Анализ результатов моделирования

В этом параграфе на примере структурной схемы дискретной системы контура тока (рис.4.18) рассматривается методика проведения серии экспериментов с сохранением результатов моделирования.

В структуре отображена передаточная функция дискретного регулятора, параметры которого определены командой c2d через непрерывную передаточную

функцию и интервал дискретности . Непрерывная часть системы задана непрерывными передаточными функциями, определяющими процессы в тиристорным преобразователе и якорной цепи двигателя. Сопряжение дискретной части системы с непрерывной частью осуществляется экстраполяторами нулевого порядка. Интервал дискретности задается в первом экстраполяторе. В дискретном регуляторе и втором экстраполяторе в окне параметра Sample time заносится –1, и интервал дискретности в этих блоках определяется интервалом дискретности предыдущего блока, т.е. от первого экстраполятора. Данные эксперимента заносятся в блоки To File и To Workspace.

При такой постановке задачи целью исследования является определение влияния варьируемых параметров на качество переходных процессов. Для приведенной структурной схемы определялось влияния . Изменение требует изменений коэффициентов дискретной передаточной функции регулятора. Данное исследование включает следующую последовательность действий:

- моделируем систему n – раз, изменяя значения и параметры регулятора;

- запоминаем результаты моделирования;

- отображаем результаты моделирования в одном окне.

Все вышеперечисленные действия можно выполнить в пакете CST и Simulink. В пакете CST используются команды Save и Load.

Команда Save сохраняет переменные рабочего пространства в файле matlab.mat.

Команда Save <filename> х сохраняет переменную х в файле filename.mat.

Команда Save <filename> х у z сохраняет переменные х у z.

Команда Save <filename> append производит добавление переменных в уже существующий файл.

Команда Load <filename> загружает все переменные из данного файла.

Команда Load <filename> х загружает только переменную хиз данного файла.

Команда Load <filename> х у z загружает переменные х у z.

Команды Save и Load удобно использовать при разработке длинных программ, состоящих из отдельных блоков и имеющих общие переменные. После выполнения первого блока целесообразно использовать команду Save с сохранением тех переменных, которые будут использоваться в последующих блоках. Программу второго блока начинается командой Load с указанием переменных, вычисленных в первом блоке и используемых во втором блоке и т.д.

При определении влияния какого-либо параметра моделирование повторяется n раз (n - число изменений варьируемого параметра) и сохраняет интересующие нас переменные в разных файлах. В дальнейшем содержимое файлов следует отобразить в одной системе координат, что требует написания в m–файле соответствующих программ.

В пакете Simulink сравнительный анализ нескольких графиков выполняется проще. Для этого существуют следующие блоки:

То Workspace (запись в рабочую область MatLab);

То File (запись в файл);

Out (запись в выходной порт);

Scope (использование индикатора).

Данные, хранящиеся в рабочей области MatLab или в памяти ЭВМ, можно извлечь следующими блоками:

From Workspace;

From File;

In;

Scope.

Блоки То Workspace, To File, Out находятся в библиотеке Sinks. Откроем окно настроек блока То Workspace.

Первый параметр - Variable name (имя переменной) – на работу блока не влияет. Имя переменной может быть любым, но должно содержать только латинские индексы.

Второй параметр - Limit data points to last (ограничение на число точек). Принимаем inf – неограниченное число.

Третий параметр - Decimation (дискретность) - дискретность записи данных. При вводе 1 запись производится на каждом шаге моделирования. При вводе любого числа, например 10, запись будет производиться каждой десятой точки.

Четвертый параметр - Sample time (интервал времени) - это интервал, через который заносится информация в блок То Workspace. Если параметр равен -1, то интервал времени наследуется от предыдущего блока.

Пятый параметр - Save format (формат записи), в котором хранится информация. Раскрывающийся список этого параметр предлагает следующие варианты:

Structure With Time;

Structure;

Array.

В формате Structure With Time данные сохраняются в виде структуры, которая содержит два основных поля: time, предназначенное для хранения вектора значений времени, и signals, в которую записывается массив значений сохраняемых параметров.

Формат Structure отличается от формата Structure With Time только тем, что вектор значений времени пуст (хотя и присутствует в составе структурной переменной в качестве поля time). Данные, считываемые из рабочей области, «привязываются» к модельному времени исполняемой модели. На первом шаге используется первый элемент массива значений, на втором- второй элемент, и т.д.

В формате Array данные сохраняются отдельно от вектора значений времени получения. Матрица данных имеет размеры , каждый столбец содержит значения некоторого параметра модели, т.е. число столбцов матрицы равно числу параметров. Каждый элемент столбца - это значение параметра в соответствующие моменты времени и поэтому число строк матрицы должно совпадать с числом элементов вектора значений времени . Элементы вектора времени должны быть упорядочены по возрастанию.

Используем блок To Workspace для хранения результатов эксперимента. Учитывая, что данные блока To Workspace будут использовать для построения графиков, их следует хранить в формате Structure With time. Устанавливая параметр настройки (Sample time) равным и командой c2d меня параметры дискретного регулятора, задаем параметры модели для каждого сеанса моделирования. Результаты каждого эксперимента запоминаются в своей области рабочего пространства с новым именем (в примере с именами S001, S002, S003, S004, S005; три последние цифры определяют длительность интервала дискретности).

Структурные схемы, позволяющие использовать блоки To Workspace и To File, представлены на рис.4.19. Используя блок Mux, данные нескольких экспериментов отображаются в одном окне. Получить твердые копии можно двумя путями:

- получить фотографии экрана осциллографа;

- построить переходной процесс по данным, хранящимся в блоке Scope.

Первый путь используется при непосредственном моделировании. Облегчает анализ результатов экспериментов связи между номером входа блока Mux и цветом кривых на экране осциллографа: желтый – 1, оранжевый – 2, голубой – 3, красный – 4, зеленый – 5.

Второй путь позволяет получать качественные графики и может использовать с блоками To File и То Workspace.

Напомним, что данные сохраняются в рабочей области только в данном сеансе. При закрытии MatLab они будут утеряны вне зависимости от формата их представления. Чтобы данными воспользоваться в последующих сеансах, их следует сохранить в mat-файле с помощью команд меню File>>Save Workspace As>>файл. При последующей работе они должны быть загружены в рабочее пространство.

Данные эксперимента можно сохранить в mat файле на жестком диске путем применения блока То File. Данные в этом блоке хранятся в формате Matrix. Причем, структура матрицы блока То File отличается от структуры матрицы блока То Workspace. Формат данных, которые сохраняются в блоке Workspace, определяются значением, выбранным раскрывающимся списке Save format, а в блоке То File данные всегда сохраняются в формате Matrix. В первой строке этой матрицы записаны значения моментов времени регистрации данных, а остальные строки содержат значения регистрируемых величин. Для рассматриваемого примера матрица будет иметь размер (где - количество точек отсчета, а 2 - регистрируемые параметры: время и выходная величина).

Сравнение сохраненных данных показывает, что структура Matrix в блоке То File отличается от структуры Matrix в блоке Workspace. В блоке Workspace матрица, регистрирующая переходной процесс, будет иметь вид , т.е. число строк матрицы будет определять количество точек отсчета времени, а 2 - количество регистрирующих параметров, а в блоке To File эти же данные будут представлены матрицей .

При открытии блоке То File в окна настроек следует ввести четыре параметра.

Первый - имя файла, под которым сохраняются данные в mat-файле.

Второй - имя переменной.

Третий и четвертый параметры совпадают с параметрами блока То Workspace.

Данные, внесенные в блок То File, не дублируются в рабочей области MatLab. Поэтому для просмотра и редактирования данных в блоке То File их необходимо предварительно загрузить в рабочую область (открыть в MatLab соответствующий файл или использовать команды из командного окна MatLab/ File->Import Data->файл).

Резюмируя результаты описания, определяем последовательности действий при использовании блоков To File и To Workspace:

- задаем первое значение варьируемого параметра;

- на выход исследуемой системы из библиотеки Simulink\Sinks копируем блок То File или блок To Workspace;

- для блока To Workspace задаем имя переменной, а для блока То File задаем имя файла и имя переменной, соответствующее первому значению варьируемого параметра;

- в окне Decimation оставляем 1, что позволяет регистрировать данные на каждом интервале дискретности;

- в окне Sample time ставим -1, что позволяет блокам То File и To Workspace получить интервал дискретности от предыдущего блока;

Проводим эксперимент и запоминаем значения эксперимента в соответствующих блоках То File или - To Workspace.

После проведения серии экспериментов создаем mdl-файлы, состоящий из блоков From Workspace и блоков From File, мультиплексора и осциллографа (рис.4.16).

Блоки From Workspace и To Workspace, и блоки From File и То File должны быть согласованы. Для блоков Workspace согласование состоит в передаче имени переменной из блока To Workspace в блок From Workspace, а для mat–файлов согласование состоит в передаче имени файла и имени переменной из блоков То File в блоки From File.

Ранее было указано, что результаты моделирования могут быть переданы в рабочее пространство MatLab, а затем, по сохраненным данным, построить графики переходных процессов. Причем, настройка Scope на этот режим будет одинаковой для блока То File и Workspace. По умолчанию данные, выводимые в окне Scope, в рабочей области не сохраняются. Чтобы изменить установки, щелкните на кнопке Properties (свойства) панели инструментов. На вкладке Data history (протоколирование данных) открывшегося диалогового окна установите флажок Save data to workspace (сохранить данные в рабочей области). При этом станет доступным поле Variable name (имя переменной), в котором задается имя переменной для сохранения данных в рабочей области. Его можно либо оставить без изменения (ScopeData), либо выбрать по своему усмотрению (например, sd.). Кроме того, имеется возможность выбрать формат сохраняемых данных. Остановимся на уже использовавшемся формате Structure with time.

Щелкните на кнопке Apply и повторите сеанс моделирования. Теперь данные, выводимые в окне Scope, будут сохранены в рабочей области в числовой форме. Просмотреть их можно стандартным образом: в командном окне MatLab введите имя, под которым данные были сохранены, и нажмите клавишу Enter. Полученный массив представляет собой матрицу размером (). Число строк матрицы () соответствует количеству временных отчетов, число столбцов () на единицу больше количества наблюдаемых параметров, так как первый столбец используется для хранения моментов времени регистрации.

Как указывалось выше данные, вводимые в блок Scope, могут быть сохранены в рабочем пространстве (установлен флажок Save data to Workspace). Данные пространства можно просмотреть в командном окне MatLab. Выражение sd.time (sd – имя переменной) вызывает вектор столбец, определяющий интервалы времени регистрации процесса; выражение sd.signals выводит запись, определяющих изменения регистрируемых параметров во времени.

Выражение sd.time, sd.signals.values выводит таблицу, в которую занесены регистрируемые переменные в соответствующие моменты времени. Последовательности команд plot (sd.time, sd.signals.values), grid on строят графики изменения переменной (sd) в функции времени. Так как переменные в MatLab заданы вектором, то команды plot выводят графики нескольких функций

Рис.4.20. Графики переходных процессов контура тока в функции варьируемого параметра (1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 - ; 5 - ).

(результаты моделирования выведены в блок Scope через блок Mux (рис.4.20)). Если результаты моделирования нуждаются в комментариях, то целесообразно использовать команду plot, позволяющую наносить отличительные метки на кривые.