Содержание

Предпосылки создания и назначение приложения «SigDecTool». 1

Краткое описание принципов, интерфейса и основных функциональных возможностей. 1

Детализированное описание элементов интерфейса. 3

I. Панель «Библиотека сигналов». 3

II. Панель «Выбранные сигналы». 4

III. Панель «Визуализация». 5

IV. Графики характеристик. 5

V. Декомпозиция сигнала. 6

VI. Строка состояния. 9

VII. Главное меню и экспорт. 10

Предпосылки создания и назначение приложения «SigDecTool»

Шумы различной природы часто являются неизбежной составляющей сигналов в измерительных каналах реальных систем автоматического управления, оказывая негативное влияние на качество их функционирования. Степень и характер этого влияния могут зависеть не только от амплитуды шума, но и от целого ряда других его характеристик. Приложение «SigDecTool» содержит широкую палитру инструментов, позволяющих осуществлять моделирование шумов с различными характеристиками и экспортировать полученные модели в среду MATLAB\Simulink с целью повышения качества синтеза и анализа прикладных систем автоматического управления. Приложение содержит графический интерфейс и позволяет конструировать модели шумов, как с произвольными характеристиками, так и с характеристиками, полученными на основе анализа реальных сигналов шума. В качестве основных характеристик для оценки шума, в приложении используются частотный спектр сигнала и закон распределения амплитуд.

Краткое описание принципов, интерфейса и основных функциональных возможностей

Модель шума в приложении «SigDecTool» представляется в виде суммы аддитивных сигналов трех видов: периодические, случайные и сигнал смещения с постоянной амплитудой. Список доступных для использования аддитивных сигналов находится в поле Библиотека сигналов (I) интерфейса приложения (рис. 1). Из этого списка с помощью кнопки с изображением стрелки осуществляют выбор сигналов для использования в текущем проекте. Их список отображается в поле Выбранные сигналы (II), где можно изменить параметры отдельных аддитивных составляющих. В поле Визуализация (III) по желанию пользователя отображается либо раздельно каждый вид используемых в проекте составляющих шума с заданными параметрами, либо их сумма, являющаяся результирующим сигналом модели. Область (IV) предназначена для отображения графиков статистических характеристик результирующего сигнала модели, куда выводятся его частотный спектр, распределение амплитуд и автокорреляционная функция (по желанию пользователя).

Рис. 1. Главное окно приложения SigDecTool

Важной особенностью приложения является возможность расширения библиотеки сигналов и построения модели шумов из составляющих, полученных в результате разложения реальных сигналов шума, путем решения задачи декомпозиции (V).

Полученные с помощью приложения «SigDecTool» модели могут быть сохранены с последующим открытием, а также экспортированы в среду Simulink (VII).

Детализированное описание элементов интерфейса

I. Панель «Библиотека сигналов»

Рис. 2. Панель Библиотека сигналов

Библиотека сигналов (рис. 2) содержит список составляющих, доступных в текущем проекте при конструировании модели шума. Приложение поддерживает три класса аддитивных составляющих:

1) периодические: заданные временем и формой одного периода (предустановленные виды сигналов: импульсный, синусоидальный, пилообразный и треугольный);

2) случайные: заданные законом распределения амплитуд (предустановленны сигналы с нормальным и равномерным законами распределения);

3) константа: сигнал постоянной амплитуды.

В зависимости от принадлежности к одной из групп, для выбранного сигнала над списком отображается:

· график (для периодических сигналов и константы);

· распределение амплитуд (для случайных сигналов).

Помимо содержащихся стандартных сигналов в библиотеку могут быть добавлены пользовательские сигналы из рабочего пространства MATLAB кнопкой «Импорт». Также присутствует возможность расширить библиотеку сигналов составляющими, полученными в результате разложения реальных сигналов шума, путем решения задачи декомпозиции (см. раздел «Декомпозиция»).

Для добавления в проект сигнала, его необходимо выбрать из списка Библиотека сигналов в список Выбранные сигналы кнопкой с изображением стрелки.

II. Панель «Выбранные сигналы»

Рис. 3. Панель Выбранные сигналы

Панель Выбранные сигналы содержит список сигналов, используемых в текущем проекте. Над списком показаны параметры выбранного сигнала, которые можно изменить с помощью меню, вызываемого кнопкой «Изменить». С помощью переключателя «Активировать» производится включение/отключение выбранного сигнала в состав результирующего сигнала.

Используемые в проекте сигналы могут различаться по способу получения, в зависимости от этого, для удобства визуального восприятия, перед именами сигналов ставятся разные скобки:

[ ] − для сигналов, полученных из стандартных или отдельно импортированных пользовательских сигналов библиотеки;

( ) − для сигналов, полученных в ходе процедуры декомпозиция (см. раздел «Декомпозиция»).

Кроме того, в зависимости от принадлежности к одной из групп (см. раздел «Библиотека сигналов»), в списке перед именами сигналов в скобках ставится поясняющий знак (рис. 3):

~ − для периодических сигналов;

^ − для случайных сигналов;

-- − для сигналов постоянной амплитуды (константа).

Если сигнал деактивирован переключателем «Активировать», то перед его именем стоят пустые скобки.

С помощью кнопки «Экспорт» осуществляется экспорт текущего сигнала с заданными параметрами в рабочее пространство MATLAB. Экспортируемый сигнал имеет вид временного ряда.

Кнопка «Удалить» предназначена для удаления текущей составляющей из списка выбранных сигналов.

III. Панель «Визуализация»

Вид активных сигналов, находящихся в списке Выбранные сигналы, отображается на панели Визуализация следующими способами (рис. 4):

· Сигналы сепаратно (графики всех активных сигналов);

· Текущий (график выделенного сигнала в списке Выбранные сигналы);

· Сумма (график результирующего сигнала);

· Прослушивание выбранного сигнала (если выделены режимы «Сигналы сепаратно» или «Текущий») или результирующего сигнала (если выделен режим «Сумма»).

Кроме того, в режиме отображения «Сумма», для сравнения, может отображаться график исходного (подлежащего декомпозиции) сигнала (см. раздел «Декомпозиция»).

Рис. 4. Панель «Визуализация»

IV. Графики характеристик

На данных графиках отображаются характеристики результирующего сигнала модели шума в виде спектра, распределения амплитуд и автокорреляции (рис. 1).

Кроме того, для сравнения, на данных графиках могут отображаться характеристики исходного (подлежащего декомпозиции) сигнала (см. раздел «Декомпозиция»).

V. Декомпозиция сигнала

Рис. 5. Импорт сигнала для декомпозиции	Рис. 6. Окно «Импорт сигнала»

В приложении имеется возможность построить модель шума из аддитивных составляющих, полученных в результате разложения реальных сигналов шума. Эта задача решается в ходе процедуры декомпозиции. Результаты декомпозиции, в виде набора аддитивных составляющих трех классов, поддерживаемых приложением (см. раздел «Библиотека сигналов»), добавляются в список Библиотека сигналов и автоматически заносятся в поле Выбранные сигналы, формируя текущую модель проекта.

Импорт и декомпозиция сигнала осуществляется при помощи следующих вкладок меню «Декомпозиция» (рис. 5).

· "Импорт и декомпозиция сигнала из workspace". Сигнал шума в рабочем пространстве MATLAB должен иметь вид временного ряда, заданного в форме вектора. При импорте необходимо ввести интервал дискретности (рис. 6).

· "Импорт и декомпозиция сигнала из библиотеки". Библиотека приложения содержит сигналы шумов, снятых с различных устройств (рис. 7). Окно библиотеки отображает спектр и распределение амплитуд выбранного сигнала, присутствует возможность прослушать сигнал и начать декомпозицию.

Рис. 7. Окно «Импорт и декомпозиция сигнала из библиотеки»

Основу процедуры декомпозиции составляют два формально независимых механизма, направленных на выявление составляющих, имеющих периодическую и случайную природу. Первый этап процедуры декомпозиции состоит в выявлении периодических составляющих. Для его выполнения необходимо указать на спектре пороговый уровень амплитуды (рис. 8). В процессе решения задачи декомпозиции в расчет берутся только те частоты, чьи амплитуды превышают пороговый уровень. Этот параметр, с одной стороны, влияет на спектральное подобие синтезируемой модели исходному сигналу шума, но, с другой стороны, может привести к чрезвычайно длительному вычислительному процессу и высокой сложности полученной в итоге модели. Поэтому решение задачи декомпозиции рекомендуется начинать с выбора больших значений спектральной амплитуды, последовательно уменьшая этот параметр по мере необходимости.

После выполнения первого этапа, а так же в том случае, если установленный пороговый уровень превышает максимальную амплитуду на спектре, выполняется второй этап процедуры декомпозиции – выявление закона распределения случайной составляющей.

Рис. 8. Окно «Спектр сигнала»

Составляющие, полученные в результате декомпозиции, помещаются в списки:

· Библиотека сигналов: добавляются к уже имеющимся, но с удалением сигналов, полученных после предыдущей декомпозиции (если таковая была), (рис. 2);

· Выбранные сигналы: если данный список до декомпозиции уже содержал сигналы, то после данной процедуры эти сигналы становятся неактивными (рис. 3).

Кроме того, после процедуры декомпозиции, в строке состояния появляется дополнительная информация (см. раздел «Строка состояния»), и для удобства сравнения, отображаются (рис. 9):

· графики характеристик (спектр, автокорреляция и распределение амплитуд) исходного и результирующего сигналов в окнах IV;

· графики исходного и результирующего сигналов на панели Визуализация в режиме отображения «Сумма».

VI. Строка состояния

В строке состояния содержится информация о продолжительности и интервале дискретности моделируемого сигнала, влияющие на его визуализацию, а также имя исходного сигнала, импортированного для декомпозиции. Расположенные в этой области интерфейса элементы управления позволяют:

· изменять временные характеристики моделируемого сигнала (кнопка «Изменить»);

· прослушивать (кнопка с символом «►») и управлять отображением исходного сигнала, выбранного для декомпозиции (кнопка «Отображать»).

Отключение по отдельности каждого из графиков исходного сигнала можно осуществить с помощью пункта «Отображать/скрывать исходные данные» меню «Декомпозиция» (рис. 5).

Рис. 9. Результаты декомпозиции

VII. Главное меню и экспорт

Экспорт полученной модели шума для использования при моделировании в среде «Simulink» производится пунктом «Экспортировать в симулинк модель» меню «Файл». На рисунке 10 показан пример модели шума, которая состоит из константы, двух периодических составляющих и одной случайной.

Рис. 10. Модель сигнала

В меню «Файл» находятся пункты «Открыть проект», «Сохранить проект» и «Очистить проект», при помощи которых производятся соответствующие операции над проектом.

В меню «Правка» содержится элемент «Очистить список выбранных», с помощью которого осуществляется очистка списка Выбранные сигналы.

Вкладка «Декомпозиция» содержит элементы для вызова операций импорта и декомпозиции, а также управления отображением исходного сигнала.

Вкладка «Справка» вызывает справочную документацию.