Файл: Комплекс лабораторных работ по тау.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра «Автоматики и телемеханики»
Лялин А.Е.


ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему

Комплекс лабораторных работ по ТАУ

Пояснительная записка

Киров 2009


Содержание



Введение
Современные средства и технологии разработки автоматизированных систем управления являются достаточно сложными, и их эффективное использование на практике, а также продвижение в направлении широкого применения, в значительной степени зависит от уровня подготовки как эксплуатационного персонала, так и инженеров-разработчиков автоматизированных систем. При этом уровень подготовки специалистов по автоматизации и телемеханике во многом определяется практическими навыками, которые могут быть получены только при работе на полнофункциональных комплексах, так как в условиях промышленного предприятия возможности обучения или повышения квалификации специалистов ограничены зачастую жестким производственным регламентом.

---

Следует отметить, что такой лабораторный комплекс должен обеспечить возможность как изучения отдельных компонентов и средств современных автоматизированных систем управления (технических, программных, математических, информационных), так и проведения комплекса лабораторных работ по изучению функционирования систем в целом и объектов управления и исследования, а также служить основой для решения проектных задач, в том числе задач исследования автоматизированных систем.

Данный дипломный проект ставит своей целью создания комплекса для изучения Теории Автоматического Управления (ТАУ) на примере графической среды разработки автоматизированных систем управления, а также их исследования в рамках программного пакета MatLab.

Для исследования линейных и нелинейных систем существуют множество программных средств, которые обладают разнообразными возможностями для исследований систем подобного рода. Как и у любого программного пакета у них существуют свои положительные стороны и недостатки. Кратко рассмотри возможности трех основных инструментов для исследования линейных и нелинейных систем. Это VisSim, System View и MatLab.
VisSim

Фирма Visual Solutions является производителем такого программного продукта как VisSim. VisSim - это диалоговая визуальная оболочка для разработки непрерывных, дискретных, мультичастотных и гибридных моделей систем и моделирования динамики этих систем. Набор команд, предоставляемый VisSim, позволяет автоматизировать решения многих задач.

Программа предоставляет человеку развитой графический интерфейс, используя который, исследователь создает модель из виртуальных элементов с некоторой степенью условности так же, как если бы он строил реальную систему из настоящих элементов. Это позволяет создавать, а затем исследовать и оптимизировать модели систем широкого диапазона сложности.

В VisSim модель системы сроится в виде структурной схемы в привычном виде. Основными инструментами являются функциональные блоки и связи между ними. Каждый блок выполняет определенную функцию. Функция может быть такой же простой как "sin" или сложной, как передаточная функция 10-го порядка. VisSim содержит более 100 линейных и нелинейных блоков, позволяющих моделировать сколь угодно сложные системы. Но если вдруг по каким-то причинам предоставленный набор средств окажется недостаточным, то VisSim предоставляет простой механизм расширения за счет пользовательских блоков.

---

Моделирование системы в VisSim означает пошаговое решение уравнений, описывающих данную систему и вычисление выходов модели. Если изменить параметры системы во время процесса моделирования, VisSim немедленно пересчитает параметры системы и учтет их при моделировании. Моделирование систем управления это далеко не весь круг задач, которые можно решать в VisSim. Например, в этой программе при желании можно решать дифференциальные уравнения и VisSim делает это значительно эффективнее и быстрее, чем известная программа математической направленности MathCAD.

При описании и последующем построении модели в среде VisSim нет необходимости записывать и решать дифференциальные уравнения, программа это сделает сама по предложенной ей исследователем структуре системы и параметрам ее элементов. Результаты решения выводятся в наглядной графической форме. Поэтому программой могут пользоваться и те, кто не имеет глубоких познаний в математике и программировании.

При использовании VisSim не требуется владеть программированием на языках высокого уровня или ассемблере. В то же время, специалисты, владеющие программированием, могут создавать собственные блоки, дополняя ими богатую библиотеку стандартных блоков VisSim.

VisSim позволяет также решать задачки по физике, начиная с уровня школьных и кончая серьезными физическими экспериментами на виртуальных лабораторных стендах.
System View

System View представляет собой полностью автономных программный пакет. Пакет System View обладает мощными интерактивными возможностями, достаточно прост и понятен. Схема моделируется с помощью основных звеньев (используемых для описания систем управления) с определенно заданными параметрами. System View удобен для пользователя как в представлении модели и результатов моделирования, так и в возможности задавать любое время исследования, стартовое время включения действия любого элемента системы, подключение различных входных воздействий. Таким образом, работая на индивидуальной рабочей станции, можно получить полное решение задачи в течении нескольких часов, причем результаты работы будут хорошо документированы (листинги, тексты, графики). Любой проектировщик или исследователь в состоянии решить свою задачу самостоятельно, без помощи программистов. Автоматизированные средства позволяют существенно увеличить эффективность анализа и проектирования систем управления. Пакет имеет обширную библиотеку типовых функциональных блоков, содержащую различные входные воздействия, передаточные функции, нелинейные зависимости и другие элементы, используемые при описании систем управления.

---

MatLab

Среди ряда современных СКМ (системы компьютерной математики) особо выделяется математическая система MatLab. Система MatLab предлагается разработчиками (MathWorks Inc.) как лидирующий на рынке, в первую очередь на предприятиях военно-промышленного комплекса, в энергетике, в аэрокосмической отрасли и в автомобилестроении, язык программирования высокого уровня для технических вычислений, расширяемый большим количеством прикладных программ – расширений.

Популярности MatLab способствует ее матричная ориентация и мощное главное расширение Simulink. MatLab и Simulink поставляются в виде единого программного комплекса. Они предоставляют пользователю удобные и простые средства, в том числе визуального объектно-ориентированного программирования, для моделирования линейных и нелинейных динамических систем, а также множество других пакетов расширений системы. Некоторые из них являются наиболее доступными и эффективными инструментальными средствами для развития и применения новых направлений науки и техники, таких как нечеткая логика, нейронные сети, средства анализа и обработки сигналов и изображений, средства анализа, идентификации и моделирования систем и т.п.

Структура комплекса MatLab + Simulink помимо основы – MatLab и главного расширения Simulink содержит обширные группы пакетов расширений. Этот инструментальный ящик Toolbox с числом пакетов расширения приближающимся к сотне, и группа пакетов расширения Blockset, расширяющая возможности системы визуально-ориентированного блочного моделирования динамических систем Simulink.

Одной из основных задач системы MatLab всегда было предоставление пользователям мощного языка программирования, ориентированного на технические и математические расчеты и способного превзойти возможности традиционных языков программирования, которые многие годы использовались для реализации численных методов. При этом особое внимание уделялось как повышению скорости вычислений, так и адаптивные системы к решению самых разнообразных задач пользователей.

Важными достоинствами системы являются ее открытость и расширяемость. Большинство команд и функций реализованы в в виде m-файлов текстового формата (с расширением .m) и файлов на языке Си, причем все файлы доступны для модификации. Пользователю дана возможность создавать не только отдельные файлы, но и библиотеки файлов для реализации специфических задач. Такие файлы можно готовить как в простом и удобном редакторе m-файлов системы MatLab, так и в любом другом текстовом редакторе – например Microsoft XP. C системой MatLab могут интегрироваться такие популярные математические системы, как MathCAD, Maple и Mathematica. Есть тенденция и к объединению математических систем с современными текстовыми процессорами класса MS Word. Так, средство последних версий MatLab – Notebook позволяет готовить документы в текстовом процессоре Word 98/2000/XP со вставками в виде документов MatLab и результатов вычислений, представленных в численном, табличном или графическом виде. Таким образом, становится возможным подготовка «живых» электронных книг, в которых демонстрируемые примеры могут быть оперативно изменены. Так, можно менять условия задачи и тут же наблюдать изменение результатов моделирования.

---

MatLab обладает хорошо развитыми возможностями визуализации двумерных и трехмерных данных. Высокоуровневые графические функции призваны сократить усилия пользователя до минимума, обеспечивая, тем не менее, получение качественных результатов. Интерактивная среда для построения графиков позволяет обойтись без графических функций для визуализации данных.

В MatLab реализованы классические численные алгоритмы решения уравнений, задач линейной алгебры, нахождения значений определенных интегралов, аппроксимации, решения систем или отдельных дифференциальных уравнений. Символические вычисления в MatLab основаны на библиотеке, являющейся ядром пакета Maple. Решение уравнений и систем, интегрирование и дифференцирование, вычисление пределов, разложение в ряд и суммирование рядов, поиск решения дифференциальных уравнений и систем, упрощение выражений – вот далеко не полный список всех возможностей MatLab для проведения аналитических выкладок и расчетов.

Программный интерфейс приложения (API) реализует связь среды MatLab с программами, написанными на Си, Fortran или Java. Библиотека программного интерфейса позволяет, вызывает имеющиеся программные модули на Си, Fortran или Java из среды или программ MatLab, обращаться к функциям MatLab из программ на Си или Fortran, осуществлять обмен данными между приложениями MatLab и другими программами.

Для разработки интернет-приложений MatLab создан MatLab Web Server, причем процесс создания приложения достаточно прост – кроме умения программировать в MatLab требуется только знание основ HTML.

Поводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что начинающий пользователь MatLab может в процессе работы совершенствовать свои знания как в области моделирования и численных методов, так и программирования и визуализации данных. Следует заметить еще раз, что огромным преимуществом MatLab по сравнению с другими пакетами подобного рода, является открытость кода, что дает возможность опытным пользователям разбираться в запрограммированных алгоритмах и, при необходимости, изменять их. Впрочем, разнообразие набора функций MatLab и Toolbox допускает решение большинства задач без каких-либо предварительных модификации.

При анализе программных средств, для поставленной задачи подходят все вышеописанные программные средства. Но, вследствие того, что техническое развитие постоянно заставляет использовать современное программное обеспечение, а также то, что MatLab имеет значительно больше возможностей для исследования систем автоматического управления, чем остальные, выбираем MatLab.

---