Оглавление
Введение
1. Математическая модель следящей системы
2. Исследование нелинейной следящей системыаналитическими методами
3. Разработка требований к интерфейсупользователя диалоговой системы
4. Разработка программного обеспеченияАИС
5. Результаты испытания АИС
Заключение
Приложение
Введение
Настоящаядипломная работа посвящена проблеме разработки автоматизированной системысинтеза нелинейных систем методом гармонического баланса.
В теорииавтоматического управления особое место занимают методы исследования нелинейныхсистем.
Нелинейнойсистемой называется такая система, в которой хотя бы в одном звене нарушаетсялинейность статической характеристики или же имеет место любое другое нарушениелинейности уравнений динамики звена (произведение переменных или ихпроизводных, корень, квадрат или более высокая степень переменной любая другаянелинейная связь переменных и их производных).
Следовательно,к нелинейным системам относятся, в частности, все системы, в звеньях которыхимеются статические характеристики любого из многих видов. К ним же относятся ивсе системы релейного действия.
Нелинейнымимогут быть, разумеется, также и системы с переменными параметрами, сраспределительными параметрами, с запаздыванием, импульсные и цифровые системы,если в них где-либо нарушается линейность уравнений динамики (в цифровыхсистемах это связано с квантованием сигнала по уровню).
Приисследовании, расчете и синтезе автоматических систем нужно иметь в виду, чтонаиболее полно разработана теория и различные прикладные методы дляобыкновенных линейных систем. Поэтому в интересах расчета и его простоты всегдажелательно (там, где это допустимо) сводить задачу к такой форме, чтобымаксимально использовать методы исследования обыкновенных линейных систем.
Обычноуравнения динамики всех звеньев системы стараются привести, обыкновенно, клинейным, и только для некоторых звеньев, где это недопустимо или гдеспециально вводится особое линейное или нелинейное звено, учитываются их особыесвойства. Тогда при наличии одного такого звена система при расчете разбивается на два блока, а одномиз которых объединяется весь комплекс обыкновенных линейных звеньев.
Однакоэто вовсе не значит, что при проектировании новых автоматических систем нужностремится к обыкновенности линейным системам. Наоборот, уже из приведенных вышеопределений совершенно очевидно, что обыкновенные линейные системы обладаютограниченными возможностями.
Введениеособых линейных и нелинейных звеньев может придать системе лучшие качества.
Особеннобогатыми возможностями обладают системы со специально вводимыми нелинейностямии дискретные системы. В том числе с цифровыми вычислительными устройствами, атакже адаптивные, то есть, самонастраивающиеся, экстремальные,самоорганизующиеся системы.
Разрабатываемаясистема может быть использована в качестве методического пособия для студентовВУЗов при изучении ими методов исследования нелинейных систем автоматическогоуправления.
Перечислимнекоторые из них:
• метод фазовогопространства или фазовых траекторий;
• метод точечныхпреобразований;
• метод изоклин;
• частичный методВ.М. Попова;
• методгармонического баланса;
• частотный методопределения устойчивости и автоколебаний.
Изизвестных автору систем автоматизированного проектирования автоматическихсистем управления наибольшими возможностями обладают системы SIAM и CSSE. Однако эти средства расчета систем управления имеютограниченные возможности графического представления информации.
В то жевремя перечисленные выше методы исследования нелинейных систем удобны, когдарешение реализуется именно графическими методами.
Существуетчрезвычайно большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иныефункции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областяхтехники. В этих системах сочетаются весьма разнообразные по конструкциимеханические, электрические и другие устройства, составляя, в общем, сложныйкомплекс взаимодействующих друг с другом звеньев.
Примерамиавтоматических систем могут служить:
а) автоматвключения освещения, в котором имеется фотоэлемент, реагирующий на силудневного света, и специальное устройство для включения освещения, срабатывающееот определенного сигнала фотоэлемента;
б) автомат,выбрасывающий какие-либо определенные предметы (билеты, шоколад) при опусканиив него определенной комбинации монет;
в) станок-автомат,автоматические линии станков и автоматические цехи на заводах;
г) системытелеуправления, в которых от нажатия кнопки или от легкого поворота ручки на пультеуправления совершается определенная комбинация мощных и сложных операций вуправляемом объекте;
д) автоматическийрегулятор скорости вращения двигателя,
поддерживающийпостоянную угловую скорость двигателя независимо от внешней нагрузки(аналогично регуляторы температуры, давления, напряжения, частоты и пр.);
е) автопилот,поддерживающий определенный курс и высоту полета самолета без помощи летчика;
ж) следящаясистема, на выходе которой с определенной точностью копируется произвольное вовремени изменение какой-нибудь величины, поданной на вход;
з) системасопровождения, в которой ствол наземного орудия автоматически поворачивается за летящим самолетом;
и)вычислительное устройство, выполняющее определенную математическую операцию(дифференцирование, интегрирование, решение уравнений и т. п.);
к)измерительные приборы, работающие по так называемому компенсационному принципу;
л)система самонаведения снаряда на цель и пр.
Все этии им подобные автоматические системы можно разделить на два больших класса:
1) автоматы, выполняющие определенногорода одноразовые или многоразовые операции; сюда относятся, например, автоматвключения освещения, билетный автомат, станок-автомат, ружье-автомат, автомат переключенияскоростей и т.п.
2) автоматические системы, которые втечение достаточно длительного времени нужным образом изменяют (илиподдерживают неизменными) какие-либо физические величины (координаты движущегосяобъекта, скорость движения, электрическое напряжение, частоту, температуру,давление, громкость звука и пр.) в том или ином управляемом процессе. Сюдаотносятся автоматические регуляторы, следящие системы, автопилоты, некоторыевычислительные устройства, некоторые измерительные приборы, системы дистанционногоуправления, телеуправления, самонаведения и т. п.
Естественнымдальнейшим усовершенствованием автоматической системы является замыкание еевыхода (контрольные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом,чтобы контрольные приборы, измерив некоторые величины, характеризующиеопределенный процесс в управляемом объекте, сами служили бы одновременно иисточником воздействия на систему, причем величина этого воздействия зависелабы от того, насколько отличаются измеренные величины на управляемом объекте оттребуемых значений.
Такимобразом, возникает замкнутая автоматическая система. Очевидно, что в замкнутойавтоматической системе имеется полная взаимозависимость работы всех звеньевдруг от друга. Протекание всех процессов в замкнутой системе коренным образомотличается от процессов в незамкнутой системе. Замкнутая система совершеннопо-другому реагирует на внешние возмущающие воздействия.
Различныеценные свойства замкнутых автоматических систем, делают их незаменимыми вомногих случаях, когда требуется точность и быстродействие для управления,измерения или для производства математических вычислений. Поэтому при созданиивсяких замкнутых автоматических систем особое значение приобретают динамическиерасчеты.
Замкнутыеавтоматические системы существуют в технике в виде различных автоматическихсистем управления, систем автоматического регулирования, следящих систем,вычислительных систем, компенсационных систем измерения, систем автоматическогопилотирования, систем стабилизации, систем самонаведения, телеуправления,автономного управления и т. п.
Вследящей системе выходная величина у (t) воспроизводит изменение входной величины g(t), причем, автоматическое устройство реагирует нарассогласование (t) междувыходной и входной величинами. Условимся величины у и gназывать соответственно регулируемойвеличиной и задающим воздействием.
Следящаясистема имеет обратную связь выхода со входом, которая, по сути дела, служитдля измерения результата действия системы. На входе системы производитсявычитание х – h-z. Устройство, производящее это вычитание, будем называтьдатчиком рассогласования.
Величинарассогласования х и воздействует на промежуточные устройства, а черезних – на управляемый объект. Система работает так, чтобы все время сводить кнулю рассогласование х. Источником воздействия на задающее устройство можетбыть либо человек, либо специальное устройство, либо изменение внешних условий,в которых работает система.
Длясистем автоматического регулирования введем следующую терминологию.
Агрегат,в котором происходит процесс, подлежащий регулированию, называется регулируемымобъектом. Величина у, которую необходимо в этом агрегатерегулировать, т. е. поддерживать постоянной или изменять по заданной программе,называется регулируемой величиной.
Автоматическидействующее устройство, предназначенное для выполнения задачи регулирования,называется автоматическим регулятором. Автоматический регулятор включаетв себя измерительное устройство, т. е. чувствительный элемент, реагирующий наотклонение регулируемой величины у.
Далееставится усилительно-преобразовательное и исполнительное устройства. Они служатдля формирования регулирующего воздействия u(t) на объект, для возможно более точного выполнениязадачи регулирования при реально имеющемся возмущающем воздействии f(t).
Автоматическийрегулятор вместе с регулируемым объектом называется системой автоматическогорегулирования.
Системыавтоматического регулирования, поддерживающие постоянное частности, нулевоезначение регулируемой величины, называют также системами стабилизации. Системаавтоматического регулирования, изменяющая значения регулируемой величины позаранее заданной программе, называется системой программного регулирования.
Регулятор,в котором имеется усилительно-преобразовательное устройство, питаемое извне, отдобавочного источника энергии называется регулятором непрямого действия.
Впростейших регуляторах, как увидим ниже, усилительно- преобразовательногоустройства и привода может и не быть вовсе, т. е. измерительное устройство можетнепосредственно (без дополнительногоисточника энергии) воздействовать на регулирующий орган. Такой регулятор называется регуляторомпрямого действия. Питание регулятора прямого действия энергией идет неизвне, а целиком за счет энергии самого регулируемого объекта, подаваемой черезизмерительное устройство.
Носуществуют, наоборот, и более сложные регуляторы. Так, кроме одиночных системрегулирования, о которых здесь идет речь, состоящих из одного регулируемогообъекта и одного регулятора, существуют так называемые связанные илимногомерные системы регулирования.
Многомернымисистемами регулирования называются такие, в которых имеется несколькорегулируемых величин или в единый автоматически работающий комплекс связаны несколькорегуляторов на одном объекте или несколько регуляторов и несколькообъектов с перекрестными связями между ними.
Системаавтоматического управления может решать любую из этих задач: регулирование,стабилизация, слежение, ориентация, наведение, но может решать также исовокупность такого рода задач и иметь различные дополнительные функции. Те жеобщие принципы используются в разного рода системах автоматического управления.
Большоезначение в технике управления имеют системы комбинированного действия срегулированием по возмущению. Все большую роль начинают играть адаптивныесистемы, т.е. самонастраивающиеся, самооптимизирующиеся и самоорганизующиесясистемы, а также системы с переменной структурой.
Длясистем автоматического регулирования и для следящих систем (равно как и длявсех замкнутых автоматических систем вообще) существуют практически единыеметоды динамических расчетов.
Большоеразличие в теорию систем вносят не только функциональные признаки, но ихарактер внутренних процессов: непрерывный – дискретный (импульсный), линейный– нелинейный и т. п.
Классифицируютсяавтоматические системы по характеру внутренних динамических процессов.
Каждаяавтоматическая система состоит из целого ряда блоков или звеньев, различносоединенных между собой. Каждое отдельно взятое звено имеет вход и выход. Вобщем случае звено может иметь несколько входов и выходов. Входная величина Xi и выходная Х2 могут иметьлюбую физическую природу (ток, напряжение, перемещение, температура,освещенность и т. п.). В процессе работы автоматической системы величины Xi и Х2 изменяются вовремени.
Динамикапроцесса преобразования сигнала в данном звене описывается некоторымуравнением, связывающим выходную переменную Х2 с входной переменной Х\.Совокупность уравнений и характеристик всех звеньев описывает динамикупроцессов управления или регулирования во всей системе в целом. Существуютразличные характеристики звеньев: статические, переходные, частотные и др.
Основнымипризнаками деления автоматических систем на большие классы по характерувнутренних динамических процессов являются следующие:
1. непрерывность или дискретность (прерывистость)динамических процессов во времени;
2. линейность или нелинейность уравнений,описывающих динамику процессов регулирования.
Попервому признаку автоматические системы делятся на системы непрерывного действия,системы дискретного действия (импульсные и цифровые) и системырелейного действия.
Повторому признаку каждый из указанных классов, кроме релейного, делится насистемы линейные и нелинейные. Системы же релейного действияотносятся целиком к категории нелинейных систем.
Системойнепрерывного действия называется такая система, в каждом из звеньев которой непрерывномуизменению входной величины во времени соответствует непрерывное изменениевыходной величины. При этом закон изменения выходной величины во времени можетбыть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от видауравнения динамики (или характеристики) звена.
Чтобыавтоматическая система в целом была непрерывной, необходимо, прежде всего,чтобы статические характеристики всех звеньев системы были непрерывными.
Системойдискретного действия называетсятакая система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменениивходной величины выходная величина изменяется не непрерывно, а имеет видотдельных импульсов, появляющихся через некоторые промежутки времени. Звено,преобразующее непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов,называется импульсным.
Еслипоследующее звено системы тоже дискретное, то для него не только выходная, но ивходная величина будет дискретной (импульсной). К дискретным автоматическимсистемам относятся системы импульсного регулирования (т. е. системы симпульсным звеном), а также системы с цифровыми вычислительными устройствами.
Этипоследние дают результат вычисления на выходе дискретно, через определенныепромежутки времени, в виде чисел для отдельных дискретных числовых значенийвходной величины.
Системойрелейного действия называетсятакая система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменениивходной величины выходная величина в некоторых точках процесса, зависящих отзначения входной величины, изменяется скачком. Такое звено называется релейнымзвеном. Обратимся теперь ко второму признаку классификации автоматическихсистем.
Линейнойсистемой называетсятакая система, динамика всех звеньев которой вполне описывается линейнымиуравнениями (алгебраическими и дифференциальными или разностными).
Дляэтого необходимо прежде всего, чтобы статические характеристики всех звеньевсистемы были линейными, т. е. имели вид прямой линии.
Еслидинамика всех звеньев системы описывается обыкновенными линейнымидифференциальными (и линейными алгебраическими) уравнениями с постояннымикоэффициентами, то систему называют обыкновенной линейной системой.
Нелинейнойсистемой называетсятакая система, в которой хотя бы в одном звене нарушается линейностьстатической характеристики или же имеет место любое другое нарушение линейностиуравнений динамики звена (произведение переменных или их производных, корень,квадрат или более высокая степень переменной, любая другая нелинейная связьпеременных и их производных).
Следовательно,к нелинейным системам относятся также и системы с переменными параметрами, сраспределенными параметрами, с запаздыванием, импульсные и цифровые системы,если в них где-либо нарушается линейность уравнений динамики (в цифровыхсистемах это связано, в частности, с квантованием сигнала по уровню). К ним же относятсяи все системы релейного действия.
Приисследовании, расчете и синтезе автоматических систем нужно иметь в виду, чтонаиболее полно разработаны теория и различные прикладные методы дляобыкновенных линейных систем. Поэтому в интересах простоты расчета всегдажелательно (там, где это допустимо) сводить задачу к такой форме, чтобымаксимально использовать методы исследования обыкновенных линейных систем.
Обычно,уравнения динамики всех звеньев системы стараются привести к обыкновеннымлинейным, и только для некоторых звеньев, где это недопустимо или гдеспециально вводится особое линейное или нелинейное звено, учитываются эти особые их свойства. Тогдапри наличии одного такого звена система при расчете разбивается на два блока, водном из которых объединяется весь комплекс обыкновенных линейных звеньев.
Однакоэто вовсе не значит, что при проектировании новых автоматических систем нужностремиться к обыкновенным линейным системам. Наоборот, уже из приведенных вышеопределений совершенно очевидно, что обыкновенные линейные системы обладаютограниченными возможностями.
Введениеособых линейных и нелинейных звеньев может придать системе лучшие качества.Особенно богатыми возможностями обладают системы со специально вводимыминелинейностями и дискретные системы, в том числе с цифровыми вычислительнымиустройствами, а также адаптивные, т.е. самонастраивающиеся, экстремальные,самоорганизующиеся системы.
Внастоящее время во многих областях техники существует необозримое количествосамых разнообразных систем автоматического управления, использующих принципследящих систем. Он применяется почти везде, где нужно добиться высокойточности и надежности автоматического управления.
Качествоработы любой системы регулирования, в конечном счете, определяется величиной ошибки,равной разности между требуемым и действительным значениями регулируемойвеличины: x(t) g(t)-y(t). В системах стабилизации при g(t) О ошибка x(t) ^-y(t).
Знаниемгновенного значения ошибки в течение всего времени работы регулируемогообъекта позволяет наиболее полно судить о свойствах системы регулирования.Однако в действительности, вследствие случайности задающего и возмущающеговоздействий, такой подход не может быть реализован. Поэтому приходитсяоценивать качество системы регулирования по некоторым ее свойствам,проявляющимся при различных типовых воздействиях. Для определения качественныхпоказателей системы регулированияв этом случае используются так называемые критерии качества.
Внастоящее время разработано большое число различных критериев качества системрегулирования. Все их можно разбить на четыре группы.
К первойгруппе относятся критерии, в той или иной степени использующие для оценкикачества величину ошибки в различных типовых режимах. Эту группу назовем критериямиточности систем регулирования.
Ковторой группе относятся критерии, определяющие величину запаса устойчивости,т. е. критерии, устанавливающие, насколько далеко от границы устойчивостинаходится система регулирования.
Почтивсегда опасной для системы является колебательная граница устойчивости. Этоопределяется тем, что стремление повысить общий коэффициент усиления в системе,как правило, приводит к приближению системы именно к колебательной границеустойчивости и затем к возникновению незатухающих автоколебаний.
Третьягруппа критериев качества определяет так называемое быстродействие системрегулирования. Под быстродействием понимается быстрота реагирования системырегулирования на появление задающих и возмущающих воздействий. Наиболее простобыстродействие может оцениваться по времени затухания переходного процессасистемы.
Кчетвертой группе критериев качества относятся комплексные критерии, дающиеоценку некоторых обобщенных свойств, которые могут учитывать точность, запасустойчивости и быстродействие. Обычно, это делается при помощи рассмотрениянекоторых интегральных свойств кривой переходного процесса.
Прирассмотрении понятий запаса устойчивости и быстродействия можно исходить издвух существующих в настоящее время точек зрения.
Во-первых,можно основываться на характере протекания процессов во времени и использоватьдля формирования критериев качества переходную или весовую функцию, расположение полюсов и нулейпередаточной функции замкнутой системы и т. п.
Во-вторых,можно основываться на некоторых частотных свойствах рассматриваемой системы,характеризующих ее поведение в установившемся режиме при действии на входегармонического сигнала. К ним относятся полоса пропускания, относительнаявысота резонансного пика и другие.
Оба этиподхода имеют в настоящее время большое распространение и используютсяпараллельно. И тот, и другой подход требует изучения условий эксплуатациипостроенных систем автоматического регулирования, так как только на основаниитакого изучения можно правильно сформулировать количественные оценки, которыемогут быть использованы в практике проектирования и расчета новых систем.
Связьмежду временными и частотными свойствами системы автоматического регулированияимеет сложный характер и может быть определена в общем виде только в простейшихслучаях, например, для систем, описываемых дифференциальным уравнением второгопорядка.
Однакоотсутствие зависимостей, связывающих в общей форме свойства системы вовременном и частотном представлениях, не может служить препятствием дляразвития и независимого использования критериев качества того или иногонаправления.
Использованиетого или иного подхода при формулировании критериев качества определяется внастоящее время удобствами его применения в системах конкретного вида, а также,в известной мере, сложившимися в данной области традициями.
К числуобщих методов повышения точности систем автоматического регулированияотносятся:
1) увеличение коэффициента усиленияразомкнутой цепи;
2) повышение степени астатизма;
3) применение регулирования попроизводным от ошибки.
Увеличениеобщего коэффициента усиления разомкнутой цепи является наиболее универсальным иэффективным методом. Увеличить общий коэффициент усиления можно обычно за счетвведения в систему регулирования усилителей. Однако в некоторых случаях удаетсядостичь этого увеличения за счет повышения коэффициентов передачи отдельныхзвеньев, например чувствительных элементов, редукторов и т. д.
Увеличениеобщего коэффициента усиления благоприятно сказывается, в смысле уменьшенияошибок, практически во всех типовых режимах. Это вытекает, в частности, изтого, что общий коэффициент усиления разомкнутой цепи входит в качестведелителя во все коэффициенты ошибок.
Однакоувеличение общего коэффициента усиления ограничивается устойчивостью системырегулирования. При повышении коэффициента усиления, как правило, системаприближается к колебательной границе устойчивости.
Принекотором предельном его значении в системе возникают незатухающие колебания. Вэтом сказывается противоречие между требованиями к точности и требованиями кустойчивости системы регулирования.
В связис этим повышение общего коэффициента усиления до значения, при которомобеспечивается выполнение требований к точности, обычно может производитьсятолько при одновременном повышении запаса устойчивости системы, чтоосуществляется при помощи так называемых корректирующих средств
Подулучшением качества процесса регулирования, помимо повышения точности в типовыхрежимах, понимается изменение динамических свойств системы регулирования сцелью получения необходимого запаса устойчивости и быстродействия.
В этой проблемеосновное значение имеет обеспечение запаса устойчивости. Это объясняется тем, чтостремление снизить ошибки системы регулирования приводит, как правило, кнеобходимости использовать такие значения общего коэффициента усиления, прикоторых без принятия специальных мер, система вообще оказывается неустойчивой.
Прирешении задачи повышения запаса устойчивости проектируемой системырегулирования, прежде всего, необходимо попытаться рациональным образомизменить ее параметры (коэффициенты передачи отдельных звеньев, постоянныевремени и т.п.) так, чтобы удовлетворить требованиям качества регулирования,которые определяются критериями качества.
Приневозможности решить эту задачу в рамках имеющейся системы приходится идти наизменение ее структуры. Для этой цели обычно используется введение в системурегулирования так называемых корректирующих средств, которые должны изменитьдинамику всей системы в нужном направлении.
Ккорректирующим средствам относятся, в частности, корректирующие звенья,представляющие собой динамические звенья с определенными передаточнымифункциями.
В техслучаях, когда корректирующие звенья используются именно для полученияустойчивости системы регулирования или для повышения ее запаса устойчивости,они называются иногда демпфирующими или стабилизирующими звеньями. При этомимеется в виду, что звенья демпфируют колебания, которые возникают в системерегулирования. Термин «корректирующие звенья» является более широким и используетсядля звеньев, которые вводятся в систему для изменения статических идинамических свойств с различными целями.
Получениетребуемого быстродействия обычно обеспечивается при проектировании системырегулирования посредством выбора соответствующих элементов цепи регулирования(исполнительных органов, усилителей, серводвигателей и т. п.). Однако возможноулучшение быстродействия системы посредством использования корректирующихсредств.
До сихпор поведение систем автоматического регулирования исследовалось приопределенных, заданных во времени задающих и возмущающих воздействиях(ступенчатая функция, импульсная функция, гармоническое воздействие и т. д.)
Однаково многих случаях характер воздействия бывает таким, что его нельзя считатьопределенной функцией времени. Оно может принимать с течением времени самыеразнообразные случайные значения. В таких случаях можем оценить тольковероятность появления той или иной формы воздействия в тот или иной моментвремени.
Этопроисходит не потому, что оно неизвестно заранее, а потому, что сама природареального задающего или возмущающего воздействия такова, что величина его вкаждый момент времени, и процесс его изменения с течением времени, зависят отмножества разнообразных величин, которые случайным образом могут комбинироватьсядруг с другом, появляться одновременно, или с любым сдвигом во времени и т.д.
Следящиесистемы – это системы, на вход которых попадают вместе с полезным сигналом,помехи. Например, в радиолокационной системе сопровождения отраженный от целисигнал содержит в себе помехи в виде многочисленных флуктуации, происходящих отвибраций и поворотов цели, замирания сигнала и т. п.
Аналогичныепомехи случайной природы имеют место в других автоматических устройствах.
Вследящих системах не только возмущающие воздействия и помехи являютсяслучайными, но и сам полезный сигнал, который должен воспроизводиться (задающеевоздействие), как правило, носит случайный характер.
Системаавтоматического регулирования, которая содержит хотя бы одно звено, описываемоенелинейным уравнением, называется нелинейной.
Перечислимвиды нелинейных звеньев:
1) звено релейного типа;
2) звено с кусочно-линейнойхарактеристикой;
3) звено с криволинейной характеристикойлюбого очертания;
4) звено, уравнение которого содержитпроизведение переменных, их производных и другие их комбинации;
5) нелинейное звено с запаздыванием;
6) нелинейное импульсное звено;
7) логическое звено;
8) звенья, описываемые кусочно-линейнымидифференциальными уравнениями, в том числе переменная структура.
Различаютстатические и динамические нелинейности. Первые представляются в виденелинейных статических характеристик, а вторые – в виде нелинейныхдифференциальных уравнений.
Общийметод составления уравнений для нелинейных систем состоит, в следующем. Сначала,производится линеаризация уравнений всех звеньев системы, для которых этодопустимо, кроме существенно нелинейных звеньев (чаще всего одного-двух).
Затемсоставляются уравнения этих последних звеньев со всеми допустимыми упрощениямиих характеристик.
Врезультате получается система обыкновенных линейных уравнений, к которымдобавляется одно-два (иногда более) нелинейных. В соответствии с этим,обобщенную структурную схему любой нелинейной системы автоматическогорегулирования в случае одного нелинейного звена, можно представить в виде, гделинейная часть может иметь структуру любой сложности (с обратными связями и тп.). В случае двух нелинейных звеньев могут быть разные комбинации, взависимости от того, в какие цепи системы они входят.
Частопри исследовании нелинейных систем автоматического регулирования удаетсявыделить нелинейность так, чтобы она описывалась непосредственно зависимостьюмежду выходной и входной величинами и может иметь любую форму (релейного типа,кусочно-линейного или криволинейного). Но иногда, не удается этого сделать иприходится исследовать нелинейные дифференциальные зависимости.
Процессыв нелинейных системах автоматического регулирования имеют целый ряд весьмасущественных особенностей, которые не встречаются в линейных системах.Благодаря этим существенным особенностям, даже вопрос об устойчивости системыстановится здесь более сложным.
Кроместруктуры системы и значений ее параметров для устойчивости того или иногоустановившегося процесса имеют значение здесь, в отличие от линейных систем,также и начальные условия. Возможен новый вид установившегося процесса – автоколебания,т. е. устойчивые собственные колебания с постоянной амплитудой при отсутствиивнешних колебательных воздействий.
Когда всистеме возникают автоколебания, то установившееся состояние, соответствующеепостоянному значению регулируемой величины, часто становится невозможным.Следовательно, в общем случае на плоскости параметров системы могут быть не двавида областей (устойчивости и неустойчивости), как в линейных системах, абольше:
1) область устойчивости равновесногосостояния с постоянным значением регулируемой величины;
2) область устойчивых автоколебаний;
3) область неустойчивости системы;
3)области, соответствующие другим, более сложным случаям. Если процессы в системеимеют вышеуказанный, то равновесное состояние неустойчиво. В том случае, когда колебанияв переходных процессахстремятся к одной и той же амплитуде и к одной и той же частоте, система будетобладать устойчивыми автоколебаниями с амплитудой а.
Разрабатываемаясистема должна удовлетворять следующим требованиям:
1. интерфейспользователя должен быть прост в обращении, и представлять собой диалоговуюмногоуровневую систему в виде вопрос-ответ;
2. программнаяоболочка должна обеспечивать выполнение следующих функций:
• доступ к текстовымфайлам, содержащих справочные материалы;
• графическоеотображение структурных схем и формул исследуемой системы;
• выполнениепрограмм, реализующих различные методы исследования нелинейных систем;
• вывод результатоврасчетов в виде графиков и таблиц;
3. системадолжна быть открытой для дополнения ее другими методами расчета и видамипредставления результатов эксперимента.
С учетомизложенных требований необходимо выбрать инструментальные средства, которыепозволят решить поставленную задачу.
Предполагаетсяфункционирование разрабатываемой системы под управлением MS-DOS. Подготовка графических файлов требует наличиеграфического редактора, как правило, работающего в среде WINDOWS, как, например, редактор PAINT BRUSH.
Длясоздания текстовых файлов справочников и исходных текстов программ можноиспользовать любой редактор, работающий в MS-DOS, например: EDIT или MULTY EDIT. Для разработки программного обеспечения удобноиспользовать язык высокого уровня PASCAL, так как он имеет средства для графического режима отображенияинформации и средства для быстрого построения оболочек TURBO-VISION.
Длядемонстрации графических файлов необходимо использовать средства визуализацииих типа VIEWER. Конфигурация инструментальныхсредств для решения поставленной задачи приведена на рисунках.
Всюработу над дипломным проектом разделили на пять основных этапов.
1 этап. Разработка математическоймодели и структурных схем, исследуемых объектов.
2 этап. Исследование объектованалитическими методами.
3 этап. Разработка алгоритмическогопрограммного обеспечения АИС.
4 этап. Исследование объектов методом математическогомашинного моделирования на ПЭВМ.
5 этап.Сравнение результатов математического и машинного моделирования и подтверждениеэффективности разработанного АИС.
Напервом этапе разрабатываются как подробные математические модели и структурныесхемы, в частности, электромеханического привода, так и частичные случаи,например:
• отсутствиеобратной связи по скорости:
• отсутствиерелейного усилителя;
• отсутствиеинерционности цепи якоря электропривода;
• управлениедвигателя по цепи обмотки возбуждения и управления двигателем по цепи якоря.
Навтором этапе аналитическими методами (алгебраическими и частотными) исследуютсяустойчивость системы и определяются возможности автоколебаний в системе и ихпараметры.
Натретьем этапе разрабатывается алгоритмическое и программное обеспечение АИС сиспользованием выше перечисленных инструментальных средств операционной системыПЭВМ.
Начетвертом и пятом этапах проверяется эффективность разрабатываемой ЭВМ путемсравнения результатов, полученных при аналитическом и машинном исследованиях.
1. Математическаямодель следящей системы
нелинейныйследящий автоматизированный
Структурная схемаэлектромеханической следящей системы на базе электропривода постоянного токаприведена на рис 1.1.
/>
Рис. 1.1
На схеме обозначены:
V1 и V2 – углы поворота командной и исполнительнойоси;
V1=V1-V2 – рассогласование (ошибка);
ЧЭ – чувствительныйэлемент (датчик угла рассогласования);
У – усилитель и егостатическая характеристика;
РУ – релейный усилитель;
Д – двигатель;
Р – редуктор;
ТГ – тахогенератор;
РМ – рабочий механизм(объект управления);
Статическаяхарактеристика релейного усилителя показана на рис. 1.2
/>
Рис. 1.2
По данной структурнойсхеме составим дифференциальные уравнения звеньев системы.
1. Уравнениечувствительного элемента
U1=K1V, (1.1)
V=V1-V2,
Где U1 – напряжение на выходе чувствительного элемента.
2. Уравнение линейногоусилителя в операторной форме.
(T1p+)U2=K2U, (1.2)
U=U1-UТГ,
Где U2 – напряжение на выходе усилителя, UТГ – напряжение тахогенератора,
/> – оператор Лапласа
Статическаяхарактеристика усилителя с учетом насыщения представлена на рис 1.3.
/>
Рис. 1.3
3. Уравнение релейногоусилителя записывается в следующем виде:
U3=F(U2) (1.3),
где U3 – напряжение на выходе усилителя (У);
F(U2) – нелинейная функция, заданная статической характеристикой(см. рис. 1.2).
4. Уравнениеисполнительного двигателя.
Составим обобщенноедифференциальное уравнение движения постоянного тока, управляемого по цепямякоря обмотки возбуждения.
За входные величиныпринять напряжение цепи якоря UЯ и обмотки возбуждения UВ и момент нагрузки на валу двигателя MН=МН(t), за выходную – угловую скорость якоря двигателя W.
Насыщением магнитныхцепей и реакцией якоря можно пренебречь.
Двигатель работает всистеме стабилизации частоты вращения. Составим уравнение равновесиянапряжения:
/> (1.4)
и цепи якоря
/> (1.5)
а также уравнениеравновесия моментов
/> (1.6)
Индексами «В» и «Я»отмечены параметры – индуктивность L, активное сопротивление R ипеременные напряжения U, токi возбуждения и якоря.
Электромагнитный моментдвигателя М и ЭДС якоря lимеют вид:
/> (1.7)
/> (1.8)
где dE, dM – постоянные коэффициенты;
MH, J – момент нагрузки и момент инерции, приведенные к валудвигателя.
Уравнения цепи якоря иуравнения равновесия моментов (1.7) и (1.8) – нелинейные, так как в них входятпроизведения переменных величин iЯ,iB и iBW.
/>
/>
Линеаризуем выражения дляM и l разложением их в ряд Тейлора с учетом лишь линейныхсоставляющих ряда.
В результате получимсоотношения для малых приращений:
∆/>∆/>+/>∆/>, (1.9)
∆λ=/>∆Ω+/>∆/>, (1.10)
Здесь и далее верхниминдексом «0» обозначаются установившиеся значения переменных, относительнокоторых изменяются их приращения. После подстановки ∆M и ∆λ в уравнение цепи якоря (1.5) и уравнение равновесиямоментов (1.6) получим уравнение в малых приращениях (знак приращения ∆отбросим).
/> (1.11)
/> (1.12)
Найдем из вышенаписанного уравнения (1.7) ток />.
Подставим его в уравнение(1.11) и после преобразования получим
/>
где
/>/>/>, />,
/>, />,
(1.13) />/>/>/>, />,
/>/>, />;
Определим коэффициенты />и />.
В режиме короткогозамыкания (Ω = 0) при /> и />,
/> = />, />,
где /> - пусковой момент,
/> – ток короткого замыкания цепиякоря.
Тогда из уравнения цепиякоря получим
/>
/>
С другой стороны изуравнения
/> и />
Получим следующеевыражение уравнения для пускового момента
/>, />
Подставив /> в уравнение (1.4) исделав соответствующие преобразования, окончательно получим следующее:
/> (1.14)
где />;
/>; />;
/>;
/>;; />
/>;
/>;
Далее из обобщенногодифференциального уравнения двигателя постоянного тока (1.14) получим частотныеуравнения для следующих случаев:
1) управлениедвигателем по цепи обмотки возбуждения, когда />, где /> – напряжение сети;
2) то же, но при />
3) управлениедвигателем по цепи якоря, когда />;
4) то же, но при />;
Рассмотрим эти случаи:
1) В этом случаеприращение, ∆/>, тогда и обобщенное
уравнение движения принимаетвид:
/>/> (1.15)
2) Если />, то />, />=0 И уравнение(1.15) упрощается и имеет вид:
/>
/>, />,
/>, />;
Коэффициенты /> и /> определены вформуле (1.14)
Механическиехарактеристики при этом имеют вид, показанный на рис. 1.4.
a) /> б) />
/> />
/> />
Рис. 1.4
Из этого видно, чтокоэффициент наклона механических характеристик γ=const при />=var.
Дифференциальноеуравнение движения и передаточная функция двигателя с независимым возбуждением,управляемого по цепи якоря относительно угла поворота вала λ при />=0 имеет вид:
/>
/>
Передаточные функциидвигателя постоянного тока с независимым возбуждением выражены в уравнении
/> (1.16)
Коэффициенты уравнений(1.15) и (1.16) определены в формуле (1.14). Механические характеристики приэтом имеют вид как показано на рисунке (1.3).
3) В этом случаеприращение ∆/>и обобщенное уравнение движения принимает вид
/> (1.17)
4) Если />, то /> и уравнение (1.17)упрощается
/> (1.18),
а коэффициенты уравненийпринимают следующий вид:
/> />
то цепи якоря, еслипренебречь электромагнитными процессами цепи якоря, имеют вид:
/>;
/>
5) Уравнениетахогенератора имеет вид
/>
6) Уравнениередуктора
/>,
где /> – коэффициент передачи редуктора.
Полученныедифференциальные уравнения представляют собой математическую модельэлектропривода (следящей системы). В дальнейшем для проверки методикисследования нелинейных систем мы будем пользоваться этой моделью с учетомнекоторых ограничений.
Например, можнопренебречь влиянием статического момента нагрузки и переходного процесса в цепиякоря, тогда структурная схема следящей системы может быть представлена в видетой, которая приведена на рис 1.5
/>
Рис. 1.5
Согласноэтой схеме дифференциальное уравнение линейной части системы, записанное относительновходной величины нелинейного звена релейного усилителя U2, имеет следующий вид:
/> (1.19)
Уравнениелинейной части дополняется уравнениями нелинейных звеньев. Уравнения имеют вид:
U2=F1(U), U3=F2(U2).
2.Исследование нелинейной следящей системы аналитическими
методами
Найдемобласть устойчивого состояния равновесия и область автоколебаний, и определимамплитуду и частоту автоколебаний для следящей системы, схема которойизображена на рис 1.2 при учете нелинейности типа насыщения в предварительномусилителе и отсутствии релейного усилителя и обратной связи по напряжениютахогенератора.
Исходныеданные:
Т1=0,1с – постоянная времени усилителя;
Т2=1с – электромеханическая постоянная времени двигателя;
Кл=20с-1 – общий коэффициент передачи линейной части системы;
К1=50В/рад – коэффициент передачи чувствительного элемента. Исследование проведемдля к2=1 и к2=2;
Составляемструктурную схему с учетом допущений рис. 1.6.
/>
Рис. 1.6
Согласноэтой схеме дифференциальное уравнение линейной части системы при V1(t)=0запишется в следующем виде:
(T2p+1)pU1=-kЛU2 (1.20)
где kЛ=k1k3k5
Дифференциальноеуравнение нелинейного звена имеет вид:
(T1p+1)U2=kyU1 (1.21)
Коэффициентусиления усилителя kyявляется нелинейной функцией, заданной графически (рис. 1.5).
Поэтомусогласно методу гармонической линеаризации, запишем для него гармоническилинеаризованное выражение
/> (1.22)
гдекоэффициенты гармонической линеаризации для характеристики с насыщением имеютзначение:
/> (1.23)
Изуравнений (1.21) – (1.23) получим линеаризованное уравнение замкнутойнелинейной системы
[(T1p+1)(T2p+1)p+kЛq(a)]U1= 0, (1.24)
которомусоответствует характеристическое уравнение. Оно имеет вид:
T1T2p3+(T1+T2)p2+p+kЛq(a)=0 (1.25)
Дляотыскания условий существования периодического решения
/> (1.26)
из характеристическогополинома после подстановки p=j/>выделим вещественную и мнимую части и приравняем их кнулю:
/>/>/> (1.27)
Частотапериодического решения находится из второго уравнения (1.27)
/> (1.28)
Изпервого уравнения(1.27), с учетом (1.28), получим формулу, связывающуюамплитуду периодического решения с параметрами системы
/> (1.29)
Дляисследования устойчивости периодического решения найдем частные производные отвыражений
/> (1.30)
Дляустойчивости периодического решения (1.26) требуется, чтобы выполнялосьследующее неравенство
/> (1.31)
или сучетом выражений
/> (1.32)
то естьчастная производная должна быть отрицательной.
Дляопределения знака этой производной по выражению (1.23) построим график q(A) рис 1.7 согласно которому
dq(A) dA
b (1.33)
Следовательно,амплитуда периодического решения (1.27) будет амплитудой автоколебаний лишь привыполнении следующего условия, когда А>b
ПриА
Определимамплитуду автоколебаний. Уравнение (1.29), связывающее ее с параметрамисистемы, является трансцендентным. Поэтому для определения амплитудывоспользуемся графоаналитическим методом. Для этого решим уравнение (1.29)относительно следующего равенства k= kЛk2:
/> (1.34)
ипостроим график, в котором k=k(A) рис. 1.7,
/>
Рис. 1.7
/>
где Av – является амплитудой колебанийотносительно исполнительной оси системы (рис. 1.8).
/>
Рис. 1.8
Что касается частотыавтоколебаний Q, то она остается неизменной длялюбой переменной системы и, согласно выражению (1.28), не зависит откоэффициента k.
Граничный коэффициентпередачи системы k,p определяется из выражения (1.34) при следующем равенствеА=b и равен
/> (1.35)
Автоколебанияв системе возникают лишь тогда, когда k>kГР.
Нетрудноубедиться, что граничный коэффициент (1.33) совпадает с коэффициентом передачи,найденным из условия границы устойчивости линейной системы. Но, в отличие отлинейной системы, у которой за областью устойчивости лежит областьнеустойчивости, в системе с нелинейностью типа насыщения за областьюустойчивости лежит область автоколебаний, т.е. устойчивых периодическихколебаний с вполне определенной амплитудой и частотой.
На рис.1.3 также изображены графики, связывающие амплитуду и частоту автоколебаний сшириной b зоны линейности статическойхарактеристики нелинейного звена при равенстве К2=1
Длязаданных значений параметров системы по графику рис. 1.9
/>
Рис. 1.9
определяемчастоту и амплитуду автоколебаний:
/>/>
Рассмотримслучай, когда в системе не учитывается нелинейность электронного усилителя.Исследуем устойчивость состояния электромеханической следящей системы,структурная схема которой, изображена на рис. 1.10 частотным методом определения автоколебаний.
/>
Рис. 1.10
Пустьзаданы следующие параметры линейных звеньев:
K1=57,3 В/рад – крутизна статической характеристикичувствительного элемента;
к2:=2,5– коэффициент усиления линейного усилителя;
к3=5,7– коэффициент передачи двигателя;
k4=10-2 В с/рад – крутизнастатической характеристики тахогенератора;
k5=0,001 – коэффициент передачиредуктора;
Т j =0,05 с – постоянная временилинейного усилителя; и статическая характеристика нелинейного звена (уравнениерелейного усилителя) 1.11, для которой b=0,25 В
V3max=c=110B
/>
Рис. 1.11
Позаданной структурной схеме определим передаточную функцию линейной частисистемы WЛ(p) игармонически линеаризованную передаточную функцию нелинейного звена WH(a).
Дляэтого структурную схему нелинейной системы представим в виде последовательногосоединения нелинейного звена и линейной части системы рис. 1.10.
Согласнорис. 1.10 мы получим следующее:
/>
Гармоническилинеаризованная передаточная функция нелинейного звена, имеющего однозначнуюстатическую характеристику, может быть записана в следующем виде:
WH(a)=q(a) (1.37)
Где />
По передаточнойфункции (1.36) определим частотную передаточную функцию:
/> (1.38)
еемодуль:
/> (1.39)
и фазу:
/> (1.40)
Поформуле (1.39) и (1.40) строим амплитудно-фазовую характеристику линейной частисистемы рис. 1.11 и годограф нелинейного звена.
/> (1.41)
призначениях амплитуд />
В данномслучае этот годограф совпадает с отрицательной вещественной полуосью и имеетдве ветви.
Минимальноезначение модуля функции – Z(a) равно следующему
/>
Достигаетсяпри />
/>
Рис. 1.12
Каквидно из рис. 1.12, годографы /> и-Z(a) не имеют общих точек пересечения.
Следовательно,состояние равновесия рассматриваемой системы устойчиво. Эту же системурассмотрим, если статическая характеристика нелинейного звена имеет петлюгистерезиса рис. 1.12.
Согласноструктурной схемы рис. 1.10 передаточная функция линейной части системы приисходных данных задачи равна:
/>
частотнаяпередаточная функция нелинейного звена, имеющего неоднозначную статическуюхарактеристику, может быть записана в виде:
WH(a)=q(a)=jq’(a),
где длярелейной характеристики с гистерезисной петлей рис. 1.11 мы получаем следующее:
/>
Годографнелинейного звена -Z(a), построенный по выражению, имеющемувид:
WH(a) 4с/>,
изображенна рис. 1.13.
/>
Рис. 1.13
На этомже рисунке построена амплитудно-фазовая характеристика линейной части системы />, котораяполностью совпадает с построенной на рис. 1.11.
Точкапересечения этих двух кривых определяет периодическое решение в системе:
/>,
где />. Согласно рис. 1.13, найденное периодическое решение является устойчивым,т.е. А и Ω являются амплитудой и частотой автоколебаний.
Полученныерезультаты аналитических исследований нелинейной системы в следующих разделахбудут сравнены с результатами, полученными при математическом машинноммоделировании на ЭВМ.
3.Разработка требований к интерфейсу пользователя диалоговой
системы
Проектируемаясистема состоит из двух практически самостоятельных частей.
Во-первых,что программа – оболочка, и, во-вторых, что это некоторый набор самостоятельныхмодулей, реализующих различные математические методы исследования нелинейныхСАУ.
Программа-оболочкапредназначена для связи в единое целое вычислительных задач (методыисследования САУ), текстовых файлов (справочные материалы), графических файлов(иллюстрации).
Онадолжна обеспечивать доступ к этим компонентам системы. Очевидно, чтопрограмма-оболочка по своей сути диалоговая.
Внастоящее время по принципу оболочка-приложение строится большинствопрограммных систем, предназначенных для решения научно-технических,экономических и других задач.
Понятиедиалоговую по отношению к программной системе подразумевает тесноевзаимодействие человека-пользователя с ЭВМ.
Аспектыэтого взаимодействия в настоящее время тщательно изучаются, результатом чегоявляются практические рекомендации по разработке диалоговых систем.
Целесообразнократко рассмотреть основные вопросы, связанные с этим. Пользовательпрограммного обеспечения рассмотрен в двух аспектах:
• пользователь, какчеловек;
• пользователь впроцессе общения с системой.
Такойподход приводит к выделению ряда важных факторов.
А.Пользователь, как человек. Потребности.
Навыки.
Свойстваличности.
Б.Диалоговая подготовка пользователя. Обучение диалогу.
Опытработы с диалоговыми системами.
В.Подготовка пользователя в прикладной области.
Г.Отношение пользователя к системе.
Причиныпользования системой.
Отношениеи ожидания.
Целипользователя.
Д.Аспекты, связанные с задачей.
Структуразадачи. Ограничения по времени.
Этифакторы могут быть описаны подробнее.
Человеческиепотребности означают, например, потребность быть понятым партнером по диалогу.Пользователь хочет иметь возможность двустороннего разрешения конфликта. Он нехочет обходится ограниченным в своем поведении в процессе общения и вдобавок унего есть физические и психические потребности.
Навыки пользователясостоят из физических и моторных навыков, лингвистических навыков, навыковобщения.
Свойстваличности это, например, подверженность ошибкам, терпеливость, неустойчивоевнимание.
Диалоговаяподготовка – здесь приходится делать различие между программистом и непрограммистом, и во второй группе оказываются параметрические пользователи ипользователи языков запросов.
Выделимтри класса пользователей:
• оперирующие языкомпрограммирования и знающие организацию базы данных;
• оперирующиеязыком запросов и использующие модели данных;
• оперирующие параметрическимвводом с почти «естественным видом» данных.
Опытработы с диалоговыми системами определяется частотой и методом взаимодействия содной или несколькими диалоговыми системами, мы проводим различие между опытомработы с интерфейсом определяемой базы данных.
Причинапользования системой может быть :
• обязательной, какнеотъемлемая часть работы;
• необязательной,как часть работы;
• обязательнойв частной жизни (пользование библиотекой).
В литературеобычно принимают во внимание только профессиональных пользователей. Отношение ксистеме и ожидания от работы с ней являются следствиями типа диалоговогообучения.
Ономожет быть:
• нейтральным(пользователь воспринимает компьютер, как рабочий инструмент);
• положительным;
• негативным (пользовательпредпочел бы не пользоваться компьютером).
Целямипользователя могут быть: решить определенную задачу с помощью компьютера иликак научиться работать с системой.
По своейструктуре задача может быть отнесена в зависимости от природы проблемы к одномуиз классов, а именно:
• хорошо структурированныезадачи, где данные и методы известны;
• плохоструктурированные задачи, где решение может быть получено лишь приближенно.
Крометого, можно выделить пять различных категорий:
• простой запрос;
• принятие решенияпосле системного запроса;
• систематическийсбор данных;
• непрерывное построениеи перестройка на основе правил ограничений;
• обнаружениевзаимосвязей.
Ограниченияпо времени.
Независимоот временных условий, заданных системой, пользователь может быть вынужденприспосабливаться к ограничениям времени.
Наоснове анализа этих факторов можно определить требования к диалоговой системе:
• Поведение системыпо отношению к пользователю должно быть гибким, так чтобы пользователь не былвынужден действовать строго предписанным образом.
• Должнасуществовать процедура отказа от услуг системы.
Система должнабыть способна различать пользователей и приспосабливаться к ним.
• Поведение системыи его результаты должны быть ясны пользователю.
• В любой момент временитерминал находится в некотором конкретном состоянии, которое характеризуется наборомвозможных входных сообщений и интерпретаций.
• Система должна бытьвсегда готова помочь пользователю; никогда не следует ставить пользователя в затруднительноеположение.
• Должно складыватьсявпечатление, что управление всеми аспектами системы принадлежит пользователю.
• Взаимодействие человекас машиной должно напоминать, по возможности, человеческое общение.
• Проект системыдолжен принимать во внимание физические и психические особенности пользователяво время его работы с машиной.
• Скорость обменане должна выходить из диапазона без стрессовой работы. Всегда должно казаться, чтоскоростью управляет пользователь.
Подготовленностьлюдей.
Дляпользователя системой не должны требоваться специальные навыки. Система должнаподстраиваться к возможностям пользователя.
Для работыс системой не следует требовать специальных физических и моторных навыков.Обычных лингвистических навыков пользователя и навыков общения должно хвататьдля ведения простых диалогов.
Системадолжна вести себя логично, так, чтобы пользователь мог научиться предвидеть ееповедение. Система не должна ограничивать разнообразие способов решения задач.
Несмотряна многообразие и сложность использования и на количество требований кдиалоговой системе, можно предположить ряд мероприятий, которые при своейпростоте помогут решить поставленные задачи.
Взаимодействиепользователя с ЭВМ осуществляется через систему экранных окон (независимость отоперационной системы DOSили WINDOWS), связанных через меню.
Управлениеможет осуществляться с помощью клавиатуры или манипулятором «мышь». Один и тотже результат может быть достигнут различным путем:
• использованиеменю;
• использованиефункциональных или «горячих клавиш»;
• указание и запускс помощью «мыши».
• Наличие на экранестроки «статуса», содержащей краткую информацию о состоянии системы и возможныхна данный момент командах, облегчает диалог.
Управлениецветом и звуком также способствует удобству диалога. Описанные мероприятиястали практически стандартными при описании диалоговых систем. Они составляютоснову пользовательского интерфейса. Компания IBM определила свой стандарт, которого придерживаютсябольшинство разработчиков программного обеспечения.
В стандартеопределено, что основой интерфейса является «панель» – информация,сгруппированная и расположенная на экране определенным способом.
Определеныпанели: меню, ввода, информационная, списковая, идентификации, приложения.Каждая панель состоит из трех частей, каждая из которых содержит своюинформацию. Это меню действий с выпадающими меню, тело панели и областьфункциональных клавиш.
Менюдействий представляет доступ к основным функциям приложения и отображаетсявверху экрана. При выборе действия на экране появляется расширенное менюдействий – выпадающее меню.
Телопанели располагается под меню действий и может быть разделено на несколькообластей. Область функциональных клавиш располагается внизу панели. Онасодержит список назначений функциональных клавиш. Панели, расположенные вотдельных ограниченных частях экрана, называются окнами.
Краткоеописание типов панели.
Панельменю.
Содержитодин и более список объектов, из которых пользователь выбирает один илинесколько. Для этой цели есть поля выбора.
Панельввода.
Онаотображает поля, в которые пользователь вводит информацию и из которых выбираетобъекты. Имеется три типа панелей ввода:
• панель вводапараметров отображает поля для ввода значений параметров и указания режимовдействий. Содержит поля ввода и выбора.
• Панель ввода с заголовкамипредставляет форму документов на бумаге и на каждой строке, и на каждой строкеможет содержать несколько панелей;
• Панель ввода с табуляциейсодержит поля с заголовками, организованные по столбцам и строкам.
Информационнаяпанель.
Отображаетзащищенную информацию: данные, сообщения, справки.
Списковаяпанель.
Отображаетсписок объектов, из которых пользователь выбирает один или несколько и запрашиваетодно или несколько действий над ними. Для каждого объекта одновременнозапрашивается только одно действие, но для различных объектов – различныедействия.
Панельидентификации приложения.
Отображаетинформацию, идентифицирующую приложение и авторские права разработчиков. Панелиимеют различные рабочие области. К ним относятся:
• разделителиобластей;
• идентификаторпанели;
• заголовок панели;
• инструкция;
• заголовок столбцаи группы;
• заголовок поля;
• указательпротяжки;
• область сообщений;
• область команд.
Панельобладает рядом свойств, которые позволяют открывать и закрывать их различнымиспособами (клавиатура или мышь), перемещать их на экране или изменять ихразмер.
Стандартфирмы ШМ также предлагает для цветового решения приложения несколько палитр,разработанных с учетом требований эргономики и санитарии.
Изизложенного видно, что круг задач, который должен решить программист приразработке диалоговых программ, весьма обширен. Поэтому для эффективной работынеобходимо пользоваться современными инструментальными средствами. В качестветакого может быть выбран язык программирования BORLAND PASCAL в комплекте с библиотекой TURBO VISION.
Этабиблиотека использует объектно-ориентированный подход в программировании исодержит большое количество объектов, позволяющих эффективно строить диалоговыепрограммы с использованием оконного интерфейса.
Разрабатываемаяпрограмма-оболочка должна обеспечивать следующее:
• отображения вокне текстовых файлов, содержащих справочную информацию;
• отображение вокне графических файлов в формате PCX, содержащих иллюстрации;
• запуск навыполнение исследовательских программ и отображение результатов в окне.
Основноеокно программы-оболочки содержит главное меню, тело и область функциональныхклавиш.
Главное менюимеет следующий вид:Справки Демонстрация Исследование Выход
Выбор пунктаменю «справки» приводит к появлению выпадающего меню второго уровня, котороеимеет вид:Методы исследования Нелинейные элементы Инструкция программисту Инструкция пользователю
Выбор пунктаменю «демонстрация» вызывает запуск демонстрационной задачи, содержащей текстописания и графическое представление результатов.
Выборпункта меню «Исследование» вызывает запуск программ, реализующих методыисследования САУ, и имеет вид:Метод 1 Метод 2 Метод 3 Метод 4 Метод N
Где«Метод» – конкретное название метода анализа САУ. Выбор пункта меню «Выход»приводит к завершению работы.
4.Разработка программного обеспечения АИС
БиблиотекаTURBO VISION основана на объектно-ориентированном подходе кпрограммированию, который базируется на трех основных понятиях: инкапсуляция,наследование, полинорфаза.
Инкапсуляция– объединение данных с процедурами и функциями, которые манипулируют этимиданными. Примером может служить перемещаемый по экрану отрезок, определяемыйкоординатами своих концов (данные), и процедурой, обеспечивающей этоперемещение (метод).
Наследование– возможность использования уже определенных объектов для построения иерархииобъектов, начиная с некоторого простого первоначального (предка) и кончая болеесложными, но включающими свойства предшествующих элементов (потомки). В качестветакой иерархии можно рассмотреть точку на экране дисплея, задаваемую своими координатами (предок),отрезок, задаваемый координатами двух точек – его концов (потомок точки),перемещаемый отрезок, задаваемый координатами своих концов и процедурой,обеспечивающей его перемещение (потомок неперемещаемого отрезка).
Полиморфизм– возможность определения единого по имени действия, принимаемого одновременнопо всем объектам иерархии наследования, т.е. для различных родственных объектовможно задать единый класс действий.
Подобъектом понимается такая структура, компонентами которой являютсявзаимосвязанные данные различных типов и использующие эти данные процедуры ифункции. Компоненты – данные называются полями объекта, а компоненты – процедурыи функции называются методами. Дальнейшее описание диалоговой программы будетбазироваться на этих понятиях.
Разработкасистемы меню с использованием TURBO VISION, базируетсяна применении объектов TMenu Bar и Tmenu Box, которые отличаются от абстрактного типа Tmenu View.
Объекты TMenu Bar представляют полосы горизонтального меню, пункткоторого может быть выбран через:
• прямую отметку;
• клавишу F10;
• выбор (подсветку)и нажатие ENTER;
• горячие клавиши.
Объект TMenu Bar обычно принадлежит TApplication. Перекрывая Tapplication Tnit Menu Bar соответствующим набором вложенных видов New, NewSubMenu, Newltem и NewLine,можно сформировать объект меню.
Объекты MenuBox представляют вертикальныепрямоугольники меню. Они могут содержать произвольный характер выполняемыхдействий.
Функция NewSubMenu распределяет и возвращает указательна новую запись TMenuItem, котораяпредставляет собой подменю. Функция Newltem распределяет и возвращает указатель на новую запись THenaltem, которая представляет собой меню.Реализация системы меню диалоговой программы осуществлена в процедуре TMyAPP.InitMenu Bar.
Функция,которая будет выполнена диалоговой программой; определяется выбором пунктаменю. В TURBO VISION для обработки событий меню предназначен метод HandleEvent (процедура) объекта TmenuView. Он определяет, какой элемент менюбыл выбран «мышью» или клавиатурой, и генерирует соответствующее командноесобытие. Реализация обработки событий осуществлена в процедуре Тту Арр. HandleEvent.
Кромеописанных процедур в состав диалоговой программы входят также:
TmyApp. TnitStatusLine – привязка функциональных клавиш кпунктам меню.
• TmyApp. PrintFile – вывод текста в окно безвозможности прокрутки;
• TmyApp. PrintFileScr – вывод текста в окно с возможностьюпрокрутки
• TmyApp. ShowFile – вывод графического файла в форматеPCV в окно;
• TmyApp.RunMetod I, TmyApp. RimMetod2,..., TmyApp. RunMetod N – запуск программы исследованияСАУ.
Наследующих страницах приведены рисунки, иллюстрирующие вышеизложенное.
5.Результаты испытания АИС
Вовторой главе специальной части дипломного проекта для подтвержденияработоспособности АИС были получены результаты аналитического исследованияэлектромеханического привода для нескольких конкретных примеров,характеризующиеся различными видами нелинейности (зоны нечувствительности инасыщения, релейная, петли гистерезиса) и различиями в структуре привода. Послезавершения разработки АИС были проведены вычислительные эксперименты по расчетурассмотренных ранее моделей приводов.
Результатыпоказали адекватность разработанной АИС. Результаты испытаний АИС приведены нарисунках.
Заключение
Вдипломной работе рассматривались вопросы, связанные с разработкойучебно-методического комплекса для исследования нелинейных систем.
Разработанадиалоговая программа, позволяющая объединить в рамках одной системы различныеметоды исследования САУ.
Длядоказательства работоспособности автоматизированной системы были проведеныаналитические исследования некоторых контрольных примеров, а затем они же былирассчитаны с помощью АИС. Сравнительный анализ полученных результатовподтверждает адекватность системы.
/>Приложение
ProgramDiplom; uses
Forms,
Main in 'Main.pas' {MainForm},
Unitl in'Unitl.pas' {Forml},
Unit2 in 'Unit2.pas' {AboutBox}; ($R *.RES begin
Application. CrateForm (TmainForm, MainForm);
Application. CrateForm (TForml, Forml);
Application. CrateForm (TAboutBox, AboutBox);
Forml.Show;
Application.Run; end.
unit Main;
interface
uses
SysUtils, Windows, Messages, Classes, Graphics, Controls, Fornis,Dialogs,
StdCtris, Buttons, ExtQik, Menus, Grids, Unitl; type
TMainForm=dass (TForm); StringGridl:TStringGrid;
procedure FormCreate (Sender TObject);
procedure SttingGridlClick (Sender TObject); ant
TMass=aiay[l J6,136]ofByte; var
MainForm TMainForm; MassTMass В1: Всх*щ
implementation fSR *DFM)
procedure TMainFomiFomCreate (Sender TObject); var
I, J, К: Integer; begin
Bl: =False; For i:=l to 36 do For j=l to 36 do
Mass [i, j] :=4; with StringGridl do begin K:=0;
forl:=l to 31 do begin
К :=К+1;
Cells [I,0]:=IntToStr(K); end; К -0;
for I :=lto31do begin
К :=К+1;
Cells [0,1] :=IntToStr(K); end;
k:=0;
for I :=lto31do forJ =1 to 31 do
Cells P,J]-IntToStr(K);
k:=l;
Cells [7,2]: =IntToStr (K);
Cells [13,4]: =IntToStr (K);
Cells [21,4]: = IntToStr (K);
Cells[3,6]: = IntToStr (K);
Cells [15,6]: = IntToStr(K);
Cells [14,8]: = InfToStr(K);
Cells [9,10]: = InfToSlr(K);
Cells [29,10]: = IntToStr(K);
Cells [17,9]: = IntToStr(K);
Cells [16,9]: = IntToStr(K);
Cells [15,10]: = lntToStr(K);
Cells [16,10]: = IntToStr(K);
Cells [17,10]: =IntToSlr(K);
Cells [18,10]: =lntToStr(K);
Cells [14,11]: = JntToStr(K);
Cells [15,11]: = IntToStr(K);
Cells [16,11]: = IntToStr(K);
Cells [17,11]: = IntToStr(K);
Cells [18,11]: =IntToStr (K);
Cells [19,11]: = IntToStr(K);
Cells [7,12] := InrToStr (К);
Cells[13,12]: = InrToStr(K);
Cells [15,12]: = InrToStr (K);
Cells [16,12]: = IntToStr (K);
Cells [17,12]: = IntToSlr(K);
Cells [18,12]: = IntToStr(K);
Cells [19,12]: = IntToStr (K);
Cells [20,12]: = IntToStr(K);
Cells [21,12]: = IntToStr (K);
Cells [12,13]: = IntToStr(K);
Cells [13,13]: = IntToSlr(K);
Cells [14,13]: = IntToStr(K);
Cells [15,13]: = IntToStr (K);
Cells [16.13]: = lnfToSlr(K);
Ceils [17,13]: = lntToStr(K),
Cells [18,13] :=IntToStr(K);
Cells [19,13]: = IntToStr (K);
Cells [11,14]: = IntToSlr(K);
Cells [12,14]: = IntToStr(K);
Cells [13,14]: = IntToStr(K);
Cells [14,14]: = IntToSlr(K);
Cells [15,14]: = IntToStr(K);
Cells [16,14]: = IntToStr (K);
Cells [17,14]: = IntToSlr(K);
Cells [18,14]: = IntToStr (K);
Cells [9,15]: = IntToStr (K);
Cells [10,15]: = IntToStr (K);
Cells [11,15]: = IntToStr (K);
Cells [12,15]: = IntToStr (K);
Cells [13,15]: = IntToStr (K);
Cells [14,15]: = IntToStr (K);
Cells [15,15]: = IntToStr (K);
Cells [16,15]: = IntToStr (K);
Cells [17,15]: = IntToStr (K);
Cells [23,15]: = brfToStr(K);
Cells [10,16]: = IntToStr (K);
Cells [11,16]: = IntToStr (K);
Cells [12,16]: = IntToStr (K);
Cells [13,16]: = IntToStr(K);
Cells [14,16]: = IntToStr (K);
Cells [15,16]: = IntToStr (K);
Cells [16,16]: = IntToStr (K);
Cells [9,17]: = InrToStr (K);
Cells [12,17]: = IntToStr (K);
Cells [13,17]: = IntToStr (K);
Cells [14,17]: = IntToStr (K);
Cells [15,17]: = IntToStr (K);
Cells [10,18]: = IntToStr(K);
Cells [H,18]: = IntToSlr(K);
Celk [12,18]: = IntToStr (K);
Cells [13,18]: = IntToStr (K);
Cells [14,18]: = IntToStr (K);
Cells [8,19]: = IntToStr(K);
Celk [11,19]:=IntToStr (K);
Cells[12,19]: = InfToSlr(K);
Cells [13,19]: = IntToStr (K);
Cells [14,19]: = IntToStr (K);
Cells [12,20]: = IntToStr (K);
Cells [22,20]: = IntToStr (K);
Cells [27,20]: = IntToStr (K);
Cells [5,2З]: = IntToStr (K);
Cells [18,23]: = IntToStr (K);
Cells [24,23]: = IntToSlr(K),
Cells [13,25]: = IntToStr (K);
Cells [29,26]: = IntToStr (K),
Cells [14,27]: = IntToSlr(K);
Cells [16,27]: = IntToSlr(K);
Cells [27,27]:= IntToStr(K);
Cells [2,29]: = IntToSlr(K);
Cells [8,29]: = IntToStr(K);
Cells [10,30]: = IntToStr(K);
Cells [30,30]: = IntToStr (K);
end;
For i:=lto 31 do For j=l to 31 do
Mass [i, j]:=0; end;
procedure TMainForm.StringGridl Click (Sender:TObject);
Procedure Show Mass: Varij:byte; begin
Application. ProcessMessages; Fori:=lto36do Forj:=lto36do begin
If (Mass [L j] = 3) then StringGridl. Cells [i, j] := 'X' else If (Mass[i, j] = 4) then StringGridl.Cells [i, j] :=?'
else StringGridl.Cells [i, j] := IntToStr (Mass [i, j]); end; end;
procedure Stepl; Var Lj: Byte; begin
Fori:=lto31 do For j: = 1 to 31 do
Mass[I,j]:=0; Mass [16,9]:=1;
Mass [17,9]:=1;
Mass [15,10]:=1;
Mass [16,10]:=1;
Mass [17,10]:=1;
Mass[18,10]:=1;
Mass [14,11]:=1;
Mass [15,11]:=1;
Mass [16,11]:=1;
Mass [17,11]:=1;
Mass [18,11]:=1;
Mass [19,11]:=1;
Mass [12,12]:=1;
Mass [13,12]:=1;
Mass [14,12]:=1;
Mass [15,12]:=1;
Mass [16,12]:=1;
Mass [17,12]:=1;
Mass [18,12]:=1;
Mass [19,12]:=1;
Mass [20,12]:=1;
Mass [11,13]:=1;
Mass [12,13]:=1;
Mass [13,13]:=1;
Mass [14,13]:=1;
Mass [15,13]:=1;
Mass [16,13]:=1;
Mass [17,13]:=1;
Mass [18,13]:=1;
Mass [19,13]:=1;
Mass [11,14]:=1;
Mass [12,14]:=1;
Mass [13,14]:=1;
Mass 14,14]:=1;
Mass [15,14]:=1;
Mass [16,14]:=1;
Mass [17,14]:=1;
Mass [18,14]:=1;
Mass [10,15]:=1;
Mass [11,15]:=1;
Mass [12,15]:=1;
Mass [13,15]:=1;
Mass [14,15]:=1;
Mass [15,15]:=1;
Mass [16,15]:=1;
Mass [17,15]:=1;
Mass [9,16]:=1;
Mass [10,16]:=1;
Mass [11,16]:=1;
Mass [12,16]:=1;
Mass [13,16]:=1;
Mass [14,16]:=1;
Mass [15,16] :=1;
Mass [16,16]:=1;
Mass [9,17]:=1;
Mass [10,17]:=1;
Mass [11,17]:=1;
Mass [12,17]:=1;
Mass [13,17] :=1;
Mass [14,17]:=1;
Mass [15,17]:=1;
Mass [10,18]:=1;
Mass [11,18]:=1;
Mass [12,18]:=1;
Mass [13,18]:=1;
Mass [14,18]:=1;
Mass [11,19]:=1;
Mass [12,19]:=1;
Mass [13,19]:=1;
Mass [12,20]:=1; ShowMass;
end;
procedure StepX; Var i,j:Byte;
begin
Fori:=l to 31 do
For j:=lto 31do
If Mass [i, j]=3 then StringGridl.Cells [i, 0]:= 'X'; ShowMass;
end;
procedure Step2; begin
Mass[16,9]:=3;
Mass[16,10]:=3;
Mass[16,ll]:=3;
Mass[16,12]:=3;
Mass[16,13]:=3;
Mass[15,14]:=3;
Mass[14,15]:=3;
Mass[13.16]:=3;
Mass[12,17]:=3;
Mass[12,18]:=3;
Mass[12,19]:=3;
Mass[12.20]:=3;
StepX;
end;
procedure Step31;
Var i,j,k,l,:Byte;
Begin
For i:=l to31do
For j :=33 to 36 do
For i:=33 to 36 do For j:=1 to 31 do
Mass[i,j]:=0; For i:=l to31 do
For j :=1 to 31 do
If Mass [I,j]>0 then begin
Mass[i,33]:=l; Mass[i,34]:=l;
end;
For i:=l to31do
For j:=l to31 do
If Mass [i,j]>0 then begin
Mass[33,j]:=l;
Mass[34,j]:=l;
end;
end;
procedureStep32; Var i, j, k, l: Byte; begin
For i:=l to 31 do
if Mass [33, i]=1 then begin
Mass[34,i]:=0;
Break;
end;
For i:=15 to31do
if Mass [i, 33] =0 then
begin
Mass[i-l,34]:=0;
Break;
end;
K:=0;
l:=0;
For i:=1 to31do
if Mass[34,i]=l then
begin
inc(k);
l:=I;
end;
k:=Round (k/2); l:=l-k+l;
Mass [1,35]:=l;
K:=0;
l:=0;
For i:=1 to31do
if Mass [i, 34] =1 then begin
inc(k);
l:=i;
end;
k:=Round(k/2);
l:=l-k+l;
Mass [1,35] :=1;
ShowMass ;
end;
Procedure Step4; Var i,j :Byte; begin
Forml.ListBoxl.Items.Add(‘Начинаем расчёт’)
For i:=l to31do
For j:=1 to31 do
Mass[i,j]:=0;
For i:=14 to 18 do
For j:=11 to 21 do
Mass[i,j] :=1; For i:=11 to 21 do
Mass[16,i] :=3;
Form1. ListBox1. Items. Add ('Очистка от помех");
Form1. ListBox1. Items. Add('Построение проекции");
Form1. ListBox1. Items. Add ('Нахождениецентра проекции');
Form1. ListBox1. Items. Add ('Расчетокончен');
Step31;
StepX;
Mass [16,35 ]:=1;
Mass [35,16] :=1;
ShowMass;
end;
begin
If Bl then
begin
Step4;
Bl:=False;
Exit;
end
else Bl:=True;
Form1.ListBox1.Items. Add ('Начинаем расчет'); Step1;
Form1.ListBox1.Items. Add ('Очисткаот помех'); Step2;
Form1.ListBox1.Items.Add ('Построение проекции'); Step31;
Step32;
Form1.ListBox1.Items.Add ('Нахождение центра проекции"); Form1.ListBox1.Items.Add ('Расчет окончен');
end;
end.
Unit Until;
interface uses
Windows, Messages, SysLftils, Classes, Graphics, Controls,
Forms, Dialogs, StdCtrls, Buttons;
type
TForml = class (TForm)
ListBox1:TlistBox;
BitBtn1:TBitBtn;
procedure BitBtn1Click (Sende: TObject); private
{Private declarations}
public
{Public declarations}
end;
var
Form1:TForm1; implementation uses Unit2;
{$R*.DFM}
Procedure TForm1.BitBtn1Click (Sender: TObject); begin
AboutBox.ShowModal;
end;
end.
unit Unit2; interface uses
Windows, SysUtils, Classes, Graphics, Forms, Controls,
StdCtrls, Buttons, ExtCtrls;
type
TAboutBox = class (TForm)
Pane1: TPanel;
ProgramIcon: TImage;
ProductName: TLabel;
Version: TLabel;
Copyright: TLabel;
Comments: TLabel;
OKButton: TButton; private
{Private declarations} public
{Public declarations}
end;
var
AboutBox: TAboutBox; implementation
{$R*.DFM}
end.