Моделирование Моделирование и диагностика ЭЛЕМЕНТОВ электронных устройств и Электронных систем управления

Понятие модели. Для разработки электронных устройств систем управления технологическим оборудованием необходимо знать количественную зависимость между воздействиями на объект управления со стороны внешней среды или устройства управления и состоянием выходных параметров объекта. Эта зависимость может быть выражена в виде аналитических формул, уравнений, соотношений, программы, реализующей эти формулы и уравнения, некоторой электрической цепи, описываемой теми же уравнениями, макета объекта. Подобная информация о законах изменения параметров объекта называется моделью объекта.

В зависимости от цели исследования объекта могут строиться различные его модели. Так, при исследовании влияния размещения пассажиров на центровку самолетасамолёта моделью человека может служить мешок с песком, для конструктора одежды моделью человека может служить манекен, для медико-биологических исследований – животное (крыса, свинья). Модели объектов широко используются при диагностике состояния электронных устройств путемпутём сравнения изменений параметров модели с параметрами реальной электронной системы.

Отражаются не все свойства, а только связанные с интересующим нас процессом. В отличие от образа, который является отражением совокупности свойств предмета в нашем сознании, модель есть отражение узкой группы свойств предмета и явления, необходимых для решения определеннойопределённой практической задачи, для предсказания результатов возможных решений, принимаемых человеком в его практической деятельности.

При исследовании технологических процессов или объектов моделями могут служить другие процессы или устройства, свойства которых в каком-то смысле близки.

Модель отражает функциональные свойства объекта и, как всякое отражение, не является тождественной объекту, поэтому необходимо ввести оценку, или критерий близости, т.е. соответствия модели данному объекту. Критерий обычно формируется как функционал от разности реакций объекта и модели на одни и те же воздействия. Критерий является числовой характеристикой данной модели, представляет собой "штраф" за расхождение реакций объекта и модели на одинаковые воздействия. По критерию выбирается оптимальная модель из некоторого класса моделей. Модель считается оптимальной, если значение критерия для неенеё минимально. Критерий зависит при этом от типа входного воздействия. Чтобы избежать неопределенностинеопределённости, критерий формируют как результат усреднения разности реакций модели и объекта по множеству входных сигналов и по времени.

Математические и физические модели. Первоначально понятие физической модели развилось из понятия физического аналога, например уменьшенной копии объекта. Оказалось, что многие процессы различной физической природы описываются одинаковыми уравнениями движения, например колебания груза на пружине, струны, тока в колебательном контуре. Следовательно, движение объекта одной физической природы может служить описанием движения объекта другой природы. Таким образом, физическая модель отделяется от материального носителя и возникает математическая модель как формулировка закона движения, совокупность уравнений, отражающих функциональные характеристики объекта.

Носителем математической модели помимо формул и программ для ЭВМ могут служить и другие физические устройства, которые описываются известными уравнениями. Таким образом происходит смещение понятий - отделение физической модели от конкретного материального носителя, когда одна и та же модель может быть реализована в устройствах различной физической природы, а математическая модель воплощается в конкретном материальном устройстве. Различие физической и математической модели носит чисто гносеологический характер.

Модель называется математической, если известно ее математическое описание. При этом модель может быть реализована в виде материального устройства. Модель называется физической, еслиее математическое описание неизвестно, но реакции модели схожи с реакциями объекта.

Противоречия модели. Модель является лишь приближенным описанием процессов переноса вещества и энергии в технологических установках, при этом степень приближения, а следовательно, и точность описания могут быть различными. Точность модели определяется, с одной стороны, нашими знаниями о процессах, происходящих в объектах, а с другой стороны (что более существенно), нашим умением анализировать сложные модели, т.е. развитием математического аппарата для исследования динамики процессов управления.

Наиболее разработаны методы исследования линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Именно поэтому чаще всего в качестве моделей принимаются линейные стационарные звенья. Следовательно, для исследования динамики систем управления технологическими объектами исключительно важное значение имеет выбор класса моделей объектов. Если же результаты расчета систем управления на основе выбранной модели существенно отличаются от результатов экспериментальной проверки, то это свидетельствует о грубости модели и необходимости замены ее более сложной моделью и, следовательно, применении более сложных и трудоемких математических методов. Аналогична ситуация и для физической модели, где стремление к точности вступает в противоречие с техническим уровнем эксперимента и возможностями экспериментатора.

Одна и та же модель может быть удовлетворительна для описания одних процессов, и непригодна для других. Например, прямоугольная ломаная, аппроксимирующая кривую намагничивания магнитомягкого ферромагнитного материала, вполне приемлема для расчета магнитных усилителей без обратной связи, но совершенно не годится для расчетарасчёта усилителей с внутренней положительной обратной связью.

Отметим еще одно противоречие модели объекта управления. Модель оценивается по сходству ее реакций с реакциями объекта на одни и те же воздействия. Этими воздействиями являются управляющие сигналы с регулятора. Может оказаться, что при одних входных сигналах меньшее значение штрафа за несовпадение будет у одной модели, при других входных воздействиях - у другой модели. Например, модель А точнее описывает реакции объекта на низкочастотные сигналы, а модель Б - на высокочастотные, поэтому при низкочастотном входном сигнале предпочтительна модель А, при высокочастотном - модель Б. Следовательно, значение критерия оценки качества модели зависит от закона распределения управляющего сигнала, а последний - от параметров и структуры регулятора. Однако модель создается именно для того, чтобы с ее помощью выбрать регулятор и определить управляющие воздействия на объект.

Выбор модели должен предшествовать выбору закона управления, а выбор закона управления - выбору модели. Разрешить это противоречие возможно методом последовательных npuблuжeнuй. Вначале выбирается модель первого приближения на основе теоретического анализа процессов в системе. По этой модели выбираются параметры регулятора. Затем выбирается модель второго приближения в эксперименте, где используется выбранный регулятор. По уточненнойуточнённой модели корректируются параметры регулятора. Если объект достаточно хорошо описывается линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами, т.е. существуют такие значения коэффициентов описания модели, что уравнение становится тождеством, то модель является полной. В случае полной модели отсутствует разница в поведении объекта и модели для точки рассмотрения поведения модели.

Модели, в частности, используются для проверки законов воздействия внешних факторов и оценки состояния системы.

Возможны следующие основные формы применения моделей:

ü определение действительных параметров электронных устройств;

ü оценка параметров внешних воздействий;

ü оценка состояния электронной системы;

Идентификацией называется определение динамических характеристик объекта управления в рамках выбранной модели. Методы идентификации делятся на пассивные и активные. Метод идентификации называется активным, если на объект подаются специальные воздействия с целью определения его динамических характеристик. Пассивные методы идентификации - такие методы, в которых модель объекта выбирают по результатам наблюдения входного и выходного сигналов в процессе нормальной эксплуатации и на объект не подаются никакие специальные сигналы с целью выявить его свойства. Пассивные методы особенно удобны тем, что не нарушают нормального хода технологического процесса. Однако преимущество активных методов в том, что энергия тестового воздействия сосредоточена в узкой временной или частотной области, поэтому реакции объекта на тестовые сигналы выявить легче и надежнее.

В технологиях диагностики электронных устройств модели могут использоваться для оценки влияния неконтролируемых внешних воздействий на устройство. В этом случае схема диагностики ЭУ может быть представлена в следующем виде

Модель устройства может использоваться как для оценки состояния системы. так и для вычисления параметров устройства, недоступных для прямых измерений.

При полунатурном моделировании совместно с модельными звеньями используются реальные элементы системы. Этот метод обеспечивает большее соответствие результатов моделирования эксперименту.

Полунатурное моделирование используется:

- если устройство находится еще в стадии проектирования, но элементы устройства управления уже изготовлены;

- если объект управления не может быть испытан в лабораторных условиях (не могут быть проведены натурные испытания);

- если элементы устройства управления имеют нелинейные характеристики, которые при аналитическом моделировании не учитывались или заменялись линейными.

Полунатурное моделирование реализуется в технологии использования тестовых структур ИС.

При полунатурном моделировании связь устройства управления с внешними элементами обеспечивается сопрягающими устройствами ввода- вывода (приборным интерфейсом) и исполнительными подсистемами.