Возможности среды «designlab 8. 0» и краткая

ВОЗМОЖНОСТИ СРЕДЫ «DesignLab 8.0» И КРАТКАЯ

ИНСТРУКЦИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В ЭТОЙ СРЕДЕ

 

В среде схемотехнического моделирования «DesignLab» возможно исследование устройств, описанных на уровне принципиальной, функциональной и структурной схем, а также решение систем дифференциальных уравнений. Порядок действий при моделировании следующий.

0. В среде «DesignLab» отсутствуют развитые средства диагностики.

Поэтому советуем студенческой бригаде (даже состоящей из одного студента) серьезно подойти к решению задачи выбора студента-оператора, манипулирующего клавишами и мышью ЭВМ (ресурсы времени лабораторного занятия и нервных клеток преподавателя ограничены!).

1. Моделирование начинается с запуска редактора «Schematics». Жела-

тельно до начала моделирования организовать персональный каталог для записи файлов, создаваемых средой «DesignLab».

2. В редакторе Schematics составить схему моделируемого устройства.

Размещение компонентов схемы выполняется последовательностью команд «Draw/Get New Part/Libraries + Place» (фиксация компонента осуществляется нажатием левой кнопки мыши, а завершение размещения - правой). Если для удобства изображения схемы необходимо развернуть компонент, то используется комбинация клавиш «Сtrl+R» (Rotate).

Соединение компонентов выполняется после команды «Draw/Wire» или нажатия соответствующей дублирующей кнопки на панели управления средой (начало, изломы и конец линий фиксируются при нажатии левой кнопки мыши, а окончание рисования линий - правой).

3. Для редактирования параметров компонентов следует выделить (нажатием левой кнопки мыши) компонент и, либо двойным нажатием левой кнопки мыши, либо командами «Edit/Attributes» вызвать редактор параметров (атрибутов).

Числовые данные вводятся либо без размерности с фиксированной или плавающей точкой, либо с размерностью и масштабными суффиксами:

p=1e-12, n=1e-9, u=1e-6, m=1e-3, k=1e3, meg=1e6,g=1e9, t=1e12. Например: pF, kOm, megOm, mS, mSec и т.д. (строчные и прописные буквы не различаются).

После ввода каждого параметра следует дать команду «Save Attr». Для инерционных компонентов необходимо указать начальные условия (IС).

4. Командой «File/Save As» записать задачу в свой каталог. В дальнейшем можно пользоваться командой «File/Save». Для каждой задачи создавать отдельный каталог.

5. С помощью команды «Analysis/Electrical Rule Check» проверить правильность ввода схемы устройства.

6. С помощью команды «Analysis/Setup/...» задать директивы моделирования. Например, для выполнения вычислений частотных характеристик в разделе «Analysis/Setup/AC Analysis» установить октавное разбиение оси частот, выбрать желаемое число точек вычислений на октаву, а также начальное и конечное значения частоты. Для выполнения вычислений переходной характеристики в разделе «Analysis/Setup/Transient Analysis» установить шаг дискретизации и время анализа (рекомендуется шаг дискретизации подтвердить в нижнем окне «Step Ceiling»).

7. Создать список соединений с помощью команды «Analysis/Create Netlist». Этот список можно просмотреть по команде «Analysis/Examine Netlist».

8. Командой «Analysis/Simulate» запустить задачу на моделирование (в меню «Analysis/Probe Setup» должна быть включена первая позиция опции «Auto Run Option»).

9. В среде постпроцессора «Probe» построить результаты моделирования в виде графиков. Для этой цели используется команда «Trace/Add», а также командная строка «Trace Expression», в которую следует вывести наблюдаемые переменные или их функции (например: DB(V(5)/V(1)) - модуль в децибелах, P(...) - фаза, R(...) - реальная часть, IMG(...) - коэффициент мнимой части. D(...) - производная по времени и т.п.).

Для замены переменной по оси X используются команды:

«Plot/X Axis Setting/Axis Variable».

10. Для вывода числовой информации можно использовать следующие способы.

1). Использование двух курсоров, управляемых левой и правой кнопками мыши (команды «Tools/Cursor/Display»).

2). К соответствующей точке схемы подсоединить компонент «Print1» из библиотеки «Special.slb», для вывода частотных характеристик установить атрибут «Analysis=AC» (для вывода переходного процесса нужен еще такой компонент с атрибутом «Analysis =Tran»). В случае вывода функциональных преобразований (например, при построении логарифмических характеристик) можно использовать компонент «VPrint1», в атрибутах которого следует указать: AC=V(out), PHASE= V(out), DB=V(out). Результаты моделирования (таблицы) можно найти в файле *.out (команды «Analysis/Examine Output»).

3). Выделить желаемый график (идентификатор графика внизу экрана), командой «Edit/Copy» результаты моделирования занести в память, запустить текстовый редактор (например: «Пуск/Программы/Стандартные/Word Pad») и извлечь таблицу из памяти (команды «Правка/Вставить»).

11. Для построения семейства графиков (параметрический анализ) необходимо выполнить следующие манипуляции:

1). Значение параметра (сопротивление, емкость,...) указать в виде {Rval}, {Cval}....

2). Добавить к схеме компонент «Param» из библиотеки «Special.slb» и в его атрибутах указать Name1: Rval, Value1: 1k.

3). В разделе меню «Analysis/Setup/Parametric» отметить разделы «Global parameter», «Value List» и указать Name: Rval, Values: перечень значений параметра, разделенных пробелом.

4). Выделить раздел «Parametric» в «Setup».

Замечание. В случае фатальной неудачи при выполнении действий по п.11, находчивые студенты создают несколько копий схемы моделирования с разными значениями резистора (и разными идентификаторами элементов!).

12. Для текущего контроля процесса моделирования (в случае длительных вычислений) используется компонент «Watch1», в атрибутах которого указывается вид анализа, а также нижнее и верхнее значения переменной.

 

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ РАДИОАВТОМАТИКИ МЕТОДОМ ЗАМЕЩЕНИЯ LCR-ЦЕПЬЮ (лабораторная работа 1)

 

Цель работы:

1) экспериментальное определение показателей качества САУ и установление их связи со структурой и параметрами САУ, определяемыми ее передаточной функцией;

2) приобретение навыков работы со средой моделирования.

 

Задание по работе

Задание по работе

 

Выполнить исследование САУ (3 варианта) с построением

1) переходных процессов (для замкнутой системы),

2) логарифмических и амплитудно-фазовых характеристик (для разомкнутой системы). При построении АФХ на панели «X Axis Settings» включить режим линейного масштаба оси абсцисс.

 

Содержание отчета

1. Задание, структурная схема САУ, ее передаточная функция, расчет элементов схемы.

2. Теоретическая часть отчета, включающая в себя:

1) семейство асимптотических ЛХ,

2) семейство переходных процессов САУ, построенных по ЛХ,

3) семейство АФХ, приближенно построенных по ЛХ с указанием точки пересечения единичной окружности,

4) распределение полюсов передаточной функции замкнутых САУ на плоскости комплексной переменной.

3. Экспериментальная часть отчета, включающая в себя:

1) схему моделирования, списки соединений и директивы моделирования (разделы «Netlist» и «Analysis setup» файла *.out),

2) результаты исследований (три семейства кривых).

4. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов, проверка соотношений для t_Н и s%.

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

Указание. Комплект асимптотических ЛХ должен быть в наличии у каждого студента бригады, чтобы иметь возможность продемонстрировать свои персональные способности к работе с ЛХ.

 

 

3.4. Контрольные вопросы

 

1. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) коэффициента усиления?

2. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) постоянной времени апериодического звена?

3. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) постоянной времени форсирующего звена?

4. Какая связь существует между переходным процессом и полюсами передаточной функции САУ?

5. Указать установившееся значение выходного напряжения САУ при g(t)=1(t) (ответ обосновать с помощью передаточной функции САУ).

6. Найти и объяснить противоречия в построении теоретических и экспериментальных ЛХ и АФХ.

 

 

4. КОРРЕКЦИЯ САР (лабораторная работа 3)

 

Цель работы:

1) анализ устойчивости САУ;

2) приобретение навыков в применении метода последовательной коррекции САУ.

Задание по работе

 

1. Построить переходный процесс исходной САУ, не содержащей элементов коррекции.

2. Построить переходный процесс САУ, содержащей пропорционально-интегрирующее звено (рис.3).

3. Построить переходный процесс САУ, содержащей пропорционально-дифференцирующие звенья (рис.3 и 4).

Содержание отчета

 

1. Задание, структурная схема САУ, ее передаточная функция, расчет элементов схемы (коэффициента усиления).

2. Асимптотические ЛХ исходной САУ и результаты ее коррекции с помощью пропорционально-интегрирующего и пропорционально-дифференци-

рующих звеньев (ЛХ скорректированных САУ, ЛАЧХ элементов коррекции, ожидаемые переходные процессы).

3. Схема моделирования, списки соединений и директивы моделирования (разделы «Netlist» и «Analysis setup» файла *.out).

4. Результаты исследований (три переходных процесса).

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

 

4.4. Контрольные вопросы

 

1. Как определяются границы устойчивости САУ по корням характеристического уравнения?

2. Как записать характеристическое уравнение САУ, заданной передаточной функцией?

3. Как записать характеристическое уравнение САУ, описанной в пространстве состояний?

4. Как определяются границы устойчивости САУ по коэффициентам характеристического уравнения?

5. Как определяются границы устойчивости САУ по годографу Михайлова?

6. Как определяются границы устойчивости САУ по годографу Найквиста?

7. Дать физическую трактовку коррекции САУ с помощью пропорционально-интегрирующего и пропорционально-дифференцирующих звеньев.

 

 

Часть 2. Моделирование САУ

 

Схема моделирования приведена на рис.5. В схему включены новые компоненты: функциональный преобразователь «EVALUE» и интегратор «INTEG» из библиотеки «Abm.slb». В атрибутах «EVALUE» в разделе «Expr» следует указать функциональную зависимость соответствующей производной от переменных состояния системы V(out1), V(out2) и входного воздействия (единичного: g(t)=1). В атрибутах «INTEG» в разделе «IC» следует указать начальные условия (нулевые).

 

Рис.5

 

Задание по работе

 

1. В режиме «Transient» выполнить моделирование САУ с построением переходных процессов (3 варианта). Убедиться в совпадении результатов с теми, которые были получены при выполнении Заданий 1 и 2.

2. Оценить ошибку системы в установившемся режиме (на график вывести функцию 1 - V(out1).

3. Записать функциональные зависимости «EVALUE» так, чтобы входное воздействие изменялось во времени по линейному закону: g(t)=V*TIME, где V - число, TIME - текущее время моделирования. Значение скорости V рассчитать, исходя из заданного коэффициента усиления системы K_V и допустимой динамической ошибки e_Д = 0,1 [в].

4. В режиме «Transient» выполнить моделирование САР и оценить установившуюся ошибку системы (на график вывести функцию V*TIME - V(out1).

 

Содержание отчета

1. Задание, передаточная функция САУ, структурная схема и описание в пространстве состояний.

2. Схема моделирования, списки соединений, директивы моделирования.

3. Результаты моделирования САУ при постоянном воздействии (3 переходных процесса и значение ошибки в установившемся режиме).

4. Расчет точности САУ при линейном воздействии и результаты соответствующего моделирования.

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

 

5.4. Контрольные вопросы

 

1. К каким последствиям приводит не выполнение рекомендации относительно обеспечения совпадения одной из компонент вектора состояния САУ с ее выходным сигналом?

2. Перечислить преимущества метода описания систем в пространстве состояний в сравнении с другими методами (скалярное дифференциальное уравнение, передаточная функция).

3. Как записывается характеристическое уравнение системы, представленной в пространстве состояний?

4. Какой порядок астатизма имеет моделируемая система?

5. Как определить порядок астатизма системы, представленной в пространстве состояний?

6. Указать 2 способа определения передаточной функции системы, представленной в пространстве состояний.

7. Дать рекомендации относительно выбора интервала временной дискретизации при численном решении систем дифференциальных уравнений.

 

Содержание отчета

1. Функциональная и структурная схемы, передаточная функция и параметры САУ, логарифмические характеристики.

2. Схемы моделирования, списки соединений, директивы моделирования.

3. Результаты моделирования фазового дискриминатора (дискриминационная характеристика) и управляемого генератора (зависимость частоты от коэффициента K1).

4. Результаты моделирования системы ФАПЧ с объяснением полученных эффектов (зависимость ошибки e_j от начальной расстройки частот, переходные процессы для двух значений начальной разности фаз, биения на выходе фазового дискриминатора, полоса удержания и схватывания).

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

 

6.4. Контрольные вопросы

 

1. Почему исследуемая система является нелинейной?

2. Описать методику расчета постоянной времени RC-цепи в фазовом дискриминаторе.

3. Какой порядок астатизма имеет система ФАПЧ (ответ обосновать)?

4. Описать метод анализа нелинейной системы ФАПЧ.

5. Описать методику анализа линеаризованной системы. Как определяются параметры такой системы?

6. Почему начальная разность фаз существенно влияет на вид переходного процесса системы?

7. Объяснить форму биений на выходе фазового дискриминатора в случае, когда начальная расстройка частот Df превышает полосу схватывания системы.

8. Указать способ сведения к нулю остаточной ошибки e_j, обусловленной начальной расстройкой частот генераторов.

 

 

7. ЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АВТОКОЛЕБАНИЙ

В НЕЛИНЕЙНОЙ САУ (лабораторная работа 6)

Цель работы:

1) знакомство с особенностями существенно нелинейных САУ;

2) анализ нелинейной САУ с помощью уравнения замыкания и проверка результатов анализа методом моделирования.

 

Задание по экспериментальной части работы

 

В режиме «Transient» исследовать автоколебания в нелинейной САУ. Оценить амплитуду и частоту гармонического процесса.

 

Содержание отчета

1. Задание, графическое решение уравнения замыкания (годографы), расчет амплитуды и частоты автоколебаний.

2. Схема моделирования, списки соединений, директивы моделирования.

3. Результаты экспериментальных исследований (осциллограмма гармонического процесса и его параметры).

4. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

 

Рис.8

 

7.5. Контрольные вопросы

 

1. Сформулировать условие возникновения автоколебаний в нелинейной САУ.

2. Указать ограничения, при которых справедлив анализ автоколебаний в нелинейной САУ.

3. Возможно ли существование автоколебаний в нелинейной системе с интегратором и одним апериодическим звеном (ответ обосновать)?

4. Возможно ли существование автоколебаний в исследуемой системе, если реле имеет зону нечувствительности (b=0.1v; b=0.5v)?

5. Устойчива ли исследуемая система без нелинейного элемента (ответ обосновать)?

6. Какие изменения в параметры системы следует внести, чтобы амплитуда автоколебаний увеличилась?

7. Какие изменения в параметры системы следует внести, чтобы частота автоколебаний увеличилась?

 

 

Содержание

 

1. Возможности пакета DesignLab 8.0.и краткая инструкция для работы с ним............................. 3

2. Моделирование устройств радиоавтоматики методом замещения LCR-цепью (лабораторная работа 1)................. 5

3. Моделирование САУ с электронным интегратором

(лабораторная работа 2).................... 8

4. Коррекция систем (лабораторная работа 3)........... 10

5. Решение систем дифференциальных уравнений

(лабораторная работа 4)................... 12

6. Моделирование системы синхронизации

(лабораторная работа 5).................... 14

7. Частотный метод определения автоколебаний в нелинейной САУ

(лабораторная работа 6)................... 19

 

 

Список литературы

 

1. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. Учеб.для вузов по спец.Радиотехника, - М. Высш.шк. 2003. - 335с.

2. Первачев С.В. Радиоавтоматика. Учеб.для вузов, - М.- Радио и связь - 1982. - 296с.

3. Радиоавтоматика. Учеб.пособие для студ.вузов спец.Радиотехника /

В.А.Бесекерский, А.А.Елисеев, А.В.Небылов и др. Под ред.В.А.Бесекерского, - М.- Высш.шк., 1985. - 271с.

4. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1972. - 768 с.

5. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления. - М.: Энергия. - Т. 1. - 1980. - 312 с.; Т. 2. - 1981. - 304 с.

6. Красовский А. А., Поспелов Г. С. Основы автоматики и технической кибернетики. - М.: ГЭИ, 1962. - 600 с.

7. Первачев С. В., Валуев А. А., Чиликин В. М. Статистическая динамика радиотехнических следящих систем. М.: Сов. радио, 1973. – 488 с.

8. Теория автоматического управления: В 2 ч. / Под ред. А. А. Воронова. - М.: Высш. шк., 1986. - Ч. 1 - 2. - 655 с.

9. Теорiя автоматичного управлiння / Г. Ф. Зайцев, В. К. Стеклов, О. I. Брiцький; За ред. проф. Г. Ф. Зайцева. – К.: Технiка, 2002. – 688 с.

10. Юревич Е. И. Теория автоматического управления. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1975. - 410 с.

11. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). - М., 1996.

 

 

Приложение. РАСЧЕТ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ (задание Д)

 

Это дополнительное задание может быть рекомендовано студентам, желающим улучшить свое рейтинговое состояние.

Задана передаточная функция разомкнутой системы

где K_V=64/M; T₂=M; T₁¹=T₂/16; T₁²=T₂/4; ;

N - порядковый номер студента в списке группы.

Структура системы должна быть согласована с формирующим фильтром (ФФ), вырабатывающим случайный процесс с экспоненциально-коррелированной скоростью (двусторонняя спектральная плотность мощности шума на входе ФФ - S_O=64²/M). Уход фазы синхронизирующего генератора наблюдается на фоне аддитивного белого шума (двусторонняя спектральная плотность мощности шума S_П=M).

Требуется

1. Построить ЛХ и изобразить переходные процессы (два).

2. Изобразить структуру ФФ и согласованной с ним системы синхронизации. Описать систему в пространстве состояний, решить систему дифференциальных уравнений численным методом с помощью ЭВМ и построить переходные процессы (начальные условия - нулевые, входное воздействие - единичное). Сравнить результаты п.1 и п.2.

3. Записать линейное дисперсионное уравнение системы, представить его в виде системы дифференциальных уравнений, решить численным методом и построить зависимости дисперсий флюктуационной s²_фл(t) и динамической s²_g(t) составляющих ошибки системы от времени (выбрать начальное условие , ).

4. С помощью частотных методов анализа систем рассчитать s²_фл и s²_g в установившемся режиме. Сравнить результаты п.3 и п.4.

 

ВОЗМОЖНОСТИ СРЕДЫ «DesignLab 8.0» И КРАТКАЯ