Системная отладка управляющих алгоритмов в диалоговом режиме. Модельный пример динамической комплексной отладки без реальных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системная отладка управляющих алгоритмов в диалоговом режиме. Модельный пример динамической комплексной отладки без реальных объектов

Расчет на ЦВМ систем управления обычно происходит в следующем порядке:

технологическая постановка задачи (описание объекта управления);

2) математическая постановка задачи;

3) составление алгоритмов управления;

4) написание программ для ЦВМ;

5) ввод программ;

6) отладка программ;

7) счет по программам и вывод результатов;

8) анализ результатов, заключающийся в осмыслении свойств и поведения проектируемой системы;

9) выработка решения по дальнейшим шагам приближения к конечной цели проектирования;

10) уточнение параметров алгоритмов управления.

Автоматизация проектирования алгоритмов управления предполагает автоматизацию всех перечисленных выше этапов. В данной лабораторной работе исследуются управляющие алгоритмы в диалоговом режиме (п.3).Задачи, решаемые в АСУ, требуют, как правило, информации с помощью нескольких связанных между собой программ. Проверку работы такого набора программ называют системной отладкой [1].

Системную отладку управляющих алгоритмов можно разделить на три автономных этапа:

- статическая комплексная отладка функциональных алгоритмов и подсистем;

- динамическая комплексная отладка функциональных алгоритмов и всей системы алгоритмов без использования реальных объектов управления и источников информации;

- динамическая комплексная отладка системы алгоритмов в реальной системе управления.

Этапы отличаются методическими задачами, объемом отлаживаемых программ, масштабом времени и характером взаимодействия с управляемыми объектами.

Статическая комплексная отладка характеризуется двумя существенными отличиями от последующих этапов. Первое отличие состоит в почти полном игнорировании реального времени выполнения подпрограмм. Реальная динамика взаимодействия во времени подпрограмм не проверяется.

Основным принципом статической комплексной отладки является последовательное сопряжение подпрограмм по входным и выходным данным.

Основные особенности динамической комплексной отладки управляющих алгоритмов и программ по сравнению со статической состоят в проверке взаимодействия подпрограмм в реальном масштабе времени.

Высокая сложность динамического взаимодействия алгоритмов определяет трудность и, в большинстве случаев, экономическую нецелесообразность динамической комплексной отладки только с реальными объектами. Включение реальных объектов на начальных этапах динамической отладки, кроме значительных затрат на их эксплуатацию, во многих случаях может быть связано с риском порчи аппаратуры или объекта управления вследствие недопустимых команд от блока управления. Кроме того, в ряде систем управления не разрешено управление реальными объектами в предельных, критических и опасных режимах и требуется проверка качества функционирования алгоритмов в этих режимах без использования реальных объектов. Значительно более экономичной, безопасной и удобной является комплексная отладка с различного рода моделями объекта управления.

Основными задачами комплексной динамической отладки системы алгоритмов без реальных объектов являются проверка и отладка:

1) начального режима включения системы управляющих алгоритмов при отсутствии обратной связи с объектом управления;

2) взаимодействия функциональных алгоритмов с подпрограммами обмена информацией (имеется обратная связь с объекта);

2а) реализация функциональных алгоритмов, прошедших статическую отладку, в режиме нормальной загрузки (период поступления данных с объекта равен периоду выбора управляющих воздействий на объект);

2б) выполнения алгоритмов в критическом режиме (при значительных запаздываниях в выдаче управляющих воздействий на объект);

3) устойчивости функционирования системы взаимодействующих алгоритмов при искажении информации с объекта управления.

Динамическая комплексная отладка в реальной системе предназначена для полного завершения отладки с учетом всех особенностей реальной аппаратуры, источников информации и управляемых объектов.

Контур управления динамическим объектом с помощью ЦВМ показан на рис.1.

Рис.1

Здесь периоды квантования Т1 и Т2 характеризуют соответственно периодичность поступления информации в ЦВМ и выходы информации с ЦВМ; с помощью нелинейности моделируется нелинейная характеристика АЦП (аналого-цифрового преобразователя); Ф(Zm) - программа ЦВМ для управления данным объектом; Wo(p) - преобразователь дискретных данных в непрерывные; n(t) - помеха в канале связи с объектом.

Математическая модель системы

Входной сигнал Хвх(t) сравнивается с выходным сигналом объекта управления, и сигнал рассогласования (t) = Xвх(t) - У(t) в дискретные моменты времени nT1 поступает на вход ЦВМ.

В ЦВМ дискретные значения сигнала преобразуются в цифровой вид с помощью зависимости

ц = Q { [h T1]},

где { } - целая часть числа; Q - целое постоянное число, характеризующее уровень квантования; - число, определяющее порог срабатывания (статическая характеристика преобразователя представлена на рис.2).

В качестве алгоритма ЦВМ принята простейшая операция суммирования f(nT1) = f [(n-1)T1] + ц [nT1] (цифровой интегратор).

Дискретные значения сигнала на выходе ЦВМ преобразуются в непрерывный сигнал Z(t) на входе объекта управления с помощью преобразователя Wo(p) - экстраполятора нулевого порядка:

Объект управления задается исследователем. В лабораторной работе

Рис. 2

В качестве сигнала помехи n(t) в канале обратной связи (о.с.) используется генератор случайных чисел с нормальным законом распределения. Математическое ожидание равно нулю, среднее квадратическое отклонение равно . Конкретные значения параметров исследуемой системы даны в таблице "Варианты заданий" (см.с. 10).

Аналитический метод оценки качества функционирования системы

Система (рис. 1) представляет собой нелинейную импульсную систему в общем случае с разными периодами квантования Т1 и Т2. Аналитический расчет системы крайне затруднен. Однако при высокой разрядности АЦП, когда можно пренебречь нелинейностью, данная система может рассматриваться как линейная импульсная система с разными периодами квантования.

Целесообразность выбора для анализа системы в виде линейной можно объяснить рядом причин и прежде всего тем, что

1) многие объекты и процессы линейны;

2) линейное управление сравнительно легко реализуется и часто дает требуемые результаты;

3) при малых отклонениях относительно опорного режима правомерна линеаризация;

4) методы гармонической и статистической линеаризации, позволяя в некоторой степени учесть эффект некоторых нелинейностей, приводят, по существу, к линейным задачам;

5) линейные "регуляторы" позволяют обеспечить достаточные запасы устойчивости и обладают свойством "грубости" по отношению к нелинейностям;

6) линейные методы дают возможность применять единообразный математический аппарат для решения всех типовых задач управления.

Применяя аппарат Z-преобразования, можно рассчитать выходные параметры рассматриваемой линейной импульсной системы [3]. Основные свойства и таблица Z-преобразования даны в приложениях 1, 2.

Для линейной системы (на рис.1 нелинейный преобразователь отсутствует)

Z-преобразование выходной величины представляется в виде

(1)

где - целое число;

Для случая Т1=Т2=0,2 (система с одинаковым периодом квантования) выражение y(Zm) можно получить из выражения ( 1 ) при m=1.

С учетом того, что

коэффициенты при , полученные от деления многочлена на многочлен в выражении для Y(Zm), определяют значения выходного сигнала в дискретные моменты времени Т1, 2Т1, ..., rT1.

Далее начинается процесс моделирования. Вы увидите таблицы значений входного сигнала, помехи (если выбран соответствующий режим работы) и выходного сигнала. Также вы увидите графики этих сигналов.

Рис. 3

Здесь 1 - входной сигнал, 2 - выходной сигнал. Необходимо зарисовать качественно графики переходных процессов Y(t) на различные входные сигналы (единичный скачок, синусоида, косинусоида) в различных режимах работы (начальный режим включения, режим нормальной загрузки, критический режим, искажения информации, влияние разрядности).

Оценить влияние на качество переходных процессов Y(t) величины Т2 (остальные параметры принимают номинальные значения). Для этого повторяется при различных значениях Т2:

Т2 = к Т2ном, к=2;3;4.

Оценить влияние на качество переходных процессов Y(t) величины параметра аналого-цифрового преобразователя (остальные параметры принимают номинальные значения). Для этого повторяется при различных значениях :

= к _ном, к = 2;3;4.

Оценить влияние на качество переходных процессов Y(t) величины параметра Q аналого-цифрового преобразователя (остальные параметры принимают номинальные значения). Для этого повторяется при различных значениях Q:

Q = k 05 Q_ном, k = 1;3;4.

Оценить влияние на качество переходных процессов y(f) величины интенсивности помехи (остальные параметры принимают номинальные значения).

Для этого повторяется при различных значениях :

= k _ном, k = 2;3.

Расчет выходного сигнала при Т1=Т2 и Т1=0.5 Т2.

Программа запросит у вас параметры Z-преобразования, которые должны быть определены вами заранее (пункт выполняется по заданию преподавателя).

Параметры Z-преобразования:

Порядок: 2

A[2] : 0

B[0] : -3

Сначала задайте порядок преобразования, затем - коэффициенты А и В (см.приложение 1). А[0] - это коэффициент при (n)-м порядке, А[1] - при (n-1)-м и т.д. Программа произведет расчет и выдаст вам численные значения и график выходного сигнала, который необходимо зарисовать качественно.

Важнейшие свойства Z-преобразования

Прежде всего следует отметить, что Z-преобразование необходимо рассматривать только применительно к дискретному сигналу. Так, для сигнала Х(t) Z-преобразование определяется соотношением

где ,p - оператор преобразования Лапласа

1. Свойство линейности

2. Смещение аргумента в оригинале

3. Умножение изображений

4. Связь Z-преобразований сигнала с различными периодами квантования.

4а. Если известно Z-преобразование сигнала X(Zn) с периодом квантования Tn, то Z-преобразование X(Z) с периодом квантования T=n Tn определяется соотношением

4б. Если известно Z-преобразование сигнала X(Z) с периодом квантования Т, то Z-преобразование X(Zn) с малым периодом квантования Tn=T/n определяется соотношением

Различные сложные схемы линейных дискретных систем можно представить в виде совокупности 6 типов основных соединений (рис. 3), для которых известны Z-преобразования выходных сигналов. Находя Z-преобразования «основных соединений» и исключая промежуточные переменные, получаем связь Z-преобразований интересующих сигналов.

Если для сигнала известно преобразование Лапласа, Z-преобразование этого сигнала можно определить по формуле

Рис. 3. Z-преобразования выходных сигналов для различных структур

здесь i - полюс Х(), mi - кратность полюса i.

Определять оригинал X [nT] по известному Z-преобразованию X(Z,) можно различными способами. Отметим два основных из них.

1. Метод вычетов:

2. Метод деления числителя на знаменатель:

если k > n,

В лабораторной работе используется для определения оригинала метод деления числителя на знаменатель.

Таблица 2 Z-преобразования

Здесь

управление дискретный сигнал алгоритм

Библиографический список

1. Мамиконов А.Г. Проектирование АСУ. М.: Высш.шк., 1987. 303 с.

2. Автоматизированное проектирование систем управления/Под ред. М. Джамшиди. М.: Машиностроение, 1989. 344 с.

3. Кузин Л.Т. Расчет и проектирование дискретных систем управления. М.: Машгиз, 1962. 684 с.

4. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.:Мир,1987.480с.

5. Стрейц В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. М.: Физматгиз, 1985. 296 с.

Размещено на Allbest.ru