Принципы построения моделей в VisSim

 

Исходными данными для построения модели в VisSim являются структурно-функциональная схема моделируемой системы, процесса или объекта и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. Вместо таких уравнений могут быть заданы операторы или функции, характеризующие отдельные элементы моделируемой системы, например, передаточные функции для линейных элементов и статические характеристики для нелинейных элементов.

Реальные системы и объекты состоят из отдельных, связанных и взаимодействующих друг с другом элементов. И для всей системы в целом, и для отдельных ее, должным образом выбранных элементов, можно указать место приложения воздействия, которое можно назвать входом, и место их реакции (отклика) на входное воздействие, называемое выходом. И воздействие, и реакция – это некоторые физические величины, являющиеся функциями времени.

Модели систем и объектов в программе VisSim строятся из отдельных элементов – блоков. Блок – это виртуальный аналог физического элемента реальной системы. Термин «аналог» предполагает, что блок функционирует, он подчиняется тем же самым уравнениям, что и реальный, моделируемый элемент системы.

Виртуальные блоки VisSim могут иметь или вход, на который может быть подан выходной сигнал другого блока, или выход, виртуальный сигнал с которого может быть подан на вход другого блока. Наконец, блоки могут иметь и вход, и выход одновременно. Взаимодействие между блоками отображается т.н. линиями связи, указывающими направление передачи воздействий (сигналов) от одного блока к другому.

Взаимодействие между блоками моделируется сигналами - функциями времени, передаваемыми между блоками по линиям связи. Сигналы в модели могут быть измерены с помощью виртуальных измерительных устройств или рассмотрены и изучены с помощью виртуального осциллографа.

Внешне виртуальные блоки VisSim с некоторой степенью условности воспринимаются исследователем так же, как реальные устройства. Например, генераторы вырабатывают сигналы, блоки-преобразователи реагируют на входные сигналы в определенном смысле точно так же, как реальные устройства на реальные воздействия, индикаторы показывают величины сигналов.

Т.о., принцип построения модели в VisSim состоит в вынесении на рабочее пространство моделей реальных элементов (блоков) и соединении их в соответствии с заранее составленной структурно-алгоритмической схемой моделируемой системы. Такое построение модели из виртуальных блоков очень похоже, с известной степенью условности, на построение реальной системы из настоящих блоков (генераторов, осциллографов, и других устройств) в производственных условиях или на лабораторном стенде.

 

Основные блоки VisSim

 

Блоки VisSim можно условно разделить на три основных категории и одну дополнительную:

– Блоки, имеющие только выход: генераторы.

– Блоки, имеющие вход и выход: преобразователи.

– Блоки, имеющие только вход: индикаторы.

– Блоки без входов и выходов: надписи, комментарии и др.

Важным компонентом модели является соединительная линия - виртуальный аналог физического соединения элементов, передающего сигналы от одного элемента к другому. Соединительные линии в VisSim однонаправленные, передают сигналы с выхода одного блока к входу другого.

Генераторы

 

Генераторы это блоки, имеющие только выход.

Генераторы вырабатывают изменяющиеся во времени или постоянные сигналы.

Примерами таких блоков в VisSim являются блоки:

step (ступенька) - генератор ступенчатой функции ;

ramp (спуск, подъем)- генератор линейно растущего сигнала ;

sinusoid - генератор синусоидального сигнала ;

const - генератор постоянного сигнала, величина которого не меняется в процессе работы модели;

slider (скользящий контакт, ползунок) - генератор постоянного сигнала, величину которого можно менять в процессе работы модели.

Рисунок 1.2. – Важные блоки-генераторы программы VisSim.

 

Для помещения блока на рабочее пространство следует щелкнуть по пункту меню Blocks, перейти на пункт Signal Producer, затем щелкнуть по названию требуемого генератора, перевести курсор в нужное место рабочего пространства и щелкнуть левой кнопкой мыши.

 

Преобразователи

 

Преобразователи – это блоки, имеющие входы и выходы.

Блоки-преобразователи способны воспринимать воздействия от других блоков, преобразовывать их в соответствии с определенными уравнениями или правилами и выдавать преобразованный сигнал (отклик, реакцию блока) на выход.

Важнейшие блоки для моделирования линейных систем:

блок transferFunction – передаточная функция. Этот блок позволяет создавать модели как простых, так и очень сложных элементов линейных систем и систем в целом;

integrator – блок интегратора, осуществляющий интегрирование входного сигнала по времени;

summingJunction – сумматор двух и более сигналов, его выходной сигнал равен алгебраической сумме входных.

gain – усилитель.

 

 

Рисунок 1.3 – Меню для вызова блока передаточная функция (transferFunction).

 

Сумматор и усилитель вызываются путем выбора: Blocks → Arithmetic → summingJunction (сумматор) или gain (усилитель).

Блок transferFunction является важнейшим при моделировании САУ. Рассмотрим задание параметров данного блока. После размещения на диаграмме блок transferFunction выглядит следующим образом:

 

Рисунок 1.4 – Вид блока transferFunction до задания параметров

 

Открытие окна свойств данного блока осуществляется двойным нажатием левой клавиши мыши:

Рисунок 1.5 – Свойства блока transferFunction

Задание свойств блока передаточной функции осуществляется следующим образом. Допустим, задана передаточная функция в виде:

 

.

 

Для задания ее в VisSim необходимо соблюдать следующие правила:

1. В поле Gain (коэффициент усиления системы) вводится значение коэффициента усиления .

2. В поле Numerator вводятся через пробел коэффициенты полинома числителя передаточной функции в направлении убывания степени p. В нашем случае в данное поле вводятся коэффициенты .

3. В поле Denominator вводятся через пробел коэффициенты полинома знаменателя передаточной функции в направлении убывания степени p. В нашем случае в данное поле вводятся коэффициенты .

4. Поле Initial Value заполняется в случае, если заданы ненулевые начальные условия. В нашем случае начальные условия не заданы, поэтому оставляем значение по умолчанию равное 0.

Примечание: В VisSim с помощью блока transferFunction можно промоделировать только передаточные функции, представляющие правильную дробь, т.е. дробь, в которой степень полинома числителя меньше или равна степени полинома знаменателя (). При попытке задать передаточную функцию, где , программа выдаст ошибку.

 

Примеры:

Пример 1. Задана передаточная функция:

.

Запишем коэффициенты передаточной функции:

- коэффициент усиления ;

- полином числителя первого порядка, т.е. вида: , где ;

- полином знаменателя третьего порядка, т.е. вида: , где

.

окно задания свойств выглядит следующим образом:

 

Вид блока transferFunction после задания свойств:

Пример 2. Задана передаточная функция:

.

Окно задания свойств:

 

Вид блока transferFunction после задания свойств:

 

 

Блок summingJunction предназначен для задания в модели элемента «сумматор», выполняющего функции суммирования или вычитания сигналов на его входах. После размещения на диаграмме блок имеет вид:

При моделировании САУ зачастую необходимо изменить знак на одном или нескольких входах сумматора и добавить или удалить количество входов.

Замена знака на сумматоре производится следующим образом. Наводится курсор мыши на вход сумматора, знак которого нужно изменить, удерживается клавиша Ctrl и производится щелчок левой клавишей мыши по соответствующему входу. Пример сумматора со вторым инвертирующим входом:

 

 

Если необходимо добавить или удалить входы, следует нажать на соответствующие кнопки на панели инструментов:

 

 

Пример сумматора с четырьмя входами:

 

Блок Gain имеет один параметр – коэффициент усиления:

Индикаторы

 

Индикаторы – это блоки, имеющие только вход.

Индикаторы программы VisSim предназначены для отображения сигналов в форме удобной и привычной для исследователя.

Важнейшими индикаторами являются блоки:

– осциллограф - plot;

– цифровой индикатор - display.

Блоки индикации вызываются путем выбора пунктов меню Blocks → Signal Consumer → plot (display)

Виртуальный осциллограф (plot) VisSim представляет собой окно, похожее на экран осциллографа, в котором изображается зависимость наблюдаемых сигналов от времени (рисунок 1.6). На боковой стороне осциллографа помещены условные изображения входов, к которым могут быть подключены выходы других блоков диаграммы для наблюдения поведения их сигналов в зависимости от времени. В VisSim 3.0 на одном блоке plot можно наблюдать от 1 до 4 сигналов, изменяющихся во времени.

 

 

Рисунок 1.6 – Виртуальный осциллограф (plot)

 

 

Цифровой индикатор display VisSim показывает в цифровом виде значение сигнала на выходе того блока, к которому он подключен. Этот прибор используется для измерения постоянных величин.

Надписи и комментарии

 

Надписи – это блоки без входов и выходов.

Эти блоки позволяют создавать на рабочем пространстве диаграммы VisSim текстовые области, которые помогают понять смысл диаграммы. Основной блок: label - надпись.