Математическое моделирование в приборных системах

Содержимое страницы

Неопределенный

Математическое моделирование в приборных системах: учеб. пособие / В.Л. Волков, Н.В. Жидкова. Нижегородский гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. –Нижний Новгород: 2014. ­- 147 с. ISBN 978-5-502-00453-4

Основной целью учебного пособия является развитие у студентов системного подхода к решению задач исследования сложных электромеханических и информационно-измерительных систем, являющихся частью приборного комплекса.

В пособии рассматриваются практические задачи исследовательского характера с целью закрепления теоретического материала.  Для решения задач используются методы и алгоритмы автоматизированного построения математических моделей приборных систем  на основе инструментов Matlab.

По математическому моделированию издано достаточно много литературы, однако, для магистрантов направления “Приборостроение” по профилю “Приборы и методы измерения механических величин” нужен специальный подход в изложении материала, направленный на рассмотрение прикладных исследовательских вопросов моделирования в приборостроении.

Данное учебное пособие написано на основе преподавания курса “Математическое моделирование в приборных системах”, читаемого по программе стандарта третьего поколения. Наряду с изучением основных понятий и методов построения математических моделей дисциплина предусматривает формирование у студентов элементов профессиональной компетенции в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС ВПО), предполагающим способность студентов работать в области современных средств и методов создания электронного описания приборов и систем.

Основное содержание материала учебного пособия направлено на практическое освоение методов математического моделирования в приборных системах и интеграции этих моделей в единое информационное пространство предприятия при создании автоматизированных систем, конструкторско-технологической подготовки производства.

В результате освоения курса математического моделирования в приборных системах обучающийся должен знать особенности математического виртуального моделирования, владеть методами создания электронного описания приборов и систем на основе современных средств. Должен уметь: построить математические модели анализа и оптимизации объектов исследования, выбрать численные методы их моделирования, разрабатывать новые алгоритмы решения задач моделирования. Должен приобрести опыт деятельности в исследовании приборных систем с использованием средств автоматизации проектирования и опыта разработки конкурентоспособных изделий.

 

В данном учебном пособии рассматриваются актуальные задачи исследования систем приборного комплекса путем моделирования. Моделирование - один из перспективных способов изучения и проектирования различных систем. Моделирование, как правило, связано с необходимостью описания систем математическими моделями с последующим их исследованием путем вычислительного эксперимента на компьютере. При этом необходимо затратить существенно меньше средств и времени на проектирование и изучение новых систем.

Инструментами для проектирования и исследования приборных систем являются среды Matlab и SCADA. Отличной средой для построения и проверки математических моделей приборных ситем является Matlab. Представление математических моделей в программной среде Matlab позволяет проводить исследование функционирования реальных приборных систем путем компьютерного моделирования (симуляции). SCADA система (Supervisory Control And Data Acquisition), как система диспетчерского управления и сбора данных является эффективным программным пакетом для сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте управления.

Приборный комплекс, как правило, содержит сложные электромеханические и информационно-измерительные системы. В качестве примеров достаточно сложных динамических устройств, являющихся частью приборной системы, в учебном пособии рассматриваеются микроэлектромеханические системы (МЭМС): акселерометр и датчик угловой скорости (микрогироскоп). Основное внимание при рассмотрении этих примеров уделено формированию их математических моделей и проведению исследований основных характеристик путем симуляции моделей.

Далее в учебном пособии рассматривается применение метода статистичекого моделирования для целей оптимизации и исследования элементов приборных систем. В частности этот метод достаточно эффективен при подборе оптимальных параметров измерительного устройства (ИУ), как элемента приборной системы. Применение метода статистичекого моделирования позволяет также оценить эффективность измерительной информационной системы (ИИС), обрабатывающей поступающие потоки информации в приборном комплексе. Статистическое моделирование ИИС достаточно просто осуществляется на основе Matlab.

Следующей задачей рассматриваемой в учебном пособии является построение математической модели приборной информационно-управляющей системы (ИУС). В качестве примера рассматривается моделирование и иследование системы автоматического управления сервоприводом. Сервопривод рассматривается, как часть приборной системы и предназначен для отработки сигнала, поступающего с датчика первичной информации (ДПИ). Моделирование ИУС выполняется в SCADA среде.

Часто в приборных комплексах требует своего исследования вопрос применимости фильтрации динамических сигналов на фоне помех. Причем бывает нужно поставить эксперимент по сравнению различных алгоритмов фильтрации (Калмана, Винера и др.) и оценить их эффективность в работе ИИС. С этой целью в учебном пособии, в качестве примера, решается задача исследования эффективности фильтрации сигналов МЭМС акселерометра в различных условиях среды.

В учебном пособии показано, как автоматизировать математическое моделирование на основе заданной принципиальной электрической ехемы динамической системы. В Matlab для этого имются возможности автоматического получения модели в виде уравнений фазового состояния системы.

Заключительный раздел учебного пособия посвящен общим вопросам исследования статистических характеристик динамических информационно-измерительных систем на основе их математических моделей.