Федосов Борис Трофимович
Рудненский индустриальный институт,
Рудный, Казахстан
Об авторе

УДК 681.51.01
Ф338

Общее представление о программном комплексе VisSim

         Настоящее краткое описание ПК VisSim предназначено для предварительного знакомства с программой, которое приводится в методическом пособии по выполнению четырех лабораторных работ. Полная офф-лайн версия пособия содержится в прилагаемом файле, ссылка для загрузки которого дана ниже.
         Пособие выполнено с элементами анимации в виде электронной книги формата chm, которую можно просматривать на любом компьютере стандартными средствами операционной системы Windows.

1. Краткие сведения о структурно-объектном моделировании и о программном комплексе VisSim

Понятие "модель" весьма широкое и многозначное. Можно утверждать, что человек, часто не думая об этом, в жизни все время создает и использует всевозможные модели: окружающего пространства, поведения других людей, физических и технических объектов и т.д., с тем, чтобы получить практическую пользу. Можно сказать, что отображение реальности сознанием человека является в той или иной степени моделированием. Например, переходя дорогу, мы моделируем движение приближающейся машины, чтобы предсказать, успеем ли безопасно перейти, и выбрать правильное решение.

В науке и технике модели могут быть:

Моделирование технических объектов и систем проводится для того, чтобы определить свойства и характеристики проектируемых систем еще до их изготовления и при необходимости скорректировать, уточнить их структуру и параметры. Это позволяет получить проект работоспособной системы, которую не придется существенно дорабатывать тогда, когда она будет изготовлена. Таким образом, моделирование сокращает и удешевляет процесс проектирования и реализации систем и объектов.

Кроме того, на модели системы можно проверить ее поведение в таких условиях и режимах, для которых система не предназначена, с тем, чтобы знать, как она себя поведет и к каким последствиям это приведет. Очевидно, что такие эксперименты на реальной системе могут быть не только дороги, но и небезопасны, в то время как моделирование позволяет получить нужную информацию о процессе или системе без лишних затрат и, главное, без негативных последствий.

1.1. Назначение программы VisSim

Программа VisSim предназначена для построения, исследования и оптимизации виртуальных моделей физических и технических объектов, в том числе и систем управления. VisSim это аббревиатура выражения Visual Simulator – визуальная, воспринимаемая зрением, среда и средство моделирования.

Программа VisSim, разработана и развивается компанией Visual Solutions (USA) [1]. Эта программа – мощное, удобное в использовании, компактное и эффективное средство моделирования физических и технических объектов, систем и их элементов.

Программа предоставляет человеку развитой графический интерфейс, используя который, исследователь создает модель из виртуальных элементов с некоторой степенью условности так же, как если бы он строил реальную систему из настоящих элементов. Это позволяет создавать, а затем исследовать и оптимизировать модели систем широкого диапазона сложности.

При описании и последующем построении модели в среде VisSim нет необходимости записывать и решать дифференциальные уравнения, программа это сделает сама по предложенной ей исследователем структуре системы и параметрам ее элементов. Результаты решения выводятся в наглядной графической форме. Поэтому программой могут пользоваться и те, кто не имеет глубоких познаний в математике и программировании.

При использовании VisSim 'а не требуется владеть программированием на языках высокого уровня или ассемблере. В то же время, специалисты, владеющие программированием, могут создавать собственные блоки, дополняя ими богатую библиотеку стандартных блоков VisSim'а.

Моделирование систем управления это далеко не весь круг задач, которые можно решать в VisSim. Например, в этой программе при желании можно решать дифференциальные уравнения и VisSim делает это значительно эффективнее и быстрее, чем известная программа математической направленности MathCAD. При соизмеримой и более высокой производительности, чем у программы Simulink, входящей в солидный программный пакет MathLab, VisSim занимает в сотни раз меньше места на жестком диске и в оперативной памяти.

VisSim позволяет также решать задачки по физике, начиная с уровня школьных и кончая серьезными физическими экспериментами на виртуальных лабораторных стендах.

gif-file, 20KB

Рис. 1.1 (анимация 29 кадров). Воспроизведение анимации, созданной в программе VisSim для иллюстрации решения задачи о полете пушечного ядра с учетом сопротивления воздуха. Траектория полета ядра подчиняется соотвествующим уравнениям, которые решает VisSim. Из графиков траекторий видно, что существенное изменение угла наклона ствола пушки с 20° до 30° приводит к незначительному изменению дальности полета снаряда.

Если изображение не меняется, щелкните левой кнопкой мыши по рисунку

Решение задачи о полете пушечного ядра с учетом сопротивления воздуха осуществляется моделью, созданной в VisSim'е:

gif-file, 20KB

Рис. 1.2. Наполнение составного блока Calculation of a trajectory (рис. 1.1), осуществляющего вычисление траектории полета ядра и отображение ее и других переменных величин. VisSim позволяет всесторонне изучить поведение модели.

Российским аналогом программы VisSim является программный комплекс "МВТУ" [2].

1.2. Графический интерфейс VisSim

Интерфейс программы это совокупность средств, позволяющих человеку общаться с ней:

Программа VisSim предоставляет исследователю графический интерфейс, позволяющий основную часть работы по созданию модели выполнить с помощью мыши, а параметры элементов ввести с клавиатуры. Интерфейс VisSim состоит из главного окна, имеющего меню и ряд кнопок управления, воспринимающих щелчки копок мыши, и т.н. рабочего пространства, в котором строится и корректируется модель, наблюдаются результаты ее работы (рис.1.3).

С точки зрения исследователя интерфейс программы VisSim представляет собой интерактивный виртуальный лабораторный стенд, обеспечивающий построение моделей из отдельных блоков, запуск процесса моделирования, управление им и контроль результатов.

Главное окно VisSim, с примером простой диаграммы имеет вид рис.1.3.

gif-file, 20KB

Рис.1.3. Главное окно программы VisSim и ее рабочее пространство с примером простой VisSim-диаграммы (модели). На рабочее пространство вынесены виртуальные блоки: генератор и осциллограф, а также надписи. При запуске процесса моделирования (щелчком по кнопке с зеленым треугольником gif-file, 20KB Пуск - Go ), на осциллографе изображается сигнал, вырабатываемый генератором, в данном случае - синусоида. Амплитуду, частоту и начальную фазу сигнала генератора исследователь может менять, и при новом запуске моделирования эти изменения будут приводить к соответствующему изменению графика на экране осциллографа. В верхней части окна отображается название диаграммы

Диаграммой в VisSim'е называется совокупность связанных, а также автономных блоков и надписей, помещенных на рабочее пространство и способных в известном смысле функционировать при запуске процесса моделирования. Диаграмма может быть сохранена в виде отдельного файла и, при необходимости, открыта вновь.

Модель VisSim’а это часть диаграммы, содержащая виртуальный аналог реальной или проектируемой системы. Диаграмма может содержать несколько моделей.

К модели VisSim'а в принципе могут быть подключены, с помощью дополнительных компьютерных плат, и внешние физические устройства, которыми модель системы, построенная в VisSim’е, сможет управлять. Таким образом, объектами управления модели системы автоматического управления, построенной в VisSim, могут быть не только виртуальные, но и реальные устройства.

1.3. Принципы построения моделей в среде VisSim

Исходными данными для построения модели в VisSim’е являются структурно-функциональная схема моделируемой системы, процесса или объекта и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. Вместо таких уравнений могут быть заданы операторы или функции, характеризующие отдельные элементы моделируемой системы, например, передаточнные функции для линейных элементов и статические характеристики для нелинейных элементов.

gif-file, 20KB

Рис.1.4. Исходная функциональная схема САР частоты вращения вала двигателя постоянного тока и ее структурно-алгоритмическая модель

Реальные системы и объекты состоят из отдельных, связанных и взаимодействующих друг с другом элементов. И для всей системы в целом, и для отдельных ее, должным образом выбранных элементов, можно указать место приложения воздействия, которое можно назвать входом, и место их реакции (отклика) на входное воздействие, называемое выходом. И воздействие, и реакция это некоторые физические величины, являющиеся функциями времени.

Модели систем и объектов в программе VisSim строятся из отдельных элементов – т.н. блоков. Блок это виртуальный аналог физического элемента реальной системы. «Виртуальный» в данном контексте значит воображаемый, физически не существующий, реализуемый программно, но с точки зрения человека, работающего с моделирующей программой, блок воспринимается зрением, он видим на рабочем пространстве VisSim. Термин «аналог» предполагает, что блок функционирует, он подчиняется тем же самым уравнениям, что и реальный, моделируемый элемент системы.

Виртуальные блоки VisSim’а могут иметь или вход, на который может быть подан выходной сигнал другого блока, или выход, виртуальный сигнал с которого может быть подан на вход другого блока. Наконец, блоки могут иметь и вход, и выход одновременно. Взаимодействие между блоками отображается т.н. линиями связи, указывающими направление передачи воздействий (сигналов) от одного блока к другому.

Взаимодействие между блоками моделируется сигналами – функциями времени, передаваемыми между блоками по линиям связи. Сигналы в модели могут быть измерены с помощью виртуальных измерительных устройств или рассмотрены и изучены с помощью виртуального осциллографа.

Внешне виртуальные блоки VisSim с некоторой степенью условности воспринимаются исследователем так же, как реальные устройства. Например, генераторы вырабатывают сигналы, блоки-преобразователи реагируют на входные сигналы в определенном смысле точно так же, как реальные устройства на реальные воздействия, индикаторы показывают величины сигналов.

gif-file, 20KB

Рис.1.5. (анимация 25 кадров). Пример последовательности действий при вынесении на рабочее пространство и перемещении блока надписи программы VisSim. Красные кружки вокруг курсора условно обозначают щелчки левой кнопкой мыши. Для запуска анимации, если рисунок не изменяется, следует щелкнуть по кнопке "Обновить" в верхней части браузера (окна, в котором вы читаете этот текст) или просто по рисунку. Для остановки некоторого кадра, чтобы его подробнее рассмотреть, следует щелкнуть в нужный момент по кнопке "Стоп" браузера

Т.о. принцип построения модели в VisSim’е состоит в вынесении на рабочее пространство моделей реальных элементов (блоков) и соединении их в соответствии с заранее составленной структурно-алгоритмической схемой моделируемой системы. Такое построение модели из виртуальных блоков очень похоже, с известной степенью условности, на построение реальной системы из настоящих блоков (генераторов, осциллографов, и других устройств) в производственных условиях или на лабораторном стенде.

1.4. Основные блоки VisSim

Блоки VisSim’а можно условно разделить на три основных категории и одну дополнительную:

Важным компонентом модели является соединительная линия – виртуальный аналог физического соединения элементов, передающего воздействия от одного элемента к другому. Соединительные линии в VisSim’е однонаправленные, передают сигналы с выхода одного блока к входу другого. Поэтому при построении модели следует так разделять реальную систему на функциональные блоки, чтобы последующий блок практически не влиял на функционирование предыдущего. Например, выходное электрическое сопротивление предыдущего блока должно быть значительно меньше входного сопротивления последующего блока.

Примечание: Входные и выходные сигналы могут быть как одиночными функциями времени, так и набором таких функций. В последнем случае сигнал называется векторным, как и соответствующий вход или выход блока.

1.4.1. Генераторы

Генераторы это блоки, имеющие только выход.

Генераторы вырабатывают изменяющиеся во времени или постоянные сигналы.

Примерами таких блоков в VisSim являются блоки:

gif-file, 20KB

Рис.1.6. Важные блоки-генераторы программы VisSim. Для помещения блока на рабочее пространство следует щелкнуть по пункту меню Blocks, перейти на пункт Signal Producer, затем щелкнуть по названию требуемого генератора, перевести курсор в нужное место рабочего пространства и щелкнуть левой кнопкой мыши

1.4.2. Преобразователи

Преобразователи это блоки, имеющие входы и выходы.

Блоки-преобразователи способны воспринимать воздействия от других блоков, преобразовывать их в соответствии с определенными уравнениями или правилами и выдавать преобразованный сигнал (отклик, реакцию блока) на выход.

Важнейшие блоки для моделирования линейных систем:

gif-file, 20KB

Рис. 1.7. Меню для вызова блока передаточная функция (transferFunction). Сумматор и усилитель вызываются путем выбора: Blocks → Arithmetic → summingJunction или gain (усилитель)

1.4.3. Индикаторы

Индикаторы это блоки, имеющие только вход.

Индикаторы программы VisSim предназначены для отображения сигналов в форме удобной и привычной для исследователя.

Важнейшими индикаторами являются блоки:

gif-file, 20KB

Рис.1.8. Меню для вызова блоков plot (осциллограф), display (цифровой индикатор) и meter (стрелочный прибор) – важнейших виртуальных измерительных приборов программы VisSim

Осциллограф

Как показывает практика, не все студенты представляют себе назначение и принципы работы и использования реального, настоящего осциллографа. Поэтому кратко сообщим об этом.

Осциллограф предназначен для графического представления в течение некоторого временного интервала зависимости мгновенной величины исследуемого сигнала от времени.

gif-file, 20KB

Рис. 1.9. Внешний вид осциллографа С1-157. Ниже экрана ЭЛТ расположены входные разъемы, куда подаются исследуемые сигналы

Основа осциллографа – электронная лучевая трубка ЭЛТ. Она имеет экран, на котором луч электронной пушки ЭЛТ высвечивает маленькое пятно. Трубка имеет отклоняющие луч системы, одна из которых, горизонтально-отклоняющая, равномерно перемещает луч, а, следовательно, и пятно, по экрану слева направо. Поэтому в течение времени развертки положение пятна на экране по горизонтальной оси пропорционально времени. Это способ представить, развернуть время в пространстве.

На другую, отклоняющую луч по вертикали систему ЭЛТ, подается исследуемый, меняющийся во времени сигнал. Отклоняющая система ЭЛТ устроена так, что отклонение луча по вертикали пропорционально мгновенному значению исследуемого сигнала.

Таким образом, луч, а, следовательно, и пятно на экране, участвуют одновременно в двух движениях: равномерном по горизонтали и, в соответствии с изменением величины сигнала во времени, по вертикали. В результате, на экране получается изображение зависимости сигнала от времени. Продолжительность временного отрезка, в течение которого наблюдается сигнал, называется временем развертки. Осциллографы позволяют наблюдать периодические сигналы, в этом случае используется периодическая развертка, частота которой подбирается в целое число раз меньшей, чем частота исследуемого сигнала. При наблюдении непериодических сигналов луч пробегает по экрану слева направо один раз, а трубка выбирается с длительным послесвечением люминофора.

gif-file, 20KB

Рис. 1.10. Осциллограф развертывает на экране зависимость мгновенной величины сигнала от времени

Виртуальный осциллограф VisSim’а представляет собой окно, похожее на экран осциллографа, в котором изображается зависимость наблюдаемых сигналов от времени (рис. 1.10). На боковой стороне осциллографа помещены условные изображения входов, к которым могут быть подключены выходы других блоков диаграммы для наблюдения поведения их сигналов в зависимости от времени.

Цифровой индикатор

Цифровой индикатор display VisSim’а – выводит, показывает в цифровом виде значение сигнала на выходе того блока, к которому он подключен. Этот прибор используется для измерения постоянных величин.

1.4.4. Надписи и комментарии

Надписи это блоки без входов и выходов.

Эти блоки позволяют создавать на рабочем пространстве диаграммы VisSim текстовые области, которые помогают понять смысл диаграммы и содержат сведения о том, кто, когда и какую диаграмму создал. Основной блок: label – надпись.

1.5. Принципы управления моделью и получения результатов моделирования

Построенную модель следует запустить в работу, щелкнув по кнопке с зеленым треугольником gif-file, 20KB "Пуск" (рис. 1.3 и 1.5). В результате работы модели выходные сигналы блоков начнут изменяться, их величины просматривают на виртуальном осциллографе и других индикаторах. Параметры некоторых сигналов и блоков исследователь может изменять в процессе работы модели, другие параметры можно изменить, остановив процесс работы модели. Продолжительность работы модели можно задавать до ее запуска, можно и прерывать работу модели по желанию исследователя.

1.6. Понятие о принципах функционирования программы VisSim

После того, как модель построена, когда на рабочее пространство вынесены и соединены в нужном порядке блоки, составляющие систему, генераторы сигналов и индикаторы, а также введены параметры элементов модели, может быть запущен процесс ее функционирования. Для этого следует щелкнуть по кнопке с зеленым треугольником gif-file, 20KB "Пуск" (рис. 1.3 и 1.5).

Получив эту команду, программа начинает анализировать то, как соединены блоки, на основе этого анализа составляет дифференциально-алгебраические уравнения, описывающие модель и решает их. Полученные результаты, как функции модельного времени, периодически и очень часто, придаются значениям входных и выходных сигналов блоков. Эта способность программы выполнять столь сложные, интеллектуальные действия, удивляет и восхищает.

Дифференциально-алгебраические уравнения математически описывают т.н. динамические объекты, объекты очень широкого класса, обладающие инерционностью и рядом других свойств. И поскольку программа VisSim способна решать такие уравнения, то в ней можно моделировать системы и объекты очень широкого диапазона сложности.

Решение уравнений проводится по шагам – дается малое приращение времени, вычисляются, с учетом начальных условий, значения сигналов на выходах и входах всех блоков, затем вновь дается малое приращение времени, проводятся вычисления и т.д. Малая величина шага интегрирования позволяет исследователю воспринимать сигналы как непрерывные. Выходные сигналы любого блока при желании можно наблюдать на экране виртуального осциллографа или измерять виртуальным цифровым индикатором. В результате решения можно получить зависимости выходных сигналов от времени. Таким образом, работа по моделированию систем в программе VisSim для исследователя похожа на работу на реальном стенде.

Кроме того, программа позволяет более глубоко проанализировать полученные результаты и оптимизировать модель. Например VisSim предоставляет возможность быстрого построения частотных характеристик фрагментов модели и всей системы.

Проиллюстрируем принцип работы программы Vissim на примере простой диаграммы:

gif-file, 20KB

Рис. 1.11. Виртуальный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал, соединительная линия передает его на вход осциллографа, осциллограф воспроизводит зависимость величины сигнала на его входе от времени. Например, через 0.25 сек после начала моделирования (щелчка по кнопке "Пуск") выходной сигнал генератора становится равным 0.72 условных единиц, эта величина А, и отображается точкой в названный момент времени на экране осциллографа

При вынесении блока, т.е. при помещении исследователем на рабочее пространство программы условного изображения виртуального генератора, программа VisSim составляет его описание: номер, положение блока, частоту, амплитуду и начальную фазу синусоидального сигнала, который должен будет вырабатывать генератор и помещает эти данные в специальную таблицу. Аналогичные данные заносятся при вынесении на рабочее пространство виртуального осциллографа. При подключении выхода генератора к входу осциллографа с помощью соединительной линии, программа заносит в описание диаграммы номер генератора, с выхода которого идет сигнал, и номер и вход осциллографа, на который этот сигнал должен поступить при запуске моделирования. Все данные о диаграмме помещаются в файл диаграммы с расширением .vsm, создаваемый при сохранении диаграммы. Для генератора, вынесенного на рабочее пространство, программа резервирует ячейку памяти, в которой будет хранится и изменятся число, равное мгновенному значению выходного сигнала генератора в тот или иной моменты времени. Такая же ячейка создается и для соответствующего входа виртуального осциллографа.

При запуске моделирования программа VisSim каждый такт вычисляет значение выходного сигнала генератора по формуле, показанной на рис. 1.11, соответствующее текущему значению времени (текущему такту) и помещает это значение в ячейку памяти, отведенную для хранения значений выходного сигнала генератора. В течение этого же такта программа определяет с помощью соединительной линии, куда нужно передать это значение и осуществляет передачу. В рассматриваемом примере значение передается из выходной ячейки памяти генератора во входную ячейку памяти осциллографа. Далее, в течение этого же такта вычислений, подпрограмма построения изображения осциллографа отмечает точку на его экране, горизонтальная координата которой пропорциональна времени, т.е. номеру текущего такта, а вертикальная - величине сигнала на входе осциллографа. В результате повторного многократного выполнения этих действий при изменении номера такта на экране осциллографа отобразится зависимость выходного сигнала генератора от времени.

1.7. Версии VisSim

В настоящее время доступны следующие версии VisSim [1]:

Литература и Интернет

Основные источники

  1. Официальный сайт фирмы Visual Solution Inc.:
    http://www.vissim.com/
  2. Студенческая версия программы VisSim
    http://model.exponenta.ru/download.html
  3. Центр загрузки русифицированной версии программы VisSim
    http://vissim.exponenta.ru/
  4. Н. В. Клиначёв. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ В ПРОГРАММЕ VisSim
    Справочная система на русском языке. 2001.
    http://model.exponenta.ru/ vsmhlpru.zip (877 КБ)
  5. VisSim User's Guide - Version 3. Visual Solutions Inc., Westford, MA 01886 USA. 1998, 330 p.

Дополнительные источники

  1. Федосов Б.Т. Задания и методические указания к выполнению курсовой работы на тему: Анализ и оптимизация системы автоматического регулирования. 2005 г. Sys_TAU_K_R.zip, версия 1.223 (714 КБ)
    http://model.exponenta.ru/bt/Sys_TAU_K_R_v_123.zip
  2. Федосов Б.Т., Клиначев Н.В. О построении области устойчивости линейной системы по некоторому параметру стандартными средствами программ математического моделирования. 2002 г.
    http://model.exponenta.ru/d_region.html
  3. Федосов Б.Т. Оценка качества установившегося режима САР. 2003 г.
    http://model.exponenta.ru/bt/bt_0004.html

5.05.2005


Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу ТАУ в программе VisSim

gif-file, 20KB

Скачать файл с комплектом
методических указаний и образцами проектов
tau_lr_light.zip
(955 KB)22.05.2004

Служебная страница ПК VisSim
http://www.vissim.com/

Федосов Б. Т., Клиначёв Н. В. Теория систем автоматического регулирования: Руководство к выполнению лабораторных работ. - Offline версия 3.2 для заочного обучения. - Рудный, Челябинск, 2004. - 125 файлов, ил.

Пособие предназначено для студентов технических специальностей, изучающих курсы "Теория автоматического управления" (ТАУ), "Теоретические основы построения эффективных АСУ ТП", "Моделирование систем управления" и может быть рекомендовано студентам заочных отделений для самостоятельной проработки. Работы включают знакомство с программой VisSim, построение и анализ переходных и частотных характеристик типовых звеньев, а также исследование устойчивости линейной системы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

  1. Работа №1. ЗНАКОМСТВО С ПРОГРАММОЙ VisSim
  2. Работа №2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЕВ
  3. Работа №3. ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ ТИПОВЫХ ЗВЕНЬЕВ
  4. Работа №4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ

ЛИТЕРАТУРА

  • Приложение А. VisSim - программа для моделирования систем
  • Приложение Б. Дискуссионная группа "Симуляция движения (моделирование)"
  • Приложение В. Дискуссионная группа "Цифровая обработка сигналов и LabVIEW"

4.05.2005.


К содержанию
<< ПК VisSim

<< К оглавлению
раздела Избранное