Информационные технологии в науке и производстве Дисциплина для магистерской подготовки по направлению «Зоотехния» Автор: Исаев Владимир Александрович, к.т.н., доцент Великий Новгород, 2013

Лекция 6 ( ) Информационные системы управления технологическими процессами в животноводстве МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ ПК «МВТУ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ ПК «МВТУ» Моделирование динамики вакуумного привода двухтактного доильного аппарата

Математическое моделирование систем автоматического регулирования Содержит основные сведения по математическому моделированию автоматических систем на базе компьютера, краткое описание используемого программного обеспечения и методические указания к лабораторным работам, целевое назначение которых изучить и освоить некоторые методы моделирования, применяемые в автоматике. Для студентов вузов, обучающихся по агроинженерным специальностям.

Пример моделирования аналоговых систем Одним из способов представления аналоговой динамической системы является дифференциальное уравнение (или система уравнений), определяющее характер взаимосвязи текущего состояния системы, ее входных и выходных сигналов. Пакет SIMULINK представляет возможность производить имитационное моделирование таких систем. Пусть некоторая система с входом x(t) и выходом y(t) представляется дифференциальным уравнением где μ– некоторая константа.

Пример моделирования аналоговых систем (продолжение) Перепишем уравнение в виде и выразим вторую производную Последовательным интегрированием получим, а затем используя блоки Integrator (раздел Linear). Суммируя полученные величины с соответствующими коэффициентами и учетом знака, получим модель, показанную на рисунке.

Идентификация объекта исследования Изучение свойств и особенностей объектов с помощью современных методов обработки информации основывается на построении модели изучаемого объекта по наблюдаемым данным входным и выходным сигналам. Построение модели объекта по наблюдаемым данным называется идентификацией и включает определение его структуры и параметров. Объектом идентификации может быть устройство, явление или процесс.

Решение задачи идентификации Для решения задачи идентификации необходимо выбрать или сформировать: входные сигналы; структуру модели изучаемого объекта; критерий качества идентификации; алгоритм идентификации; критерии и методы верификации (подтверждения) модели. Критерий качества идентификации характеризует степень адекватности модели объекту в рамках согласованных допущений и ограничений. Оценивание параметров выполняется на основе алгоритма идентификации, определяющего правила поиска оценок

Программный комплекс «МВТУ» Программный комплекс «МВТУ» предназначен для исследования динамики и проектирования самых разнообразных систем и устройств. По своим возможностям он является альтернативой аналогичным зарубежным программным продуктам Simulink, VisSim и др. Удобный редактор структурных схем, обширная библиотека типовых блоков и встроенный язык программирования позволяют реализовывать модели практически любой степени сложности, обеспечивая при этом наглядность их представления. Широко используется в учебном процессе, позволяя моделировать различные явления в физике, электротехнике, в динамике машин и механизмов, в астрономии и т.д. Может функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в том числе и в режиме удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: МОДЕЛИРОВАНИЕ, обеспечивающий: –моделирование процессов в непрерывных, дискретных и гибридных динамических системах, в том числе и при наличии обмена данными с внешними программами и устройствами; –редактирование параметров модели в режиме «on-line»; –расчет в реальном времени или в режиме масштабирования модельного времени; –рестарт, архивацию и воспроизведение результатов моделирования; –статистическую обработку сигналов, основанную на быстром преобразовании Фурье.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: ОПТИМИЗАЦИЯ, позволяющий решать задачи: –минимизации (максимизации) заданных показателей качества; –нахождения оптимальных параметров проектируемой системы в многокритериальной постановке при наличии ограничений на показатели качества и оптимизируемые параметры. АНАЛИЗ, обеспечивающий: –расчет и построение частотных характеристик и годографов; –расчет передаточных функций, их полюсов и нулей; –реализацию метода D-разбиения на плоскости одного комплексного параметра.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: СИНТЕЗ, позволяющий конструировать регуляторы: –по заданным желаемым частотным характеристикам; –по заданному расположению доминирующих полюсов. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ, позволяющий создавать виртуальные аналоги: –пультов управления с измерительными приборами и управляющими устройствами; –мнемосхем с мультимедийными и анимационными эффектами.

К достоинствам ПК «МВТУ» относятся: открытость за счет встроенного языка и реализации нескольких механизмов обмена данными с внешними программами; простота построения сложных моделей благодаря использованию вложенных структур, векторизации сигналов и алгоритмов типовых блоков, удобным средствам задания параметров и уравнений; эффективные численные методы; большое число обучающих и демонстрационных примеров с подробными комментариями.

Принципы моделирования в ПК "МВТУ" Моделирование в ПК "МВТУ" состоит в создании и исследовании виртуального аналога реальной системы – модели. Модель функционирует в соответствии с теми же уравнениями, что и моделируемая система. При моделировании не обязательно записывать эти уравнения в явном виде, об этом позаботится программа. Модель составляется исследователем в специальном окне программы вынесением на него и соединением отдельных виртуальных блоков, соответствующих элементам реальной системы. Виртуальные блоки внешне условно представляются на рабочем пространстве окна модели прямоугольниками, т.е. они видимы исследователю, имеют входы и (или) выходы и функционируют в соответствии с определенными уравнениями, алгоритм решения которых реализуется в цифровом виде.

Основная панель ПК "МВТУ" Главное Окно программного комплекса «МВТУ» содержит в верхней части -ленточное Командное меню, в центральной части - Панель инструментов (командных кнопок), а ниже - «Линейка» типовых блоков с соответствующими пиктограммами и закладками названий отдельных библиотек, сформированных по функциональному принципу.

Основная панель ПК "МВТУ" Выделены кнопка Пуск (Продолжить расчет) и три важных вкладки Палитры с наборами элементов (виртуальных блоков), которые будут использоваться при моделировании: Источники сигналов (генераторы) – вкладка открыта, Данные (индикаторы и регистраторы) Динамические блоки (элементы линейных систем и систем в целом).

Генераторы сигналов Генераторы сигналов размещены на вкладке Источники основной панели. Важными источниками сигналов являются генераторы ступенчатого и синусоидального сигналов. Кнопка со стрелкой Вправо позволяет посмотреть и другие источники сигналов.

Элементы линейных систем Блоки, моделирующие элементы линейных систем и объектов различной сложности помещены на вкладке Динамические На вкладке Динамические блоки помещены образцы моделей элементов линейных систем. Важными элементами линейных систем являются: интегратор, апериодическое и колебательное звенья.

Индикаторы и регистраторы Важный регистратор – виртуальный осциллограф (блок Временной график). Примечание: программа позволяет создавать и собственные варианты индикаторов с помощью инструментов, расположенных на вкладке Анимация (в правой части Палитры).

Простая модель (Определение переходной функции апериодического звена)

Приложение Моделирование динамики вакуумного привода двухтактного доильного аппарата

Структурная схема динамики вакуумного привода двухтактного доильного аппарата Физический смысл переменных величин и параметров передаточных функций следующий: P – постоянный вакуум в системе питания; P 1 – вакуум в управляющей камере пульсатора; P 2 – вакуум на выходе мембранно-клапанного узла в камере переменного вакуума пульсатора; P 3 – вакуум в межстенной камере доильного стакана.

Структурная схема динамики вакуумного привода двухтактного доильного аппарата Физический смысл переменных величин и параметров передаточных функций следующий: F 1 – сила, создаваемая переменным вакуумом на мембрану пульсатора; F 2 – разность сил F и F 1 ; F 3 – силовое воздействие сосковой резины на сосок; y – перемещение кончика соска в доильном стакане.

Структурная схема (а) и результаты моделирования динамики (б, в, г, д) вакуумной системы привода доильного аппарата

Учебное задание Используя версию программы «МВТУ версия 3.7» (размещена на сайте в разделе «Другие пакеты»), изучить краткую инструкцию пользователя (в основном окне значок ?). Познакомиться с содержанием вкладки Палитры «Источники». Познакомиться с содержанием вкладки Палитры «Данные». Познакомиться с содержанием вкладки Палитры «Динамические». Примечание: учебные материалы размещены на портале НовГУ (учебные материалы > Исаев Владимир Александрович > ИТ в науке и производстве > …)

Список литературы 1. Основы открытого образования / Андреев А. А., Каплан С. Л., Лобачев С. Л. и др.; Отв. ред. В. И. Солдаткин. – т. 1. – РГИОО. – М.: НИИЦ РАО, – 676 с. 2. Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании. - М.: Академия, с. 3. Тоискин В.С.. Информационные и коммуникационные технологии в образовании: Учебное пособие. / В.С. Тоискин, В.В. Красильников. – Ставрополь: Изд-во СГПИ, – 140 с. 4. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учеб. пособие для вузов/ Е.С. Полат, М.Ю. Бухаркина, М.В. Моисеева, А.Е. Петров; Под ред. Е.С.Полат. 4-е изд., стер. М.: Академия, с. 5. Кревский И.Г. Инновационные модели организации обучения с использованием дистанционных образовательных технологий // Менеджмент инноваций С

Список литературы (продолжение) 6. Джозеф Джарратано, Гари Райли Экспертные системы: принципы разработки и программирование»: Пер. с англ. М. : Издательский дом «Вильямс», стр. 7. Семакин И.Г. Информационные системы и модели: Учеб. пособие / И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. – – 303 с. 8. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере. – М.: Изд-во «ИНФРА-М », – 528 с. 9. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования : учеб. пособие для вузов / Под ред.Б.А.Карташова. - М. : КолосС, с. 10. Ибрагимов И.М. Информационные технологии и средства дистанционного обучения: Учеб. Пособие для вузов.- М.: Академия, с.

Список литературы (продолжение) 11. Майстренко А.В. Информационные технологии в науке, образовании и инженерной практике. – Тамбов: Изд-во ТГТУ, – 96 с. 12. Тюренкова Е.Н., Мороз М.Т. Управление молочным животноводством с применением информационных технологий. – СПб.: РЦ «ПЛИНОР», 2010 г. 13. Мороз М.Т., Тюренкова Е.Н. Оценка экономических потерь в животноводстве на основе баз данных системы «СЕЛЭКС». - СПб.: РЦ «ПЛИНОР», 2010 г. 14. Лукьянов Б.В., Лукьянов П.Б. Новая информационная технология оптимизации рационов для сельскохозяйственных животных (компьютерные программы «КОРАЛЛ»). – М.: Изд-во РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, – 119 с.

Спасибо за внимание! Тел.: (8162)