Моделирование динамики гусеничных экипажей
Модуль UM Control Сложные системы такого рода не могут быть описаны встроенными в УМ средствами, поэтому математические модели таких систем описываются либо в Matlab/Simulink, либо разрабатываются пользователем самостоятельно на одном из языков программирования и затем подключаются к УМ как внешние динамически загружаемые библиотеки (DLL). Таким образом, все инструменты модуля UM Control позволяют существенно расширить диапазон систем, моделируемых в УМ, и подойти к моделированию сложных электромеханических систем, например, электровоза, систем управления (ABS, противобуксовочных, противозаносных и других систем), а также мехатронных систем.
Перечисленные инструменты имеют похожий интерфейс пользователя и оперируют одинаковыми терминами, и поэтому объединены в один модуль. Вместе с тем все инструменты функционально независимы и могут поставляться отдельно друг от друга.
Ниже рассмотрим упомянутые инструменты подробнее:
UM Matlab Import;
UM CoSimulaiton;
UM User's Defined Routines.
Дополнительные материалы:
1. Начинаем работать: интерфейс с Matlab/Simulink;
2. Введение в использование инструмента UM CoSimulation, umcosimulation.zip, (0.7 Мб, презентация PowerPoint в zip-архиве, рус. яз.);
3. Федяев В.Н. Автореферат на диссертацию "Влияние электрической и механической подсистем магистрального тепловоза на реализацию предельных тяговых усилий". БГТУ, Брянск, 2006.
Одной из самых распространенных программ, ориентированных на моделирование технических систем, является среда Matlab/Simulink.
Интегрированный в программный комплекс «Универсальный механизм» интерфейс с Matlab/Simulink (инструмент UM Matlab Import) позволяет связывать построенную механическую модель UM с моделями
подсистем различной природы, описанных в Matlab/Simulink.Интерфейс с Matlab/Simulink позволяет одновременно подключать к механической модели неограниченное количество моделей Matlab/Simulink, скомпилированных в виде dll-библиотек. Интуитивно понятный графический интерфейс программного модуля позволяет подключать DLL со скомпилированной подсистемой, выбирать для данной подсистемы входы и выходы, а также включать и отключать в любой момент требуемые подсистемы.
Алгоритм интеграции модели из различных подсистем, реализованных в UM и Matlab/Simulink, состоит, как правило, из следующих этапов:
• определение данных, которые необходимо передавать от одной подсистемы к другой (из UM в Matlab/Simulink и обратно);
• построение моделей в UM и Matlab/Simulink в соответствии с определенными потоками данных;
• компиляция моделей, реализованных в Matlab/Simulink, в динамически подключаемые библиотеки (DLL);
• связывание модели механической системы, реализованной в UM, с имеющимися dll-библиотеками;
• моделирование динамики сложной модели в среде программы UM Simulation.
Пример 1. Стабилизация перевернутого маятника: UM Matlab Import Модель, представленная на рисунке ниже, состоит из тележки
массой M и перевернутого маятника массой m, момент инерции
которого относительно оси вращения равен I. На вход системы управления
подается угол отклонения маятника от вертикали, с выхода системы управления
снимается величина управляющей силы, которую нужно приложить к тележке для
балансировки перевернутого маятника.
 |
 |
|---|---|
| Расчетная схема |
Схема обмена данными |
Система управления перевернутым маятником представляет собой так называемый пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер.
Для связи модели управления с моделью ПК "Универсальный механизм" в модель системы управления следует включить компоненты "In" и "Out".
В нашей модели перевернутого маятника входной переменной для системы управления является угол отклонения маятника от вертикали. Соответственно
нужно предусмотреть один вход в модель системы управления. В свою очередь для организации управления перевернутым маятником в нашей модели системы
управления предусмотрен один выход - усилие, подаваемое на тележку.
 |
|---|
| Модель системы управления в Matlab/Simulink |
 |
 |
|---|---|
| Неуправляемое движение | Управляемое движение |
Пример 2. Электромеханическая модель локомотива  |
 |
|---|---|
| Модель локомотива ТЭМ21 | Модель электродвигателя |
С помощью инструмента UM CoSimulation модель механической части экспортируется из Универсального механизма и включается в модель Matlab/Simulink. В общем случае моделирование динамики
механических систем с использованием CoSimulation предполагает выполнение следующих этапов.• Описание модели немеханической части в среде Matlab/Simulink.
• Включение в эту модель блока S-функции, который представляет собой модель механической системы, которая в дальнейшем будет импортирована из УМ.
• Создание модели механической системы в программе UM Input.
• Загрузка подготовленной модели механической части в программу UM Simulation. Формирование файлов настроек и управляющего m-файла с помощью Мастера экспорта в Matlab/Simulink для подключения этой модели в Matlab/Simulink.
• Создание связи между UM-моделью и системой управления Matlab/Simulink.
• Моделирование динамики сложной модели в среде Matlab/Simulink.
Модель механической системы UM, подключаемая в модель Matlab/Simulink, рассматривается как черный ящик, который по некоторому закону преобразует входные величины в выходные. При экспорте механической системы из UM в модель Matlab/Simulink на выходы механической системы назначаются переменные, которые создаются при помощи Мастера переменных. Обычно это переменные, отражающие текущую кинематику системы: координаты и скорости. Входные величины (обычно это рассчитанные в Matlab/Simulink силы) и параметры S-функции связываются с параметрами UM-модели.
Для реализации управляющих усилий со стороны системы управления в модель механической системы вводятся силы/моменты, значения или характеристики (например, коэффициент жесткости, коэффициент диссипации) которых задаются параметрами модели. Затем с помощью Мастера экспорта в Matlab/Simulink эти параметры связываются с величинами, которые являются входами S-функции.
Пример 3. Стабилизация перевернутого маятника: UM CoSimulation Ниже представлена модель системы управления для стабилизации перевернутого маятника, разработанная для использования с инструментом UM CoSimulation.
Механическая часть "спрятана" в S-функции inv_pend_cosim. Сравните данную модель с моделью, приведенной в примере 1.
 |
|---|
| Модель системы управления в Matlab/Simulink |
Пример 4. Антиблокировочная система: UM CoSimulation Антиблокировочная система (АБС, ABS) — система, предотвращающая блокировку колёс транспортного средства при торможении. Основное предназначение системы состоит в том,
чтобы сократить тормозной путь, предотвратить потерю управляемости транспортного средства в процессе резкого торможения и исключить вероятность его неконтролируемого скольжения.
Представленная на рисунке ниже модель двухканальной ABS определяет усилия на передних и задних колесах легкового автомобиля по известным величинам относительного проскальзывания.
S-функция abs_cosim на рисунке справа включает в себя динамическую модель легкового автомобиля ВАЗ-2109, показанную на рисунке слева. Антиблокировочная система стремится
удержать относительное проскальзывание колес равным 0.1. Относительное проскальзывание передних и задних колес по результатам численного эксперимента показано на рисунках ниже.
Видно, что величина относительного проскальзывания колеблется около заданного значения.
 |
 |
|---|---|
| Модель ВАЗ-2109 | Модель двухканальной ABS |
 |
 |
|---|---|
| Проскальзывание передних колес | Проскальзывание задних колес |
Внешние библиотеки обычно используются для подключения к «Универсальному механизму» математических моделей сил, которые невозможно описать с помощью встроенных силовых элементов. Такой метод является альтернативой программированию в файле управления и имеет следующие отличия:
• для разработки собственных библиотек пользователь может использовать любую инструментальную среду и любой компилятор, которые поддерживают создание динамически загружаемых библиотек (DLL);
• пользователю не обязательно разбираться в особенностях программирования в файле управления;
• разработанные ранее библиотеки (DLL) подключаются к моделям в «Универсальном механизме» через визуальный интерфейс пользователя, без необходимости дальнейшего программирования.
В общем случае моделирование динамики механических систем с подключением внешних библиотек предполагает выполнение следующих этапов.
• Разработка математической модели и реализация этой модели в виде программного кода в соответствии с принятыми соглашениями.
• Компиляция программного кода в виде динамически загружаемой библиотеки (DLL).
• Подключение DLL к модели механической системы с помощью Мастера связи с внешними библиотеками. Связывание входных и выходных величин модели из DLL с переменными и параметрами модели УМ.
• Моделирование динамики получившейся системы.
Внешние библиотеки имеют список входных и выходных переменных, а также список параметров. На этапе связывания внешней библиотеки и модели UM на вход внешней библиотеки подаются переменные, обычно описывающие кинематику системы. Выходные переменные внешней библиотеки связываются с параметрами модели, которые, как правило, описывают силы и моменты, действующие на тела механической системы.
С помощью внешних библиотек можно реализовать модели, например, систем управления, электрических или гидравлических машин и аппаратов и т.д.
