3439 ИЗУЧЕНИЕ СРЕДЫ ВИЗУАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Введение

Методические указания предназначены для изучения программной среды «VisSim», ориентированной на визуальное моделирование функционирования сложных технических систем. В рамках данного лабораторного практикума приобретаются основные практические навыки работы с пакетом прикладных программ, приводятся примеры создания различных моделей и осваиваются приемы их анализа.

За последние пять лет виртуальные формы обучения стали привычными для большинства крупных учебных заведений всего мира. При помощи интерактивного диалога с ЭВМ эффективно реализуется интеллектуальное развите ученика как в общих, так и в специальных сферах.

Привлечение компьютерных средств для лабораторных практикумов и других видов учебной работы со студентами позволяет решить две актуальные проблемы, возникающие при изучении радиотехнических дисциплин:

1) низкую наглядность быстропротекающих электронных процессов, которая препятствует быстрому пониманию сущности изучаемых явлений;

2) громоздкие математические расчеты, количественно характеризующие эти явления.

Для решения первой проблемы расходуется много аудиторного времени, необходимого для разъяснения основ функционирования радиотехнических систем, т.к. учащийся не может черпать прямые аналогии из обыденного опыта.

Преодоление второй проблемы требует от учащегося большого количества рутинных расчетов, за сложной математической формой которых часто теряется связь результатов вычислений с физическими параметрами радиотехнической системы. Это часто не позволяет ученику адекватно интерпретировать полученные данные.

Преодолеть перечисленные сложности при обучении радиотехническим дисциплинам позволяет внедрение в учебную практику автоматизированных компьютерных практикумов. Вычислительная техника дает возможность изменить масштабы времени протекающих процессов и представить в наглядном графическом виде динамику сложных взаимозависимостей между характеристиками системы и параметрами ее отдельных подсистем. Вторая проблема, связанная с громоздкими математическими расчетами, также эффективно разрешается при помощи компьютера, который дает широкие возможности по сравнению характеристик систем с различными параметрами устройств, входящих в их состав.

При помощи специализированных компьютерных программ, реализующих лабораторные практикумы, студенту предоставляется возможность интерактивного диалога, что позволяет учащемуся самостоятельно выделить те вопросы, которые требуют более детального изучения. Такой принцип направлен на индивидуальную работу ученика, что способствует развитию творческого подхода и самостоятельности при работе.

Все эти преимущества делают компьютеризированные лабораторные практикумы эффективным инструментом для интенсивного обучения радиотехническим дисциплинам.

В настоящее время существуют многообразные компьютерные средства синтеза и анализа моделей технических систем. Данный лабораторный практикум предназначен для изучения среды визуального моделирования систем на примере программного пакета компьютерного моделирования «VisSim» фирмы «Visual Solutions». Он представляет собой простое инструментальное средство, снабженное дружественным интерфейсом. Лабораторный практикум позволяет на нескольких наглядных примерах освоить его, реализовать основные функции пакета «VisSim», необходимые для моделирования функционирования технических систем.

Общие сведения о пакете «VisSim»

«VisSim» – это программное средство для визуального моделирования систем. Оно имеет частотные, вариационные, нейронные инструменты оценки качества, устойчивости, синтеза, коррекции, оптимизации, линеаризации, отладки объектов в контуре модели и программирования цифровых сигнальных процессоров.

«VisSim» функционирует в динамическом режиме с возможностью online-взаимодействия с оборудованием реального времени. Пакет позволяет решать дифференциальные и алгебраические уравнения, а также производить итерационный подбор значений параметров для оптимизации системы. Интерпретатор «VisSim» позволяет автоматически создавать C-код промышленного качества (в том числе с фиксированной точкой для цифровых сигнальных процессоров). Динамические модели систем в «VisSim» описываются иерархическими структурными схемами (блок-схемами). Управление параметрами модели предполагает выбор величин локальных шагов имитации функционирования системы и программирование серии повторных имитаций (либо для оптимизации, либо для изучения поведения модели в условиях случайных возмущений). Для поддающихся линеаризации фрагментов модели «VisSim» выполняет следующие виды символьного анализа: определение коэффициентов передаточной функции и матриц пространства состояний, определение нулей и полюсов передаточных функций, билинейное преобразование (переход от линейных систем к дискретным и обратно). Опираясь на результаты линеаризации модели, «VisSim» выполняет корневой анализ (годограф корней) и частотный (ЛАЧХ & ЛФЧХ, годограф Найквиста). «VisSim» имеет возможность генерации коэффициентов классических линейных фильтров (Бесселя, Баттерворта, Чебышева, инверсного Чебышева) и дискретных фильтров (КИХ, БИХ, преобразователя Гильберта, дифференциатора). Базовая библиотека блоков «VisSim» допускает дополнение собственными модулями. Расширения пакета (Add-Ons) включают библиотеки с моделями различных автоматических устройств, систем связи и целочисленной математики (для DSP).

Более подробно ознакомиться с характеристиками пакета «VisSim» можно на сайтах Internet: http://vissim.nm.ru/; http://www.vissim.com/.

Требования к отчету по лабораторным работам

Отчет по лабораторным работам должен содержать:

а) титульный лист;

б) цель и задачи работы;

в) основные теоретические сведения;

г) результаты выполнения домашнего задания;

д) результаты выполнения всех пунктов лабораторного задания в виде структурных схем и эскизов графических зависимостей;

е) краткий анализ результатов (выводы) по проведенной работе.

После окончания практической части работы надлежит проверить соответствие полученной схемы заданию и показать данную схему преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Решение нелинейного уравнения

Цель работы

Ознакомление с основными функциями пакета визуального моделирования «VisSim» на примере решения нелинейного уравнения.

Домашнее задание

Записать аналитически выражение для моделируемого сигнала с учетом номера варианта. Обобщенное математическое описание моделируемого сигнала сводится к следующему виду:

x(t)=                                              (1)

Константу c следует выбрать исходя из номера бригады, согласно таблице.

 

№ бригады

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

c

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

В этом примере предлагается промоделировать изменяющийся во времени сигнал x(t), реализовав компьютерную модель в форме блочной диаграммы в середе «VisSim».

Лабораторное задание

1. Создание нового файла

1.1. Из меню «File» файлов выберите команду «New» (alt+f, n). В скобках указаны нажимаемые на клавиатуре клавиши или их комбинации, необходимые для реализации данного пункта лабораторного задания. В данном случае необходимо, удерживая клавишу «Alt», нажать «F», а после активизации меню «File» – «N».

1.2. Если ранее была создана диаграмма, которая содержит несохраненные изменения, то «VisSim» спросит Вас, хотите ли Вы сохранить изменения, прежде чем будет создана новая диаграмма. Ответьте утвердительно, если желаете сохранить ранее введенную информацию.

2. Выбор формата диаграммы

2.1. Из меню «Edit» выберите команду «Preference» (alt+e, f).

2.2. Поставьте флажки для активации горизонтальной прокрутки «Show Horizontal Scroll Bar», для активации вертикальной прокрутки «Show Vertical Scroll Bar» и сделайте видимыми параметры блока «View Block Parameters».

2.3. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «OK» или нажмите на клавиатуре «Enter», закрепляя сделанные установки.

2.4. Из меню «View» управления отображением выберите команду установок шрифтов «Font» (alt+v, f).

2.5. Выбирают шрифт «System» или любой другой подходящий из представленного набора шрифтов.

2.6. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «OK» или нажмите на клавиатуре «Enter», закрепляя сделанные установки.

2.7. Из меню «View» управления отображением выберите команду «Colors» (alt+v, c) установок цветовой палитры.

2.8. Удостоверьтесь, что выбраны следующие цветные назначения: «Window Background» – белый; «Plot Background» – белый; «Wires» – черный; «Text» – черный. Такие цветовые установки наиболее удобны при работе с черно-белым монитором. В случае цветного монитора можно подобрать иную цветовую палитру.

2.9. Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «OK» или нажмите на клавиатуре «Enter», закрепляя сделанные установки.

2.10. Убедитесь, что в меню «View» (alt+v) управления отображением напротив команды «Presentation» не стоит флажка. Если флажок присутствует, то щелкните левой кнопкой мыши по команде «Presentation», чтобы убрать флажок.

3. Преобразование уравнения для среды «VisSim»

3.1. Для того чтобы уравнение (1) могло быть обработано средой «VisSim», необходимо преобразовать его, используя четыре стандартных блока:

  • «ramp» представляет время t;
  • «const» представляет константу, в данном случае длительность;
  • «<» управляет операндами согласно правилу «если меньше, то»;
  • «merge» – объединяющий блок, выполненный на основе булева выражения.

3.2. Использование этих блоков приводит к преобразованию исходного уравнения к виду:

если выход блока «ramp» < выхода блока «const»,

то выход блока «merge» = выходу блока «ramp»,

в противном случае (выход блока «ramp» ≥ выхода блока «const»),

то выход блока «merge» = выходу блока «const».

4. Вставка блоков в среду VisSim

4.1. Активизируйте меню блоков «Blocks» (alt+b).

4.2. Наведением указателя мыши откройте категорию «Signal Producer» и щелчком левой кнопки мыши выберите в этой категории блок «ramp». После этого меню закроется и на экране возникнет прямоугольный блок, который надлежит перетащить мышью в нужную часть экрана и зафиксировать там щелчком левой кнопки.

4.3. Данную процедуру повторите для каждого упомянутого в п. 4.1 блока. При этом блок «const» представлен в категории «Signal Producer», блок «<» – в категории «Boolean» булевой алгебры, блок «merge» объединения – в категории «Nonlinear» нелинейных выражений.

После того как вы закончили вставлять блоки, ваша диаграмма должна выглядеть подобно той, которая представлена на рис. 1.

5. Соединение блоков

5.1. Подведите указатель мыши к выходу блока «ramp» и добейтесь легкими перемещениями мыши трансформации ее стандартного указателя в стрелку, направленную вверх.

5.2. Нажмите и удерживайте левую кнопку мыши. Перемещайте мышь к блоку «<». Во время движение указателя «VisSim» отображает непрерывную линию, которая является условным обозначением объединения блоков.

5.3. Не отпуская левой кнопки мыши подведите ее указатель близко ко входу, помеченному буквой «l» (левый операнд неравенства) на блоке «<».

5.4. Отпустите левую кнопку мыши. Если операция прошла успешно, то на экране должна появиться соединяющая блоки «ramp» и «<» линия.

5.5. Повторите эту процедуру для коммутации блока «const» константы со входом, помеченным буквой «r» (правый операнд неравенства) на блоке «<».

После окончания этих действий ваша диаграмма должна выглядеть подобно той, которая представлена на рис. 2. В этой конфигурации значение выхода блока «ramp» сравнивается с постоянным числом на выходе блока «const».