Под моделью будем понимать другой объект, отдельные свойства которого полностью или частично совпадают со свойствами исходного [2]. Модель всегда ограничена и должна лишь соответствовать целям моделирования, отражая ровно столько свойств исходного объекта и в такой полноте, сколько необходимо для конкретного исследования.
Выделим цели, ради которых создаются модели:
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.
В этом разделе рассмотрим модели мехатронных элементов и объектов.
Мехатроника – это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движения, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
Функциональная схема мехатронной системы приведена на рис.4.1. Она ключает три подсистемы: информационную, энергоэлектронную и электромеханическую.
Рис. 4.1.Функциональная схема мехатронной системы
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.
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 ВИП до ЭМП осуществляется силовым полупроводниковым преобразователем (СПП). Объединение ВИП, 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:
6. построение совместной модели цифровой, импульсной и непрерывной части;
7. исследование динамических характеристик непрерывной и импульсной части синтеза регулятора;
8. исследование динамических характеристик всей системы;
9. исследование статических характеристик всей системы.
4.2. 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:
• Уровень, использующий рабочее пространство MATLAB и его расширений (Toolboxes).
• Уровень, использующий структурные блоки пакета Simulink и его расширений (Blocksets).
• Уровень, использующий виртуальные (маскированные) блоки пакета Sim Power System с графическим интерфейсом пользователя.
• Уровень, использующий имитационные лабораторные стенды, разработанные с использованием графического интерфейса пользователя (GUI).
Ниже, на конкретных примерах, рассматриваются перечисленные уровни создания виртуальных лабораторий в среде MATIAB, 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.
Представление результатов моделирования структурных моделей часто осуществляется при использовании пакета расширения Control System, который в своем составе имеет инструментальное средство LTI-Viewer .
Операторное представление математического описания лесосушильной камеры запишется в виде:
(1.1)
На рис. 1.2. приведена структурная модель замкнутой САР лесосушильной камеры, построенная по уравнению 1.1. и ее динамическая характеристика.
Рис. 4.2.Структурная модель лесосушильной камеры
и ее динамическая характеристика
Основой функциональной модели является логика работы лесосушильной камеры. Функциональные модели используются для моделирования элементов системы автоматического управления, при исследовании динамики систем, представленных структурными моделями.
(1.1)
