Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Козлов О.С.

ДИСЦИПЛИНА: УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
часть 1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА "МОДЕЛИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ" (ПК "МВТУ") ДЛЯ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ЛИНЕЙНЫХ И ЛИНЕАРИЗОВАННЫХ САР, ОПИСЫВАЕМЫХ В ПЕРЕМЕННЫХ "ВХОД - ВЫХОД"

Москва, 2001 г.

Цель работы:

• ознакомление с возможностями программного комплекса "МВТУ" версия 3.0; 
• освоение процедур формирования структурной схемы САР и ее параметров;
• освоение процедур работы в режиме МОДЕЛИРОВАНИЕ, включая: выбор метода и параметров интегрирования; вывод данных расчета и т.п.;
• формирование структурной схемы САР простейшей модели ядерного реактора, описываемой в переменных "вход-выход";
• определение устойчивости САР ядерного реактора прямым моделированием переходных процессов при подаче управляющего и возмущающего воздействий

ВВЕДЕНИЕ

   Высокие темпы развитие аппаратных средств вычислительной техники в последнее десятилетие обеспечили реальную возможность создания эффективных программных средств САПР, включая как традиционных средств САПР конструкторского направления (EUCLID, ACAD, КОМПАС и др.), так и "интеллектуальных" САПР, предназначенных для автоматизации наукоемких расчетов в обоснование основных показателей проектируемой установки, таких как безопасность, надежность и др.
   К разряду "интеллектуальных" САПР относятся программно-инструментальные средства автоматизации динамических расчетов (АДР). Наиболее важным признаком автоматизации является удобство "сборки" из разнообразных модулей, каждый из которых решает ту или иную небольшую задачу, некоторой единой системы, решающей задачу более высокого уровня. В идеале полная программа расчета динамики - это многомерная сеть, в узлы которой автоматически подаются нужные программные модули из библиотеки моделирующих программ. В ней предусмотрена возможность расширения, замен и улучшения общей структуры и отдельных модулей.
   Программно-инструментальные средства автоматизации динамических расчетов сложных технических систем позволяют: в десятки раз сократить время от разработки математической модели объекта до получения результатов моделирования; повысить надежность результатов расчетов; оптимизировать полученные решения, используя многовариантный анализ, и т.п. Средства АДР дают возможность Проектировщику сосредоточиться на решении основной задачи и не отвлекаться на разработку программ и алгоритмов. Именно в системах АДР появляется реальная возможность ясного вмешательства в те или иные фрагменты процесса счета и его изменения в соответствии с желанием Исследователя (в том числе и в режиме "on-line").
   Наиболее общим подходом к созданию систем АДР, охватывающих очень широкий спектр областей применения (от технических до организационных), следует считать развитие методов структурного моделирования. К настоящему времени за рубежом разработан ряд программно-инструментальных средств для моделирования и анализа на ЭВМ динамических систем, в основе которых лежит метод структурного моделирования. Большинство из них представляет собой универсальные программные комплексы (ПК) с библиотеками типовых модулей общетехнического профиля (наиболее известные из них - SIMULINK, VisSim, MATRIXx , CTRL-C, EYSI-5).
   В настоящее время из отечественных программно-инструментальных средств АДР наиболее развитым является программный комплекс "Моделирование в технических устройствах" (ПК "МВТУ"), созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре "Ядерные реакторы и установки". ПК "МВТУ" по реализованным в нем ряду новых методов анализа, по интерфейсу Пользователя и, особенно, по численным алгоритмам интегрирования жестких динамических систем дифференциальных уравнений является альтернативой вышеуказанным зарубежным программным средствам АДР.
   Эффективность использования ПК "МВТУ" показана как в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана и ряда других технических университетов (при выполнении виртуальных лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании), так и в ряде реальных проектных разработок Минатома РФ (разработка математической модели АСУ ТП энергоблока АЭС "БУШЕР"; расчетное обоснование ядерной безопасности ЯЭУ малой мощности для плавучей АЭС в переходных режимах и в проектных аварийных ситуациях; разработка математической модели динамики опытно-демонстрационной реакторной установки ОДУ БРЕСТ-300).

(к содержанию)

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ "МВТУ"

1.1. Назначение, режимы работы, особенности и достоинства ПК "МВТУ" 

   Программный комплекс "Моделирование в технических устройствах" ("МВТУ") - современная среда интеллектуального САПР, предназначенная для детального исследования и анализа динамических процессов в ядерных и тепловых энергетических установках, в системах автоматического управления (САУ), в следящих приводах и роботах, в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования.
   Может использоваться для моделирования нестационарных процессов в физике, в электротехнике, в динамике машин и механизмов, в астрономии и т.д., а также для решения нестационарных краевых задач (теплопроводность, гидродинамика и др).
   Может функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в том числе и в режиме удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам.

   Программный комплекс "МВТУ" реализует следующие режимы работы:

• МОДЕЛИРОВАНИЕ, обеспечивающий:
  • моделирование нестационарных процессов в непрерывных, дискретных и гибридных технических системах, в том числе и при наличии обмена данными (синхронный или асинхронный) с внешними программами и устройствами;
  • редактирование параметров структурной схемы и расчета в режиме "on-line";
  • расчет в реальном времени или в режиме масштабирования модельного времени;
  • рестарт, архивацию и воспроизведение результатов моделирования.
• ОПТИМИЗАЦИЯ, позволяющий решать задачи:
  • параметрической оптимизации САУ и идентификации опытных данных;
  • cинтеза оптимальных регуляторов и оптимального управления в многокритериальной постановке при наличии ограничений на значения динамических переменных, управляющих воздействий, параметров элементов системы автоматического управления, функционалов качества.
• АНАЛИЗ, обеспечивающий:
  • расчет амплитудно-фазовых частотных характеристик для любой линейной и большинства нелинейных систем (ЛАХ, ФЧХ, различные годографы и др.);
  • расчет коэффициентов, полюсов и нулей передаточных функций.
• КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ, позволяющий:
  • создавать электронные аналоги измерительных приборов и управляющих устройств для оперативного контроля и управления переходными процессами;
  • выполнять статистическую обработку сигналов (в том числе и внешних), основанную на быстром преобразовании Фурье.
• СИНТЕЗ *, позволяющий:
  • синтезировать регуляторы с заданными характеристиками с помощью частотного и корневого методов.

• открытость за счет реализации в ПК "МВТУ" нескольких механизмов обмена данными с внешними расчетными программами, а также за счет встроенного в ПК интерпретатора математических функций; 
• принцип вложенности структур (глубина вложенности неограниченная), что особо актуально при моделировании сложных динамических систем; 
• векторизация алгоритмов передачи и обработки данных за счет реализации линий связи типа "шина" данных и векторизации входов/выходов всех типовых блоков; 
• наличие наиболее полной Общетехнической и ряда Специализированных библиотек типовых блоков, в т.ч. библиотеки теплофизических свойств основных рабочих тел; 
• наличие библиотеки Контроль и управление, что позволяет формировать в ПК "МВТУ" панели (щиты) приборов для отображения и оперативного управления моделируемой системой в процессе расчета; 
• 16 алгоритмов интегрирования, включая 10 новых эффективных алгоритмов (5 явных и 5 неявных) для жестких систем дифференциальных уравнений; 
• функционирование в любой версии WINDOWS, наличие подробной контекстной справочной системы, эффективность в отраслевых разработках и учебном процессе. 

  
  (к содержанию)

1.2. Запуск программного комплекса "МВТУ" 

   Запуск ПК "МВТУ" осуществляется файлом Mbty.exe, расположенным в подкаталоге BIN. В среде WINDOWS ПК "МВТУ" может быть запущен также посредством: кнопки Пуск и меню Программы или Выполнить; Проводника программ; специально созданной для запуска пиктограммы. Более подробная информация о способах запуска программ приводится в Инструкции Пользователя WINDOWS...Через 1...3 с после запуска на экране монитора появится заставка с фотографией главного корпуса МГТУ им. Н.Э. Баумана и реквизитами авторов ПК "МВТУ" и (см. рис. 1.1).

ЭКРАННАЯ КОПИЯ ЗАСТАВКИ ПК "МВТУ" 

Рис. 1.1

   Через 3...5 секунд на экране монитора появится Главное Окно программного комплекса "МВТУ" (см. рис. 1.2), где в верхней части Главного Окна - ленточное Командное меню, в центральной части - Панель инструментов (командных кнопок), а ниже - "Линейка" типовых блоков с соответствующими пиктограммами и закладками названий отдельных библиотек, сформированных по функциональному принципу.

ЭКРАННАЯ КОПИЯ ГЛАВНОГО ОКНА ПК "МВТУ" 

Рис. 1.2

(к содержанию)

1.3. Структура и состав ПК "МВТУ"

   Различные версии ПК "МВТУ" (профессиональная, демонстрационная, учебная, ограниченная учебная) имеет единую файловую структуру. На рис. 1. 3 представлена структура каталога МВТУ_3_0. Ядро ПК "МВТУ" размещено в подкаталоге BIN.
В подкаталоге DEMO размещено несколько подкаталогов с набором демонстрационных примеров из различных разделов техники. Подкаталог DOC содержит документ WinWord 2000 (расширение .doc) с Краткой Инструкцией Пользователя. Подкаталог PROJECTS предназначен для сохранения проектов (задач), которые будут созданы начинающим Пользователем (например, на стадии освоения процедур работы в среде ПК "МВТУ").
   Примечание: допускается переименование или копирование каталога МВТУ_3_0, созданного при инсталляции ПК "МВТУ" на Вашем компьютере, в каталог с другим названием.

рис 1.3

   Во всех версиях ПК "МВТУ" подкаталог BIN имеет практически одинаковую файловую структуру (см. рис. 1.4). В профессиональной версии перечень файлов с расширением .dll более полный за счет включения в ПК "МВТУ" дополнительных Специализированных библиотек типовых блоков.

рис 1.4

    В подкаталог DEMO типовой комплектации ПК "МВТУ" включены файлы демонстрационных примеров, соответствующих как широко известным ("классическим") динамическим задачам, так и менее известным задачам из ряда технических дисциплин. Демонстрационные примеры отсортированы по отдельным подкаталогам (поддиректориям) в соответствии с используемыми методами анализа динамики систем автоматического управления или в соответствии с технической направленностью примеров, причем подкаталог ...\DEMO\ROBOT содержит внутри себя еще 2 подкаталога с демонстрационными примерами по динамике следящих приводов с непрерывным и цифровым (дискретным) управлением, соответственно.

   Примечание. Примеры с меткой *) не моделируются в ограниченной учебной версии, так как в них число дифференциальных переменных превышает ограничение (не более 12 дифференциальных переменных).

(к содержанию)

1.4. Командное меню Главного Окна

Главное Окно программного комплекса "МВТУ" имеет следующие меню:

• Файл:
  • Создать (F3)
  • Открыть (Ctrl + F3)
  • Сохранить... (F2)
  • Сохранить как ... (Ctrl + F2)
  • Протокол
  • Печать... (Ctrl + P)
  • Установки печати...
  • Выход
• Опции:
  • Настройки...
  • Настройка палитры
  • Поиск блока...
  • Повторить поиск блока (Ctrl + R)
  • Поиск переменной...
  • Поиск переменной в области памяти...
  • Повторить поиск в области памяти...
  • Графики
  • Навигатор
  • Показать панели
  • Перемещать палитру
• Стиль:
  • Шрифт подписи блока (Ctrl + F)
  • Цвет линий (Ctrl + C)
  • Фон блока (Ctrl + B)
  • Фон окна (Ctrl + W)
  • Подпись блока
  • Рисовать обрамление
  • Установить имена блоков
  • Очистить имена блоков
  • Очистить подписи блоков
• Моделирование:
  • Начать (F9)
  • Останов (Shift + F9)
  • Расчет (Ctrl + F9)
  • Пауза
  • Параметры расчета...(F10)
  • Окно сообщений
  • Отладочная информация
  • Эмуляция расчета из файла
• Оптимизация:
  • Расчет
  • Останов
  • Параметры...
  • Результаты...
• Анализ:
  • Частотный анализ...
  • Передаточные функции
  • ? :
  • Содержание (F1)
  • О программе...

1. Большинство опций Командного меню продублированы в Панели инструментов соответствующими командными кнопками.
2. В ПК "МВТУ" нажатием клавиши F1 или посредством меню "?" и опции Содержание вызывается "навигатор" всей контекстной справочной системы, а нажатием комбинации клавиш Ctrl + F1 при выделенном типовом блоке вызывается справка по этому блоку.

   Учитывая, что все интерфейсные команды нецелесообразно вносить в Командное меню Главного Окна, часть команд реализовано посредством:
   - Дополнительной Панели инструментов, расположенной в верхней части Главного или субмодельного схемного окна (см. рис. 1.5) и обеспечивающей выполнение большинства команд и процедур редактирования структурной схемы;
   - Дополнительного командного меню, вызов которого осуществляется нажатием правой клавиши "мыши" при расположении ее курсора в свободном месте схемного окна (Главного или субмодельного).
   На рис. 1.5 на фоне Главного Схемного Окна представлено Дополнительное командное меню, содержащее 12 дополнительных интерфейсных опций, часть из которых (опции Сетка, Вставить субмодель, Добавить/Заменить блок, Непрерывная вставка блока, Выделение группы) фактически является дополнительными процедурами графического редактора ПК "МВТУ".
Оставшиеся семь опций Дополнительного командного меню обеспечивают: 

ИЛЛЮСТРАЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО КОМАНДНОГО ОКНА

Рис. 1.5

(к содержанию)

1.5. Панель инструментов Главного Окна

   Панель инструментов, расположенная в средней части Главного Окна, имеет специальные кнопки, реализующие команды и опции:

Название кнопки	Назначение кнопки
Новый	Открывает Схемное Окно нового проекта (задачи)
Открыть	Открывает окно считывания с диска ранее созданной структурной схемы динамической задачи (по умолчанию вызывается корневой каталог с указанием файлов, имеющих расширение . mrj)
Сохранить	Сохраняет структурную схему и параметры (по умолчанию файл с расширением . mrj), включая метод, параметры интегрирования, окна отображения результатов расчета и т.п.
Навигатор	Открывает окно Навигатора проекта
Список графиков	Открывает окно Списка графиков
Поиск блока	Открывает диалоговое окно Поиск блока в структурной схеме по ряду отличительных признаков (тип блока, название блока и т.п.)
Продолжить поиск блока	Продолжает поиск блоков в структурной схеме по выбранному отличительному признаку (тип блока, название блока и т.п. )
Поиск переменной	Открывает диалоговое окно Поиск переменной в структурной схеме по ряду отличительных признаков (имя глобальной переменной, источник переменной или ссылка на переменную)
Продолжить поиск переменной	Продолжает поиск переменной в структурной схеме по выбранному отличительному признаку (имя глобальной переменной, источник переменной или ссылка на переменную)
Параметры счета	Вызывает диалоговое окно выбора метода интегрирования, установки времени, шага интегрирования, точности и т.д.
Старт	Выполняет 1-й этап запуска проекта на счет, проводя инициализацию всех блоков и линий связи в схемных окнах проекта на "нулевом" шаге интегрирования
Стоп	Завершает расчет с сохранением в оперативной памяти параметров модели и состояния системы
Продолжить	Запускает сразу задачу (проект) на счет, если команда Старт не выполнялась; "дозапускает" задачу на счет, если команда Старт выполнялась; продолжает процесс моделирования до конечного времени, если он был прерван кнопкой (командой) Пауза
Пауза	Прерывает процесс расчета с сохранением в оперативной памяти параметров модели и текущего состояния системы
Параметры оптимизации	Открывает окно Параметры оптимизации
Расчет оптимальных параметров	Запускает на счет оптимизационную задачу
Стоп оптимизация	Прерывает расчет оптимизационной задачи
Результаты оптимизации	Выводит таблицу расчетов оптимизационной задачи
Справка	Открывает окно контекстной справочной системы ПК "МВТУ"
Выйти	Завершает сеанс работы в среде ПК с предложением сохранить текущую структурную схему

(к содержанию)

1.6. Дополнительная панель инструментов

   Дополнительная панель инструментов, расположенная в верхней части Схемного Окна, имеет специальные кнопки, реализующие команды и опции:

Название кнопки	Назначение кнопки
Параметры макроблока	При активном Главном Схемном Окне открывает Окно глобальных параметров проекта (посредством Редактора Интерпретатора математических функций). При активном субмодельном схемном окне - окно глобальных параметров макроблока (субмодели)
Вырезать	Удаляет выделенный блок или фрагмент структурной схемы с сохранением его в Буфере Обмена
Копировать	Копирует выделенный блок или фрагмент структурной схемы в Буфер Обмена
Вставить	Копирует в Схемное Окно содержимое Буфера Обмена
Исключить блок	Выключает блок (группу блоков) из динамической модели (фон блока "окрашивается" черным цветом)
Включить блок	Включает ранее выключенный блок (или группу блоков) в динамическую модель (возвращает исходный фон блока)
Заморозить	Кнопка предназначена для поддержания (в процессе моделирования) постоянным сигнала на выходе динамического блока и равного начальному (ым) условию (ям) для данного блока
Разморозить	Кнопка отменяет команду Заморозить
Выделить все...	Выделяет полностью содержимое активного Схемного Окна
Показать все...	Преобразует изображение всей структурной схемы проекта в текущий размер Схемного Окна
Показать выделение	Изменяет выделенный фрагмент структурной схемы проекта в текущий размер Схемного Окна
Сетка	Включает/выключает режим Сетка в схемном окне

(к содержанию)

1.7. "Линейка" типовых блоков

   В программном комплексе "МВТУ" Библиотека типовых блоков состоит (условно) из Общетехнической и ряда Специализированных библиотек, доступ к которым осуществляется из "Линейки" типовых блоков, расположенной на экране монитора под Панелью инструментов ("линейкой" командных кнопок) см. рис. 1.6.

Рис. 1.6.

   "Линейка" типовых блоков состоит из отдельных каталогов (библиотек), переключение которых осуществляется однократным щелчком левой клавиши "мыши" в поле "закладки" с соответствующим названием. Учитывая, что все "закладки" не умещаются по длине "Линейки" типовых блоков, в правом верхнем углу "Линейки" типовых блоков предусмотрены специальные кнопки, однократный щелчок левой клавишей "мыши" по которым смещает "закладки" вправо-влево на одну позицию.
   Каждая из библиотек, включенная в "Линейку" типовых блоков, состоит из 2...22 блоков. Те библиотеки, которые не вмещаются по длине "Линейки", могут быть "прокручены" влево-вправо щелчками левой клавиши "мыши" по специальным кнопкам (в начале и конце "Линейки").
   В учебных версиях ПК "МВТУ" "Линейка" типовых блоков состоит из 14-ти отдельных библиотек, сгруппированных, в основном, по функциональному признаку.
   Общетехническая библиотека типовых блоков полностью входит в комплектацию любой версии ПК "МВТУ" и содержит следующие библиотеки:
- Источники входных воздействий (18 типовых блоков);
- Данные (9 типовых блоков);
- Операции математические (11 типовых блоков);
- Векторные операции (13 типовых блоков);
- Субструктуры (13 типовых блоков);
- Динамические звенья (14 типовых блоков);
- Нелинейные звенья (20 типовых блоков);
- Логические звенья (17 типовых блоков);
- Функции математические (20 типовых блоков);
- Ключи (10 типовых блоков);
- Дискретные звенья (9 типовых блоков).
   В табл. 1.1 представлен состав Общетехнической библиотеки типовых блоков. Подробное описание блоков Общетехнической библиотеки и их математических моделей приведено в ПРИЛОЖЕНИИ "Библиотеки типовых блоков и их алгоритмы".
   В типовую комплектацию учебных версий программного комплекса "МВТУ" обычно включены следующие Специализированные библиотеки типовых блоков:
- Кинетика нейтронов (3 типовых блока);
- Свойства (2 типовых блока);
- Статистика (9 типовых блоков).
   Библиотеки Внешние (11 типовых блоков), Контроль и управление (12 имитаторов приборов и управляющих устройств) и    Теплопроводность (4 типовых блока) включаются в ПК "МВТУ" по необходимости или по просьбе организации (вуза) или конкретного Пользователя, которые официально приобрели ПК "МВТУ" и зарегистрированы в базе данных Разработчика.
   Кроме вышеуказанных в ПК "МВТУ" имеются и другие Специализированные библиотеки:
- Реакторные блоки;
- Логика АСУ ТП ВВЭР;
- Роботы;
- Элементы ПХГ (ПХГ - подземное хранилище газа).
   Ряд фрагментов структурных схем, сформированных Разработчиком в процессе отладки ПК "МВТУ" и выполнения им прикладных НИР и ОКР, сохранена в отдельных каталогах в виде субмоделей (с расширением .sub). Фактически эти каталоги - дополнительные Специализированные библиотеки, из элементов которых стандартной процедурой Вставить субмодель из Дополнительного командного меню могут быть набраны значительные фрагменты новых структурных схем.

СОСТАВ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКОЙ БИБЛИОТЕКИ ТИПОВЫХ БЛОКОВ

(к содержанию)