АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Для створення підсистеми скористаємось меню Edit-Create Subsistem. Після перейменування вхідних та вихідних портів схема, що отримується показана на рис. 7.117.

Рис. 7.117. Підсистема двигуна постійного струму

Тепер зробимо маскування підсистеми двигуна постійного струму. Вікно з параметрами маски, що вводяться користувачем показано на рис. 7.118. Вікно розрахункових параметрів показано на рис. 7.119. Вікно з налаштуванням піктограми показане на рис. 7.120. Результуюча структурна схема показана на рис. 7.121.

Рис. 7.118. Вікно з параметрами маски, що вводяться користувачем

Рис. 7.119. Вікно розрахункових параметрів

Рис. 7.120. Вікно з налаштуванням піктограми

Рис. 7.121. Результуюча підсистема двигуна постійного струму

Проведемо дослідження роботи двигуна постійного струму. Нехай задані наступні паспортні дані двигуна: , , , , , , .

Спочатку необхідно зробити пуск двигуна в холосту на номінальну напругу живлення, а після появи усталеного руху швидкості – подати момент навантаження, рівний номінальному моменту двигуна. Після завершення перехідного процесу потрібно скинути момент навантаження, а потім знизити напругу живлення до 200 В. Отримати перехідні процеси струму, моменту двигуна, швидкості, ЕРС, моменту навантаження та напруги живлення. Структурна схема для цих режимів роботи зображена на рис. 7.122. Графік перехідного процесу швидкості з поясненнями зображений на рис. 7.123.

Рис. 7.122. Підсистема для забезпечення заданих режимів роботи

Рис. 7.123. Графік перехідного процесу кутової швидкості обертання валу двигуна

Графіки перехідних процесів всіх параметрів системи зображені на рис. 7.124.

Рис. 7.124. Графіки перехідних процесів у двигуні постійного струму для заданих режимів роботи

Програма у М-файлі для побудови графіків буде наступною

figure; %створення графічного вікна

subplot(3,2,1); %відкриття першого графічного підвікна

plot(t,w,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка w(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей та графіка

ylabel('\omega, рад/с');

grid; %активація сітки

subplot(3,2,2); %відкриття другого графічного підвікна

plot(t,M,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка M(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей

ylabel('М, Н*м');

grid; %активація сітки

subplot(3,2,3); %відкриття третього графічного підвікна

plot(t,I,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка I(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей

ylabel('І, А');

grid; %активація сітки

subplot(3,2,4); %відкриття четвертого графічного підвікна

plot(t,E,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка E(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей

ylabel('Е, В');

grid; %активація сітки

subplot(3,2,5); %відкриття п’ятого графічного підвікна

plot(t,U,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка U(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей

ylabel('U, B');

axis([0 2 0 250]); %масштабування графіка напруги

grid; %активація сітки

subplot(3,2,6); %відкриття п’ятого графічного підвікна

plot(t,Mc,'b-','LineWidth',2); %побудова графіка Mc(t)

xlabel('Час t, c'); %підписи осей

ylabel('Мс, Н*м');

grid; %активація сітки

Література: [2], стор. 224-232.

Завдання на СРС дослідження режиму зупинки двигуна.

Література: [2], стор. 224-232.

Контрольні запитання

1. Як математично описується електрична частина двигуна постійного струму?

2. Наведіть електричну схему заміщення двигуна постійного струму.

3. Як математично описується механічна частина двигуна постійного струму?

4. Як визначається момент на валу двигуна?

5. Як визначається ЕРС двигуна?

6. Напишіть систему диференційних рівнянь, які описують двигун постійного струму.

7. Наведіть методику складання структурної схеми у Simulink на основі математичної моделі двигуна постійного струму.

8. Які параметри моделі двигуна постійного струму потрібно обчислювати, а які вводити вручну?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/6.х. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 736 с.: ил. ISBN 5-94157-107-0

2. Островерхов М.Я.,Бур’ян С.О. Обчислювальна техніка та програмування-2: посібник з кредитного модуля для студентів напряму підготовки 6.050702 «Електромеханіка» спеціальності «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» – К.: НТУУ «КПІ», 2010, – 236 с.

3. Островерхов М.Я., Пижов В.М. Моделювання електромеханічних систем в Simulink: Навч. Посібник для студентів вищих навчальних закладів. – К.: ВД «Стилос», 2008. – 528 с.

4. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В. MATLAB 7. Самоучитель. – ISBN: 5-477-00283-2. Издательство "НТ Пресс" 2006. – 464 с.

5. Иглин С.П. Математические расчеты на базе Matlab. – Издательство "BHV-Санкт-Петербург" 2005. – 640 с.

6. Курбатова Е.А. MATLAB 7. Самоучитель. – Издательство: Вильямс, 2005. – 256 с.

7. Моделювання електромеханічних систем: Підручник / Чорний О.П., Луговой А.В., Родькін Д.Й., Сисюк Г.Ю., Садовой О.В. – Кременчук, 2001. – 376 с.

8. Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. — М.: Нолидж.— 2000.

9. Дьяконов В. П. Справочник по применению системы PC MatLAB. — М.: Наука,Физматлит. — 1993.

10. Поршнев С.В. MATLAB 7. Основы работы и программирования. Учебник. – ISBN: 5-9518-0137-0. Издательство "Бином. Лаборатория знаний", 2006. – 320 с.

11. Черных И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений. – Диалог-МИФИ, 2003. – 496 с.

ЗМІСТ

ЛЕКЦІЯ 1....................................................................................................... 3

Вступ................................................................................................................ 3

ЛЕКЦІЯ 2..................................................................................................... 12

РОЗДІЛ 6 Матрична лабораторія MATLAB............................................... 12

Тема 6.1 Основи роботи з функціями, векторами та матрицями................ 12

6.1.1 Основні арифметичні операції та принципи їх застосування............. 12

6.1.2 Способи завдання векторів.................................................................. 13

6.1.3 Основні операції з векторами.............................................................. 14

6.1.4 Звернення до елементів векторів та операції з ними.......................... 18

ЛЕКЦІЯ 3..................................................................................................... 20

6.1.5 Способи завдання матриць.................................................................. 20

6.1.6 Основні операції з матрицями............................................................. 20

6.1.7 Звернення до елементів матриці та операції з ними........................... 21

6.1.8Вирішення систем лінійних алгебричних рівнянь матричним

методом.......................................................................................................... 21

6.1.9 Матриці «спеціального» вигляду........................................................ 22

6.1.10 Особливості створення блочних матриць......................................... 25

ЛЕКЦІЯ 4..................................................................................................... 27

Тема 6.2 Побудова та правила оформлення графіків функцій................... 27

6.2.1 Правила побудови двовимірних графіків........................................... 27

6.2.2 Правила побудови тривимірних графіків........................................... 28

6.2.3 Правила побудови двох графіків з різними масштабами.................. 29

6.2.4 Оформлення підпису графіків та осей................................................. 30

6.2.5 Властивості лінії графіків..................................................................... 32

6.2.6 Вивід декількох графіків в одне графічне вікно................................. 33

6.2.7 Розбиття графічного вікна на підвікна................................................ 35

6.2.8 Створення легенди графіків................................................................. 36

6.2.9 Ручне масштабування осей графіків.................................................... 37

6.2.10 Побудова графіків кусково-заданих функцій................................... 39

ЛЕКЦІЯ 5..................................................................................................... 41

Тема 6.3 Обробка та редагування графіків за допомогою функцій графічних вікон 41

6.3.1 Структура графічного вікна та його основні параметри................... 41

6.3.2 Режим редагування вмісту графічного вікна...................................... 45

6.3.3 Способи апроксимації графіків........................................................... 47

6.3.4 Редагування тексту за допомогою функцій TeX................................. 51

ЛЕКЦІЯ 6..................................................................................................... 56

Тема 6.4 Програмування у М-файлах.......................................................... 56

6.4.1 Структура та правила програмування М-файлів............................... 56

6.4.2 Оператор циклу for. Правила вводу даних з командного

вікна............................................................................................................... 58

6.4.3 Умовний оператор if (if…else)............................................................. 60

ЛЕКЦІЯ 7..................................................................................................... 64

6.4.4 Використання логічних операторів та операторів

співвідношення.............................................................................................. 64

6.4.5 Умовний оператор while...................................................................... 66

ЛЕКЦІЯ 8..................................................................................................... 71

Тема 6.5 Чисельне вирішення диференційних рівнянь у М-файлах........... 71

6.5.1 Схема чисельного вирішення диференційних рівнянь з заданими початковими умовами та створення файла-функції........................................................... 71

6.5.2 Основні солвери для розв’язку диференційних рівнянь з заданими початковими умовами......................................................................................................... 72

6.5.3 Створення файла-розв’язку для чисельного вирішення диференційних рівнянь 73

ЛЕКЦІЯ 9..................................................................................................... 80

Тема 6.6 Символічні методи обчислення..................................................... 80

6.6.1 Символічний тулбокс (Symbolic Toolbox).......................................... 80

6.6.2 Символічні змінні................................................................................. 80

6.6.3 Символічні числа.................................................................................. 81

6.6.4 Символічні вирази................................................................................ 81

6.6.5 Символічні масиви............................................................................... 82

6.6.6 Спрощення та перетворення алгебричних виразів............................ 83

6.6.7 Вирішення алгебричних рівнянь у символічній формі...................... 86

6.6.8 Вирішення систем алгебричних рівнянь у символічній формі.......... 87

ЛЕКЦІЯ 10................................................................................................... 89

6.6.9 Вирішення диференційних рівнянь символічній формі..................... 89

6.6.10 Вирішення систем диференційних рівнянь у символічній

формі.............................................................................................................. 91

6.6.11 Диференціювання символічних виразів............................................ 92

6.6.12 Часткові похідні від символічних виразів......................................... 93

6.6.13 Обчислення границь символічних виразів........................................ 95

6.6.14 Інтегрування символічних виразів.................................................... 96

ЛЕКЦІЯ 11................................................................................................... 98

Розділ 7 Тулбокс візуального моделювання

Simulink..................................................................................................... 98

Тема 7.1 Основні бібліотеки блоків тулбоксу Simulink та їх

застосування.................................................................................................. 98

7.1.1 Запуск Simulink та послідовність створення нової моделі................. 98

7.1.2 Додавання текстових написів до моделі............................................ 107

7.1.3 Виділення, копіювання, переміщення, вставка, видалення об’єктів та робота з буфером обміну Windows........................................................................... 107

7.1.4 З’єднання, зміна розмірів та переміщення блоків............................ 109

7.1.5 Форматування об’єктів...................................................................... 111

7.1.6 Установка параметрів моделювання................................................. 112

7.1.7 Виконання розрахунку та завершення роботи................................. 115

ЛЕКЦІЯ 12................................................................................................. 117

7.1.8 Основні бібліотекі блоків Simulink.................................................... 117

7.1.8.1 Sources – джерела сигналів............................................................. 117

7.1.8.2 Sinks – приймачі сигналів............................................................... 125

7.1.8.3 Continuous – аналогові блоки......................................................... 138

ЛЕКЦІЯ 13................................................................................................. 143

7.1.8.4 Discontiniuties – нелінійні блоки..................................................... 143

7.1.8.5 Signal Routing – маршрутизатори сигналів................................... 145

7.1.8.6 Math Operations – блоки математичних операцій......................... 150

7.1.9 Вирішення алгебричних рівнянь графічним методом за допомогою

Simulink........................................................................................................ 158

7.1.10 Побудова заданої траєкторії руху.................................................. 163

7.1.11 Створення заданих сигналів............................................................ 166

ЛЕКЦІЯ 14................................................................................................. 169

Тема 7.2 Вирішення диференційних рівнянь за допомогою

структурних схем........................................................................................ 169

7.2.1 Побудова структурної схеми для вирішення диференційного рівняння першого порядку із заданими початковими умовами.............................................. 169

7.2.2 Приклади побудови структурних схем для вирішення диференційних рівнянь другого порядку.......................................................................................... 172

ЛЕКЦІЯ 15................................................................................................. 178

Тема 7.3 Вирішення систем диференційних рівнянь за допомогою структурних схем 178

7.3.1 Побудова структурної схеми для вирішення системи диференційних рівняння другого порядку.......................................................................................... 178

7.3.2 Побудова структурної схеми для вирішення системи диференційних рівняння третього порядку, що містить нелінійність................................................ 182

ЛЕКЦІЯ 16................................................................................................. 187

Тема 7.4 Вирішення диференційних рівнянь за допомогою редактора

DEE.............................................................................................................. 187

7.4.1 Структура редактора диференційних рівнянь DEE......................... 187

7.4.2 Приклад створення та розв’язання системи диференційних

рівнянь......................................................................................................... 188

7.4.3 Приклад вирішення системи диференційних рівнянь зі змінними коефецієнтами 191

ЛЕКЦІЯ 17................................................................................................. 196

Тема 7.5 Моделювання за допомогою структурних схем підсистем........ 196

7.5.1 Загальні відомості про підсистеми (Subsystems).............................. 196

7.5.2 Створення підсистем.......................................................................... 197

7.5.3 Маскування підсистем........................................................................ 199

7.5.4 Створення вікна параметрів.............................................................. 202

7.5.5 Приклад створення підсистеми.......................................................... 204

7.5.6 Створення піктограми підсистеми..................................................... 206

7.5.7 Приклад створення підсистеми диференційного рівняння третього порядку з піктограмами............................................................................................... 209

ЛЕКЦІЯ 18................................................................................................. 215

Тема 7.6 Моделювання електромеханічних систем на основі двигуна постійного струму...................................................................................................................... 215

7.6.1 Математична модель двигуна постійного струму............................ 215

7.6.2 Створення підсистеми, маскування та моделювання режимів роботи двигуна постійного струму....................................................................................... 218

Список літератури....................................................................................... 225

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Санкт-Петербург

УДК 681.3

ББК

Рецензенты:

Зав. кафедрой СПбГПУ И.М.Семенов

Кандидат физ.-мат. наук, ст.н.с ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН С.А.Поняев

Тутыгин В.С. Автоматизация физического эксперимента: Учеб. пособие /В.С.Тутыгин. – 2011. – 200 с.

Учебное пособие содержит изложение теоретических основ и принципов построения аппаратных и программных средств систем автоматизации физического эксперимента. Рассматриваются методы планирования и проведения однофакторного и многофакторного эксперимента, методы цифровой обработки результатов эксперимента, принципы выбора интерфейса для компьютерных систем измерения и управления, основы программирования процессов управления аппаратурой и обработки данных в среде Visual C++, LabWindows/CVI и MATLAB.

Учебное пособие предназначено для обучения студентов высших учебных заведений по направлению подготовки бакалавров «Информатика и вычислительная техника».

Табл. 38. Ил. 94., Библ..: 16 назв.

© Тутыгин В.С., 2012

© Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.. 5

РАЗДЕЛ 1. ПЛАНИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА. 13

ВИДЫ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ И СПОСОБЫ ИХ УЧЕТА.. 13

Учет и компенсация систематической составляющей погрешности. 13

Методы калибровки. 14

Учет случайной составляющей погрешности. 15

Определение центров распределения. 15

Оценка случайной составляющей погрешности и доверительного интервала погрешности. 17

Выявление и устранение случайных промахов. 19

ПРОВЕДЕНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 26

Подбор вида модели. 27

Определение коэффициентов уравнения регрессии. 33

Условия применения МНК [5] 33

Проверка адекватности уравнения регрессии результатам опытов. 40

ПЛАНИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛНОГО.. 46

МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.. 46

Определение вида частных зависимостей. 47

Определение общего вида математической модели. 47

Определение числовых значений коэффициентов модели. 48

Отбор наиболее значимых факторов. 49

Отбор наиболее значимых факторов с использованием коэффициентов значимости. 50

Уточнение числовых значений коэффициентов модели. 52

Проверка адекватности модели экспериментальным данным.. 52

РАЗДЕЛ 2. АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА.. 57

АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА.. 57

ИНТЕРФЕЙСЫ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ.. 57

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ С ИНТЕРФЕЙСОМ ISA И PCI. 67

МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ И УПРАВЛЕНИЯ С ИНТЕРФЕЙСОМ USB.. 113

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ С ИНТЕРФЕЙСОМ RS-232. 138

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО СБОРА ДАННЫХ И УПРАВЛЕНИЯ С ИНТЕРФЕЙСОМ RS-485. 146

СЛОЖНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО СБОРА ДАННЫХ И УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ИНТЕРФЕЙСА CAMAC. 164

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ.. 190

Выбор шага квантования по уровню.. 190

Расчет интервала дискретности по времени Dt. 191

Поиск по сайту: