объектов, процедур, функций, модулей, программ и полей в записях. Идентификаторы могут иметь произвольную длину, но значащими (уникальными в области определения) являются только первые 63 символа.

Идентификатор всегда начинается буквой, за которой могут следовать буквы и цифры. Буквой считается также символ подчеркивания, поэтому идентификатор может начинаться этим символом и даже состоять только из одного или нескольких символов подчеркивания. Пробелы и специальные символы алфавита не могут входить в идентификатор.

В качестве пользовательских идентификаторов нельзя использовать зарезервированные слова и стандартные идентификаторы.

Переменные

Во время работы программы данные в ней могут храниться как константы, или же они записываются и обрабатываются как переменные. Переменные можно рассматривать как ячейки памяти компьютера, имеющие свои имена (идентификаторы). Содержимое переменных может многократно меняться. Каждая переменная имеет тип, определяющий, какого рода данные в ней хранятся. Паскаль не допускает использования переменных с неопределенным типом и не разрешает записывать в переменную одного типа данные другого типа.

Константы

В некоторых случаях бывает удобно вместо явного указания конкретных значений (чисел и строк) использовать константы - фиксированные значения, для которых определено имя. Константы отличаются от переменных тем, что не могут менять свои значения. Они предназначены только для удобства программиста.

Константы, как и переменные, нельзя использовать до их первого описания.

В качестве констант в Паскале могут использоваться целые, вещественные и шестнадцатеричные числа, логические константы, символы, строки символов и конструкторы множеств.

Выражения

Основными элементами, из которых конструируется исполняемая часть программы, являются константы. Переменные и обращения к функциям. Каждый из этих элементов характеризуется своим значением и принадлежит к какому-либо типу данных. С помощью знаков операций и скобок из них можно составлять выражения, которые фактически представляют собой правила получения новых значений.

Частным случаем выражения может быть просто одиночный элемент, т.е. константа, переменная или обращение к функции. Значение такого выражения имеет, естественно, тот же тип, что и сам элемент. В более общем случае выражение состоит из нескольких элементов (операндов) и знаков операций, а тип его значения определяется типом операндов и видов примененным к ним операций.

Операции

В Паскале определены следующие операции:

· Унарные not, @;

· Мультипликативные *, /, div, mod, and, shl, shr;

· Аддитивные +, -, or, xor;

· Отношения =, <>, <, >, <=, >=, in.

Приоритет операций убывает в указанном порядке, т.е. наивысшим приоритетом обладают унарные операции, низшим - операции отношения. Порядок выполнения нескольких операций равного приоритета устанавливается компилятором из условия оптимизации кода программы и не обязательно слева направо. При исчислении логических выражений операции равного приоритета всегда вычисляются слева направо, причем будут вычисляться все или только операции, достаточные для получения результата.

В Паскале определены следующие логические операции:

· Not - логическое НЕ;

· And - логическое И;

· Or - логическое ИЛИ;

· Xor - исключительное ИЛИ.

Логические операции применимы к операндам целого и логического типов.

Процедуры и функции

Процедуры и функции представляют собой важный инструмент Паскаля, позволяющий писать хорошо структурированные программы. В структурированных программах обычно легко прослеживается основной алгоритм, их нетрудно понять любому читателю, они проще в отладке и менее чувствительны к ошибках программирования. Все эти свойства являются следствием важной особенности процедур (функций), каждая из которых представляет собой во многом самостоятельный фрагмент программы, связанный с основной программой лишь с помощью нескольких параметров. Самостоятельность процедур (функций) позволяет локализировать в них все детали программной реализации того или иного алгоритмического действия и поэтому изменение этих деталей не приводит к изменениям основной программы.

Процедурой называется особым образом оформленный фрагмент программы, имеющий собственное имя. Упоминание этого имени в тексте программы приводит к активизации процедуры и называется ее вызовом. Сразу после активации процедуры начинают выполняться входящие в нее операторы, после выполнения последнего из них управление возвращается обратно в основную программу, и выполняются операторы, стоящие непосредственно за оператором вызова процедуры.

Для обмена информацией между основной программой и процедурой используется один или несколько параметров вызова.

Функция отличается от процедуры тем, что результат ее работы возвращается в виде значения этой функции, и, следовательно, вызов функции может использоваться наряду с другими операндами в выражениях.

Структура программы на Паскале

Программа на Паскале состоит из набора модулей (Unit), в каждом из которых содержится описание логически независимой части программы. Расширение имени файлов, содержащих модули - .PAS. Модули программы часто создаются системой Delphi автоматически, например, при добавлении новой формы. При этом происходит автоматическая генерация исходного текста соответствующего модуля, что избавляет программиста от рутинной работы.

Вносить изменения в исходный код программы, созданной автоматически, в большинстве случаев не разрешается. Это может привести к возникновению серьезных ошибок на этапе компиляции.

Модули могут иметь связь друг с другом, то есть, из одного модуля разрешается обращаться к функциям других модулей. Применение модулей во время разработки программы напоминает применение компонентов во время проектирования экранных форм в том плане, что позволяет повторно использовать программный код, созданный заранее.

В реальности исходные тексты компонентов Delphi представляют собой обычные модули Паскаля, содержащие описание логики работы и способа отображения на экране соответствующих компонентов.

В программе может быть любое количество модулей, но только один главный файл проекта. Этот файл чаще всего невелик и содержит обращения к модулям. Он имеет расширение .DPR и создается средой Delphi автоматически.

Команды Паскаля принято группировать в логические блоки, представляющие собой своего рода модули в миниатюре. В логических блоках размещаются операторы, ответственные, например, за обработку нажатия пользователем кнопки, или оператор, выполняющий определенные действия в зависимости от некоторого условия. Главная часть программы всегда состоит из одного логического блока, в котором обычно происходит инициализация программы, затем выполняются операторы, ответственные за основную реализацию алгоритма работы, и в заключение выполняются действия по освобождению памяти и других ресурсов.

Решение практически любой задачи можно запрограммировать самостоятельно от начала до конца. Однако при составлении программ очень часто возникает потребность выполнить какое-либо действие, которое уже использовалось в различных программах. Поэтому в систему Delphi входит обширный набор стандартных модулей, содержащих стандартные функции. Такие модули представляют собой готовый откомпилированный и оптимизированный код, предназначенный для решения самых разных задач.

Помимо функций, в Паскале имеются стандартные процедуры. Если функции используются для вычисления конкретных значений, то процедуры предназначены для выполнения каких-то часто встречающихся действий.

Отладка программы

После подготовки текста программы можно попытаться исполнить ее, т.е. откомпилировать программу, связать ее (если необходимо) с библиотекой стандартных процедур и функций, загрузить в оперативную память и передать ей управление. Вся эта последовательность действий называется прогоном программы и реализуется командой CTRL+F9.

Если в программе нет синтаксических ошибок, то все действия выполняются последовательно одно за другим, при этом на экране сообщается о количестве строк откомпилированной программы и объеме доступной оперативной памяти.

Если на каком-либо этапе среда обнаружила ошибку, она прекращает дальнейшие действия, восстанавливает окно редактора и помещает курсор на ту строку программы, при компиляции или исполнении которой обнаружена ошибка. При этом в верхней строке редактора появляется диагностическое сообщение о причине ошибки. Все это позволяет очень быстро отладить программу, т.е. устранить в ней синтаксические ошибки и добиться правильной ее работы.

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Постановка задачи

Программа расчета передаточной функции объекта по его кривой разгона должна обеспечивать расчет вида передаточной функции методом Симою с заданной точностью, а также осуществлять проверку точности полученного решения. Исходными данными для работы программы являются шаг дискретизации , значение функции в бесконечности , ошибка аппроксимации, массив значений функции . В зависимости от типа объекта: с самовыравниванием или без самовыравнивания необходимо ввести 2 дополнительных параметра - и . Для наглядного представления информации необходимо отображение вводимых данных в графическом (построение исходной кривой разгона) и табличном (вводимые значения функции в различных точках) виде. Для удобства пользователя необходимо предусмотреть возможность очистки текущих значений введенных данных, удаления, добавления и изменения исходных величин. Для демонстрации работоспособности программы целесообразно включить тестовый режим, в котором будет произведен расчет передаточной функции по заданным значениям кривых разгона. Результатом работы программы должна быть форма передаточной функции объекта, представленная в виде формулы и график, с изображением исходной и расчетной кривых разгона.

2.1.1 Назначение задачи

Основное назначение разработанной программы - это использование ее в составе программного комплекса проектирования системы управления технологическим процессом. При этом результаты работы программы являются входными данными для последующего расчета. Однако, может потребоваться необходимость промежуточного контроля результатов вычисления в табличном или графическом виде. Поэтому в программе предусмотрена возможность вывода данных в виде графиков.

Программа реализует метод, являющийся ключевым при построении системы управления, при этом в процессе работы может потребоваться многократное решение данной задачи для различных условий. Множество этих решений позволяет выбрать наиболее оптимальное для данного конкретного случая.

2.1.2 Технико-математическое описание задачи

Метод определения передаточной функции объекта по его кривой разгона, предложенный М.П. Симою.

В основе метода лежит предположение, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами:

где a₁, a₂, … , a_n, b₁, b₂, … , b_m - постоянные коэффициенты;

- приведенное к единице отклонение регулируемой величины в безразмерном виде (рис.2.1);

- приведенное к единице возмущающее воздействие в безразмерном виде (рис. 2.1);

- размерность величины x_вых;

- размерность величины x_вх.

Преобразование кривых разгона в безразмерную форму

Передаточная функция объекта, описываемого уравнением (2.1) может быть представлена в следующем виде:

Та же передаточная функция в размерном виде может быть записана так:



Задача состоит в том, чтобы определить неизвестные коэффициенты a₁, a₂, … , a_n, b₁, b₂, … , b_m, используя для этого следующую систему:

В системе уравнений (2.4) i=m+n и для всех l>n a_l=0, а для l>m b_l=0.

Входящие в эту систему уравнений коэффициенты F₁, F₂, … , F_i вычисляются по следующим формулам:

В формулах (2.5) - (2.9) .

Коэффициенты F₁, F₂, … , F_i связаны с кривой разгона интегральными соотношениями.

Многие промышленные технологические объекты имеют одну из следующих особенностей, влияющих на форму кривой разгона:

1. объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и наличием самовыравнивания;

2. объект характеризуется отсутствием транспортного запаздывания и самовыравнивания;

3. объект характеризуется наличием транспортного запаздывания и отсутствием или наличием самовыравнивания.

Последовательность расчета для объекта с самовыравниванием без транспортного запаздывания

Рассмотрим случай, когда регулируемая величина x_вых в результате приложенного к объекту возмущения стремиться при к конечному установившемуся значению , отличному от нуля, т.е. объект обладает самовыравниванием. Транспортное запаздывание отсутствует:

1. Разбиваем ось абсцисс на отрезки с интервалом времени , исходя из условия, что на протяжении всего графика функция x_вых в пределах 2 мало отличается от прямой.

2. Значения в конце каждого интервала делим на и получившееся значение заносим в графу 2 табл. 2.1.



Таблица 2.1

t
1	2	3	4
0			0
……	……	……	……
……	……	……	……
		0

Таким образом, функция приведена к безразмерному виду.

3. Определяем площади F₁, F₂, и т. д. Вычисление удобно вести в такой последовательности.

· Заполняем графу 3 в табл. 2.2 и подсчитываем сумму столбца 3 табл. 2.2 ; определяем площадь F₁ по формуле

;

Перестраиваем функцию в другом масштабе времени (за независимую переменную примем время ); для этого предварительно заполняем графу 4 табл. 2.2;



Таблица 2.2

1	2	3	4	5	6	7
0		1		1
…
…
…
…

· Заполняем табл. 2.2.

Подсчитав сумму 4-го и 6-го столбцов табл. 2.2 определяем:

;

;

Опыт показывает, что часто можно ограничиться тремя коэффициентами передаточной функции.

4. Выбираем тип передаточной функции, исходя из следующих предпосылок.

Если значение регулируемой величины (по кривой разгона) при t=0 равно нулю, то производная не равна нулю (см. строку 1 табл. 2.3), то порядок числителя передаточной функции на единицу меньше порядка знаменателя:

Если параметр по кривой разгона и его первая производная при t=0 равны нулю, то в передаточной функции порядок числителя по крайней мере на две единицы меньше знаменателя (см. строку 2 табл. 2.3):

Практически в этом случае можно выбирать передаточную функцию более простого вида:

тогда а₁=F₁; a₂=F₂; a₃=F₃.

Если при этом некоторые площади F окажутся отрицательными, то необходимо выбирать передаточную функцию с более высоким порядком числителя.



Таблица 2.3

Значения Функции при t=0	Исходная характеристика	Передаточная функция

5. Определяем коэффициенты выбранной передаточной функции, решая систему уравнений (2.4);

6. Окончательное выражение передаточной функции исследуемого объекта в размерном виде определяется по формуле (2.3).

Последовательность расчета для объекта без самовыравнивания и транспортного запаздывания

Рассмотрим кривую разгона объекта без самовыравнивания. Ее характерной особенностью является то, что регулируемая величина x_вых в результате приложенного возмущения стремится при к асимптоте - прямой линии, расположенной под углом к оси абсцисс:

1. Находим тангенс угла асимптоты (рис. 2.2):



Кривая разгона объекта без самовыравнивания

2. Строим прямую .

3. Вычитая из прямой исходную кривую разгона , получаем функцию , которая при принимает конечное значение .

Таким образом, исходный объект условно разбит на два фиктивных объекта с соответствующими кривыми разгона и .

Передаточную функцию исследуемого объекта будем искать как разность двух передаточных функций: , соответствующей кривой разгона :

4. Перестраиваем функцию в безразмерных координатах. Следует заметить, что угол наклона прямой измениться, так как



Передаточная функция, соответствующая перестроенной кривой разгона:

5. Определение передаточной функции по кривой разгона производится в том же порядке, какой был рекомендован для объектов с самовыравниванием.

6. Окончательное выражение передаточной функции исходного объекта в размерном виде записывается следующим образом:

Последовательность расчета для объекта с транспортным запаздыванием

Если кривая разгона характеризуется наличием транспортного запаздывания, то порядок расчета в этом случае следующий:

1. Определяет по графику заданной кривой разгона запаздывание как время, в течение которого функция от до не превышает 0.001 .

2. Определяем передаточную функцию объекта как произведение двух передаточных функций: , соответствующей запаздыванию, и , соответствующей функции , для которой за начало отсчета принято время . Порядок расчета известен из предыдущего изложения.

Тогда передаточная функция исследуемого объекта записывается так:

Исходными данными для работы программы являются:

§ Шаг дискретизации ();

§ Ошибка аппроксимации (Е);

§ Значения X(t) в N точках;

§ Величина скачка возмущения ();

§ Точка перегиба кривой ().

В качестве выходных данных определены:

· Форма передаточной функции объекта, представленная в виде формулы;

· Значение ошибки аппроксимации;

· График с изображением исходной и расчетной кривых разгона.

2.1.3 Требования к программе

Требования к функциональным характеристикам

Разработанная программа должна обеспечивать расчет вида передаточной функции методом Симою с заданной точностью и осуществлять проверку точности полученного решения. Для наглядного представления информации должно быть предусмотрено отображение вводимых данных в графическом (построение исходной кривой разгона) и табличном (вводимые значения функции в различных точках) виде. Также в программе необходимо предусмотреть возможность очистки текущих значений, удаления, добавления и изменения исходных величин, контроля и полноты введенных данных.

В результате работы программы на экран должны выводиться форма передаточной функции объекта, представленная в виде формулы и график, с изображением исходной и расчетной кривых разгона.

Требования к надежности

Основным требованием к надежности можно считать устойчивую работу компьютерной системы и программного обеспечения, так как программа является абсолютно автономной, т.е. не зависит от внешних воздействий или результата работы других устройств. В программе предусмотрен контроль и полнота исходных данных на стадии их ввода, что исключает возможные ошибки и делает работу программы надежной.

Требования к составу и параметрам технических средств

Для успешного функционирования программы необходим компьютер класса Pentium 133 MHz, 32 Mб ОЗУ, мышь.

2.2 Описание алгоритма

Программа расчета передаточной функции объекта по его кривой разгона входит в состав подсистемы автоматизированного расчета переходных процессов в сложных технологических объектах.

Функциональное назначение этой подсистемы (рис.2.3) заключается в расчете и формировании массивов параметров передаточных функций элементов ТС, представляемых в виде выражения:

где - время чистого запаздывания, p - комплексная переменная.

В основу алгоритма расчета параметров bk (k = 1, 2, . . . m) и al (l = 1, 2, . . .,n) положен метод оценки по кривым разгона объекта.

Разработанная программа автоматизированного расчета K(p) непосредственно использует результаты расчета переходных процессов по математическим моделям динамики объектов. Предусмотрены режимы автоматического выбора вида аппроксимирующих функций из заданного набора структур W(p) и режим задания вида функции проектировщиком. Оценка точности полученных выражений передаточных функций программно осуществляются сравнением экспериментальных (полученных на динамических моделях) и расчетных кривых разгона, для чего в программе реализован алгоритм обратного преобразования Лапласа.

Кривые разгона элементов ТС по различным каналам воздействия рассчитываются с использованием библиотеки расчетных модулей типовых элементов ТС (LIB-VA). При этом, на первом этапе проводится расчет стационарного режима объекта по задаваемым начальным условиям с запоминанием результатов расчета и на втором этапе - расчет переходных процессов при различных возмущениях на входах до достижения новых стационарных режимов. За исходное состояние объекта при этом принимается режим, рассчитанный на первом этапе, или стационарный режим, найденный при предыдущем расчете переходных процессов. Поиск и вывод из LIB-VA соответствующих расчетных модулей осуществляется по коду, сформированному в соответствии с нумерацией элементов ТС с использованием словаря кодов и наименований (FL-1), имеющего иерархическую структуру, каждый уровень которой является составной частью полного кода и наименования динамического элемента ТС. Полный код и наименование динамического элемента ТС формируется с использованием специального программного комплекса.

В подсистеме должна быть предусмотрена процедура формирования массива согласования потоков и параметров объекта (FL-3) на основе проведенной нумерации и таблиц каналов воздействия элементов ТС (FL-2).

Наряду с FL-3 в результате работы подсистемы автоматизированного расчета переходных процессов в сложных технологических объектах формируется массив параметров передаточных функций элементов ТС (FL-4).

Необходимость представления проектировщику возможности коррекции вида передаточных функций, облегчения процессов выбора из библиотеки LIB-VA требуемого расчетного модуля и ввода соответствующих исходных данных для расчета, потребовала включения в подсистему таких сервисных функций, как: формирование кодов математических моделей в диалоге с проектировщиком, печать таблиц исходных данных для расчета моделей, задание вида аппроксимирующей передаточной функции вводом соответствующих признаков.

Таким образом, в комплексе программа должна выполняться многократно. Результатом работы программы будет расчет передаточной функции. В рамках работы подсистемы, данные необходимо хранить в оперативном массиве для их дальнейшего использования при расчете суммарной передаточной функции сложного объекта управления, представляемого в виде множества простых объектов. Алгоритм работы программы приведен на рис. .

Блок-схема алгоритма

Описание алгоритма

1. Начало

2. Ввод исходных данных

3. Определение типа объекта:

· с самовыравниванием

· без самовыравнивания

4. Если объект с самовыравниванием, то перейти на блок 6,

иначе, перейти на блок 5.

5. Представление кривой разгона в виде разности двух кривых:

· звена чистого запаздывания

· звена с самовыравниванием

6. Преобразование значений X(t) в безразмерные величины

7. Расчет площадей F(I), I = 1, … , 7

8. К:= 1

9. Если K = 1, то перейти на блок 10, иначе - блок 13

10. W(p):= 1 / (T₁p + 1)

11. K:= K + 1

12. Перейти на блок 22

13. Если K = 2, то перейти на блок 14, иначе - блок 18

14. W(p):= 1 / (T₂p² + T₁p + 1)

15. Если Т₁, Т₂ > 0, то перейти на блок 16, иначе - блок 19

16. K:=K + 1

17. Перейти на блок 22

18. Если K = 3, то перейти на блок 19, иначе - блок 22

19. W(p):= (1 + b₁p) / (T₂p² + T₁p + 1)

20. Если Т₁, Т₂, Т₃ > 0, то перейти на блок 21, иначе - блок 29

21. K:= K + 1

22. Расчет параметров оригинала X^*(t)

23. Расчет среднеквадратической ошибки аппроксимации (E(p))

24. Если E(p) < E, то перейти на блок 25, иначе - блок 27

25. Печать:

· W(p)

· Значение ошибки аппроксимации

· Графики X(t), X^*(t)

26. Перейти на блок 30

27. Если K = 4, то перейти на блок 28, иначе - блок 9

28. Печать:

· W(p)

· Значение ошибки аппроксимации

29. Сообщение о необходимости повысить порядок аппроксимации

30. Конец.

2.3 Текст программы с описанием

Описание программы

Конечным результатом дипломного проекта стала программа "Расчет передаточной функции объекта по его кривой разгона". Эта программа предназначена для расчета передаточной функции объекта, по параметрам, снятым с объекта экспериментально, либо по его математической модели. Программа разработана в среде программирования Delphi и предназначена для работы в операционной системе Windows 9x или NT. В качестве языка программирования был использован Object Pascal, являющийся полностью объектно-ориентированным языком программирования.

Рассмотрим более подробно работу программы.

Программа вызывается путем запуска соответствующего exe файла. При этом на экране появляется главное окно программы (рис.2.5).



Главное окно программы

В верхней части окна находится панель инструментов, посредством которой производится вызов соответствующего действия. Кнопка "Новый" используется для очистки текущих значений расчета и перехода в режим нового расчета. Следующая группа кнопок предназначена для выполнения расчетных операций: "Ввод" - открывает новое окно (рис.2.6), в котором вводятся исходные данные и задаются необходимые режимы расчета, "Расчет" - расчет передаточной функции и вывод на экран результатов. Последние две кнопки позволяют переключать режимы вывода информации. "Графики" - позволяет включить или выключить режим отображения графиков исходного и расчетного значений функции, "Вид" - позволяет включить или выключить режим отображения результатов расчета в виде формы полученной функции и ошибки аппроксимации.

Окно ввода данных

Под панелью инструментов расположено окно, в котором производится вывод результатов расчета: вид передаточной функции и ошибки аппроксимации.

В оставшейся части окна строятся графики расчетной и исходной функций, позволяющие в наглядной и простой форме сравнить результаты расчета, а также оценить ошибку расхождения полученного результата от экспериментальных значений. Существует возможность изменения масштаба полученного графика, для чего необходимо с помощью мыши обозначить прямоугольную область, содержимое которой необходимо увеличить.

В нижней части главного окна расположена строка состояния, в которой отображается текущее состояние программы.

Окно ввода данных, изображенное на рис.2.6, предназначено для ввода исходных данных и задания режимов расчета. Оно состоит из следующих элементов: панель инструментов содержит пять кнопок, позволяющих организовать процесс ввода данных. Так, кнопка "Очистить" предназначена для очистки текущих значений введенных данных и перевод программы в исходное состояние - ожидание ввода необходимых параметров, "Удалить" - предназначена для удаления текущего элемента, выделенного в окне "Просмотр". Одновременно с этим значение, хранящееся в массиве, удаляется. "Добавить" - позволяет добавить значение введенного параметра к уже существующим значениям в массиве. Добавление происходит перед элементом, выделенным в окне "Просмотр". "Изменить" - позволяет изменить значение текущего параметра на новое. Кнопка "Тест" относится к другой группе, т.к. она не предназначена для ручного ввода данных. С помощью нее производится тестирование программы и демонстрация ее работоспособности. При нажатии на эту кнопку все массивы, заполняются исходными данными из контрольного примера, и пользователь видит на экране результат в виде числовых значений и графиков. При этом сохраняется возможность изменения любых данных контрольного примера.

В окне "Ввод исходных данных" расположены компоненты, предназначенные для ввода исходных данных для расчета, а также задания типа объекта управления и исходных данных для объекта с самовыравниванием. Окно "Просмотр" предназначено для отображения содержимого двух динамических массивов, содержащих значения t и Хвых. Здесь производится выборка необходимого значения, контроль введенных данных. Справа расположен график, позволяющий в графической форме увидеть кривую разгона объекта управления. В программе реализована работа с динамическими массивами, что делает ее более экономичной и гибкой в использовании.



2.4 Описание процесса отладки программы

Для того чтобы упростить процесс отладки, в программе предусмотрен контроль ввода исходных данных. На панели инструментов окна ввода данных есть кнопка «Тест», с помощью которой производится тестирование программы и демонстрация ее работоспособности. При нажатии на эту кнопку все массивы, заполняются исходными данными из контрольного примера, остается необходимым лишь ввести шаг дискретизации и значение ошибки аппроксимации. После того, как исходные данные введены, с помощью кнопки «Расчет» на панели инструментов главного окна программы производится расчет передаточной функции объекта. Результат расчета выводится на экран в виде числовых значений и графиков расчетной и исходной функций. Графики функций позволяют в наглядной и простой форме сравнить результаты расчета, а также оценить ошибку расхождения полученного результата от экспериментальных значений.

...