CC BY
38
^ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
УДК 621.331:621.31 1 А. В. Агунов, Д. А. Соколов
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Дата поступления: 09.10.2017 Решение о публикации: 24.01.2018
Аннотация
Цель: Проведение анализа рабочих характеристик элементов и устройств, предназначенных для синтеза автоматических систем управления различными объектами систем электроснабжения железных дорог. Методы: Имитационное и компьютерное моделирование. Результаты: Приведены результаты 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 различных 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.
Aleksandr V. Agunov, D. Eng. Sci., professor, alexagunov@mail.ru; * Denis A. Sokolov, postgraduate student, sokolofffffff@gmail.com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) COMPUTER MODELLING AND ANALYSIS OF AUTOMATION DEVICES OF RAILWAYS POWER SUPPLY SYSTEMS
Summary
Objective: Performing analysis of working elements and devices characteristics intended for synthesis of automatic control systems by various objects of railway power supply systems. Methods: Simulation and computer modelling. Results: The results of modelling transient processes of some nonlinear automatic control system in a technological scheme of the train operation support system. Practical importance: It is shown that computer modelling allows simulating control system behavior under different modes, hence, ensuring objective decision making in situations too complicated for a simple cause-effect evaluation of alternatives.
Keywords: Computer modelling, simulator of electronic schemes, automatic control systems, analysis of elements and railway automatics devices quality.
Введение
Специалисту-практику, работающему в области автоматизации систем электроснабже-
ния железных дорог, постоянно приходится сталкиваться с необходимостью проведения анализа рабочих характеристик элементов и устройств, предназначенных для синтеза ав-
томатических систем управления различными техническими объектами систем обеспечения движения поездов (электроснабжения железных дорог), а также методологии их применения. 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, - персональные компьютеры. Для них 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 компьютеры используются еще недостаточно широко. Это объясняется в большей степени недооценкой возможностей таких пакетов из-за отсутствия достаточно полных сведений о принципах их работы и применяемых 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 81шиНпк, являющейся частью пакета прикладных программ МАТЬАБ [4-13].
Описание среды Simulink
ЗтиНпк - 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 ЗтиНпк дает возможность использовать уже готовые библиотеки блоков
для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени. Дополнительные пакеты расширения 81шиНпк приводят к решению всего спектра задач - от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. ЗтиНпк интегрирован в пакет прикладных программ МАТЬАБ, что позволяет применять встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и графику.
При работе с ЗтиНпк пользователь может модернизировать библиотечные блоки, создавать свои 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 применяются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки 81шиНпк. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц [14, 15].
Все вышесказанное, а также удобство работы с пакетом прикладных программ МАТЬАБ делают 81шиНпк хорошим инструментом для проведения компьютерного эксперимента с виртуальными элементами и устройствами железнодорожной автоматики и для оценки их качества.
Моделирование переходных процессов нелинейной автоматической системы управления
Традиционно качество систем автоматического управления оценивается переходным процессом в системе. Причем интерес здесь представляет поведение управляемой величины (выходная переменная у) при резком
изменении задающего воздействия (входная величина x).
Вычисление переходных характеристик нелинейных систем традиционными методами, например с помощью обратного преобразования Фурье или приближенными графоаналитическими методами, связано с определенными трудностями. Поэтому определение поведения системы здесь целесообразнее проводить с помощью компьютерного моделирования в среде Simulink.
На рис. 1 показан процесс моделирования переходных процессов некоторой нелинейной автоматической системы управления в технологической схеме системы обеспечения движения поездов.
На рис. 2 приведена схема компьютерной модели исследуемой системы. Формирование электрической схемы 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 биб-
лиотеки 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 2 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 2 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 апериодический переходный процесс, и через 27,8 с сигнал на выходе схемы становится равным сигналу на входе.
Заключение
Компьютерное моделирование при помощи среды Simulink дает возможность сымитировать поведение системы автоматического управления при различных режимах, а следовательно, обеспечить выработку объективных решений в ситуациях, слишком сложных для простой причинно-следственной оценки альтернатив.
N WL У
V^L/ W
Рис. 1. Структурная схема моделируемой нелинейной системы автоматического управления: х - входная величина; е - величина рассогласования; ЫЕ - нелинейный элемент; N - промежуточный сигнал; - передаточная функция; у - выходная переменная
Рис. 2. Схема компьютерной модели исследуемой системы
Рис. 3. Результаты работы модели
О Scope - □ X
(Д eil
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
| I I 1
0 5 10 15 20 25 30
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1
I I i 1 I
0 5 10 15 20 25 30 Time offset: 0
Кроме того, предшествующее построению конкретной системы автоматического управления компьютерное моделирование позволяет 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. справоч-
ник / 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. Аба-раменкова. - 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 ; Физматлит, 1993. - 112 с.
9. Медведев В. С. Control System Toolbox. MAT-LAB 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». Simulink-модели-рование в среде MATLAB : учеб. пособие / А. И. Данилов. - М. : МГУИЭ, 2002. - 128 с.
References
1. Agunov A. V. Modelirovanie analogovykh elek-tronnykh skhem [Modelling analog electronic schemes]. Saint Petersburg, SPbGMTU Publ., 2003, 35 p. (In Russian)
2. Razevig V. D. Modelirovanie analogovykh elek-tronnykh ustroystv na personal'nykh EVM [Modelling analog electronic devices on personal computers]. Moscow, MEI Publ., 1993, 151 p. (In Russian)
3. Gultyaev A. K. MATLAB 5.2. Imitatsionnoe modelirovanie v srede Windows [MATLAB 5.2. Simulation in Windows environment]. Saint Petersburg, Crown-Print Publ., 1999, 288 p. (In Russian)
4. Dyakonov V. P. MATLAB. Analiz, identifikatsiya i modelirovanie system [MATLAB. Analysis, identification and modelling of systems]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2002, 444 p. (In Russian)
5. Dyakonov V. P. & Kruglov V. V. Matematicheskie pakety rasshireniya MATLAB [Mathematicalpackets of MATLAB extension]. Saint Petersburg, Peter Publ., 2001, 488 p. (In Russian)
6. Dyakonov V. P. & Abaramenkova I. V. MATLAB 5.0/5.3. Sistema simvolnoi matematiki [MATLAB 5.0/5.3. Symbolic mathematics system]. Moscow, Knowledge Publ., 1999, 634 p. (In Russian)
7. Rasshiryaemye sistemy dlya chislennykh ra-schetov MATLAB [MATLAB extensible systems for numerical calculations]. Monitor-Aspect, 1993, no. 2, pp. 26-31. (In Russian)
8. Spravochnikpo primeneniyu sistemy PC MATLAB [Guide in PC MATLAB system application]. Moscow, Science Publ., PhysMathLit 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, Dialogue-MIFI Publ, 1999, 287 p. (In Russian)
10. Martynov N. N. & Ivanov A. P. MATLAB 5.kh: Vychisleniya, vizualizatsiya, programmirovanie [MAT-LAB 5.x: Calculation, visualization, programming]. Moscow, KUDITS-Image Publ., 2000, 336 p. (In Russian)
11. Potemkin V. G. MATLAB 5 dlya studentov [MATLAB 5 for students]. Moscow, Dialogue-MIFI Publ., 1998, 314 p. (In Russian)
12. Potemkin V. G. Sistema inzhenernykh i nauch-nykh raschetov MATLAB 5.x [MATLAB 5.x. System of engineering and scientific calculations]. Moscow, Dialogue-MIFI Publ., 1999, 366 p. (In Russian)
13. Rudakov P. I. & Safonov I. V. Obrabotka sig-nalov i izobrazheniy. MATLAB 5.kh [MATLAB 5.x. Signal and image processing]. Moscow, Dialogue-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. Kompyuternyy praktikum po kursu "Teoriya upravleniya". Simulink-modelirovanie v srede MATLAB [Computer workshop in the course "Control theory". Simulink-modelling in MATLAB environment]. Moscow, MGUIE Publ., 2002, 128 p. (In Russian)
АГУНОВ Александр Викторович - доктор техн. наук, профессор, alexagunov@mail.ru; *СОКОЛОВ Денис Алексеевич - аспирант, sokolofffffff@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
