Анализ динамических процессов систем управления

В отдельную группу задач анализа можно выделить исследования динамических процессов, протекающих в системах автоматического регулирования и управления наукоемких машиностроительных изделий.

К таким изделиям можно отнести тепловые энер­гетические установки, ядерные установки различного назначения, системы автоматического управления следящих приводов и роботов, двигателей, а также других технических систем, описание ди­намики которых может быть выполнено методами структурного моделирования. Для решения задач этого класса широкое приме­нение находят специальные программные комплексы MATRIX, Simulink, VisSim, МВТУ и др.

Рассмотрим некоторые особенности работы с такими комплек­сами на примере программы МВТУ, разработанной в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Здесь возможно решение целого ряда задач:

• моделирование;

• оптимизация;

• анализ;

• контроль и управление (программа позволяет создавать вир­туальные аналоги измерительных приборов и управляющих уст­ройств контроля и управления переходными процессами).

Библиотеки типовых блоков.Вся совокупность типовых бло­ков программного комплекса условно может быть разделена на две группы: общетехническая библиотека и специализированные биб­лиотеки. Общетехническая библиотека типовых блоков содержит следующие каталоги:

- субструктуры;

- динамические звенья;

- нелинейные звенья;

- ключи;

- логические звенья;

- функции математические;

- дискретные звенья;

- источники входных воздействий;

- операции математические;

- векторные операции;

- данные и т.д.

В каждом из перечисленных каталогов содержатся типовые или специально разработанные модели элементов динамических сис­тем.

Например, из каталога «Динамические звенья» можно выбрать: динамическое звено общего вида, идеальное интегрирующее звено, интегратор с насыщением, интегратор с изменяемыми начальны­ми условиями, апериодическое звено первого порядка, колеба­тельное звено, инерционно-интегрирующее звено, инерцион­но-дифференцирующее звено, инерционно-форсирующее звено, переменные состояния, идеальное запаздывающее звено.

В каталоге «Нелинейные звенья» хранятся следующие звенья: квадратичный функционал качества, линейное с насыщением, ли­нейное с зоной нечувствительности, линейное с насыщением и зоной нечувствительности, релейное неоднозначное, релейное нео­днозначное с зоной нечувствительности, зазор, люфт, излом, про­извольная однозначная нелинейность, запоминание минимума, за­поминание максимума, запоминание макс./мин. из двух скалярных сигналов, запоминание макс./мин. из п векторных сигналов, пере­менное транспортное запаздывание, дифференцирование, ограни­чение скорости изменения, дельта-функция и др.

Специализированные библиотеки содержат каталоги различных приложений: «Реакторные блоки», «Логика АСУТП ВВЭР», «Ро­боты», «Элементы подземных хранилищ газа». Ряд фрагментов структурных схем, сформированных в процессе выполнения при­кладных НИР и ОКР, хранится в виде субмоделей в отдельных ка­талогах. Фактически эти каталоги представляют собой дополни­тельные специализированные библиотеки, из элементов которых могут быть скомпонованы значительные фрагменты новых струк­турных схем.

Основные этапы работы с программой.Формирование и ре­дактирование структурной схемы проекта, ввод параметров звень­ев, начальных условий, выбор метода и параметров интегрирова­ния осуществляется как с помощью специальных графических процедур, так и посредством команд. Структурную схему исследу­емой задачи рекомендуется предварительно выполнить на черно­вике примерно в том же виде, в каком она должна быть представ­лена на экране монитора.

Формирование структурной схемы и параметров ее элементов, выбор метода, параметров интегрирования и т.п. целесообразно проводить в следующей последовательности.

• В окне монитора, предназначенного для формирования схемы моделирования, необходимые элементы размещают примерно так, как они должны быть расположены в структурной схеме.

• Предварительно подобранные элементы схемы можно пере­компоновать, используя процедуры их перемещения, изменения ориентации элементов, изменения их размеров и др.

• Информационные связи между элементами указывают на эк­ране монитора, манипулируя «мышью».

• Параметры элементов (коэффициенты усиления, постоянные времени, начальные условия и т.д.) задают на структурной схеме.

• Для расчета процессов указывают конечное время интегриро­вания, метод интегрирования и другие параметры.

• Подготовленную схему (проект) необходимо сохранить, запу­стить задачу на расчет, наблюдая и анализируя результаты проте­кания процессов.

В качестве примера, демонстрирующего особенности исполь­зования программного комплекса, остановимся на задаче модели­рования динамики системы автоматического регулирования ядер­ной паропроизводящей установки (ЯППУ) малой мощности с реактором интегрального типа. В процессе проектирования систе­мы автоматического регулирования исследовались проблемы рас­четного обоснования ядерной безопасности ЯППУ в переходных режимах и в проектных аварийных ситуациях (обесточивание, «стоп-вода», «стоп-пар», отключение главного циркуляционного насоса и секций парогенератора и др.). Структурная схема моде­лируемой системы скомпонована с помо­щью элементов каталога «Реакторные блоки», а субмодели «Кине­тика нейтронов», «Система управления», «Теплофизические параметры АЗ» и т.д., представляющие собой сложные многоуров­невые структуры, набраны из каталогов общетехнической библио­теки типовых блоков. Общее число элементов в схеме - более 370, функциональных переменных - около 3000. На этом же рисунке размещены окна визуализации поведения физических параметров системы автоматического регулирования в процессе моделирования.