Другие пакеты физического мультидоменного моделирования и проектирования

Пакеты физического мультидоменного моделирования многими специалистами считаются более перспективными инструментами для исследования технических систем. Во-первых, они используют форму задания исходной информации, которая гораздо ближе и понятнее специалистам в предметных областях. Во-вторых, исследователь избавлен от необходимости проводить структурные преобразования модели, с тем чтобы перейти к структуре направленных блоков. И, наконец, большинство современных пакетов физического моделирования не только допускают использование направленных блоков, но и могут сопрягаться с классическими пакетами структурного моделирования, например с Simulink.

Первоначально пакеты физического моделирования разрабатывались для моделирования электрических и электронных схем. Структура таких схем проще, чем механических. Каждая энергетическая связь содержит лишь две переменные - ток и напряжение. Для нас представляют интерес пакеты, способные моделировать прежде всего механическую часть мехатронной системы, как наиболее сложную с точки зрения формирования математической модели и с точки зрения численного интегрирования и визуализации результатов.

Пакет Vis Sim. Система динамического моделирования VisSim предназначена для исследования и анализа переходных и установившихся процессов в любых динамических системах, в том числе и в автоматических системах с использованием визуальных средств структурного моделирования. VisSim представляет собой симулятор систем, инструментальную среду визуального проектирования.

В нем представлены инструменты для частотных, корневых, вариационных оценок качества, устойчивости, синтеза, коррекции, оптимизации, линеаризации, отладки объектов в контуре модели и программирования цифровых сигнальных процессоров. VisSim имеет решатель интерпретирующего типа, функционирующий в динамическом режиме с возможностью online-взаимодействия с оборудованием реального времени.

В состав пакета решателя VisSim включены модули: явные решатели - для решения дифференциальных уравнений; неявные решатели - для решения алгебраических уравнений; оптимизаторы - для итерационного подбора параметров. Интерпретатор VisSim-a позволяет автоматически генерировать код на языке С. На основе результатов линеаризации модели VisSim обеспечивает выполнение корневого и частотного анализов, средства автоматической генерации коэффициентов классических линейных и дискретных фильтров. Базовая библиотека блоков VisSim-a не требует дальнейшего расширения. Расширения пакета содержат библиотеки с моделями устройств электропривода, систем связи и целочисленной математики. Пользователь может создать собственную библиотеку моделей.

Программа VisSim обладает развитым графическим интерфейсом, используя который можно создать с некоторой степенью условности модель из виртуальных элементов. Это позволяет исследователю разрабатывать, исследовать и оптимизировать модели систем различной сложности и назначения. VisSim автоматически создаёт и решает дифференциальные уравнения по предложенной структуре системы и параметрам ее элементов. Результаты решения выводятся в наглядной графической форме. Поэтому программой могут пользоваться и те, кто не имеет глубоких познаний в математике и программировании.

Кроме моделирования систем управления в VisSim можно решать дифференциальные уравнения, причем эффективнее и быстрее, чем известный математический пакет MathCAD. При соизмеримой и более высокой производительности, чем у программы Simulink, входящей в этот пакет, VisSim требует существенно меньше места на жестком диске и в оперативной памяти. VisSim позволяет также решать задачи по физике, от школьного уровня и до серьезных физических экспериментов на виртуальных лабораторных стендах (рис. 2.34).

Идейно ядро VisSim-a составляют такие возможности:

  • 1. Симуляция движения (моделирование) непрерывных, дискретных и гибридных систем (на основе задания структурных схем с передаточными функциями систем автоматического регулирования).
  • 2. Частотный анализ (АФХ - годограф Найквиста, ЛАЧХ & ЛФЧХ, годограф корней).
  • 3. Оптимизация (итерационные алгоритмы подбора параметров).
Оценка качества объекта регулирования в пакете VisSim

Рис. 2.34. Оценка качества объекта регулирования в пакете VisSim: показаны объект регулирования - Plant; PID-регулятор; его ЛАЧХ и ЛФЧХ; переходная функция для оптимизированных параметров (коэффициентов усиления)

Пакет Modelica представляет собой среду визуального моделирования, включающую универсальный объектно-ориентированный язык Modelica для моделирования сложных физических систем и собственно инструментальные средства, такие как пакеты Dymola или MathModelica. Язык Modelica, наряду с ASCEND, Smile, VHDL-AMS и др., относится к группе так называемых некаузальных языков, т. е. языков физического моделирования. Как и во всех рассматриваемых пакетах, здесь используется компонентный принцип задания исходной информации об исследуемой системе, однако применяемые компоненты имеют не входы и выходы, а выводы, или контакты, как правило имеющие ясный физический смысл. Это делает пакет привлекательным для специалистов нематематического профиля и более простым для понимания и использования в целом. Modelica имеет хорошую техническую поддержку со стороны производителя, для него существует большое количество библиотек готовых компонентов.

На рис. 2.35 представлены результаты моделирования робота. Механизм имеет 6 степеней свободы. Предусмотрен планировщик пути с включением контроллеров, двигателей и т. д. Это достаточно подробная модель робота с настройками по умолчанию (время моделирования по умолчанию равно 3 с).

Скоростные характеристики элементов робота

Рис. 2.35. Скоростные характеристики элементов робота

Пакет 20-Sim позволяет строить графические схемы и планировать работу динамических систем (электрической, механической, тепловой, гидравлической и т. д.) с использованием блок-схем и диаграмм в чертежах (рис. 2.36). Будет полезен специалистам в областях мехатроники, робототехники, разработки систем управления и т. д.

Исследование динамической системы в пакете 20-Sim

Рис. 2.36. Исследование динамической системы в пакете 20-Sim

Программный комплекс для моделирования динамических систем состоит их двух связанных между собой программ: графического редактора (Graf Editor); моделирующей системы (Simulator).

Этапы моделирования объединены в две стадии в соответствии с используемой программой: составление модели; подготовка и проведение эксперимента.

Представление моделируемой системы в виде блоков требует некоторого навыка. Наиболее просто задача решается, если математическое описание объекта, регулятора и преобразователей задается в виде передаточных функций. Структурная схема системы для моделирования получается с помощью последовательного, параллельного или встречно-параллельного соединения блоков, входящих в библиотеку пакета.

Пакет Stateflow - это среда для моделирования и симуляции комбинаторной и последовательной логики принятия решений, основанных на машинах состояний и блок-схемах.

Пакет позволяет комбинировать графические и табличные представления, включая диаграммы перехода состояний, блок-схемы, таблицы перехода состояний и таблицы истинности, чтобы смоделировать реакцию системы на события, условия во времени и внешние входные сигналы.

При помощи Stateflow можно разрабатывать логику диспетчерского управления, планирования задач и систем реагирования на ошибки. Пакет включает анимацию диаграммы состояний, а также статические и динамические проверки. Это позволяет убедиться, что дизайн решаемой задачи является согласованным и целостным до того, как вы приступите к его реализации.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >