Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 7 ТСС 1
Среда исследования моделей.
В настоящее время нет необходимости при изучении моделирования ТС использовать универсальные языки программирования высокого уровня. При этом основное внимание уделяется программированию, а не моделированию, много времени тратится на “непредметные” проблемы – отладку программ, численные методы решения дифференциальных уравнений – в этом состоит главный недостаток такого подхода.
Наиболее эффективными для моделирования динамических объектов и систем управления являются математические пакеты. После анализа некоторых из них был выделен пакет Matlab. Использование его в сочетании со SCADA-системой предоставляет широкие возможности по моделированию и визуализации.
Методика моделирования систем управления на данном комплексе состоит из следующих этапов:
1. Разработка модели объекта регулирования.
В зависимости от сложности моделируемого объекта и от цели моделирования, подход к созданию модели может быть разным (аналитическая модель, логико-динамическая модель). Структура пакета Matlab позволяет сочетать два основных подхода к созданию модели – аналитический и имитационный.
2. Создание человеко-машинного интерфейса в SCADA-системе.
SCADA-система в данном случае выполняет те же функции, что и в АСУ ТП, а именно предоставление информации о ходе технологического процесса (о моделируемом объекте), а также, при необходимости, управление им.
3. Организация взаимодействия между пакетами
Взаимодействие пакетов HMI/SCADA и математического пакета Matlab способствует более глубокому изучению систем автоматического управления различных технологических процессов при сохранении относительно небольшой трудоемкости выполнения этой задачи.
Система MATLAB (сокращение от MATrix LABoratory - МАТричная Лаборатория) разработана фирмой The MathWorks, Inc. (США, г.Нейтик, шт. Массачусетс) и является интерактивной системой для выполнения инженерных и научных расчетов, которая ориентирована на работу с массивами данных. Система использует математический сопроцессор и допускает обращения к программам, написанным на языках Fortran, C и C++.
Наиболее известные области применения системы MATLAB:
MATLAB – это интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, необходимое для программирования на скалярных языках типа Fortran или C. Будучи ориентированной на работу с реальными данными, эта система выполняет все вычисления в арифметике с плавающей точкой, в отличие от систем компьютерной алгебры REDUCE, MACSYMA, DERIVE, Maple, Mathematica, Theorist, где преобладает целочисленное представление и символьная обработка данных.
Система MATLAB – это одновременно и операционная среда и язык программирования. Одна из наиболее сильных сторон системы состоит в том, что на языке MATLAB могут быть написаны программы для многократного использования. Пользователь может сам написать специализированные функции и программы, которые оформляются в виде М-файлов. По мере увеличения количества созданных программ возникают проблемы их классификации и тогда можно попытаться собрать родственные функции в специальные папки. Это приводит к концепции пакетов прикладных программ (Application Toolboxes или просто Toolboxes), которые представляют собой коллекции М-файлов для решения определенной задачи или проблемы.
В действительности Toolboxes – это нечто большое, чем просто набор полезных функ-ций; часто это результат работы многих исследователей по всему миру, которые объеди- няются в группы по самым различным интересам, начиная от нейтронных сетей, дифференциальных уравнений в частных производных, сплайн-аппроксимации, статистики и размытых множеств до проектирования робастных систем управления, теории сигналов, идентификации, а также моделирования линейных и нелинейных динамических систем с помощью исключительно эффективного пакета SIMULINK. Именно поэтому пакеты прикладных программ MATLAB Application Toolboxes, входящие в состав семейства продуктов MATLAB, позволяют находиться на уровне самых современных мировых достижений в разных областях науки и техники.
Интерфейс Matlab Вызов и выход из MATLAB
Вызов MATLAB-а. Для вызова системы MATLAB требуется двойное нажатие на иконку в рабочем столе Windows. При инсталляции MATLAB-а стартовой директорией по умолчанию является $matlabroot\work, где $matlabroot есть директория, где установлены файлы системы MATLAB.
При вызове, система MATLAB автоматически выполняет главный М-файл (master M-file) matlabrc.m., и файл startup.m (есди последний существует). Файл matlabrc.m, которые расположен в директории local, зарезервирован фирмой The MathWorks, а в многопользова-тельских системах может быть использован также системным менеджером. Файл startup.m предназначен для задания ряда стартовых опций (возможностей) по усмотрению пользователя. Вы можете изменить исходные пути доступа (см. далее), ввести заранее определенные переменные в рабочее пространство, изменить текущую директорию и т.д. Стартовый файл startup.m следует ввести в директорию $matlabroot\toolbox\local (более подробно с данным вопросом можно ознакомиться в справочных пособиях по MATLAB-у).
Итак, запускаем Matlab и видим в окне довольно типичную среду разработки. Справа находится область ввода команд, слева область отображения рабочих переменных.
Выход из MATLAB-а. Для окончания сеанса работы с MATLAB следует выбрать опцию Exit MATLAB (Выход из MATLAB) в меню File на рабочем столе MATLAB-а, или напечатать quit (Выход) в командном окне Command Window.
Лекция 7 ТСС 3
При выходе, MATLAB выполняет специальный файл finish.m, относящийся к типу сценариев (см. далее) , если только данный файл существует в текущей директории или где-либо на пути доступа системы MATLAB. Файл finish.m создается пользователем. Он должен содержать функции или операции, которые пользователь желает автоматически выполнить при выходе из системы MATLAB, например, такие как сохранение рабочего пространства или вызов диалогового окна, запрашивающего подтверждения выхода. В указанной выше директории $matlabroot\toolbox\local имеются два файла, которые пользователь может использовать в качества образца при создании своего файла finish.m:
•finishsav.m – Включает функцию save, что приводит к автоматическому запоминанию рабочего пространства при выходе из MATLAB-а.
•finishdlg.m – Выводит на экран подтверждающее диалоговое окно, которое позволяет аннулировать выход.
Рабочий стол (desktop) системы MATLAB
Рабочий стол системы MATLAB содержит следующие инструментальные окна, часть из которых не появляется при начальном запуске:
• Command Window (Командное Окно) – Выполняет все функции и команды системы MATLAB.
• Command History (История Команд) – Просмотр функций, введенных ранее в Command Window, их копирование и выполнение.
• Launch Pad (Окно Запуска) – Запускает все инструменты и обеспечивает доступ ко всем пакетам системы MATLAB .
• Current Directory Browser (Окно Просмотра Текущего Каталога) – Просмотр файлов MATLAB, а также сопутствующих файлов, а также выполнение таких операций над файлами, как поиск и открытие файлов.
• Help Browser (Окно Просмотра Помощи) – Поиск и просмотр документации по всем функциям и средствам системы MATLAB.
• Workspace Browser (Окно Просмотра Рабочего Пространства) – Просмотр и изменение
содержания рабочего пространства (workspace) системы MATLAB.
• Array Editor (Редактор Массивов Данных) – Просмотр содержимого массивов данных,
записанных в виде таблицы и редактирование данных.
• Editor/Debugger (Редактор/Отладчик) – Для создания, редактирования и отладки М- файлов, т.е. файлов, содержащих функции системы MATLAB.
Общий вид рабочего окна MATLAB представлен ниже (рис.1). Каждое из перечисленных окон может быть выведено из конфигурации рабочего стола нажатием кнопки со стрелкой в верхнем правом углу окна (см. рис. 1). Обратная операция, то есть ввод в общую конфигурацию, осуществляется выбором опции Dock в меню View сответствующего окна. Можно также изменить конфигурацию рабочего стола путем перемещения любого откры-того окна в новое положение. Для этого нужно просто нажать левой клавишей мыши на выбранное название окна (Title Bar) и «перетащить» его в желаемое положение.
Для восстановления стандартной конфигурации рабочего стола MATLAB необходимо выбрать опцию Default (По Умолчанию) в подменю Desktop Layout (План Рабочего Стола) в меню View (Вид) любого открытого окна системы. Все окна MATLAB содержат также контекстное меню (context menu), которое вызывается нажатием правой кнопки мыши и содержит наиболее часто применяемые опции (функции), связанные с данным окном.
Таким образом. в системе MATLAB имеется возможность изменения вида рабочего стола путем открытия, закрытия, перемещения или изменения размеров каждого из индивидуальных окон.
Просмотр продуктов Просмотр или Кнопка для
и демонстрационных Вызов изменение текущей вывода окна из состава
роликов помощи Ввод функций директории рабочего стола Закрытие окна
Просмотр и вызов Переход к рабочему Нажатием левой клавиши мыши и перемещением
введенных ранее команд пространству (Workspace) можно изменять границы окон
и к окну текущего каталога
Рис. 1. Общий вид рабочего стола системы MATLAB
Наберите в области командного ввода:
a = 20;
В результате будет создана новая переменная a. Теперь ее можно использовать в выражениях:
b = a + 10;
В результате получаем новую переменную b, которая получит значение 30.
Обратите внимание на точку с запятой в конце строки - она приводит к подавлению вывода вычисленного значения в командную строку. Если точку с запятой не поставить, то значение переменной будет отображено в командной строке, что может приводить к серьезной задержке, особенно если вы работаете с большими массивами, например, изображениями.
Переменные в Matlab не требуют объявления, но тем не менее сами переменные типизированы. Это означает, что для некоторых операций необходимы специальные преобразования.
Уничтожить созданную переменную можно специальной командой:
clear a;
Итак, переменные в Matlab:
Чувствительны к регистру в имени
Не требуют определения типа переменной (целая, вещественная, массив)
Для просмотра значения переменной достаточно набрать ее имя в командной строке (без точки с запятой в конце)
Для уничтожения переменной надо использовать команду clear
ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА MATLAB-е,: Быстрый старт
М-файлы языка MATLAB могут быть или сценариями (scripts), которые просто выполняют серию операторов (выражений), или же они могут быть функциями (functions), допускающи-ми также входные аргументы и выходные переменные. Вы можете создать М-файлы исполь-зуя текстовой редактор и затем использовать их как любую другую функцию или команду системы MATLAB.
Лекция 7 ТСС 5
В простейшем случае процесс выглядит так:
Схематически это можно отобразить следующим образом:
Типы М-файлов
Как указывалось выше, имеется два типа М-файлов, общие свойства которых приведены в таблице
|
М-сценарии |
М-функции |
|
Не допускают входных и выходных переменных |
Допускают входные и выходные аргументы |
|
Оперируют в данными из рабочей области |
Внутренние переменные по умолчанию являются локальными по отношению к функциям |
|
Предназначены для автоматизации последовательности шагов, которые нужно выполнять много раз |
Предназначены для расширения возможностей языка MATLAB (библиотеки функций, пакеты прикладных программ) |
Что такое М-файл ?
В данном разделе мы рассмотрим основные части, из которых состоит М-функция. Допустим, мы имеем следующую функцию fact, вычисляющую факториал целого числа:
function f = fact (n) % Строка определения функции
% FACT Factorial. % Первая строка помощи (H1 line)
% FACT(N) returns the factorial of N, H! % Текст помощи (Help text)
% usually denoted by N!
% Put simply, FACT(N) is PROD(1:N).
f = prod(1:n); % Тело функции
Эта функция имеет некоторые элементы, которые являются общими для всех функций системы MATLAB:
• Строка определения функции. Эта строка задает имя функции , а также число и порядок входных и выходных аргументов.
• Строка H1 (H1 line). H1 обозначает «первую строку» помощи. MATLAB выводит эту строку в командное окно, когда вы пользуетесь функцией lookfor или запрашиваете помощь по всей директории.
• Текст помощи (Help text). MATLAB выводит в командное окно данный текст вместе со строкой H1, когда вы запрашиваете помощь по конкретной функции, то есть вводите help Имя_Функции.
• Тело функции. Эта часть функции содержит коды (команды), которые выполняют вычисления и определяют значения всех выходных переменных.
Сценарии
Сценарии являются простейшим типом М-файлов, поскольку они не имеют входных или выходных аргументов. Они полезны для автоматизации последовательности команд, таких как обычные вычисления, которые приходится часто выполнять в командном окне. Сценарии работают над существующими данными в рабочем пространстве; вы также можете создавать новые данные при помощи сценариев. Все переменные, созданные в результате выполнения сценариев, остаются в главном рабочем простанстве MATLAB-а, так что вы можете исполь-зовать их для дальнейших вычислений.
Простой пример сценария
Приведенные ниже выражения вычисляют функцию rho для нескольких тригонометричес-ких функций угла theta, и строят серию графиков в полярной системе координат
% An M–file script to produce % Линия комментариев
% "flower petal" plots
theta = –pi:0.01:pi; % Вычисления
rho(1,:) = 2*sin(5*theta).^2;
rho(2,:) = cos(10*theta).^3;
rho(3,:) = sin(theta).^2;
rho(4,:) = 5*cos(3.5*theta).^3;
for i = 1:4
polar(theta,rho(i,:)) % Вывод на графики
pause
end
Получение справки в Matlab
Для знакомства с функциями и определения синтаксиса команд можно также использовать командную строку. Конечно, можно воспользоваться стандартной справкой, но если нам известна конкретная команда, то проще воспользоваться командным вводом (для этого нужно владеть английским).
Итак, специальная команда help вызывает справку в Matlab. Вызыванная без параметров она выдает оглавление пакетов функций, установленных в вашей системе.
help
Ответ системы будет выглядеть примерно так:
>> help
HELP topics
matlab\general - General purpose commands.
matlab\ops - Operators and special characters.
matlab\lang - Programming language constructs.
matlab\elmat - Elementary matrices and matrix manipulation.
matlab\elfun - Elementary math functions.
matlab\specfun - Specialized math functions.
matlab\matfun - Matrix functions - numerical linear algebra.
matlab\helptools - Help commands.
matlab\winfun - Windows Operating System Interface Files (COM/DDE)
matlab\demos - Examples and demonstrations.
Если хотим узнать перечень функций конкретного пакета, скажем elfun, то нужно просто набрать:
help elfun
Система выдаст полный список доступных элементарных функций. Чтобы просмотреть справку по назначению и синтаксису конкретной функции, скажем SIN нужно набрать:
help sin
И теперь из ответа мы знаем, что функция-синус принимает в качестве входного параметра матрицу (для Matlab число - это матрица размером 1х1) и в ответе для каждого элемента рассчитывает значение синуса.
>> help sin
SIN Sine.
SIN(X) is the sine of the elements of X.