ИСИДОРА
ИСИДОРА - Система автоматизации процесса идентификации динамических объектов управления, заданных
переходной или частотной характеристикой или в виде набора данных об интересующем параметре,
собранных в процессе нормального функционирования ОУ или при планировании эксперимента.
Предназначена как дополнительный сервисный инструмент для КОПРАС, а также для самостоятельного применения.
Скачать программу - isidora.zip (192 КБ).
Скачать полное руководство в формате Microsoft Word:
isidusgd.zip (80 КБ).
1. Общие сведения
Для осуществления синтеза любой автоматической системы (обыкновенной или адаптивной,
оптимальной или обеспечивающей требования не ниже заданного критерия качества) разработчик
должен располагать определёнными априорными сведениями о динамических свойствах объекта
автоматизации, т.е. его математическим описанием. Сложность современных объектов управления
часто настолько высока, что аналитические подходы к математическому описанию автоматизируемого
процесса оказываются бессильными, чтобы сколь-нибудь достоверно априорно описать поведение
объекта в предполагаемых условиях эксплуатации. Более того, эти условия, как и свойства самого
объекта управления, могут, и порой самым непредсказуемым образом, меняться в неопределённом
направлении и диапазоне возможных значений. Вот почему важное значение приобретают различные
методы активной и пассивной идентификации, позволяющие по заранее снятым типовым динамическим
характеристикам или в условиях нормальной эксплуатации составить математическое описание
автоматизируемого процесса или объекта управления.
В настоящее время существует достаточно большое число самых различных методов
идентификации, отличающихся сложностью, объёмом исходной потребной информации, точностью и
временем осуществления идентификации. Поэтому группе программистов автором была поставлена
задача разработать программное инструментальное средство, облегчающее рутинную работу
проектировщика, студента или научного работника при обработке экспериментального числового
материала с целью идентификации динамических свойств исследуемого или автоматизируемого
процесса (объекта).
Инструментальное Средство ИДентификации Объектов Регулирования и их Анализа (ИСИДОРА)
разработано на кафедре автоматики ТУМ для выполнения расчётных и проектных работ в области
локальной автоматики и является усовершенствованием и дальнейшим развитием программного
комплекса КОПРИДОС, созданного в 1993 году для автоматизации процесса идентификации
динамических и статических объектов управления (звеньев) на основе регрессионного,
дисперсионного и корреляционного анализа и метода Симою.
Программа представляет собой учебно-практическое пособие по курсу "Идентификация
объектов и систем управления". Она также может быть использована при выполнении лабораторных
работ, курсовых и дипломных проектов, научно-исследовательских работ и т.п., и как
самостоятельный программный продукт для обработки и отображения графической информации.
Основная цель, реализованная в программе, - автоматизация применения методов
идентификации объектов управления для получения его математического описания в виде
передаточной функции на основе их переходной или частотной характеристик. Идентификация
объекта управления (ОУ) приводится на основе имеющейся информации об объекте в виде полной
или незавершенной кривой переходного процесса, получаемой при подаче на вход ОУ ступенчатого
сигнала или в виде массива точек называемых регрессионным полем (облаком), получаемым при
многократном проведении эксперимента по снятию контрольных точек выходной величины в функции
времени либо в виде частотной характеристики.
Существуют случаи, когда невозможно провести идентификацию на основе снятой выходной
характеристики: нет завершенной переходной характеристики, а имеется лишь её часть (например,
около 60%), либо кривая переходного прочесса сильно зашумлена помехами, тогда необходимо
провести первичную обработку данных. Блок основного меню "Статистика" решает поставленную
выше задачу. В него входят подблоки: "Фильтрация", "Сглаживание", "Интерполяция".
В ИСИДОРА обработка данных представленна следующими разделами:
- глобальная и локальная интерполяция;
- аппроксимация данных в виде элементарных функций;
- локальное сглаживание данных.
Работа в блоке "Статистика" проста и сводится к выбору одного из "блюд" текущего меню:
- сглаживание по методу "плавающего среднего";
- сглаживание по методу среднеквадратичного приближения;
- аппроксимация многочленом вида y=b0+b1x+b2x^2+...+ bx^m;
- интерполяция методом Лагранжа, Ньтона, или Эйткина;
- локальная интерполяция методом Лагранжа, Ньтона, или Эйткина;
- экстраполяция методом Ньтона;
- линейная регрессия;
- нелинейная регрессия (многочленом вида y=b0+b1x+b2x^2+...+ bx^m);
- экспоненциальная регрессия y=Aexp(Bx);
- геометрическая регрессия y=Ax^B;
- множественная линейная регрессия по двум выборкам с фиксированными моментами времени съёма
информации.
Апроксимированная кривая затем может использоваться для последующей обработки или
вывода на какой-либо носитель информации.
Возникающие в процессе работы вопросы пользователь может устранить с помощью подробного файла помощи (Help - F1).
Блок "Идентификация" включает в себя 2 подблока:
а) идентификация по переходному процессу (прошедших первичную обработку либо не требующих её).
б) идентификация по частотной характеристике (по гадографу на фазовой плоскости).
В подблоке "Идентификация по переходному процессу" реализованно 20 известных методов:
В. Я. Ротача, В. Стрейка, П. Наслена, Бройда, Орманна, Симою, В. Трошина, Кардашева-Карнюхина
и др.). Краткое изложение методов можно найти в подблоке "О методах идентификации", встроенного
в блок "Коротко о ...". Подробное описание работы и команд управления в подблоках можно получить,
находясь внутри этих подблоков, вызвав клавишей F1 Help (файл помощи).
При работе в ИСИДОРА необходимо учитывать, что установившееся значение идентифицируемого
переходного процесса должно быть равно 1 (единице), т.е. от фактических значений величины
необходимо перейти к формальным. Это выполняется в режиме "нормирования". Если это не выполняется
в ручном режиме, то программа при вызове того или иного метода выполнит это автоматически, но
изменения не будут видны на экране.
Графический редактор анализируемых цифровых данных удобен для вывода результатов как на
экран монитора, так и на принтер при оформлении отчётной или деловой документации за счёт
расширения его основных функций. Это позволяет пользователю одновременно просматривать до шести
кривых, выполнять над ними арифметические операции, ручное и автоматическое их масштабирование и
нормировку, фрагментарный просмотр кривой в любом масштабе, а также введение текстовой или
другой необходимой информации для каждой точки или всей кривой. Кроме того, программа позволяет
оформлять выводимые данные по желанию исследователя с помощью варьируемого формата "ширина-
высота" и специальных текстовых строк для ввода имени, заголовка или комментариев выводимой
графической информации. Наконец, пакет содержит встроенные калькулятор и таймер, которые
включаются при загрузке пакета в память ПЭВМ.
Вводимые и выводимые данные ИСИДОРА совместимы по способу организации файлов с другими
програмными комплексами: КОПРАС и АРМИДИС, совместно с которыми пользователь может решать самый
широкий круг задач, связанных с анализом и синтезом современных систем управления, а также может
его использовать при выполнении исследовательских и проектных работ, требующих значительных
временных и инструментальных затрат на изучение самого объекта автоматизации. Включение в
"арсенал" проектировщика желаемого набора программных инструментальных средств возможно с
использованием специального раздела главного меню "Опции" программного пакета ИСИДОРА.
Пакет ИСИДОРА прост в применении и доступен для освоения слабо подготовленным
пользователем ПЭВМ в течение нескольких 2-часовых сеансов. Это объясняется наличием встроенного
файла помощи и постоянного высвечиваемого комментированного списка "горячих" клавиш, имеющихся
в данный момент в распоряжении пользователя. Кроме того, пакет программно защищает пользователя
от неправильных манипуляций или действий, предотвращая возможные катастрофические последствия
как для самой программы, так и для обрабатываемых данных.
2. Порядок работы в среде ИСИДОРА
Вход в программу стандартный и заключается в запуске исполняемого файла "Isidora.exe".
С помощью программы ИСИДОРА производится подбор наилучшей передаточной функции "вход-
выход" идентифицируемого обьекта (звена) по заданной кривой переходного процесса (или частотной
характеристике). Наилучшей - в смысле совпадения исходной и аппроксимирующей кривых. Критерием
оканчания процедуры подбора наилучшей аппроксимирующей кривой (нахождения передаточной функции)
является визуальная оценка ошибки идентификации самим пользователем в ручном режиме, а в
автоматическом режиме критерием служит числовая оценка в виде модуля или квадрата максимальной
ошибки (невязки). Автоматизация подбора может реализовываться с включением в процесс
идентификации, например, метод наименьших квадратов с воздействием на варьируемые параметры
идентификации: порядок n звена, величину T постоянных времени, запаздывание, степень
полиномов числителя и знаменателя передаточной функции и др.
С целью повышения достоверности получаемых результатов рекомендуется следующая процедура
идентификации.
1) Ввод исходных данных, визуализация, нормирование, сглаживание или фильтрация, выбор метода
идентификации и получение промежуточного результата в виде передаточной функции и
аппроксимирующей кривой.
2) Моделирование в среде КОПРАС (АРМИДИС) найденной передаточной функции и получение
соответствующей кривой для последующего сравнения с исходной.
3) Возврат в среду ИСИДОРА и принятие решения о точности выполненной идентификации путём
сравнения исходной и смоделированной кривых.
4) Окончание процесса идентификации и вывод результатов при положительном решении или возврат
к строке 1) в противном случае.
Исходные данные могут вводиться в память ЭВМ вручную с клавиатуры или с файла данных,
организованного специальным образом и программно совместимым с файлами данных КОПРАС и АРМИДИС.
3. Окно редактирования
Работа пользователя в программной среде ИСИДОРА сводится к использованию нескольких
рабочих окон, из которых только одно может быть активным в данный момент.
Экран монитора - рабочее поле ИСИДОРА - разделён на несколько областей, которые в
зависимости от выбранного режима работы могут выполнять различные функции. В распоряжении
пользователя имеются: Окно Редактирования данных (цифровых и текстовых) и выводимой информации,
Окно Просмотра, Окно Графического Редактора (для ввода данных и/или исправлений в графическом
режиме непосредственно на графике), Командное Окно, содержащее список активных в данный момент
"горячих" клавиш.
Окно Редактирования расположено в правом нижнем углу, работает в текстовом
режиме и предназначено для ввода и корректировки (исправлений и добавлений) в анализируемый
набор данных. Оно имеет пять позиций: координата точки по вертикальной оси, координата точки
по горизонтальной оси, комментарий к точке, ввод точки и переход к следующей точке, возврат к
предыдущей точке.
Выбор необходимого режима осуществляется стрелками: "вверх" или "вниз". Начало и конец
редактирования осуществляется нажатием клавиши [Enter]. После редактирования точку вводимой
или анализируемой кривой нужно записать в память и перейти к следующей точке.
Одним из достоинств пакета ИСИДОРА является возможность формировать текстовый или другой
комментарий к вводимой для обработки информации (например, "точка перегиба" или "точка ввода
дополнительного сигнала" и т.п.), что особенно удобно при создании деловой документации на
твёрдом носителе. Режим "Комментарий к точке" позволяет сохранить в памяти строку комментария
к любой точке. Длина комментария не должна быть более 35 символов. Ссылку на комментарий можно
отразить в окне вывода графика одним из четырёх типов указателей, показывающих номер точки,
содержащей комментарий.
Выбор указателя комментария к точке кривой осуществляется следующим образом. Перемещая
курсор в Окне Редактирования, войти в режим "Комментарий к точке" и в строку комментария на
одну из четырёх первых позиций поместить символ "*". Номер позиции, на которой помещен символ
"*", и будет номером вида указателя. Указатель представляет собой "полочку с наклонной
линией", предназначенную для цифровой индикации комментируемой точки кривой. Наклонная линия
имеет четыре направления, позволяющих расположить "полочку"-идентификатор в одном из четырёх
квадрантов.
При вводе данных с клавиатуры или с файла (например, при анализе и идентифиикации
объекта по переходному процессу) точки автоматически располагаются в памяти
программы упорядоченно, в порядке возрастания их координат по оси времени (аргумента),
независимо от последовательности их ввода, т.е редактируемая точка может соответствовать
любому месту списка, но при ее вводе она будет помещена в то место, которое определяется
значением её аргумента в возрастающей последовательности уже введенных значений аргумента.
Таким образом, последовательность ввода точек анализируемой кривой не имеет значения для
формирования упорядоченной последовательности цифровых данных.
Окно Редактирования имеет также следующие другие режимы:
F2 – сохранить файл с точками и комментариями к ним;
F3 – загрузить файл с точками и комментариями к ним, при этом на экране высвечивается
диалоговое окно, где можно указать путь поиска директория или задать имя файла;
F4 – режим "нормирования". В этом режиме максимальное значение данных как по оси "x", так и
по оси "y" принимается равным единице и в соответствующей строке экрана (в правом верхнем
углу) записывается коэффициент нормировки (коэффициент усиления объекта), после чего
анализируемый набор данных перерисовывается на графике уже в нормированном виде.
Режим доступен при идентификации по переходному процессу. В этом режиме кривая переходного
процесса нормируется относительно установившегося значения. При регрессионном анализе
нормирование осуществляется по максимальному значению. При вторичном нажатии F4 кривая
переходного процесса перерисовывается в естественном масштабе, т. е. возвращяется к
исходному виду умножением всех ординат на коэффицент усиления.
F5 – переход в окно просмотра;
F6 – выбор методов идентификации;
F7 – вывод на принтер графическогo окна;
F8 – вызов калькулятора:
F9 – масштаб (изменение масштаба и обозначения осей);
F10 – вызов графического редактора;
[Tab] – режим ввода регрессионного поля или отображения графика по точкам в графическом окне.
При вторичном нажатии возврат в предыдущее состояние;
[Delete] – удаление точки. Текущая редактируемая точка отображается в графическом окне в
перекрестии двух пунктирных линий красного цвета;
[Esc] – возврат в основное меню.
4. Окно просмотра
Для контроля правильности вводимых данных, возможности их корректировки и внесения
исправлений используется Окно Просмотра, переход в которое осуществляется клавишей F5.
Движение по таблице данных в Окне Просмотра осуществляется с помощью стрелок [Верх],[Вниз]
или [PgUp],[PgDn] для листания по страницам. Шаг постраничного листания равен 23 строкам.
Текущая точка в Окне Просмотра отображается и в Окне Редактирования. Движение в окне
осуществляется циклически, т.е. от начала таблицы к концу и наоборот. Возврат в предыдущее
окно осуществляется нажатием клавиши [Esc]. Номер текущей и номер последней точки в списке
отображаются в верхней части Окна Просмотра.
5. Командное окно (список "горячих" клавиш)
Аппроксимирующая кривая переходного процесса отображается на экране цветного монитора
красным цветом. Соответствующая анализируемому переходному процессу передаточная функция
объекта (динамического звена) и её коэффициенты, полученные программой автоматически, в результате
идентификации, выводятся в нижнем правом углу монитора на месте расположения Окна Редактирования.
Управление в окне осуществляется с помощью стрелок [Вправо],[Влево] - для
выбора нужной кривой графика (цвета графика).
[Enter] - переход в окно просмотра.
Загрузив несколько графиков (файлов) в память, можно их просмотреть и сравнить
соответствующие им передаточные функции, получаемые при идентификации переходного процесса
различными методами.
Находясь в Командном Окне, можно выполнить следующие операции:
F2 - сохранить файл данных вместе с передаточной функцией и ее коэффицентами.
F3 - загрузить файл данных (точек) с передаточной функцией, если она существует (известна) для
данного переходного процесса.
F4 - калькулятор.
F7 - распечатать на принтер графическое окно.
F8 - арифметическая операция с графиками: вычитание (A-В=С).
[Ctrl]+F8 - арифметическая операция с графиками: сложение (А+В=С).
F9 - масштабирование и фрагментный просмотр (лупа).
[Tab] - перестроение графика по точкам.
6. Режим графического редактирования
Для удобства ввода исправлений или для создания "напрямую" графического изображения
некоторой кривой в ИСИДОРА встроен графический редактор (клавиша F10). Находясь в нём,
пользователь может управлять "прицелом", определяющим положение курсора на плоскости
изображения текущего графика. При этом можно как вводить новые точки, так и стирать старые,
либо корректировать текущую точку, но не путём изменения её координат по оси абсцисс и/или
ординат, а непосредственно. Удерживая точку в "прицеле" курсора, пользователь может переместить
её в любую область графика и зафиксировать её в нужном месте клавишей [Enter]. Для ускоренного
движения по графику для поиска нужной точки можно воспользоваться клавишами [Ctrl]+стрелки.
Курсор будет передвигаться с шагом, равным сетке дискретизации по вертикальной или
горизонтальной осям.
7. Вывод результатов
Программа ИСИДОРА позволяет выводить конечные или другие (промежуточные) отображаемые на
экране цифровые или графические данные по трём направлениям: в файл, на принтер или на экран.
Для этого выбирается соответствующая опция главного меню.
Вывод табличных (цифровых) данных достаточно прост и состоит в простом копировании окна
просмотра в названный пользователем файл данных. Имя и путь для записи файла устанавливают в
диалоговом режиме. Для удобства пользователя этот режим ИСИДОРА максимально использует
возможность дисковой операционной системы IBM PC/AT, благодаря чему пользователю с помощью
выбора соответствующих масок поиска удаётся быстро найти требуемое дисковое устройство или
нужный ему файл.
Для вывода графической информации на принтер разработана специальная программа
пользователя, с помощью которой можно изменять формат выводимого графика как по высоте,
так и по ширине для удобства включения его в любое место текстовой страницы при создании
документного материала, предназначенного для последующего тиражирования или постоянного
пользования.
Выбор формата осуществляется с помощью опций соответствующего меню вывода и высвечиваемых
в командной строке "горячих" клавиш. Перед процедурой вывода пользователь может внести
необходимые текстовые надписи и заголовки в любое место на печатаемом графике.
Меню блока вывода на принтер содержит пять опций:
1) Выбор расположения строки сообщения: заголовок, подпись или комментарий к графику (вверху,
внизу).
2) Выбор нормальной печати (черным по белому),
3) Выбор инверсной печати (белым по черному).
4) Выбор качества и размера распечатки:
- 8 см по высоте 8 см по ширине "двойной удар";
- 8 см по высоте 8 см по ширине "одинарный удар";
- 8 см по высоте 4 см по ширине "двойной удар";
- 8 см по высоте 12 см по ширине "двойной удар".
5) Вывод передаточной функции и её коффицентов (Выкл/Вкл).
|
