У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

тема управління судном по курсу

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2016-03-30

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 29.4.2025

Лабораторна робота № 10. Моделювання систем управління в пакеті Simulink

Мета роботи

  •  освоєння методів моделювання лінійних систем в пакеті Simulink

Програма роботи

  •  навчитися будувати і редагувати моделі систем управління в пакеті Simulink
  •  навчитися змінювати параметри блоків
  •  навчитися будувати перехідні процеси
  •  навчитися оформляти результати моделювання
  •  вивчити метод компенсації постійних обурень за допомогою ПІД-регулятора

Опис системи

У роботі розглядається система управління судном по курсу. Її структурна схема показана на малюнку.

Структурна схема системи стабілізації судна на курсі

Лінійна математична модель, що описує рискання судна, має вигляд

де  – кут  рискання (кут відхилення від заданого курсу)   – кутова швидкість обертання  навколо вертикальної осі  – кут повороту вертикального керма щодо положення рівноваги – постійна часу – постійний коефіцієнт, що має розмірність рад/сек. Передавальна функція від кута повороту рулюючи до кута рискання запишеться у вигляді

.

Привід (рульова машина) приблизно моделюється як інтегруюча ланка, охоплена одиничним негативним зворотним зв'язком, так що її передавальна функція рівна

.

Для вимірювання кута рискання використовується гірокомпас, математична модель якого записується у вигляді аперіодичної ланки першого порядку з передавальною функцією

.

Досліджуються перехідні процеси в системі при використанні ПД-регулятора

,

і ПІД-регулятора

.

Інструкція по виконанню роботи

Етап виконання завдання

Команди Matlab
  1.  Для запуску пакету Simulink клацніть по кнопці в командному вікні Matlab або введіть команду simulink в командному рядку.

simulink
  1.  Створіть нову модель за допомогою верхнього меню вікна Simulink Library Browser, що відкрилося.

 

File – New – Model
  1.  Перетягніть блок Transfer Fcn (передавальна функція) з вікна Simulink Library Browser (група Continuous) у вікно моделі і введіть чисельник і знаменник передавальної функції моделі судна.

Подвійне клацання на блоці

  •  Numerator [K]
    •  Denominator [Ts 1 0]
  1.  Дайте блоку назву Судно.

ЛКМ на імені блоку
  1.  Аналогічно додайте ще три блоки типу Transfer Fcn, назвіть їх  Привід, Регулятор і Гірокомпас, введіть потрібні параметри. Відмітьте, що передавальна функція приводу повинна бути  з урахуванням внутрішнього зворотного зв'язку.
  1.  Збережете модель в своїй теці під ім'ям lab3.mdl1.

File – Save
  1.  Виділите блок Гірокомпас і розверніть його в інший бік.

Натиснути Ctrl+I або двічі натиснути Ctrl+R.
  1.  Зробіть, щоб назви блоків Судно, Привід і Регулятор були над блоками.

ПКМ на блоці

Format - Flip name
  1.  Виберіть колір блоків на свій смак.

ПКМ на блоці

Format – Background color
  1.  Перетягніть у вікно моделі блок Sum з групи Math Operations і встановите його зліва від регулятора.

ЛКМ
  1.  Зробіть так, щоб другий вхід враховувався в сумі із знаком мінус (негативний зворотний зв'язок).

Подвійне клацання на блоці, ввести |+- у полі

List of signs
  1.  Перетягніть у вікно моделі блок Step з групи Sources і встановите його зліва від суматора. Дайте йому ім'я Заданий курс.

  1.  Встановите час подачі сигналу 0 і величину сигналу 10 (досліджуємо поворот на 10 градусів).

Подвійне клацання на блоці

0 в полі Step time

10 в полі Final value
  1.  З'єднаєте всі блоки потрібним способом.

ЛКМ на джерелі, утримувати Ctrl і ЛКМ на приймачі, або протягнути ЛКМ від виходу одного блоку до входу іншого
  1.  Перетягніть у вікно моделі два блоки Scope (осцилограф) з групи Sinks і встановите їх в правій частині. Назвіть їх Кермо і Курс.

  1.  Зробіть, щоб на перший блок Scope поступав сигнал управління (кут повороту рулюючи, після блоку Привід), а на другий  сигнал виходу (курс судна). Збережете модель.

Натиснути ПКМ на лінії в точці відбору сигналу, потім, не відпускаючи ПКМ, тягнути лінію до входу блоку.

  1.  Зменшіть вікно до мінімального розміру, при якому видно всі елементи, і скопіюйте модель в буфер обміну. Потім вставте її з буфера обміну в звіт.

Edit – Copy model to clipboard
  1.  Встановіть час моделювання 100 секунд.

Simulation – Simulation parameters

100 в полі Stop time
  1.  Виконайте моделювання.

ЛКМ по кнопці

  1.  Подивіться результати моделювання, відкривши вікна для блоків Курс і Кермо.

Подвійне клацання по блоку
  1.  Відкладіть масштаб по осях у вікнах обох блоків

ЛКМ по кнопці – встановити оптимальний масштаб

  1.  Збережіть настройки

ЛКМ по кнопці  
  1.  Зробіть так, щоб результати моделювання передавалися з обох блоків Scope в робочу область Matlab у вигляді матриць, в яких перший стовпець – час, а другий – сигнал (курс або кут повороту рулюючи).

 

ЛКМ по кнопці  

вкладка Data history

Variable name:

       phi   (Курс) або

       delta (Кермо)

Format: Array       
  1.  Виконайте моделювання ще раз.

ЛКМ по кнопці

  1.  Перейдіть в командне вікно Matlab і створіть нове вікно для графіка. У одному вікні будуть побудовані дві кривих на різних осях.

figure(1);
  1.  Розбийте вікно на 2 частини по вертикалі і зробіть активним перший графік. Перше число в команді subplot означає кількість осередків з графіками по вертикалі, друге – по горизонталі, третє – номер осередку, який треба зробити активним2.

subplot(2, 1, 1);
  1.  Побудуйте графік зміни курсу. У команді plot спочатку указують масив абсцис, потім – масив ординат. Двокрапка означає, що використовуються всі рядки.

plot(phi(:,1),phi(:,2));
  1.  Введіть заголовок графіка.

title('Курс');
  1.  Введіть назви осей координат. Усередині апострофів для введення грецьких букв дозволяється використовувати команди LaTeX, Наприклад, «\phi» означає грецьку букву а «\delta» – букву .

xlabel('Час, сек');

ylabel('\phi, градуси');
  1.  Аналогічно побудуйте в другому осередку графік зміни кута повороту рулюючи, використовуючи дані з масиву delta, отриманого в результаті моделювання.

subplot(2, 1, 2);

plot(delta(:,1),delta(:,2));

title('Кут повороту рулюючи');

xlabel('Час, сек');

ylabel('\delta, градуси');
  1.  Скопіюйте побудований графік в звіт.

print -dmeta
  1.  Видаліть у вікні моделі зв'язок між приводом і об'єктом.


ЛКМ по лінії, натиснути Delete.

  1.  Додайте ще один блок Sum з групи Math Operations і встановите його на місце, що звільнилося. Набудуйте розташування входів і виходу так, щоб перший вхід був у верхній частині круга..


Подвійне клацання по блоку

++| у полі List of signs
  1.  Досліджуємо реакцію системи на постійний сигнал, прикладений безпосередньо до входу об'єкту. Він може моделювати якусь постійну обурюючу дію, наприклад, вплив вітру.
  1.  Скопіюйте блок Заданий курс, перетягнувши його правою кнопкою миші, і встановите для нього величину стрибка 2 градуси. Дайте йому назву Обурення. Підключите  його вихід до нового суматора. Добудуйте потрібні сполучні лінії.


Перетягання ПКМ.

Подвійне клацання по блоку

  2 в полі Final Value

Подвійне клацання по імені
  1.  Скопіюйте отриману модель в звіт.

Edit – Copy model to clipboard
  1.  Збільште час моделювання до 500 і виконаєте моделювання. Перевірте, чи вийшло судно на заданий курс 10 градусів.

 

Simulation – Simulation parameters - Stop time

ЛКМ по кнопці

  1.  Побудуйте передавальну функцію по обуренню замкнутої системи з ПД-регулятором. З її допомогою поясните результат, отриманий на попередньому кроці.
  1.  Для цієї передавальної функції обчислите коефіцієнт посилення в сталому режимі. З його допомогою розрахуйте стале значення сигналу виходу при заданому курсі 10 градусів і постійному обуренні, еквівалентному 2 градусам повороту рулюючи. Чи співпадає це число з результатами моделювання?
  1.  Перейдіть в командне вікно Matlab і запам'ятаєте результати моделювання в нових масивах. Вони знадобляться для того, щоб порівняти початковий і скоректований варіанти системи.

phi0 = phi;

delta0 = delta;
  1.  Щоб регулятор компенсував постійну складову обурення, треба додати в нього інтегральний канал. Таким чином, виходить ПІД-регулятор. Підключите паралельно регулятору інтегруюча ланка з передавальною функцією  

  1.  Виконаєте моделювання. Перевірте, чи вийшло судно на заданий курс 10 градусів.

 

ЛКМ по кнопці

  1.  Побудуйте передавальну функцію по обуренню замкнутої системи з ПІД-регулятором. З її допомогою поясните результат, отриманий на попередньому кроці.
  1.  Для цієї передавальної функції обчислите коефіцієнт посилення в сталому режимі. З його допомогою розрахуйте стале значення сигналу виходу. Чи співпадає це число з результатами моделювання?
  1.  Побудуйте у верхній частині графіка 2 кривих – перехідні процеси по курсу для ПД- і ПІД-регуляторів. У команді plot можна перераховувати декілька пар масивів – перша пара відповідає першому графіку, друга – другому і так далі Три крапки в кінці рядка означають перенесення команди на наступний рядок. Команда legend служить для виведення легенди – символьних рядків, що описують кожен з побудованих графіків.

subplot(2, 1, 1);

plot(phi0(:,1), phi0(:,2)...       

    phi (:,1), phi(:,2));

title('Курс');

xlabel('Час, сек');

ylabel('\phi, градуси');

legend('ПД-регулятор' ...

      'ПІД-регулятор');
  1.  Аналогічно побудуйте в нижній частині графіка 2 кривих – зміна кута перекладання рулюючи для ПД- і ПІД-регуляторів, використовуючи дані з масивів delta0 і delta.

  1.  Скопіюйте побудований графік в звіт через буфер обміну. Зробіть виводи про вплив інтегрального каналу на перехідні процеси в системі.
  1.  Побудуйте передавальну функцію розімкненої системи з ПІД-регулятором.

  1.  Визначте запаси стійкості системи з ПІД-регулятором. Чи є вони достатніми?

[gm,phim] = margin(W)

gm = 20*log10(gm)


Таблиця коефіцієнтів

Варіант

сек

рад/сек

сек

сек
  1.  

16.0

0.06

1

1
  1.  

16.2

0.07

2

2
  1.  

16.4

0.08

1

3
  1.  

16.6

0.07

2

4
  1.  

16.8

0.06

1

5
  1.  

17.0

0.07

2

6
  1.  

17.2

0.08

1

1
  1.  

17.4

0.07

2

2
  1.  

17.6

0.06

1

3
  1.  

17.8

0.07

2

4
  1.  

18.0

0.08

1

5
  1.  

18.2

0.09

2

6
  1.  

18.4

0.10

1

1
  1.  

18.6

0.09

2

2
  1.  

18.8

0.08

1

3
  1.  

19.0

0.07

2

4
  1.  

19.2

0.08

1

5
  1.  

19.4

0.09

2

6
  1.  

19.6

0.10

1

1
  1.  

18.2

0.0694

2

6

Контрольні питання до захисту

  1.  Див. всі питання до робіт № 1 і № 2.
  2.  Як знайти передавальну функцію інтегратора, охопленого зворотним зв'язком?
  3.  Як запустити пакет Simulink?
  4.  Що таке Library Browser?
  5.  Яке розширення мають файли – моделі Simulink?
  6.  Як створити нову модель?
  7.  Як з'єднати два блоки, що мають відповідно вільний вихід і вільний вхід?
  8.  Як зробити, щоб один і той же сигнал поступав на декілька блоків?
  9.  Як передати результати моделювання в робочу область Matlab? У якому вигляді вони передаються?
  10.  Як видалити блок або зв'язок між блоками?
  11.  Як визначити потрібні масштаби для осей координат у вікнах Scope і запам'ятати їх?
  12.  Як скопіювати блок у вікні моделі?
  13.  Як змінити знаки арифметичних дій в суматорі?
  14.  Як скопіювати зображення моделі в документ Microsoft Word?
  15.  Як змінити час моделювання?
  16.  Як змінити назву у блоку?
  17.  Як зробити, щоб назва блоку була з іншого боку?
  18.  Як змінити колір фону блоку? колір напису?
  19.  Як ввести параметри блоку Transfer Fcn (передавальна функція)?
  20.  Як знайти передавальну функцію системи по обуренню?
  21.  Чому при використанні ПД-регулятора система не компенсує постійне обурення?
  22.  Як, знаючи статичний коефіцієнт посилення по обуренню, визначити стале відхилення від заданого курсу?
  23.  Якими властивостями повинна володіти передавальна функція по обуренню для того, щоб постійне обурення повністю компенсувалося?
  24.  Якими властивостями повинен володіти регулятор для того, щоб постійне обурення повністю компенсувалося?
  25.  Які переваги дає використання інтегрального каналу в ПІД-регуляторі?
  26.  Чому порядок передавальної функції замкнутої системи по обуренню з ПІД-регулятором на 1 більше, ніж для системи з ПД-регулятором?
  27.  Які параметри приймає команда subplot?
  28.  Що означає двокрапку в записі phi(:,1)?
  29.  Як вивести на графік заголовок і назви осей?
  30.  Як побудувати в одному вікні два разных графіка?
  31.  Як на одному графіку побудувати декілька кривих?
  32.  Що таке легенда? Як вивести легенду на графік?
  33.  Як виводити на графіці букви грецького алфавіту?


Теорія автоматичного управління

Звіт по лабораторній роботі № 10

Моделювання систем управління в пакеті Simulink

Виконали:

студенти гр. 23ЭА1 Іванов і.І., Петров п.П.

Перевірив:

к.т.н., доцент Поляков к.Ю.

Варіант

20

  1.  Опис системи

Досліджується система управління судном по курсу, структурна схема якої показана на малюнку.

Рух судна описується лінійною математичною моделлю у вигляді передавальної функції

де  рад/сек  сек

Привід моделюється як інтегруюча ланка, охоплена одиничним негативним зворотним зв'язком, так що її передавальна функція рівна

     

Вимірювальний пристрій (гірокомпас) моделюється як аперіодична ланка з передавальною функцією

   

  1.  Дослідження системи з ПД-регулятором
    •  передавальна функція ПД-регулятора, що забезпечує перехідний процес мінімальної тривалості

де  

  •  модель системи з ПД-регулятором

  •  перехідні процеси в системі з ПД-регулятором при зміні курсу на 10 градусів

  •  модель системи з ПД-регулятором з урахуванням зовнішнього обурення

  •  передавальна функція по обуренню для системи з ПД-регулятором

      0.003813 s^3 + 0.006355 s^2 + 0.00286 s + 0.0003178

------------------------------------------------------------------

s^5 + 1.722 s^4 + 0.8416 s^3 + 0.1245 s^2 + 0.008877 s + 0.0002239

  •  судно з ПД-регулятором не вийшло на заданий курс 10 градусів, тому що .
    •  статичний коефіцієнт посилення стале значення сигналу виходу повинне бути рівне тому що .; ці дані узгоджуються з результатами моделювання
  1.  Дослідження системи з ПІД-регулятором
    •  передавальна функція ПІД-регулятора

,   

де  

  •  модель системи з ПІД-регулятором з урахуванням зовнішнього обурення

  •  передавальна функція по обуренню для системи з ПІД-регулятором

             0.003813 s^4 + 0.006355 s^3 + 0.00286 s^2 + 0.0003178 s

-----------------------------------------------------------------------------------

s^6 + 1.722 s^5 + 0.8416 s^4 + 0.1245 s^3 + 0.008877 s^2 + 0.0002255 s + 1.589e-006

  •  при використанні ПІД-регулятора судно виходить на заданий курс, тому що .
    •  статичний коефіцієнт посилення стале значення сигналу виходу повинне бути рівне тому що .; ці дані узгоджуються з результатами моделювання
    •  перехідні процеси в системах з ПД- і ПІД-регуляторами

  •  при використанні ПІД-регулятора замість ПД-регулятора . (що покращало?),
    •  при цьому сигнал управління . (як змінився?)
    •  в той же час . (що погіршало?)
    •  передавальна функція розімкненої системи з ПІД-регулятором

0.004298 s^2 + 0.0002255 s + 1.589e-006

--------------------------------------------------------

s^6 + 1.722 s^5 + 0.8416 s^4 + 0.1245 s^3 + 0.004579 s^2

запас стійкості по амплітуді дБ, по фазі запаси є достатніми

1 Всі файли моделей в пакеті Simulink мають розширення .mdl.

2 При вводі цієї і наступних команд вікно з графіком не зявляється на экрані. Щоб подивитися зміни, потрібно вручну зробити його активним, клацнувши мишкою на відповідній кнопці в панелі задач.

PAGE   \* MERGEFORMAT 10


ПИД-регулятор

ПД-регулятор

ПИД-регулятор

Д-регулятор

, градусы

d

Время, сек

Угол перекладки руля

40

30

20

10

0

-10

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

, градусы

f

Время, сек

Курс

15

10

5

0

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

–

измерительная система

привод

EMBED Equation.3

R0(s)

регулятор

объект

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

H(s)

P(s)

C(s)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

–

+

–

вимірювальна система

привод

EMBED Equation.3

R0(s)

регулятор

Об'єкт

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

H(s)

P(s)

C(s)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

–

+




1.  Місце та роль залізничного транспорту в економіці України
2. модульною системою організації навчального процесу для студентів усіх напрямів підготовки денної форми
3. бухгалтеров в России Профессиональные бухгалтеры во всем мире выполняют в обществе важную роль
4. О защите прав потребителей с изменениями от 05
5. Основы банковского дела
6. тема следующих одно за другим перевоплощений переходов из одной телесной оболочки в другую
7. тема персонажей Традиционное и новаторское
8. лекция проф ЮВШубика
9. а Gibson MndolinGuitr Mfg
10.  Физические и физикохимические процессы в промерзающих мерзлых и оттаивающих породах Мерзлые породы ~

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе