Главная
Главная страница, новости
Компьютерные тренажеры
· Обзорная статья
· Конструктор
· Тренажеры (продукты)
· Теплосети
· Как заказать
SCADA Другие проекты
· Сад Слов
· Almik
Публикации
· Основные публикации
· Блог ЖЖ
· Путешествия
· Живопись
. Лирика
Об авторе Rambler's Top100

Донской А.Н.
г.Чебоксары, кафедра САУЭП ЧувГУ
1999

РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛМИК

Моделирование является важной составной частью исследования и проектирования технических систем различного назначения. Наиболее удобным способом моделирования является использование специальных программных средств (ПС), позволяющих легко составлять модели в виде структурных (функциональных) схем из набора стандартных элементов. Такой подход позволяет легко осуществить имитационное моделирование и провести исследования динамики с учетом всех существенных особенностей исследуемой системы (нелинейности, динамически изменяемые параметры, внешние воздействия). В данной статье рассматриваются усовершенствования ПС АЛМИК [1], ориентированного на исследование динамики систем автоматического управления (САУ), робототехнических систем и электроприводов.

Для исследования динамики систем управления электроприводами использовались такие ПС, как МИК [2] на ЕС ЭВМ и МОДС/ПАЛС [3] на ЕС ЭВМ и миниЭВМ серии СМ. В 1987 году для СМ и ДВК автором было разработано ПС имитационного моделирования АЛМИК, которая была позднее перенесена на IBM PC и сегодня широко используется в ЧувГУ и во ВНИИР как в учебном процессе, так и в инженерно-научных исследованиях [4,5].

В настоящее время развитие ПС АЛМИК продолжается как в направлении увеличения функциональных возможностей, так и в сторону повышения эргономичности и удобства диалоговой работы исследователя на наиболее распространенной сегодня платформе IBM PC.

1. Средства описания модели.

1.1. Набор стандартных элементов.

В ПС АЛМИК используется набор стандартных элементов, достаточный для моделирования как линейных частей САУ (линейные динамические звенья), так и нелинейностей типа ограничение, реле, гистерезис, люфт, квантование, задержка и др. Набор элементов также включает генераторы сигналов (ступенчатые, линейные, гармонические, периодические сигналы разной скважности и формы) и математические функции (умножение, суммирование, тригонометрические и другие функции). Такой набор стандартных элементов с незначительными различиями характерен для всех современных ПС имитационного моделирования.

По сравнению с другими ПС, АЛМИК обеспечивает большее удобство в использовании стандартных элементов. Везде, где это возможно, элементы допускают произвольное количество параметров и входов, чем достигается удобство и лаконичность описания структурной схемы. Кроме того, в силу более современной технологии программирования, АЛМИК не накладывает ограничений на количество элементов в модели.

В последних версиях АЛМИК введен элемент типа "ФОРМУЛА" для описания произвольных арифметических и логических выражений, что существенно упрощает построение сложных моделей.

1.2. Расширение базового набора элементов.

Проблема открытости при выборе ПС часто является определяющей наряду с его функциональными возможностями. К сожалению, разработка открытых ПС упирается во многие сложности как технического, так и социально-экономического характера (защита авторских прав, стоимость). Поэтому многие ПС либо вообще не допускают расширения базового набора стандартных элементов иначе как средствами разработчика, либо предлагают ограниченные возможности по подключению внешних подпрограмм (МИК и МОДС), что требует квалификации прикладного и системного программиста для разработки подпрограмм, их компиляции и компоновки с объектными модулями самой ПС.

Другой вариант, предлагаемый ПС МИК, заключается в применении макромоделей - моделей, составленных из базового набора стандартных элементов, которые можно сохранить в специальной библиотеке и в дальнейшем использовать как новый стандартный элемент. Такой подход достаточно универсален, но неэффективен по расходу машинных ресурсов и быстродействию; кроме того, макромодель все равно остается ограниченной функциональностью базовых элементов.

ПС АЛМИК предлагает наиболее интересный вариант - использование так называемых "протоколов вычислений", представляющих собой внешние программы на специальном языке описания математических расчетов и включающим в себя такие понятия, как переменная, массив, цикл, различные математические функции. Физически протокол помещается в отдельном текстовом файле. Его использование из модели АЛМИК аналогично вызову подпрограммы, для которой задаются входные параметры и используются возвращенные выходные параметры. Кроме очевидных применений, связанных с ручным программированием, с помощью этого механизма удобно использовать результаты подсистемы символьного преобразования формул ALTRAN, применяемой, в частности, для моделирования кинематики и динамики многозвенных механизмов манипуляционных роботов (см. ниже).

1.3. Описание структуры модели.

В ПС АЛМИК, как и во всех вышеупомянутых ПС, используется первоначальное представление структурной схемы в виде текста на специальном языке. Альтернативный подход использован автором в конструкторе динамических тренажеров [6], где структурная схема представляется в графическом режиме, что позволяет наглядно, в виде диаграммы изобразить отдельные элементы и связи между ними. Оба способа представления структуры модели имеют как достоинства, так и недостатки. Графическое представление обладает большей наглядностью и дидактической ценностью, но только для моделей ограниченного размера, текстовое - удобством редактирования. Удобство текстового представления зависит от способа идентификации элементов (в АЛМИК допустимы произвольные имена). Кроме того, при текстовом описании наглядно и естественно записываются формулы и передаточные функции динамических звеньев.

Направлением дальнейшего развития ПС будет обеспечение иерархического внутреннего представления модели, допускающего как текстовые, так и различные варианты графических представлений.

1.4. Специальные элементы и управление моделированием.

АЛМИК позволяет с помощью специальных элементов управлять процессом моделирования и осуществлять изменения структуры модели в процессе моделирования.

Элементы типа "ПАРАМЕТР" и "СИНХРО" позволяют изменять значения параметров других элементов модели в зависимости от величины каких-либо сигналов.

Элемент типа "КЛЮЧ" позволяет переключать сигналы в модели.

Управляющие структуры - циклы могут быть вложенными друг в друга и задавать сложные исследования модели - например, построение семейства графиков переходных процессов при различных значениях параметров. Цикл может быть завершен досрочно по какому-либо логическому условию, вычисляемому в модели, чем достигается сокращение времени моделирования.

2. Возможные методы исследований.

Наиболее распространенным и простым видом анализа динамики является получение переходных процессов в системе под действием тех или иных внешних воздействий, по результатам которого можно оценить такие показатели качества, как перерегулирование и время регулирования. АЛМИК показывает графики переходных процессов непосредственно в процессе моделирования, что дает возможность в любой момент произвести визуальную оценку и при необходимости прервать процесс моделирования.

Часто требуются более сложные исследования, например, зависимости показателей качества от тех или иных параметров системы. АЛМИК позволяет решать такие задачи как путем жесткого задания диапазона изменения параметров с помощью циклов в модели либо путем развитого диалогового механизма исследований.

С помощью упомянутого механизма исследований в полуавтоматическом режиме может быть решена задача параметрической оптимизации - определение оптимальных параметров САУ с целью оптимизации показателей качества переходных процессов.

Особой разновидностью анализа является частотный анализ, результаты которого (амплитудно-частотные характеристики) могут использоваться для оценки качества и устойчивости системы. Частотный анализ выполняется путем имитационного моделирования во временной области, для чего используются такие стандартные элементы, как генератор гармонического сигнала и анализаторы экстремумов и фазы. Кроме того, предусмотрена возможность численно-аналитического расчета частотных характеристик для отдельной передаточной функции.

3. Представление результатов исследования.

АЛМИК предлагает широкий набор способов представления результатов исследований, причем формат всех представлений легко может быть настроен в диалоговом режиме по окончании исследования. Это выгодно отличает АЛМИК от вышеупомянутых ПС, ориентированных в основном на пакетный режим работы, требующих жесткого задания формата вывода и не позволяющих его изменения.

В простейшем режиме анализа АЛМИК может строить одновременно несколько листов графиков. Перемещая курсор мыши в окне графика, исследователь видит абсциссу и соответствующие значения сигналов. Сами графики могут быть представлены как в формате зависимости нескольких сигналов от одной абсциссы (обычно - модельного времени), так и форме попарных взаимных зависимостей сигналов (фазовые характеристики) или в виде объемных изометрических проекций.

Диалоговый режим исследований АЛМИК позволяет работать с произвольным количеством параметров модели и результатов (показателей качества). При этом можно выбрать представление результатов в виде зависимостей любого показателя от любого параметра. Только ПС АЛМИК обеспечивает представление результатов сложных исследований во всех возможных формах плоских проекций:

4. Специальные возможности.

К специфической особенности АЛМИК можно отнести поддержку моделирования многозвенных кинематических механизмов - например, манипуляционных роботов.

Для моделирования роботов за основу берется уравнение динамики Лагранжа-Эйлера в матричной форме, составленное в соответствии с [7] на языке подсистемы ALTRAN. В этот шаблон подставляются характеристики исследуемого манипулятора. Затем при помощи подсистемы ALTRAN производится символьное преобразование и оптимизация, в результате чего получается протокол, который может быть использован в АЛМИК. В результате такого преобразования и оптимизации моделирование манипуляционных роботов в АЛМИК производится на порядок быстрее, чем в специализированных пакетах МОДС/РОБОТ [3] или ПАМИР [8], в которых в процессе моделирования решаются исходные матричные уравнения.

На основе полученного протокола легко решается первая задача динамики (определение необходимых обобщенных усилий для отработки заданного графика движения).

Для решения второй задачи динамики (расчета движения по обобщенным усилиям) в АЛМИК предусмотрено специальное звено "РОБОТ", использующее тот же оптимизированный протокол с описанием уравнения динамики.

5. Диалоговые возможности.

Первая версия АЛМИК была разработана для ЭВМ серии СМ с ориентацией на пакетный режим работы. Текущая версия для IBM PC представляет собой многооконную интегрированную среду, обеспечивающую редактирование текстов моделей и протоколов, просмотр графиков и проведение режима сложных исследований и выполненную в стандартном графическом интерфейсе Graphic Vision, разработанном автором. Все управляющие элементы интуитивно понятны и удобны для управления как с клавиатуры, так и с помощью манипулятора "мышь".

АЛМИК полностью самодокументирован и имеет контекстно-зависимую справочную систему, в которой описаны все элементы и приемы моделирования, в том числе имеются ответы на часто задаваемые вопросы.

В последних версиях многое сделано для повышения удобства работы и исключения случайных ошибок. Ведется контроль версий моделей и относящихся к ним графиков и результатов исследований. Полученные графики и результаты исследований сохраняются в том же каталоге, что и модель, и под тем же именем; при загрузке модели они загружаются автоматически. Контроль ошибок плавающей арифметики делает работу с ПС безопасной.

АЛМИК распространяется в виде двух версий: REAL-версия для работы на IBM PC, начиная с i286 с малым объемом памяти, и DPMI-версия АЛМИК для 386 и старше, которая позволяет использовать всю доступную память.

Ниже приведен внешний вид ПС АЛМИК с демонстрацией различных форматов графиков.

Almik screenshot

Заключение:

ПС АЛМИК широко используется в ЧувГУ и во ВНИИР как в учебном процессе, так и в инженерно-научных исследованиях. Описанные в данной статье новые функциональные возможности последних версий ПС АЛМИК делают его еще более удобным для исследователя и существенно повышает его эффективность для решения ряда задач в области автоматического регулирования, электропривода и робототехники. Дополнительным аргументом для исследователя при выборе ПС может служить то, что текущая версия ПС АЛМИК распространяется свободно (по принципу FREEWARE).

Список литературы:

1. Система имитационного моделирования АЛМИК: Методические указания по моделированию САУ/ Сост. А.Н.Донской, С.А.Лазарев. - Чебоксары, изд-во ЧГУ, 1991. 36 с.
2. Ю.Б.Бородулин, В.Н.Нуждин. Имитационные системы в проектировании и исследовании электротехнических объектов и автоматизированных комплексов: Учеб.пособие/Иванов.гос.ун-т, Иванов.энерг.ин-т. - Иваново: ИвГУ, 1986. - 84с.
3. Комплекс программ для автоматизации проектирования систем управления манипуляционных роботов: Учеб. пособие / под ред. Н.А.Лакоты / Моск.высш.техн.уч-ще. М.,1986, 36 с.
4. Н.В.Донской, А.Н.Донской. Упрощенный метод оценки качества переходных процессов в замкнутой САУ с ЛАЧХ разомкнутого контура типа 2-1-2: Технические науки: сегодня и завтра: Тез. докл. юбилейной итоговой научной конференции. Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та, 1997. С. 101-102.
5. Поздеев А.Д., Аристархов О.Г., Волков Д.Н. Чувствительность асинхронных регулируемых электроприводов с частотно-токовым управлением к неточности задания параметров настройки// Электротехника. 1998. № 6. С. 1-7.
6. Донской А.Н. Тренажеры на базе ЭВМ для оперативного персонала ТЭЦ// Энергетик. 1995. № 5. С. 28.
7. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 624 с.
8. Пакет прикладных программ по моделированию и исследованию кинематики и динамики манипуляционных роботов (ПАМИР). Описание применения. Иркутск: Иркут. ВЦ СО АН СССР, 1984. - 121 с.

См. также: Сложные исследования в системе имитационного моделирования АЛМИК

Home Page

http://simulators.narod.ru
Post: 428000, г.Чебоксары, а/я 121,
Донской Алексей Николаевич
Адрес изображен картинкой для защиты от спам-роботов

Download Almik DPMI
Download Almik real mode
Установка и настройки

Rambler's Top100
Сайт управляется системой uCoz