Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Герман-Галкин С.Г. Лекции. Моделирование в мехатронике - файл Лекция 1.doc


Герман-Галкин С.Г. Лекции. Моделирование в мехатронике
скачать (7987 kb.)

Доступные файлы (10):

Лекция 1.doc230kb.13.11.2008 15:22скачать
Лекция 2.doc708kb.13.11.2008 15:22скачать
Лекция 3.doc1787kb.13.11.2008 15:21скачать
Лекция 4.doc2575kb.13.11.2008 15:21скачать
Лекция 5.doc3282kb.13.11.2008 15:20скачать
Лекция 6.doc542kb.13.11.2008 15:18скачать
Лекция 7.doc1148kb.13.11.2008 15:19скачать
Лекция 8.doc1604kb.13.11.2008 15:19скачать
Лекция 9.doc1229kb.13.11.2008 15:20скачать
Литература.doc38kb.13.11.2008 15:27скачать

содержание
Загрузка...

Лекция 1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Лекция 1. Моделирование и мехатроника. Основные понятия.
1.1. Моделирование, основные понятия и определения.
Моделью называется любой другой объект, отдельные свойства кото­рого полностью или частично совпадают со свойствами исходного. Следует ясно понимать, что исчерпывающе полной модели быть не может. Она всегда ограничена и должна лишь соответствовать целям моделирова­ния, отражая ровно столько свойств исходного объекта и в такой полноте, сколько необходимо для конкретного исследования.

Можно выде­лить несколько целей, ради которых создаются модели [4]:

1. Модель как средство осмысления помогает выявить взаимозависимости переменных, характер их изменения во времени, найти существующие закономерности. При составлении модели становится более понятной структура исследуемого объекта, вскрываются важные причинно-следст­венные связи.

В процессе моделирования постепенно происходит разде­ление свойств исходного объекта на существенные и второстепенные с точки зрения сформулированных требований к системе. В определенном смысле вся научная деятельность сводится к построению и исследованию моделей;

2. Модель как средство прогнозирования позволяет предсказывать поведение объекта и управлять им, испытывая различные варианты управления.

3. Модель как средство проектирования, включающее этапы эскизного, технического и рабочего проектирования. Достижение этой цели стало возможным благодаря интенсивному развитию специализированных прикладных пакетов.

Экспериментировать с реальным объектом часто бывает неудобно, а иногда и просто опасно или вообще невозможно в силу ряда причин:

  • большой продолжительности эксперимента,

  • риска повредить или уничтожить объект,

  • риска здоровью и жизни исследователей,

  • отсутствия реального объекта в случае, когда он еще только проектируется.

Все эти причины устраняются при использовании моделей.

Модели можно условно разделить на три группы: физические, аналоговые и математические.

Физическими принято называть такие модели (макеты), в которых реальный объект заменен его увеличенной или уменьшенной копией. Эта копия создается на основе теории подобия, что и позволяет утверждать, что в модели сохранились требуемые свойства. Например, при исследованиях аэро­динамических свойств будущего самолета в аэродинамической трубе доста­точно его макета, изготовленного в натуральную величину или уменьшен­ного. Главное, чтобы он точно отражал геометрические размеры. Если физическая модель имеет совершенно иную природу нежели реальный объект, то такую модель называют аналоговой (от слова аналогия).

Аналоговое моделирование основано на замене исходного объекта объектом другой физической природы, обладающим аналогичным поведением. Коле­бания и резонанс можно изучать и с помощью механических систем, и с помощью электрических цепей. При аналоговом моделировании важно уви­деть в объекте-заменителе нужные черты, и правильно их интерпретировать.



Рис.1.1. Эквивалентные механическая и электрическая системы



Пример 1.1. На рис.1.1 показана механическая система, содержащая массу М, пружину с жесткостью К и демпфер с коэффициентом демпфирования В. На систему действует внешняя сила f(t). Дифференциальное уравнение, описывающее эту механическую систему имеет вид:
(1.1)
Обычно аналоговые модели имеют точно такое же математическое описание, как и реальный объект.

Дифференциальное уравнение, описывающее электрическую цепь на рис.1.1, имеет вид:
(1.2)
Сравнение 1.1 и 1.2 показывает, что механическую систему можно исследовать , используя электрическую схему в качестве аналоговой модели.

И физическое, и аналоговое моделирование в качестве основного способа исследования предполагают проведение натурного эксперимента с моделью, но этот эксперимент оказывается в каком-то смысле более привлекатель­ным, чем эксперимент с исходным объектом.

Математическая модель является математическим описанием реального физического объекта. Это описание базируется на физических законах, описывающих поведение объекта. Так математическое описание двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, составленное на основании законов Кирхгоффа и Ньютона имеет вид.
(1.3)

Параметры двигателя, входящие в уравнения (1.3), рассчитываются на основе паспортных данных, помещенных в справочных материалах.

Это математическое описание служит для исследования свойств объекта, необходимых проектировщику.

Свойства объекта, представленного математической моделью, могут изучаться с использованием аналитических и вычислительных методов. В частности динамические свойства двигателя изучаются на основании характеристического уравнения, составленного по уравнениям двигателя.
(1.4)

которое свидетельствует о том, что при , корни характеристического уравнения комплексно-сопряженные и переходной процесс является колебательным. При -корни уравнения вещественные, отрицательные, а переходной процесс является апериодическим.

Аналитические методы исследования математических моделей, в разработке которых вот уже несколько столетий принимали и принимают участие самые светлые умы человечества, дали очень много теории и практике. Однако эти методы имеют существенные ограничения. Они позволяют в полной мере исследовать системы, которые описываются дифференциальными уравнениями первого и второго порядка. Системы, описываемые уравнениями третьего и четвертого порядка, поддаются аналитическому решению, но влияние параметров системы приходится исследовать уже численными методами. Системы более высоких порядков исследуются только численными методами.

Численные методы базируются на использовании компьютерного моделирования.

Компьютерная модель — это программная реализация математической моде­ли, дополненная различными служебными программами (например, ри­сующими и изменяющими графические образы во времени).

На исторически ранних этапах компьютерного моделирования програм­мы создавались на языке машинных слов (1100101….). Следующим шагом стал язык Ассемблера. В дальнейшем появились языки программирования "высокого уровня" (Алгол, Бейсик, Фортран, Паскаль и др.). Применявшаяся в те годы технология програм­мирования требовала на создание моделей очень много времени. Трудозатраты на создание простой, с современной точки зрения, компьютерной модели оценивалась в 5—6 человеко-месяцев.

На сегодняшний день положение кардинально изменилось. Начиная с 1970-х гг., было разработано множество прикладных пакетов мо­делирования, автоматизирующих прежде всего этап представления математической модели для компьютера. Среди них лидирующее положение для исследования динамических систем занимают пакеты Matlab и Simulink фирмы Math Work.

Первая версия пакета Matlab была разработана уже более 20 лет тому назад. Развитие и совершенствование этого пакета происходило одновременно с развитием средств вычислительной техники. Название пакета Matlab происходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость смены поколений вычислительной техники, Matlab успевал впитывать все наиболее ценное от каждого из этих поколений.

В результате к настоящему времени Matlab представляет собой богатейшую библиотеку функций, единственной проблемой работы с которыми заключается в умении быстро отыскать те из них, которые нужны для решения поставленной задачи.

Для облегчения работы с пакетом специалистам различных областей науки и техники вся библиотека функций разбита на разделы. Те из них, которые носят общий характер, входят в состав ядра Matlab. Те же функции, которые являются специфическими для конкретной области, включены в состав пакетов расширения (Toolbоxes, Blocksets).

В настоящее время появилась новая, существенно расширенная, версия R2006 a, Simulink-6. Этой версии ниже уделено основное внимание. Однако, необходимо отметить, что библиотеки старых версий с их интерфейсом сохранены.

Пакет Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотек стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает.

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox – пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Sim Power System – моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset – набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц. Наиболее полное описание среды Matlab-Simulink читатель найдкт в цитируемой литературе [9,23,28].
^ 1.2. Мехатроника, основные понятия и определения.
Первые научные публикации по мехатронике появились в 70 годах прошлого столетия в Японии в связи с разработкой высокоточных систем автоматики, управляемых от компьютера. В 1983 году начал издаваться научный журнал «Мехатроника», а в 1984 году было издано 7 книг в серии «Мехатроника».

В 1985 году в Америке, в Калифорнийском Университете был создан научный центр мехатроники, куда вошло около 20 фирм, занимающихся перспективными научными разработками.

В России и в нынешних странах СНГ работы в области мехатроники интенсивно проводились начиная с 80 годов прошлого века в основном для нужд космоса и в военных целях. К концу 20 века сформировались научные школы при ведущих технических ВУЗах в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Киеве, Харькове, Минске и других городах бывшего СССР.

Основной движущей силой широкого внедрения мехатроники явилось развитие вычислительной техники, микросхемотехники, микропроцессоров и микроконтроллеров, что привело к новому осмыслению процессов передачи и преобразования информации в электромеханических системах. В результате это нашло отражение в новых практических разработках в различных отраслях науки и техники.

Само слово «Мехатроника» состоит из дух частей- механика и электроника. При своем рождении это слово обозначало только использование компьютера для управления механической системой.

Сегодня этот термин обозначает научно - техническое направление, соединяющее в себе новые научные подходы при исследовании, опирающееся на современные компьютерные технологии (теория) и новые технологии в проектировании нетрадиционных технических устройств (практика). Мехатронные системы, включающие в свой состав электромеханические преобразователи с электронной коммутацией (актуаторы), различного вида датчики (сенсоры), силовые полупроводниковые преобразователи, микроконтроллеры и персональные компьютеры, широко применяются и интенсивно развиваются.

В настоящее время мехатронные устройства широко используются в медицине (искусственное органы), в компьютерной технике (привода дисков, принтеры, сканеры), в автомобилях (тормозные системы, системы управления двигателем и.т.д.), в роботах и манипуляторах, в аудио и видио технике, в специальных устройствах космической и военной техники и.т.д.


      1. Состав мехатронной системы.


Функциональная схема мехатронной системы приведена на рис.1.2. Она включает три подсистемы информационную, энергоэлектронную и электромеханическую.

Электромеханическая подсистема содержит объект управления (ОУ) и электромеханический преобразователь (ЭМП).

Энергоэлектронная подсистема включает силовой полупроводниковый преобразователь (СПП) и вторичный источник питания (ВИП).

Информационная подсистема содержит систему управления и диагностики (СУД) и блок сенсорных устройств (СУ).

При изучении мехатронной системы необходимо исследовать динамические, статические, энергетические, спектральные и ряд других характеристик.





Рис.1.2. Функциональная схема мехатронной системы



Следует подчеркнуть основные особенности мехатронной системы:

1. Объекты управления мехатронных систем напрямую не связаны с производством. Как правило, они заменяют человека в условиях, где его возможности ограничены или там, где его здоровью и жизни угрожает опасность.

2. Объекты управления (ОУ) мехатронных систем, как правило, имеют переменные параметры. Часто не удается создать математическую модель объекта управления на основе физических закономерностей его работы. В этом случае для математического описания (ОУ) приходится прибегать к методам идентификации.

3. Электромеханические преобразователи (ЭМП) часто являются конструктивным звеном объекта управления. В этом случае конструкция ЭМП является нетрадиционной.

4. Управление потоком энергии от ПИП до ЭМП осуществляется силовым полупроводниковым преобразователем (СПП). Объединение ПИП, СПП и ЭМП создает мехатронную энергетическую подсистему (МЭП), в которой проявляются новые свойства, отсутствующие в отдельно взятых блоках.

5. Мехатронная энергетическая подсистема, как правило, является нелинейной, импульсной подсистемой с дискретно изменяющимися параметрами. Поэтому ее анализ, а также синтез системы управления требует применения методов, базирующихся на современных компьютерных технологиях.

Расчет и проектирование мехатронной системы включают:

  • построение совместной модели цифровой, импульсной и непрерывной части;

  • исследование динамических характеристик непрерывной и импульсной части

  • синтез регулятора;

  • исследование динамических характеристик всей системы;

  • исследование статических характеристик всей системы


^ 1.3. Вопросы разработки моделей мехатронных систем.

Использование компьютера позволяет по-новому распределить время, отводимое на теоретическое изучение материала и практические занятия. При этом под практическими занятиями подразумевается работа в виртуальных лабораториях.

Создание обучающих программ с применением современных компьютерных технологий для рассматриваемого курса наиболее полно реализуются в среде Matlab-Simulink. При этом сами компьютерные технологии в названных пакетах можно поделить на несколько уровней:

1. Уровень, использующий рабочее пространство Matlab и его расширений (Toolboxes).

2. Уровень, использующий структурные блоки пакета Simulink и его расширений (Blocksets).

3. Уровень, использующий виртуальные (маскированные) блоки пакета Sim Power System с графическим интерфейсом пользователя.

4. Уровень, использующий имитационные лабораторные стенды, разработанные с использованием графического интерфейса пользователя (GUI).

Ниже, на конкретных примерах, рассматриваются перечисленные уровни создания виртуальных лабораторий в среде Matlab, Simulink.
^ Структурные модели строятся на основе математического описания динамических систем. Это описание может быть представлено дифференциальным уравнением, передаточной функцией, нулями и полюсами передаточной функции, либо уравнениями пространства состояний. В пакете Simulink имеется полный набор блоков, позволяющих реализовать любую структурную модель.




Рис.1.3. Структурная модель звена робота и его динамические характеристики.

Представление результатов моделирования структурных моделей осуществляется при использовании пакета расширения Control System, который в своем составе имеет инструментальное средство LTI-Viewer .

Операторное представление математического описания звена робота запишется в виде:


,

. (1.5)
На рис.1.3 приведена структурная модель звена робота, построенная по уравнениям (1.5) и ее динамические характеристики.
Основой функциональной модели является логика работы устройства, которое, как правило, содержит нелинейные элементы. Функциональные модели используются для моделирования элементов силовой электроники, при исследовании динамики систем, представленных структурными моделями. В этом случае отпадает необходимость в замене силового преобразователя эквивалентным апериодическим звеном или звеном запаздывания.

Пример функциональной модели реверсивного широтно-импульсного преобразователя с поочередным алгоритмом управления показан на рис.1.4, здесь же показаны электромагнитные процессы в схеме.



Рис.1.4. Функциональная модель ШИП и электромагнитные процессы.



Виртуальные модели - это маскированные блоки устройств силовой электроники и электромеханики, помещенные в библиотеки пакета расширения Sim Power System.

Применение виртуальных моделей позволяет исследовать не только динамические характеристики мехатронной системы, но и ее статические характеристики, такие как:

- регулировочные характеристики;

- нагрузочные характеристики;

- электромагнитные характеристики;

- энергетические характеристики.

Представление результатов моделирования функциональных и виртуальных моделей, как правило, осуществляется путем записи результатов моделирования в рабочее пространство Matlab с их последующей программной обработкой.




Рис.1.5. Виртуальная модель вентильного двигателя со структурно-функциональной моделью управления.
На рис.1.5 приведен пример структурно-функционально- виртуальной модели вентильного двигателя, а на рис.1.6 – электромеханические характеристики этого устройства.



Рис.1.6. Электромеханические процессы в вентильном двигателе.



Имитационный лабораторный стенд представляет собой проект, состоящий из значительного количества взаимосвязанных файлов, разработанных в среде Matlab-Simulink с использованием графического интерфейса пользователя (GUI – Grafic User Intefejs). Разработка имитационного лабораторного стенда требует много времени, но значительно облегчает выполнение лабораторной работы студента. Такие стенды полностью имитирует реальные лабораторные установки и могут быть рекомендованы в курсах, где не требуется изучения вопросов моделирования.

На рис.1.7 показан имитационный лабораторный стенд для проектирования непрерывных и цифровых регуляторов в электроприводе постоянного тока.
Стенд состоит из 7 панелей. На верхней панели представлена структурная схема электропривода, регуляторы в котором требуется синтезировать. В правой части экрана задаются (преподавателем) параметры неизменной части – ДПТ и звеньев в цепи обратных связей.

В левой части экрана имеется так же две панели, в которые вводятся структура и параметры регулятора (синтез регулятора осуществляется студентом).

Динамические характеристики замкнутой системы с непрерывным и цифровым регулятором можно наблюдать при использовании кнопок, помещенных справа на двух панелях. При этом стенд позволяет работать в интерактивном режиме, когда изменение параметров регулятора сразу отражается на динамических характеристиках замкнутой системы.




Рис.1.7. Имитационный лабораторный стенд



Скачать файл (7987 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации