Структурные модели математического уровня (СММУ), построенные для реальных электромеханических систем отличаются наличием большого числа функциональных элементов, многообразием межэлементных связей. Поэтому такие модели слабо отражают физические и схемотехнические свойства исследуемых объектов. Для специалистов в области электромеханических систем наиболее удобным является представление моделей в виде схем, максимально приближенным к так называемым функциональным схемам, в которых указаны все виды соединения и взаимодействия реальных физических элементов. Указанным требованиям отвечают структурные модели функционального уровня (СМФУ).
Основными элементами такой модели являются:
Под функциональным блоком будем понимать интегрированный элемент описания структурной модели физического звена, представленный в виде многополюсника с произвольным (в т.ч. и нулевым) числом входных и выходных каналов.
Внутри каждого функционального блока должен быть предварительно "зашит" один из многочисленных вариантов структурной модели соответствующего физического элемента. Таким образом, внутреннее описание функционального блока представляет собой схему соединения базовых элементов СММУ и функциональных блоков, выполняющую некоторое функционально законченное преобразование координат модели. То есть, предусматривается возможность использование так называемых вложенных функциональных блоков.
На рис 3.1 приведен пример внутреннего и внешнего изображения функционального блока, в качестве которого выбрана модель электродвигателя постоянного тока с разомкнутой обратной связью по ЭДС.
Внутреннее изображение нового ФБ конструируется практически также как и СММУ, дополнительно здесь изображаются и идентифицируются входные и выходные каналы, и вводятся идентификаторы формальных параметров. В отдельных случаях ФБ может не содержать входов и параметров, то есть допускается реальные значения параметров физического звена указывать при конструировании внутреннего изображения ФБ. Однако недостатки такого подхода вы сразу почувствуете при необходимости в ходе имитационных экспериментов изменения значений даже одного параметра.
Структурная модель функционального уровня конкретной электромеханической системы конструируется и базовых элементов СММУ и ФБ. Следует отметить, что на каждый входной канал ФБ может быть подан сигнал только с выхода элемента или ФБ, сигнал с узла суммирования на вход ФБ подавать нельзя. Конкретные значения параметров ФБ задаются при построении СМФУ. На рис. 3.2. приведено окно ввода параметров модели электродвигателя.
Введение в структурные модели функциональных блоков позволяет настраивать инвариантные имитационные системы на конкретный класс задач и конкретный коллектив пользователей. Для этих целей создаются коллективные и личные библиотеки макромоделей.
Так в качестве типовых функциональных блоков для систем автоматизированного электропривода можно выделить модели:
Для решения как учебных, так и практических задач наиболее целесообразным является использование структурных моделей функционального уровня, так как в этом случае модели получаются наглядными и максимально приближенными к функциональным схемам исследуемых электромеханических систем. Кроме того, с помощью одной схемы СМФУ могут быть представлены математические модели различной степени сложности для одного исследуемого объекта, а последовательное усложнение моделей сводится к замене внутренних изображений одного и нескольких функциональных блоков. А в том случае, если используются готовые ФБ, к введению новых имен этих блоков.
Учитывая, что внешнее представление структурной модели функционального уровня в явном виде не содержит математических форм описания объекта, а отражает лишь схему функционального взаимодействия физических элементов, предлагается использовать СМФУ как единую внешнюю графическую форму для различных классов математических моделей (структурных, векторно-матричных и т.п.) На рис. 3.3 приведен пример СМФУ для простейшей системы электропривода.
Представленную здесь единую внешнюю графическую форму будем считать первым вариантом собственной формы структурной модели, а СММУ - вторым вариантом указанной формы. Таким образом, вид структурной модели (L- линейная, N-нелинейная, ND-нелинейно-дискретная, NVS - нелинейная переменной структуры) определяется наличием в СММУ соответствующих динамических элементов. На рис. 3.4 приведены внутренние представления функциональных блоков соответствующих L- модели системы. А на рис. 3.5 функциональный блок P, соответствующий NVS-модели, раскрывается до схемы СММУ.
При решении учебных и практических задач моделирования, как правило, каждый пользователь использует как имеющиеся в составе программных средств моделирования, так и собственные библиотеки функциональных блоков. Создание и заполнение личных библиотек ФБ является достаточно ответственным процессом, так как допущенные здесь ошибки в формировании и описании моделей будут тиражироваться, оставаясь при этом не замеченными.
В этой связи для внесения внутреннего описания модели каждого функционального блока предлагается проводить т.н. двойное тестирование. При этом для формирования элемента библиотеки моделей ФБ необходимо выполнить следующую последовательность действий:
Несомненно, что опытные пользователи могут сократить предлагаемый алгоритм заполнения библиотеки моделей ФБ.