Аналоговое моделирование систем

3.1. Общие положения

Математическими моделями динамических систем автоматиче­ского управления являются дифференциальные уравнения. Решение этих уравнений с помощью аналоговых вычислительных машин (АВМ) представляет собой способ получения информации о поведе­нии системы методом машинного моделирования. Существуют два различных подхода к решению задач на АВМ.

В первом случае АВМ используется для чисто математическо­го моделирования исследуемой системы дифференциальных урав­нений без отражения в модели реальной структуры объекта (способ непосредственного интегрирования).

Во втором случае АВМ используется для построения струк­турной модели, представляющей собой аналог, решающие элементы которого соединены между собой в соответствии с алгоритмической схемой исследуемой системы (структурный способ).

При исследовании структурного способа модель системы представляется в виде блоков, имитирующих работу отдельных физических узлов (электрических машин, усилителей, регуляторов, датчиков и т. д.), причём каждый блок выполняется из моделей типовых динамических звеньев.

Таким образом, структурное моделирование предполагает вос­произведение структуры объекта, управляющего устройства и других элементов системы, которые представляются комбинацией элемен­тарных звеньев.

Целесообразность применения структурных моделей связана с тем, что при исследовании на АВМ сохраняется структура иссле­дуемого объекта, и поэтому на модели легко воспроизводится изменение отдельных параметров и способов соединения элемен­тов, необходимое для обеспечения определённого качества пере­ходного процесса системы.

При использовании способа непосредственного интегрирования исходное дифференциальное уравнение должно быть преобразовано к виду, наиболее удобному для исследования на модели.

При использовании структурного способа каждое типовое звено, описываемое дифференциальным уравнением, также должно быть представлено в виде, наиболее удобном для исследования на модели и для стыковки звеньев друг с другом при «замыкании» системы.

И в том, и в другом случаях для решения дифференциаль­ных уравнений с помощью аппаратных технических средств исполь­зуют следующие методы решения, выбор которых зависит от типа дифференциальных уравнений и от конкретных задач, стоящих перед исследователем:

1) общий метод решения дифференциальных уравнений при помощи понижения порядка производной (метод последовательного интегрирования);

2) метод канонической формы;

3) метод вспомогательной переменной.

3.2. Общий метод решения дифференциальных уравнений

Реализацию этого метода рассмотрим на примере решения дифференциального уравнения второго порядка


Аналоговое моделирование систем - student2.ru

(3.1)

с нулевыми начальными условиями.

Суть метода состоит в том, что уравнение разрешают относи­тельно старшей производной:


Аналоговое моделирование систем - student2.ru

(3.2)

В вычислительной машине математические операции, заданные исходными уравнениями, выполняются над машинными переменными,

поставленными в соответствии с переменными исходного уравнения. В АВМ машинными переменными являются электрические напряже­ния. Таким образом, переменным Аналоговое моделирование систем - student2.ru уравнения (3.2) в АВМ будут соответствовать напряжения Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Согласно теории подобия между машинными и исходными переменными должна существовать однозначная линейная зависи­мость, определяемая масштабами. Поэтому уравнение (3.2) заменя­ется машинным:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.3)

Напряжение, соответствующее старшей производной, равно сумме напряжений, каждое из которых, кроме Аналоговое моделирование систем - student2.ru , можно получить интегрированием суммарного напряжения (рис.3.1). Напряжение Аналоговое моделирование систем - student2.ru

поступает в схему извне. Напряжение, соответствующее решению дифференциального уравнения, будет наблюдаться на выходе по­следнего интегратора.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.1. Блок-схема решения дифференциального уравнения общим методом понижения порядка производной

В практических задачах процесс решения сложнее, так как обычно имеются ненулевые начальные условия, входное воздейст­вие может представлять собой сложную функцию времени, требует­ся учёт изменения знаков переменных, учёт нелинейностей и т. д.

Достоинствами общего метода решения дифференциальных уравнений являются простота и наглядность решения задачи, возможность задания начальных условий.

Недостатком метода является то, что его нельзя применять, если правая часть уравнения содержит производные входной пере­менной X. Применение метода к уравнениям такого типа приведёт к появлению в схеме модели дифференцирующих элементов, уси­ливающих шумы и помехи, спектр которых содержит более высокие частоты, чем спектр полезного сигнала. Кроме того, при решении уравнения высокого порядка на сумматоре (см. рис.3.1) будет слиш­ком много входов, что приведёт к понижению точности решения задачи.

3.3. Решение дифференциальных уравнений методом канонической формы

Реализацию этого метода рассмотрим на примере решения дифференциального уравнения второго порядка с производными в правой части

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.4)

Суть метода состоит в том, что исходное уравнение разре­шают относительно искомой переменной у Для этого уравнение (3.4) записывают в операторной форме

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.5)

а затем все члены уравнения (3.5) делят на «а2р2»:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.6)

Разрешим уравнение (3.6) относительно «у» и сгруппируем переменные:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.7) 29

или в другой форме

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.8)

Заменим уравнение (3.8) машинным

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.9)

Обозначим

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.10)

с учётом (3.10) перепишем уравнение (3.9)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.11)

Рис.3.2. Блок-схема решения дифференциального уравнения методом канонической формы

Достоинства метода в том, что он позволяет решать диффе-ренциальные уравнения, содержащие производные в правой части, ив том, что на каждый блок приходится не более трёх входов вне зависимости от порядка решаемого уравнения (рис.3.2). Недостатками являются малая физичность, ненаглядность и невозможность зада­ния начальных условий.

3.4. Решение дифференциальных уравнений методом вспомогательной переменной

Реализацию этого метода рассмотрим на примере решения вышеприведённого (3.4) дифференциального уравнения второго поряд­ка с производными в правой части.

Запишем уравнение в операторной форме

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.12) и разрешим его относительно искомой переменной Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.13)

Далее вводится вспомогательная переменная Аналоговое моделирование систем - student2.ru , равная

входной величине делённой на полином знаменателя выражения (3.13)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.14)

Освободившись от знаменателя и учитывая, что Аналоговое моделирование систем - student2.ru , получим

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.15) После выделения в (3.15) старшей производной по Z получим

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3,16)

Из выражения (3.13) с учётом (3.14) следует, что

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.17) Выражения (3.16) и (3.17) образуют решающую систему (рис.3.3)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.18)

Достоинство метода вспомогательной переменной в том, что он нагляден, даёт возможность изменять коэффициенты левой и правой частей исходного уравнения (3.12) независимо друг от друга.

Кроме того, попутно получаем решение уравнения без производных в правой части Аналоговое моделирование систем - student2.ru Недостаток - в возможном снижении точности

решения из-за большого числа входов на сумматорах при высоком порядке дифференциального уравнения.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.3. Блок-схема решения дифференциального уравнения методом вспомогательной переменной

Для реализации машинной модели в соответствии с блок-схемами на рис. 3.1-3.3 необходима техническая реализация операций интегри­рования, суммирования, умножения на постоянные коэффициенты. Линейные решающие блоки являются основными блоками для реа­лизации математических операций на АВМ.

3.5. Линейные решающие блоки АВМ

В АВМ основным элементом решающих блоков является опера­ционный усилитель (ОУ). Большинство современных ОУ построены по схеме дифференциального усилителя и имеют один несимметричный выход и два дифференциальных входа по отношению к общему проводу («земле») (рис.3.4,а). Коэффициенты усиления по каждому входу равны, но противоположны по знаку. Вход, отмеченный знаком «минус», называется инвертирующим. Это значит, что полярность выходного напряжения противоположна по отношению к напряжению, приложенно­му к инвертирующему блоку. Вход, отмеченный знаком «плюс», -неинвертирующий.

На схемах аналогового моделирования при изображении ОУ неиспользуемый неинвертирующий вход обычно не изображается

(рис.3.4,6).

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.4. Операционный усилитель Решающие блоки АВМ построены на основе ОУ с большим

5 7

коэффициентом усиления (10 -10 ), охваченного отрицательной об­ратной связью. Для обеспечения отрицательной обратной связи в ОУ используется инвертирующий вход, и любая цепь, передающая сигнал с выхода на вход, является цепью отрицательной обратной связи (рис.3.5).

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.5. Схема решающего блока АВМ

На рис.5 показана обобщённая схема решающего блока. Рас­смотрим подробнее узел «А» этой схемы. Для любого узла элек­трической цепи справедлив закон Кирхгофа, согласно которому алгебраическая сумма токов, втекающих и вытекающих из узла, равна нулю. 8 соответствии с этим для узла «А» имеем- Аналоговое моделирование систем - student2.ru

С учётом того, что входной ток Аналоговое моделирование систем - student2.ru при достаточно боль-

шом коэффициенте усиления Аналоговое моделирование систем - student2.ru равен нулю ( Аналоговое моделирование систем - student2.ru т. к. напряжение

на входе Аналоговое моделирование систем - student2.ru , выразим токи через напряжения и ком-

плексные сопротивления:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.19) 33

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - комплексные сопротивления соответственно входной

цепи и цепи обратной связи решающего блока.

Узел «А» на рис.3.5 часто называют «потенциально заземлённой» или «суммирующей» точкой схемы.

На основании (3.19) запишем передаточную функцию (ПФ) решающего блока:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.20)

где знак «минус» означает, что сигнал Аналоговое моделирование систем - student2.ru противоположен познаку

входному напряжению.

Полученное выражение (3.20) является основой для построения всех линейных решающих блоков. Изменяя комплексные сопротивления входных цепей и цепи обратной связи, можно изменять ПФ решающего блока и реализовывать с помощью ОУ различные динамические звенья.

Рассмотрим частные случаи линейных решающих блоков.

Масштабный блок. В этом случае (рис.3.6,а) во входной цепи или цепи обратной связи стоят резисторы и ПФ блока равна

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.21)

Очень часто в аналоговом моделировании применяется звено с передаточной функцией Аналоговое моделирование систем - student2.ru . Такой блок называют блоком

перемены знака, при этом Аналоговое моделирование систем - student2.ru . При Аналоговое моделирование систем - student2.ru получается усиление

или ослабление сигнала, сопровождаемое инвертированием, т. е умножение на постоянное число с изменением знака.

Сумматор. Выходное напряжение сумматора с тремя входами (рис.3.6,6) может быть определено на основании (3.20)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.22)

Интегратор. Передаточная функция решающего блока (рис.З.6.е) согласно (3.20) выражается формулой;

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.23)

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Интегро-сумматор. Многие линейные операции достаточно просто совмещаются в одном решающем блоке. Примером такого совмещения является суммирование и интегрирование на одном ОУ. На рис.З.б.з приведена схема для выполнения операции сум­мирования трёх сигналов с последующим интегрированием. Выход­ное напряжение схемы, определённое на основании (3.20) и (3.23), равно

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.24)

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Как и в случае сумматора, сигналы в этой схеме могут скла­дываться с одинаковыми или с разными весами.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.6. Реализация линейных математических операций в решающих блоках ASM

3.6. Масштабирование переменных

Одним из наиболее важных этапов подготовки задач для решения на АВМ является масштабирование. Переменные исходной задачи могут быть как величинами безразмерными, так и иметь размерность. В АВМ всем исходным переменным ставятся в соот­ветствие электрические напряжения, которые называются машинными переменными. За независимую переменную в АВМ принято время Переход от переменных исходной математической или физической задачи к их аналогам в АВМ и представляет сущность операции масштабирования, осуществляемого путём введения масштабов.

Масштабы зависимых переменных имеют размерность

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Эти масштабы позволяют представить машинные переменные АВМ Аналоговое моделирование систем - student2.ruи Аналоговое моделирование систем - student2.ru в виде:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.25)

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - возмущения и зависимые переменные исходной

задачи, а Аналоговое моделирование систем - student2.ru - их масштабы.

При выборе масштабов зависимых переменных в основном руководствуются требованиями наилучшего соответствия диапазона изменения исходной переменной с диапазоном линейности Аналоговое моделирование систем - student2.ru усилителей АВМ. Для многих АВМ этот диапазон составляет 100 В, Основанием для выбора масштабов зависимых переменных Аналоговое моделирование систем - student2.ru и возмущений Аналоговое моделирование систем - student2.ru являются соотношения

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.26)

Знак «меньше» в указанных соотношениях относится к случаю округления (когда необходимо) величины масштаба до ближайшего меньшего числа вида: Аналоговое моделирование систем - student2.ru где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - целое число.

Использование таких чисел в качестве масштабов облегчает прове­дение расчётов, связанных с переходом от машинных переменных к исходным и обратно.

Как следует из (3.26), для выбора масштабов надо знать максимальные значения воздействий и переменных в исходной задаче.

При моделировании замкнутых контуров систем управления часто удаётся обойтись без масштабирования зависимых перемен­ных, перераспределив передаточные коэффициенты элементов сис­темы между собой.

Обычно при выборе масштабов зависимых переменных составляют специальную таблицу.

В качестве примера рассмотрим процедуру ввода масштабов зависимых переменных для дифференциального уравнения, описы­вающего колебательную систему (рис.3.7):

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.27)

где т - масса груза; о - коэффициент сил вязкого трения; с - жёст­кость пружины; у - отклонение груза от положения равновесия (перемещение); Аналоговое моделирование систем - student2.ru - сила, действующая на груз.

В уравнении (3.27) Аналоговое моделирование систем - student2.ru - скорость, а Аналоговое моделирование систем - student2.ru - ускорение

перемещения груза.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.3.7. Колебательная система 37

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

В табл.3.1 приведены все данные, необходимые для опреде­ления масштабов зависимых переменных. В третьей колонке указаны максимально возможные численные значения зависимых перемен­ных. Если они неизвестны, то их принимают ориентировочно, а затем в процессе решения уточняют, пересчитывая при этом масштабные множители.

В четвёртой колонке табл. 3.1 определены численные значения масштабов с учётом условия (3.26). Чтобы ввести масштабные множи­тели в уравнение (3.27), необходимо выполнить операцию согласования масштабов, состоящую в том, что машинный коэффициент исходной системы умножается на масштаб выходной величины и делится на масштаб входной величины.

Схема модели решающего уравнения (3.27) приведена на рис.3.8,а.

Введём масштабы зависимых переменных и получим модель, приведённую на рис.3.8,б. При этом машинные коэффициенты Аналоговое моделирование систем - student2.ru определены следующим образом:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

,-ис.З-Z. Аналоговая модель колебательной еистемы;

а) без учёта масштабов зависимых переменных;

б) с учетом масштабов зависимых переменных;

в) с выделением старшей производной

В случае, если необходимо в явном виде контролировать сигнал, модель уравнения (3.27) примет вид, изображённый на рис.3.8,е. В этом случае машинные коэффициенты с учётом мас­штабов зависимых переменных будут иметь вид:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Из этого следует, что введение масштабов зависимых пере­менных не меняет структуры модели, а лишь изменяет машинные коэффициенты.

Исходной независимой переменной динамических систем является время Аналоговое моделирование систем - student2.ru поэтому при их моделировании масштаб времени

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.28)

представляет собой безразмерную величину, характеризующую соот­ношения скоростей протекания динамических процессов в модели и исходной системе. В формуле (3.28) Аналоговое моделирование систем - student2.ru -машинное время. При Аналоговое моделирование систем - student2.ru принято говорить, что процесс протекает в натуральном (реальном) масштабе времени, при Аналоговое моделирование систем - student2.ru - в замедленном, при- Аналоговое моделирование систем - student2.ru в уско-

ренном времени. Таким образом, масштабирование времени - это изменение продолжительности решения задачи на АВМ. В большин­стве случаев решающим при выборе масштаба времени является согласование времени решения задачи с характеристиками регист­рирующей и записывающей аппаратуры.

Если имеются сведения о времени протекания процесса fnp в исследуемой системе, то масштаб времени определяется из соот­ношения:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.29)

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - время решения задачи на АВМ.

Также, как и в случае выбора масштабов зависимых переменных, полученное численное значение масштаба времени обычно округляется.

Если время протекания процесса неизвестно, то масштаб времени можно выбрать из соотношения:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.30) где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - соответственно свободный член и коэффициент при

старшей производной решаемого дифференциального уравнения; п-порядок уравнения.

При моделировании системы управления по алгоритмической схеме масштаб времени также определяется из соотношения (3.29), а если время протекания процесса в исходной системе неизвестно, то по соотношению (3.30), где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - соответствующие коэффици-

енты характеристического уравнения замкнутого контура.

При моделировании сильноинерционных замкнутых контуров управления, содержащих запаздывающие звенья, в первом приближе­нии (предполагая Аналоговое моделирование систем - student2.ru ), масштаб времени можно выбрать по формуле:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.31)

где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - максимальная постоянная времени звена, входящего в

систему; Аналоговое моделирование систем - student2.ru - время запаздывания.

В конечном счете, правильность выбора масштабов независи­мой и зависимых переменных заключается в возможности реализа­ции рассчитанных коэффициентов передачи по входам решающих блоков и в удобстве наблюдения и регистрации процесса.

Рассмотрим пример введения масштаба времени в уравнении (3.27). С учётом (3.28) Аналоговое моделирование систем - student2.ru Переходя от Аналоговое моделирование систем - student2.ru к Аналоговое моделирование систем - student2.ru в (3.27) получим

(3.32)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (3.33)

Таким образом, введение масштаба времени изменяет лишь машинные коэффициенты.

4. Цифровое моделирование систем

4.1. Численный метод Эйлера

Основная операция, используемая при моделировании динамиче­ских систем, - это решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Решение ОДУ осуществляется аппаратными техни­ческими средствами при аналоговом моделировании или программ­ными средствами при цифровом моделировании.

Цифровое моделирование систем основано на приближённой замене дифференциальных уравнений, описывающих системы, раз­ностными уравнениями с достаточно малым шагом дискретизации по времени.

Любая система нелинейных ОДУ может быть представлена как система дифференциальных уравнений 1-го порядка в явной форме Коши:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.1)

где у - вектор состояния; Аналоговое моделирование систем - student2.ru - время; Аналоговое моделирование систем - student2.ru - известная функция вре-

мени, дифференцируемая в окрестности точки Аналоговое моделирование систем - student2.ru , соответствую-

щей заданному начальному условию Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Самый простой метод приближённого решения (интегрирования) дифференциальных уравнений - метод Эйлера - заключается в том, что для вычисления приближённых значений решения Аналоговое моделирование систем - student2.ru в точках

Аналоговое моделирование систем - student2.ru ( Аналоговое моделирование систем - student2.ru - шаг дискретизации) каждое очередное значение искомого решения на /-ом шаге пред­ставляют в виде ряда Тейлора, ограничиваясь первыми двумя членами разложения в ряд:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.2) где Аналоговое моделирование систем - student2.ru {

Приближённое равенство (4.2) называют разностным уравнением, эквивалентным (с погрешностью дискретизации) исходному диффе­ренциальному уравнению (4.1). Разностные уравнения в явной форме

выражают текущие значения Аналоговое моделирование систем - student2.ru искомого решения через его пре-

дыдущие значения Аналоговое моделирование систем - student2.ru Процедура последовательного решения

уравнения (4.1), в соответствии с алгоритмом (4.2), называется рекуррентной.

Решение ОДУ разностным методом Эйлера даёт удовлетвори­тельные по точности результаты только в тех случаях, когда шаг интегрирования Аналоговое моделирование систем - student2.ru достаточно мал по сравнению с темпом измене­ния функции Аналоговое моделирование систем - student2.ru по времени. Для достижения 5 %-ой точности расчётов шаг дискретизации At рекомендуется выбирать из соотно­шения Аналоговое моделирование систем - student2.ru где Т-наименьшая постоянная времени.

Проиллюстрируем применение метода Эйлера к расчёту пере­ходной характеристики инерционного звена 1-го порядка с переда­точной функцией (ПФ)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.3)

Передаточнойфункции (4.3) соответствует дифференциальноеуравнение:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.4)

с нулевыми начальными условиями Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Решим уравнение (4.4) относительно старшей производной

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.5)

и запишемрекуррентный алгоритм вычисления выходной величины y(t):

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.6)

В качестве входного сигнала x(t) рассмотрим единичное ступенча­тое воздействие:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Тогда

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.7)

Необходимо отметить, что при цифровом моделировании ана­лизу частотных свойств объектов исследования следует уделять серьёзное внимание, ибо неверно выбранный шаг дискретизации Аналоговое моделирование систем - student2.ru может привести не только к большой погрешности расчётов, но и к появлению неустойчивых решений в устойчивых системах.

Решение дифференциальных уравнений, не содержащих про­изводных в правой части (производных входного сигнала), осущест­вляется методом последовательного интегрирования.

Рассмотрим систему, описываемую ПФ второго порядка

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.8)

Решим данное дифференциальное уравнение общим методом. Для чего преобразуем ПФ (4.8) к виду:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.9)

Избавимся от знаменателя и произведём замену Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.10) Решим это уравнение относительно старшей производной (рис.4.1)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.11)

Алгоритм приближённого решения (интегрирования) дифферен­циального уравнения (4.11), используя численный метод Эйлера (рис.4.1):

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.12)

Определить шаг дискретизации для системы с ПФ (4.8) можно через «эквивалентную» постоянную времени Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.13)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.4.1. Схема цифровой модели звена с ПФ (4.8)

Приближённое решение дифференциальных уравнений, содер­жащих производные в правой части (производные входного сигнала) осуществляется методом вспомогательной переменой.

Рассмотрим систему, описываемую ПФ 3-го порядка вида:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.14)

Решим данное дифференциальное уравнение методом вспо­могательной переменной. Для чего преобразуем ПФ (4.14) к виду:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.15)

Далее вводится вспомогательная переменная, равная входной величине делённой на полином знаменателя ПФ(4.14)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.16)

Освободившись от знаменателя и учитывая, что Аналоговое моделирование систем - student2.ru , получим

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.17) После выделения в (4.17) старшей производной по и получим

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.18) 45

Из выражения (4.15) с учётом (4.16) следует, что

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.19) Выражения (4.18) и (4.19) образуют решающую систему (рис. 4.2)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.20)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.4.2. Схема цифровой модели звена с ПФ (4.14)

Чтобы получить приближённое решение системы дифференциаль­ных уравнений (4.20), используя метод Эйлера, необходимо:

1. Численно решить первое уравнение системы (4.20)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.21)

Начальные условия численного интегрирования могут быть следую­щие (переходный процесс при единичном ступенчатом воздействии):

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

2. Получив значение вспомогательной переменной и и всех её про­
изводных на /-ом шаге, можно решить второе уравнение системы
(4.20) и получить текущее значение выходной координаты V на этом
же шаге рекуррентного алгоритма Эйлера

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.22)

3. Выполняя пункты 1 и 2 указанного рекуррентного алгоритма в цикле продвижения модельного времени Аналоговое моделирование систем - student2.ru с заданным шагом дискре-

тизации Аналоговое моделирование систем - student2.ru на отрезке Аналоговое моделирование систем - student2.ru , можно приближённо получить характе-

ристику переходного процесса звена с ПФ (4.14).

Алгоритм цифрового моделирования системы, описываемой ПФ (4.14), в соответствии с численным методом Эйлера можно предста­вить в виде блок-схемы, изображённой на рис.4.3.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.4.3. Алгоритм цифрового моделирования звеиа с ПФ (4.14) 47

4.2. Численный метод Рунге-Кутты

Самый простой метод приближённого решения обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) - метод Эйлера - заключается в том, что для вычисления приближённых значений решения Аналоговое моделирование систем - student2.ru каж-

дое очередное значение искомого решения представляют в виде ряда Тейлора, ограничиваясь первыми двумя членами разложения в ряд:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.23)

Для уменьшения погрешности метода интегрирования ОДУ, использующего разложение искомого решения в ряд Тейлора, необ­ходимо учитывать большее количество членов ряда. Однако при этом возникает необходимость аппроксимации производных от пра­вых частей ОДУ.

Основная идея методов Рунге-Кутты заключается в том, что производные аппроксимируются через значения функции Аналоговое моделирование систем - student2.ru в

точках на отрезке Аналоговое моделирование систем - student2.ru , которые выбираются из условия наи-

большей близости алгоритма к ряду Тейлора ( Аналоговое моделирование систем - student2.ru - шаг дискретизации). В зависимости от старшей степени Аналоговое моделирование систем - student2.ru , с которой учитываются члены ряда, построены вычислительные схемы Рунге-Кутты разных поряд­ков точности.

Так, например, для 2-го порядка получено однопараметрическое семейство разностных схем

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.24) где Аналоговое моделирование систем - student2.ru - свободный параметр; Аналоговое моделирование систем - student2.ru - начальное значение

функции времени; Аналоговое моделирование систем - student2.ru - бесконечно малая величина,

характеризующая погрешность вычислений.

Для параметра L чаще используют значения L=0,5 и L=1. При L=0,5формула (4.24) приобретает вид:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.25) геометрическая интерпретация (4.25) представлена на рис. 4.4.

Сначала вычисляется приближённое решение ОДУ в точке

Аналоговое моделирование систем - student2.ru по формуле Эйлера Аналоговое моделирование систем - student2.ru Затем определяется наклон

интегральной кривой в найденной точке Аналоговое моделирование систем - student2.ru , и, после нахождения

среднего наклона на шаге Аналоговое моделирование систем - student2.ru определяется уточнённое решение

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Схемы подобного типа называются «прогноз-коррекция», что подразумевает грубое вычисление решения по формуле низкого порядка, а затем уточнение с учётом полученной информации о поведении интегральной кривой.

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.4.4. Численный метод Рунге-Кутты 2-го порядка (L=0,5)

Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Рис.4.5. Численный метод Рунге-Кутты 2-го порядка (£.=1) 49

При L=1 от формулы (4.24) переходим к схеме:

Аналоговое моделирование систем - student2.ru (4.26)

геометрический смысл которой отражает рис.4.5.

Здесь при прогнозе решение определяется в точке Аналоговое моделирование систем - student2.ru методом Эйлера Аналоговое моделирование систем - student2.ru а после вычисления наклона каса-

тельной к интегральной кривой в средней точке решение корректи­руется по этому наклону на шаге Аналоговое моделирование систем - student2.ru

Следует отметить, что численный метод Эйлера требует меньше­го размера шага интегрирования Аналоговое моделирование систем - student2.ru чем методы Рунге-Кутты, для обес­печения сравнимой точности. При этом, чем ниже порядок метода Рунге-Кутты, тем меньший размер шага Аналоговое моделирование систем - student2.ru ему требуется.

4.3. Цифровые модели типовых динамических звеньев

Условные обозначения элементов в схемах цифрового моделиро­вания представлены в табл.4.1.

Таблица 4.1 Цифровые модели типовых динамических звеньев

Аналоговое моделирование систем - student2.ru


Аналоговое моделирование систем - student2.ru


Продолжение табп.4.1

Список литературы

Советов Б. Я, Яковлев С. А. Моделирование систем: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001. 343 с.

Фиалко М. Г., Барановский В. П. Моделирование элементов и систем управления. Учебное пособие по дисциплине «Моделирование систем управления». Екатеринбург: УГГГА, 1996. 85 с.

Цыпин Е. Ф., Морозов Ю. П., Козин В. 3. Моделирование обогатительных процессов и схем: Учебник для вузов. Екатеринбург: УГУ, 1996.368 с.

Шеннон Р. Ю. Имитационное моделирование - искусство и наука. М.:Мир, 1978.418 с.

Игорь Сергеевич Бобин

Моделирование систем

Конспект лекций

по дисциплине «Моделирование систем» для студентов

специальности 210200 - «Автоматизация технологических процессов

и производств» (АГП)

Часть 1 Корректура кафедры автоматики и компьютерных технологий

Подписано в печать Бумага писчая. Формат бумаги 60x84 1/16. Печать на ризографе. Печ.л. 3,3, Уч.-изд.л. 2,89. Тираж 50 экз. Заказ №

Издательство УГГА

Лаборатория множительной техники

Наши рекомендации