Как создавать блоки с помощью генератора кода на языке Си?

В данном разделе с помощью встроенного в программное обеспечение SimInTech генератора кода на языке Си был создан новый блок, который представляет собой ПИД-регулятор. ПИД-регулятор очень часто используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. В SimInTech среди стандартных блоков ПИД регулятора нет, поэтому создание такого блока может значительно упростить проектирование АСУ ТП. Достигается существенный прирост скорости расчета, а также возможность по одному и тому же алгоритму рассчитывать несколько типовых объектов.

Перейдем к созданию схемы-шаблона ПИД регулятора, для которого будем генерировать код на языке Си. Первым шагом станет создание нового проекта. Для этого необходимо нажать по вкладке «Файл», далее «Новый проект», затем «Схема автоматики». Перед вами откроется пустое окно для создания модели.

Чтобы ориентироваться в SimInTech, перед началом работы над задачей рекомендуется пройти упражнения, представленные в разделе справки poshagovoe_rukovodstvo.dita#.

Первым делом необходимо перенести на схему следующие блоки:

• два блока Signaly/3001.dita#;
• один блок Signaly/3002.dita#.

В рамках текущей задачи сгенерированный код будет применяться для создания нового блока в SimInTech, поэтому лучше использовать блоки Signaly/1021.dita# и Signaly/1020.dita#, которые осуществляют запись и считывание локальных сигналов модели или сигналов из базы данных. Однако, для демонстрации возможностей SimInTech в генерации кода и применении его, например, для стыковки с программным обеспечением контроллера, мы используем блоки Signaly/3001.dita# и Signaly/3002.dita#, которые при локальном моделировании эквивалентны константам.

Два блока входа пригодятся для считывания переменных из исполнительной системы. В нашем случае на первый вход будет подаваться уставка для регулируемой величины, а на второй вход фактическое значение величины, взятое с соответствующего датчика. Также следует отметить, что в рамках данной задачи мы будем создавать векторный ПИД-регулятор, что дает возможность одновременной обработки нескольких сигналов на одном блоке.

Один блок выхода понадобится для записи рассогласования ПИД-регулятора для отправки в исполнительный механизм.

После размещения на схеме вышеуказанных блоков схема должна принять следующий облик:

Сразу зададим свойства этих блоков. Для первого входного контакта укажем имя input:0, для второго – input:1». Имя выходного контакта – out:0. Обратите внимание на формат записи имен входных и выходных контактов. В своей схеме назовите контакты также.

Для входных контактов зададим в графе «Тип контакта» - «Float». Этим свойством мы определяем тип данных, который будет воспринимать блок.

В графе «Операция для нескольких контактов» зададим «Операция ИЛИ». Этим свойством мы определяем то, что блок векторный.

Так как блок должен обладать возможностью векторной обработки сигналов, то в строке «Значение по умолчанию» нужно указать начальное значение для каждого входного сигнала. Напишем в этой строке «10#0». Этой записью мы определяем размерность вектора на соответствующем входе – 10. При локальном моделировании блок будет выдавать на схему константу.

Ниже на рисунке (Рисунок 3) показаны свойства для первого блока «Входной контакт s3». Для второго блока свойства будут идентичными за исключением имени контакта.

Для выходного контакта кроме имени достаточно изменить лишь свойство «Операция для нескольких контактов» на «Копирование». Этим шагом мы также обеспечиваем возможность обработки векторных сигналов. Свойства блока «Выходной контакт s3» показаны на рисунке (Рисунок 4).

Следующим шагом будет обеспечение возможности задания свойств для каждого элемента ПИД-регулятора. К ним относятся:

• коэффициент усиления для пропорциональной составляющей регулятора;
• коэффициент усиления для интегральной составляющей регулятора;
• начальное условие для интегральной составляющей регулятора;
• коэффициент усиления для дифференциальной составляющей регулятора;
• постоянная времени для дифференциальной составляющей регулятора;
• начальное условие для дифференциальной составляющей регулятора.

Для удобства на схеме автоматики создадим отдельную субмодель, где эти свойства будут считываться из внешней целевой системы. Блок «Субмодель» находится в библиотеке «Субструктуры». Для красоты дополним добавленную субмодель подписью «Входные параметры».

Выполним двойной щелчок мышью по добавленной субмодели. Так как для ПИД-регулятора необходимо задание шести свойств, описанных выше, мы должны добавить на схему еще шесть блоков «Входной контакт s3».

Первый входной контакт должен считывать извне коэффициент усиления для пропорциональной составляющей. Этот коэффициент будет являться свойством создаваемого блока. Поэтому в графе «Имя контакта» мы указываем следующее: Property:P. Этой записью мы обозначили, что данный блок типа «Входной контакт s3» будет считывать значение свойства создаваемого звена с именем «P».

Остальные блоки по аналогии назовем: Property:I, Property:I0, Property:D, Property:Td, Property:D0. Для каждого из этих блоков тип контакта задаем «Float», а в графе «Операция для нескольких контактов» указываем «Операция ИЛИ». Начальные условия для свойств Property:P, Property:I, Property:D, Property:Td назначим «10#1». Начальные условия для остальных свойств Property:I0, Property:D0 укажем 10#0.

Также сразу давайте добавим на схему шесть элементов Substruktury/1008.dita# из библиотеки «Субструктуры». Эти элементы необходимы, чтобы не «засорять» схему линиями связи. В этом демонстрационном примере мы не будем останавливаться подробно на работе со стандартными блоками, такими как блок «В память». Статья предполагается для пользователей, которые уже в какой-то степени владеют SimInTech. Соединим соответствующие блоки линиями связи.

Теперь вернемся на главное окно схемы, выполнив двойной щелчок мышью по пустому месту окна схемы. Из библиотеки «Операторы» перенесем на схему блок Operatory/0038.dita#. Этот блок является векторным и будет вычислять рассогласование между заданной извне уставкой и показанием датчика. Соединим элементы линиями связи.

На следующем этапе мы должны добавить на схему главные элементы – усилитель, интегратор и инерционно-дифференцирующее звено. Мы можем найти первый из этих элементов в библиотеке «Операторы». Отметим, что нас интересует векторный усилитель. Вторые два элемента можно найти в библиотеке «Динамические». Далее с помощью блоков Substruktury/1009.dita# и Substruktury/3016.dita# из библиотеки «Субструктуры», а также блока Operatory/0024.dita# из библиотеки «Операторы» мы можем связать заданные извне свойства элементов с этими блоками.

Однако, такое построение схемы-шаблона имеет один существенный недостаток, связанный с заданием начальных условий для блоков Dinamicheskie/0027.dita# и Dinamicheskie/0032.dita#. Начальное условие – это свойство, которое используется только при инициализации модели. Поэтому в качестве начальных условий для вышеупомянутых блоков будут приняты величины, заданные в свойствах звеньев по умолчанию, а не те значения, которые мы задаем извне.

Если задавать начальные условия для вышеуказанных элементов нет необходимости, то нужно воспользоваться изображенной на рисунке (Рисунок 9) схемой.

Если есть необходимость задавать начальные условия, то, во-первых, сгенерированный программой код на языке Си можно править, воспользовавшись соответствующей средой разработки. Во-вторых, среди стандартных блоков в SimInTech есть звено Dinamicheskie/0114.dita#, использование которого поможет решить появившуюся проблему.

Перенесем на схему еще три элемента «Субмодель». Сделаем подписи для каждой из добавленных субмоделей.

Зайдем в первую субмодель. Здесь необходимо реализовать пропорциональное усиление входного сигнала. Во-первых, из вкладки «Субструктуры» добавьте элементы «Порт входа» и «Порт выхода». Далее поместите на схему еще два блока: «Из памяти» и «Перемножитель». В итоге схема должна принять вид, изображенный на рисунке 11. На этом пропорциональный элемент нашего регулятора создан. Можете перейти на основное окно схемы. Заметьте, что у субмодели «П» появилось два порта. Для красоты в свойствах этой субмодели рекомендуем выключить показ подписей портов.

Приступим к созданию интегрирующего элемента регулятора. Динамика этого звена описывается следующим уравнением:

где x_i(t) – вектор входных сигналов, y_i(t) – вектор выходных сигналов, k_i – вектор коэффициентов усиления.

Для создания звена нам понадобятся следующие элементы:

• «Порт входа», «Порт выхода» и «Из памяти» из библиотеки «Субструктуры»;
• «Перемножитель» из библиотеки «Операторы»;
• «Интегратор с изменяемыми н.у.» из библиотеки «Динамические».

Далее необходимо соединить данные блоки следующим образом (Рисунок 12). В результате имеем интегрирующее звено, работающее по стандартной схеме.

Осталось предусмотреть возможность задания начальных условий для интегрирующего звена. Начальные условия для интегратора будем задавать с помощью блока «Интегратор с изменяемыми н.у». Этот элемент работает по следующему алгоритму: как только управляющий сигал становится больше 0.5, значение, накопленное интегратором, сбрасывается, и на выход подается величина новых начальных условий.

Ненадолго вернемся к субмодели «Входные параметры». Здесь мы соберем небольшую схему, которая будет генерировать управляющий сигнал для интегратора. Переместите на схемное окно следующие блоки:

• Istochniki/0000.dita# и Istochniki/0208.dita# из библиотеки «Источники»;
• Logicheskie/0068.dita# из библиотеки «Логические»;
• Substruktury/1008.dita# из библиотеки «Субструктуры»;
• Vektornye/0105.dita# из библиотеки «Операторы».

Схема должна в результате выглядеть следующим образом (Рисунок 13). Смысл этой схемы очевиден: пока модельное время меньше шага интегрирования (или равно ему), сигнал остается равным 1. Блок «Размножитель» для соответствия размерностей из одного управляющего сигнала делает десять. Поэтому для этого элемента в графе свойств «Коэффициенты размножения» указываем «10#1» или [1,1,1,1,1,1,1,1,1,1].

Вернемся к субмодели «И». Добавим на схему еще два блока «Из памяти». Далее необходимо соединить их с уже созданной схемой интегратора.

Приступим к созданию «Д» составляющей ПИД-регулятора. Она представляет собой инерционно-дифференцирующее звено, динамика которого описывается следующим уравнением:

где x_i(t) – вектор входных сигналов, y_i(t) – вектор выходных сигналов, k_i – вектор коэффициентов усиления, T_i – вектор постоянных времени.

По аналогии с интегрирующим звеном этот блок инерционно-дифференцирующего звена с возможностью задания начальных условий может быть представлен следующим образом (положение некоторых портов изменено для удобства соединения линиями связи):

Осталось задать необходимые для приведения в соответствие размерностей свойства блоков. На этом создание «Д» составляющей регулятора окончено.

Перейдем на главное окно схемы. Добавим еще один блок – «Сумматор». Он необходим для сложения трех составляющих регулятора: «П», «И» и «Д». Выполним соединение всех блоков линиями связи.

Сохраняем нашу схему в созданной папке под именем «Схема-шаблон». Далее можем перейти к процессу генерации кода.