CC BY
27
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.331:621.31 1
А. В. Агунов, Д. А. Соколов
АНАЛИЗ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Дата поступления: 28.1 1.2017 Решение о публикации: 23.01.2018
Аннотация
Цель: Необходимость проведения анализа рабочих характеристик элементов и устройств, предназначенных для синтеза автоматических систем управления различными объектами систем обеспечения движения поездов. Методы: Применяется имитационное и компьютерное моделирование. Результаты: Приведена иллюстрация моделирования переходных процессов некоторой нелинейной системы автоматического управления в технологической схеме системы обеспечения движения поездов. Практическая значимость: Показано, что компьютерное моделирование позволяет сымитировать поведение системы управления при разных режимах, следовательно, обеспечить выработку объективных решений в ситуациях, слишком сложных для простой причинно-следственной оценки альтернатив.
Ключевые слова: Компьютерное моделирование, симулятор электронных схем, системы автоматического управления, анализ качества элементов и устройств железнодорожной автоматики.
Alexander V. Agunov, D. Eng. Sci., professor, alexagunov@mail.ru; *Denis A. Sokolov, postgraduate student, sokolofffffff@gmail.com (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) OPERATING PERFORMANCE ANALYSIS OF ELEMENTS AND DEVICES OF TRAIN PROPULSIVE SYSTEMS AUTOMATION BY MEANS OF COMPUTER SIMULATION
Summary
Objective: The necessity to conduct the analysis of operating performance of elements and devices aimed at synthesis of automatic control systems managing different objects of train propulsive systems. Methods: Simulation modeling and computer simulation was applied. Results: An illustration of transient simulation of a nonlinear automatic control system in a flowchart of the train propulsive system was provided. Practical importance: It was shown, that computer simulation makes it possible to simulate control system's behavior in different modes, and, consequently,
provide the elaboration of balanced solutions in situations which are too complex for a simple cause-and-effect assessment of alternatives.
Keywords: Computer simulation, electronic circuit simulator, automatic control systems, quality analysis of elements and devices of railroad automatics.
Введение
При автоматизации систем обеспечения движения поездов постоянно приходится сталкиваться с необходимостью проведения анализа рабочих характеристик элементов и устройств, предназначенных для синтеза автоматических систем управления различными объектами систем обеспечения движения поездов. Это могут быть как очень простые задачи (анализ работоспособности элементов электронных устройств автоматики), так и весьма сложные (анализ работы автоматической системы управления при условии воздействия на систему внешних возмущений).
Еще в конце 1990-х годов решение таких задач требовало использования методов физического моделирования. В настоящее время наиболее распространенный инструмент, применяемый для этих целей, - персональный компьютер. Для персональных компьютеров созданы пакеты прикладных программ, позволяющие даже не владеющему навыками программирования пользователю легко и быстро проводить достаточно сложные исследования электронных схем устройств автоматики [1-3]. Вместе с тем специалистами отрасли они используются еще недостаточно. Это объясняется в большей степени недооценкой возможностей таких пакетов из-за отсутствия достаточно полных сведений о принципах их работы и используемых в них методах, т. е. сведений о том, каким образом программа моделирования получает те или иные решения.
Постараемся восполнить такой пробел более подробным рассмотрением среды имитационного моделирования Simulink, являющейся частью пакета прикладных программ MATLAB [4-13].
Описание среды Simulink
Simulink - это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы. Интерактивная среда Simulink дает возможность использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управ-
ления, средств цифровой связи и устройств реального времени. Дополнительные пакеты расширения ЗтиНпк помогают решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в пакет прикладных программ МА^АВ, что позволяет использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и графику.
При работе со средой Simulink пользователь может модернизировать библиотечные блоки, создавать собственные, а также составлять новые библиотеки блоков. При моделировании он может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц (см. [14, 15]).
Все вышесказанное, а также удобство работы с пакетом прикладных программ МА^АВ делают Simulink хорошим инструментом для проведения компьютерного эксперимента с виртуальными элементами и устройствами железнодорожной автоматики и для оценки их качества.
Моделирование переходных процессов в нелинейной системе автоматического управления
В системах автоматического управления качество процесса управления оценивается переходным процессом в системе (наличие колебательности, интенсивность затухания колебаний или переход на устойчивый цикл, частота и амплитуда колебаний и т. д.). Причем интерес здесь представляет поведение управляемой величины (выходная переменная у) при резком изменении задающего воздействия (входная величина х).
Вычисление переходных характеристик нелинейных систем традиционными методами с помощью обратного преобразования Фурье или приближенными графоаналитическими методами связано с определенными трудностями. Так, линеаризация при больших отклонениях параметров в процессе регулирования может привести к существенным ошибкам, а при работе элементов системы в зоне значительных воздействий - к эффекту насыщения. Поэтому определение переходных процессов в нелинейной системе автоматического управления целесообразнее проводить с помощью компьютерного моделирования в среде Simulink.
Проиллюстрируем процесс моделирования переходных процессов некоторой нелинейной системы автоматического управления в технологической схеме системы обеспечения движения поездов (рис. 1).
НЭ _[]"" ию Жл У
А
Рис. 1. Структурная схема моделируемой нелинейной системы автоматического управления
Рис. 2. Схема компьютерной модели исследуемой системы
Рис. 3. Результаты работы модели
Формирование схемы компьютерной модели исследуемой системы в соответствии с рис. 2 в Simulink осуществляется при помощи компьютерной мыши перемещением выбранных блоков из библиотеки, структурированной согласно назначению расположенных в ней блоков.
Гистерезисный нелинейный элемент в данной схеме моделируется с использованием блока Relay из библиотеки Discontinuities, реализующего релейную нелинейность. Передаточная функция линейной части системы задается с помощью блока Transfer Fcn из библиотеки Continuous. Сумматор представлен блоком Sum из библиотеки Math Operations; на его входы подается сигнал обратной связи, а также единичная функция от блока Step из библиотеки Sources с задержкой в 1 с после начала симуляции. В течение всего моделирования сигналы осциллографируются с помощью блока Scope из библиотеки Sinks (рис. 3).
Интерпретация результатов моделирования показывает, что через 1 с, когда сигнал на входе системы (верхняя кривая на рис. 3) изменил свое состояние с нулевого на единичное, начал меняться и сигнал на выходе схемы (нижняя кривая на рис. 3). Далее в системе развивается колебательный переходный процесс, и через 20,2 с сигнал на выходе схемы становится равным сигналу на входе.
Заключение
Компьютерное моделирование при помощи Simulink позволяет сымитировать поведение системы автоматического управления при различных режимах, а следовательно, обеспечить выработку объективных решений в ситуациях, слишком сложных для простой причинно-следственной оценки альтернатив.
Кроме того, предшествующее построению конкретной системы автоматического управления компьютерное моделирование дает возможность достичь максимально эффективного использования времени и материальных ресурсов разработчика за счет выявления нерациональных или даже ошибочных технических решений.
Библиографический список
1. Агунов А. В. Моделирование аналоговых электронных схем / А. В. Агунов. -СПб. : СПбГМТУ, 2003. - 35 с.
2. Разевиг В. Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ / В. Д. Разевиг. - М. : МЭИ, 1993. - 151 с.
3. Гультяев А. К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows / А. К. Гультяев. - СПб. : КОРОНА-Принт, 1999. - 288 с.
4. Дьяконов В. П. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем : спец. справочник / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. - СПб. : Питер, 2002. - 444 с.
5. Дьяконов В. П. Математические пакеты расширения MATLAB : спец. справочник / В. П. Дьяконов, В. В. Круглов. - СПб. : Питер, 2001. - 488 с.
6. Дьяконов В. П. MATLAB 5.0/5.3. Система символьной математики / В. П. Дьяконов, И. В. Абараменкова. - М. : Нолидж, 1999. - 634 с.
7. Дьяконов В. П. Расширяемые системы для численных расчетов MATLAB / В. П. Дьяконов // Монитор-Аспект. - 1993. - № 2. - С. 26-31.
8. Дьяконов В. П. Справочник по применению системы PC MATLAB / В. П. Дьяконов. - М. : Наука ; Гл. ред. физ.-матем. лит., 1993. - 112 с.
9. Медведев В. С. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов / В. С. Медведев, В. Г. Потемкин. - М. : Диалог-МИФИ, 1999. - 287 с.
10. Мартынов Н. Н. MATLAB 5.х : Вычисления, визуализация, программирование / Н. Н. Мартынов, А. П. Иванов. - М. : КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000. - 336 с.
11. Потемкин В. Г. MATLAB 5 для студентов / В. Г. Потемкин. - М. : Диалог-МИФИ, 1998. - 314 с.
12. Потемкин В. Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x / В. Г. Потемкин. - М. : Диалог-МИФИ, 1999. - 366 с.
13. Рудаков П. И. Обработка сигналов и изображений. MATLAB 5.х / П. И. Рудаков, И. В. Сафонов. - М. : Диалог-МИФИ, 2000. - 416 с.
14. Дьяконов В. П. Simulink 4 : спец. справочник / В. П. Дьяконов. - СПб. : Питер, 2002. - 528 с.
15. Данилов А. И. Компьютерный практикум по курсу «Теория управления». Simu-link-моделирование в среде MATLAB : учеб. пособие / А. И. Данилов. - М. : МГУИЭ, 2002. - 128 с.
References
1. Agunov A. V. Modelirovaniye analogovikh elektronnikh skhem [Simulation of analogue electronic circuits]. Saint Petersburg, SPbGMTU Publ., 2003, 35 p. (In Russian)
2. Razevig V. D. Modelirovaniye analogovikh elektronnikh ustroistv napersonalnikh EVM [Simulation of analogue electronic devices on personal computers]. Moscow, MEI Publ., 1993, 151 p. (In Russian)
3. Gultyayev A. K. MATLAB 5.2. Imitatsionnoye modelirovaniye v srede Windows [Windows simulation modeling]. Saint Petersburg, KORONA-Print Publ., 1999, 288 p. (In Russian)
4. Dyakonov V. P. & Kruglov V. V. MATLAB. Analiz, identifikatsiya I modelirovaniye sistem [MATLAB. Analysis, identification and system simulation]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2002, 444 p. (In Russian)
5. Dyakonov V. P. & Kruglov V. V. Matematicheskiye pakety rasshireniya MATLAB [MATLAB math extension package]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2001, 488 p. (In Russian)
6. Dyakonov V. P. & Abaramenkova I. V. MATLAB 5.0/5.3. Sistema simvolnoy matematiky [The system of symbolic mathematics]. Moscow, Knowledge Publ., 1999, 634 p. (In Russian)
7. Dyakonov V. P. Rasshiryayemiye sistemy chislennikh raschetov MATLAB [Expansible systems for MATLAB numerical calculations]. Monitor-Aspekt, 1993, no. 2, pp. 26-31. (In Russian)
8. Dyakonov V. P. Spravochnikpoprimeneniyu sistemy PC MATLAB [PC MATLAB system reference]. Moscow, Nauka Publ.; Gl. red. phys.-matem. lit. Publ., 1993, 112 p. (In Russian)
9. Medvedev V. S. & Potemkin V. G. Control System Toolbox. MATLAB 5 dlya studentov [Control System Toolbox. MATLAB 5 for students]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 1999, 287 p. (In Russian)
10. Martynov N. N. & Ivanov A. P. MATLAB 5.x: Vychisleniya, vizualizatsiya, program-mirovaniye [MATLAB 5.x: Calculations, visualization, programming]. Moscow, KUDITz-OBRAZ Publ., 2000, 336 p. (In Russian)
11. Potemkin V. G. MATLAB 5 dlya studentov [MATLAB 5 for students]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 1998, 314 p. (In Russian)
12. Potemkin V. G. Sistema inzhenernikh i nauchnikh raschetov MATLAB 5.x [The system of engineering and research analysis MATLAB 5.x]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 1999, 366 p. (In Russian)
13. Rudakov P. I. & Safonov I. V. Obrabotka signalov i izobrazheniy. MATLAB 5.x [Processing of signals and images. MATLAB 5.x]. Moscow, Dialog-MIFI Publ., 2000, 416 p. (In Russian)
14. Dyakonov V. P. Simulink 4 [Simulink 4]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2002, 528 p. (In Russian)
15. Danilov A. I. Kompyuterniypraktikumpo kursu "Teoriya upravleniya". Simulink-modelirovaniye v srede MATLAB [Computerpracticum in "Control engineering" course. Si-mulink-modeling in MATLAB environment]. Moscow, MGUIE Publ., 2002, 128 p. (In Russian)
АГУНОВ Александр Викторович - д-р техн. наук, профессор, alexagunov@mail.ru; *СОКО-ЛОВ Денис Алексеевич - аспирант, sokolofffffff@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
