Лабораторная работа №1 «Моделирование задающих воздействий»

1. Цель и задачи работы

Ознакомление с пакетом Matlab, изучение рабочего пространства. Освоение методики создания структуры модели и знакомство с блоками задающих воздействий.

2. Основные теоретические положения

2.1. Структура имитационной модели.

Обобщенную структуру имитационных моделей можно представить в виде, приведенном на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структура имитационной модели.

Любую имитационную модель можно разделить на задающее устройство (ЗУ), собственно модель системы и блоки отображения и записи данных моделирования.

Задающее устройство представляет собой часть имитационной модели, в которой реализуются задающие воздействия. Блоки отображения и записи предназначены для представления результатов моделирования как в символьном (числовом), так и графическом виде, а также для сохранения этих данных в файлы.

2.2. Блоки задающих воздействий.

Входные воздействия систем автоматического управления, которые также называют управляющими, представляют собой достаточно широкий класс сигналов. Простейшим из входных воздействий является константа, в частности, нулевой входной сигнал. Такие управляющие воздействия характерны для систем стабилизации и автопилотов. Но даже в таком простейшем случае на систему действуют различного рода возмущения, например, в виде импульсной нагрузки, или имеют место случайные возмущения.

Таким образом, на систему в целом действуют внешние для нее входные (управляющие) и возмущающие воздействия, которые необходимо уметь моделировать. Для схемной реализации различного рода воздействий предназначены блоки задающих воздействий.

В их состав входят блоки модельного времени, ступенчатого воздействия, постоянно нарастающего сигнала, генераторы прямоугольной, синусоидальной, пилообразной форм, генераторы шума. На каждый из этих сигналов моделируемая система реагирует по-разному, следовательно, получают различные выходные характеристики систем, по которым делают выводы о динамических и точностных свойствах исследуемой системы.

2.3. Порядок работы с программой.

Работа с пакетом Matlab состоит из следующих этапов:

1. создание модели;

2. настройка параметров симуляции;

3. симуляция;

4. сохранение результатов.

Создание модели – это расположение в области документа структурных блоков и создание между ними связей.

Настройка параметров симуляции – это задание времени моделирования и параметров численного интегрирования (метода и шага).

Сохранение результатов можно производить двумя способами: временный и долгосрочный. Временный способ предполагает, что данные моделирования хранятся в течение времени работы с пакетом, до закрытия программы. Долгосрочный метод – это сохранение данных моделирования в файле.

3. Объекты и средства исследования

• Персональный IBM PC совместимый компьютер;

• Пакет Matlab;

4. Задание на работу

Получить выходные сигналы блоков задающих воздействий.

5. Порядок выполнения работы

Перед работой следует:

• Включить компьютер;

• Войти в локальную сеть со своим зарегистрированным именем и паролем;

• Запустить пакет Matlab;

1. Запустить приложение Matlab Simulink. Ознакомиться с меню и рабочими областями пакета Matlab и приложения Simulink. Создать новый документ Simulink, выбрав пункт меню «Файл/Новый».

2. Настроить параметры симуляции.

2.1. Выбрать пункт меню «Симуляция/Параметры».

2.2. Задать время моделирования – 5 с.

2.3. Задать максимальный шаг интегрирования – 0,001 с.

Рис. 2. Имитационная модель.

3. Изучить свойства блока задающих воздействий «Ступенчатое воздействие».

3.1. Провести симуляцию модели.

3.1.1. Создать исследуемую модель, изображенную на рис.2.

3.1.2. В качестве ЗУ разместить блок «Ступенчатое воздействие (Step)» с параметрами.

3.1.3. Задать параметры блока «Step»: начальное значение – 0, конечное – 1, время скачка – 1 с.

3.1.4. Запустить симуляцию (пункт меню «Run»), после ее окончания открыть окно «Осциллографа».

3.2. Провести симуляцию модели с другими параметрами.

3.2.1. В этом же документе создать (скопировать существующую) еще две аналогичные имитационные модели (см.рис. 2).

3.2.2. Задать параметры блока «Step1»: начальное значение – 0, конечное – 2, время скачка – 1,5 с, блока «Step2»: начальное значение – 0, конечное – 1,5, время скачка – 2 с.

3.2.3. Провести симуляцию.

3.3. Представить результаты моделирования на графике.

3.3.1. Разместить в документе блок «Mux» и с его помощью объединить выходы блоков «Step» в один сигнал (см. рис. 3).

3.3.2. Разместить в документе блок «Сохранение в рабочее пространство (Workspace)», задать ему имя «Exper1». Соединить блоки «Mux» и «Workspace».

3.3.3. Провести симуляцию. В рабочей области Matlab должна будет появиться переменная «Exper1». Перейти в рабочую область Matlab.

3.3.4. Для построения графика ввести в командной строке команду вывода графика plot.

plot(simout.time(:),simout.signals.values(:,1),simout.time(:),simout.signals.values(:,2), … simout.time(:),simout.signals.values(:,n))

3.4. Вставить график в отчет.

3.4.1. В меню графика выбрать пункт «Edit/Copy figure».

3.4.2. Вставить рисунок в файл отчета (документ MS Word).

3.5. Сохранить документ имитационной модели.

3.5.1. В документе имитационной модели выбрать пункт меню «Файл/Сохранить».

3.5.2. Ввести имя сохраняемого документа. Нажать «Сохранить».

Рис. 3. Объединение сигналов.

4. Изучить свойства блока задающих воздействий «Нарастающий сигнал».

4.1. Создать схемы и повторить действия п.п. 3.1, 3.2, вставив в качестве блоков задающих воздействий блок «Нарастающий сигнал (Ramp)»:

Блок 1: скорость – 1.5, момент времени – 2 с.

Блок 2: скорость – 0,5, момент времени – 1 с.

Блок 3: скорость – 1, момент времени – 0,5 с.

4.2.Повторить действия п.3.3, задав блоку «Workspace» имя «Exper2».

4.3. Вставить график в отчет, сохранить модель под новым именем (см. п.п. 3.4, 3.5).

5. Изучить свойства блока задающих воздействий «Генератор прямоугольных импульсов».

5.1. Выполнить действия п.4, задав следующие параметры:

Блок задающих воздействий: «Генератор прямоугольных импульсов ( Pulse)».

Блок 1: амплитуда – 2, период – 1 с, скважность – 0,5, сдвиг фазы – 0 рад.

Блок 2: амплитуда – 1,5, период – 1,5 с, скважность – 0,25, сдвиг фазы – 0,5 рад.

Блок 3: амплитуда – 1, период – 0,5 с, скважность – 0,75, сдвиг фазы – 1 рад.

Имя блока «Workspace» – «Exper3».

6. Изучить свойства блока задающих воздействий «Генератор синусоидальных импульсов».

6.1. Выполнить действия п.4, задав следующие параметры:

Блок задающих воздействий: «Генератор синусоидальной формы (Sinwave)».

Блок 1: амплитуда – 2, частота – 6 рад/с, смещение – 0, сдвиг фазы – 0,5 рад.

Блок 2: амплитуда – 1,5, частота – 8 рад/с, смещение – 0,5, сдвиг фазы – 0 рад.

Блок 3: амплитуда – 1, частота – 4 рад/с, смещение – 1, сдвиг фазы – -1 рад.

Имя блока «Workspace» – «Exper4».

7. Закрыть открытые документы. Закрыть приложение Simulink. Закрыть пакет Matlab.

6. Содержание отчета

По каждому пункту работы отчет должен содержать: имитационные схемы моделирования, параметры блоков и результаты моделирования по каждому из блоков.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое параметры симуляции?

2. Как объединить несколько сигналов в один.

3. Свойства блоков задающих воздействий.