Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"

Политехнический институт: Заочный

Кафедра систем автоматического управления

Отчёт по практикуму

по дисциплине "Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления"

Челябинск 2020

Практическая работа №1.

Цель работы: Идентификация одномерного линейного динамического объекта во временной области при воздействии возмущений.

Задание: Определить параметры передаточной функции динамического звена в различных условиях функционирования.

Исходные данные к работе:

Рис.1. Структурная схема исследуемого объекта в общем виде

Таблица 1

Варианты динамического объекта и входного воздействия

№	U	W(s)	№	U	W(s)	№	U	W(s)
1	0.1	5/(2.5+s)	12	1.2	15/(30+s)	23	2.3	50/(25+s)
2	0.2	10/(5+s)	13	1.3	20/(10+s)	24	2.4	1/(5+s)
3	0.3	1.25/(1.25+s)	14	1.4	12.5/(1.25+s)	25	2.5	2.5/(1.25+s)
4	0.4	50/(25+s)	15	1.5	75/(25+s)	26	2.6	10/(20+s)
5	0.5	2/(2+s)	16	1.6	4/(2+s)	27	2.7	2/(4+s)
6	0.6	0.08/(8+s)	17	1.7	0.16/(16+s)	28	2.8	0.08/(2+s)
7	0.7	0.2/(0.2+s)	18	1.8	0.5/(0.5+s)	29	2.9	0.2/(0.8+s)
8	0.8	5/(50+s)	19	1.9	8/(80+s)	30	3.0	50/(10+s)
9	0.9	7/(14+s)	20	2.0	4/(16+s)	31	3.1	70/(14+s)
10	1.0	12/(6+s)	21	2.1	14/(7+s)	32	3.2	24/(6+s)
11	1.1	15/(5+s)	22	2.2	20/(4+s)	33	3.3	45/(5+s)

Ход работы.

1. Выполняется построение объекта W(s) в продукте Acsocad SimACS согласно варианту задания без учета влияния шума:



{МОДЕЛЬ: Структурная схема с выбранными параметрами}

По модели осуществляется моделирование объекта. В результате получены следующие графики для входного U(t) и выходного Y(t) сигналов:

{ГРАФИКИ: U(t) и Y(t) на одном рисунке}

Полученные экспериментальные данные сохраняются в файл и подключаются в продукте Acsocad IdACS с настройкой соответствия входного (красного) и выходного (зеленого) сигналов. Дополнительно указывается порядок числителя "{0}" и знаменателя "{1}". В результате идентификации с использованием фильтра Калмана получены следующие значения параметров передаточной функции:



{СКРИНШОТ: IdACS}

Наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {1.946343}% для параметра {A0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает {0.000749}.

2. В реальных условиях функционирования для получения входного и выходного сигналов применяется измерительная аппаратура, которая вносит некоторые неточности (шум) в величины измеряемых сигналов, поэтому в модели ко входному и выходному сигналам необходимо добавить источники шума, определяемые нормальным законом распределения.

Дальнейшее исследование осуществляется для шума с амплитудой 5%, 10%, 25%, 50% и 75% относительно полезного сигнала.

2а. Для оценки влияния шума с амплитудой 5% рассчитывается величина отклонения у для сигнала U(t), равная {0.0191}, и для сигнала Y(t), равная {0.00955}. Далее строится и моделируется модель в продукте Acsocad SimACS, а экспериментальные выгружаются и подключаются в Acsocad IdACS: линейный возмущение динамический

{МОДЕЛЬ: Структурная схема с источниками шума}

В результате идентификации наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {8.0232}% для параметра { A0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает {0.014484}.

{СКРИНШОТ: IdACS}

2б. Для оценки влияния шума с амплитудой 10% рассчитывается величина отклонения у для сигнала U(t), равная {0.0382}, и для сигнала Y(t), равная {0.0191}. Далее строится и моделируется модель в продукте Acsocad SimACS, а экспериментальные выгружаются и подключаются в Acsocad IdACS:

{МОДЕЛЬ: Структурная схема с источниками шума}

В результате идентификации наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {14.131260}% для параметра { A0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает { 0.029212}.

{СКРИНШОТ: IdACS}

2в. Для оценки влияния шума с амплитудой 25% рассчитывается величина отклонения у для сигнала U(t), равная {0.0955}, и для сигнала Y(t), равная {0.04775}. Далее строится и моделируется модель в продукте Acsocad SimACS, а экспериментальные выгружаются и подключаются в Acsocad IdACS:

{МОДЕЛЬ: Структурная схема с источниками шума}

В результате идентификации наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {30.618730}% для параметра {A0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает { 0.075606}.



{СКРИНШОТ: IdACS}

2г. Для оценки влияния шума с амплитудой 50% рассчитывается величина отклонения у для сигнала U(t), равная {0.191}, и для сигнала Y(t), равная {0.0955}. Далее строится и моделируется модель в продукте Acsocad SimACS, а экспериментальные выгружаются и подключаются в Acsocad IdACS:

{МОДЕЛЬ: Структурная схема с источниками шума}

В результате идентификации наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {49.844937}% для параметра {A0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает {0.157671}.



{СКРИНШОТ: IdACS}

2д. Для оценки влияния шума с амплитудой 75% рассчитывается величина отклонения у для сигнала U(t), равная {0.2865}, и для сигнала Y(t), равная {0.14325}. Далее строится и моделируется модель в продукте Acsocad SimACS, а экспериментальные выгружаются и подключаются в Acsocad IdACS:

{МОДЕЛЬ: Структурная схема с источниками шума}

В результате идентификации наибольшее значение отклонения параметров от их истинных значений составило {70.606627}% для параметра {А 0}, причем среднеквадратичное отклонение не превышает {0.320577}.



{СКРИНШОТ: IdACS}

Выводы по работе:

В результате выполнения процедуры идентификации одномерного динамического объекта в различных условиях оценены параметры передаточной функции, наибольшие отклонения полученных значений которых от истинных сведены в таблицу.

Погрешность и СКО возрастает при увеличении шумов.

Таблица 1

Опыт	Шум, %	Параметр	Погрешность, %	СКО
1	0	А 0	1.946343	0.000749
2а	5	А 0	8.0232	0.01448
2б	10	А 0	14.1312	0.02921
2в	25	А 0	30.6187	0.0756
2г	50	А 0	49.8449	0.1577
2д	75	А 0	70.6066	0.3206

Практическая работа №2.

Цель работы: Идентификация одномерных линейных динамических объектов управления, заданных структурными схемами во временной и частотной областях.

Задание: Составить структурную схему системы в продукте Acsocad SimACS, подставив данные из варианта задания. Провести 5 опытов с перестроением структурной схемы, в каждом из которых вывести соответствующий вход и выход в отдельный файл, подключить его в Acsocad IdACS, задать порядок объекта, получить оценочные значения коэффициентов передаточной функции и сравнить их с оригинальными.

Исходные данные к работе:

Рис. 1. Структурная схема исследуемой системы

Таблица 2

Варианты параметров элементов структурной схемы и внешних воздействий

№ Вар.	W1	W2	W3	U
1	6/(3+s)	1,5/(1,5+s)	0,2	1,5
2	80/(10+s)	10/(10+s)	0,8	5
3	5/(70+s)	1,2/(1,2+s)	9	3,7
4	60/(10+s)	3,5/(25+s)	7	6,2
5	40/(10+s)	80/(10+s)	0,5	2,5
6	10/(10+s)	5/(5+s)	2	7
7	15/(5+s)	4	10/(10+s)	2
8	20/(10+s)	5	6/(2+s)	0,5
9	2/(2+s)	2	2,5/(5+s)	6
10	21/(3+s)	1,5	2/(2+s)	1,5
11	12/(3+s)	8	3,5/(10+s)	4,3
12	2/(2+s)	1,7	1,4/(1,4+s)	0,3
13	0,03/(0,4+s)	7	0,6	10
14	0,08/(0,8+s)	0,2	3	2,5
15	0,2/(1,2+s)	0,5	2	1,7
16	3/(3+1,5s+s2)	5	0,08	4
17	2/(2+0,6s+s2)	3	0,01	3
18	10/(10+7s+s2)	9	0,1	1,2
19	(2+0,4s)/(2+s)	5	2	14
20	(2+0,7s)/(3+s)	12	0,5	18
21	(3+1,5s)/(12+s)	3	7,5	9,8
22	2/(2+2,2s+s2)	8	0,02	3
23	3/(3+4,2s+s2)	20	0,1	15,2
24	1,2/(1,2+s)	6/(3+s)	0,2	1,5
25	6/(3+s)	0,2	1,5/(1,5+s)	5,1
26	80/(10+s)	0,8	10/(10+s)	0,5
27	5/(70+s)	9	1,2/(1,2+s)	7,3
28	60/(10+s)	7	3,5/(25+s)	2,6
29	40/(10+s)	0,5	80/(10+s)	5,2
30	10/(10+s)	2	5/(5+s)	0,7
31	(5+7s)/(100+14s+s2)	2/(2+s)	0,25	3,5
32	(6+0,8s)/(12+s)	5/(5+s)	0,55	7,5

Значение индивидуального параметра F = 0,1*номер варианта

Ход работы.

Структурная схема с выбранными элементами имеет вид:

Структурная схема динамического звена W1 имеет вид:



1. Идентификация динамического звена W1 осуществляется путём вывода сигналов E и Y1 в файл, с последующим открытием в программе Acsocad IdACS.

W1(s) = 2/(2+s)

В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0		A0	A1		Параметр	Значение
Начальное	0		0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	1.992558		1.991476	1		Кол-во точек	601
Истинное	2		2	1		СКО	0.000705
Погрешность,%	0.372100		0.426200	0		Макс.абс.ошибка	0.002216

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000705

2. Идентификация разомкнутой системы U-Yос осуществляется путём вывода сигналов U и Yос системы, полученной из исходной путём разрыва обратной связи:

Wp(s) = W1(s)*W2(s)*W3(s) = (2/(2+s))*1.7*(1.4/(1.4+s))=4.76/(2.8+3.4s+s2)

Структурная схема разомкнутой системы U-Yос имеет вид:

Идентификация разомкнутой системы U-Yос осуществляется путём вывода сигналов сигналов U и Yос в файл, с последующим открытием в программе Acsocad IdACS



В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	0		0	0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	4.609110		2.714489	3.281516	1		Кол-во точек	601
Истинное	4.76		2.8	3.4	1		СКО	0.000830
Погрешность,%	3.169958		3.053964	3.484824	0		Макс.абс.ошибка	0.001856

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000830.

3. Идентификация замкнутой системы U-Y осуществляется путём вывода сигналов U и Y системы, полученной из исходной путём исключения сигнала F:

Wuy(s) = W1(s)*W2(s) / (1+ W1(s)*W2(s)*W3(s)) = (2/(2+s))*1.7/((1+(2/(2+s)*1.7*(1.4/(1.4+s)) =

= (4.76+3.4s)/(7.56+3.4s+ s2)

Структурная схема замкнутой системы U-Y имеет вид:

Идентификация замкнутой системы U-Y осуществляется путём вывода сигналов сигналов U и Y в файл, с последующим открытием в программе Acsocad IdACS

В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0	B1		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	0	0		0	0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	4.743600	3.297451		7.530994	3.256821	1		Кол-во точек	601
Истинное	4.76	3.4		7.56	3.4	1		СКО	0.001061
Погрешность,%	0.344538	3.016147		0.383677	4.211147	0		Макс.абс.ошибка	0.002795

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.001061

4. Идентификация замкнутой системы U-E осуществляется путём вывода сигналов U и E системы, полученной в п.3:

Wue(s) = 1 / (1+ W1(s)*W2(s)*W3(s)) = 1 / ((1+(2/(2+s)*1.7*(1.4/(1.4+s)) =

= (2.8+3.4s+ s2) / (7.56+3.4s+ s2)

Структурная схема замкнутой системы U-E имеет вид:

Идентификация замкнутой системы U-E осуществляется путём вывода сигналов U и E в файл, с последующим открытием в программе Acsocad IdACS



В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0	B1	B2		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	0	0	0		0	0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	2.895846	3.473508	0.999759		7.818784	3.400617	1		Кол-во точек	601
Истинное	2.8	3.4	1		7.56	3.4	1		СКО	0.000764
Погрешность,%	3.423071	2.162000	0.024100		3.423069	0.018147	0		Макс.абс.ошибка	0.002288

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000764.

5. Идентификация замкнутой системы F-Y осуществляется путём вывода сигналов F и Y системы, полученной из исходной путём исключения сигнала U:

Wfy(s) = 1 / (1+ W1(s)*W2(s)*W3(s)) = 1 / ((1+(2/(2+s)*1.7*(1.4/(1.4+s)) =

= (2.8+3.4s+ s2) / (7.56+3.4s+ s2)

Структурная схема замкнутой системы F-Y имеет вид:

Идентификация замкнутой системы F-Y осуществляется путём вывода сигналов сигналов F и Y в файл, с последующим открытием в программе Acsocad IdACS

Коэффициент	B0	B1	B2		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	0	0	0		0	0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	2.895846	3.473508	0.999759		7.818785	3.400617	1		Кол-во точек	601
Истинное	2.8	3.4	1		7.56	3.4	1		СКО	0.003057
Погрешность,%	3.423071	2.162000	0.024100		3.423082	0.018147	0		Макс.абс.ошибка	0.009152

В результате идентификации получены следующие результаты:

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.003057.

6. Идентификация динамического звена W1 осуществляется путём вывода действительной Re и мнимой Im частей передаточной функции в файл с последующим открытием в программе Acsocad IdACS с выбором режима "Частота", причём априорные значения при идентификации следует выбирать близкими к реальным значениям, но отличающимися от них как минимум на 10%.

Передаточная функция исследуемого динамического звена имеет вид:

W1(s) = 2/(2+s)

В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0		A0	A1		Параметр	Значение
Начальное	0		0	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	1.999998		2.000008	1		Кол-во точек	1001
Истинное	2		2	1		СКО	0.000003
Погрешность,%	0.000100		0.000400	0		Макс.абс.ошибка	0.000005

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000003

7. Идентификация разомкнутой системы U-Yос осуществляется путём вывода сигналов U и Yос системы, полученной из исходной путём разрыва обратной связи.

Wp(s) = W1(s)*W2(s)*W3(s) = (2/(2+s))*1.7*(1.4/(1.4+s))=4.76/(2.8+3.4s+s2)

В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	4.95		3.1	3.75	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	4.760553		2.800223	3.400396	1		Кол-во точек	1001
Истинное	4.76		2.8	3.4	1		СКО	0.000034
Погрешность,%	0.011618		0.007964	0.011647	0		Макс.абс.ошибка	0.000062

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000034

8. Идентификация замкнутой системы U-Y осуществляется путём вывода сигналов U и Y системы, полученной из исходной путём исключения сигнала F.

Wuy(s) = W1(s)*W2(s) / (1+ W1(s)*W2(s)*W3(s)) = (4.76+3.4s)/(7.56+3.4s+ s2)

В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0	B1		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	4	3		6.8	3	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	4.759634	3.400055		7.559564	3.399994	1		Кол-во точек	1001
Истинное	4.76	3.4		7.56	3.4	1		СКО	0.000008
Погрешность,%	0.007689	0.001618		0.005767	0.000176	0		Макс.абс.ошибка	0.000017

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000008

9. Идентификация замкнутой системы U-E осуществляется путём вывода сигналов U и E системы, полученной в п.3:

Wue(s) = 1 / (1+ W1(s)*W2(s)*W3(s)) = (2.8+3.4s+ s2) / (7.56+3.4s+ s2)



В результате идентификации получены следующие результаты:

Коэффициент	B0	B1	B2		A0	A1	A2		Параметр	Значение
Начальное	2.4	3.9	0		6.8	3	1		Дисперсия	0.00000001
Оценка	2.799971	3.399966	1.000000		7.559953	3.399981	1		Кол-во точек	1001
Истинное	2.8	3.4	1		7.56	3.4	1		СКО	0.000001
Погрешность,%	0.001036	0.001000	0.000000		0.000622	0.000559	0		Макс.абс.ошибка	0.000003

Среднеквадратическое отклонение СКО = 0.000001

10. Оценка результатов идентификации.

Для каждого опыта по результатам идентификации выбран параметр, имеющий наибольшее отклонение от истинного значения. Результаты всех пяти опытов сведены в таблицу.

Область	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3	Опыт 4	Опыт 5
	Пар-р	Погр,%	Пар-р	Погр,%	Пар-р	Погр,%	Пар-р	Погр,%	Пар-р	Погр,%
Время	А 0	0.4262	А 1	3.4848	А 1	4.21114	В 0	3.42307	А 0	3.42308
Частота	А 0	0.0004	А 1	0.01164	А 1	0.00576	В 0	0.00103	-	-

11. Выводы о качестве идентификации, сравнение результатов идентификации во временной и частотной областях.

Результаты идентификации:

1. Погрешность входит в 5 % .

2. В частотной области погрешность уменьшается по сравнению с частотной областью.

Размещено на Allbest.ru

...