4. Моделирование объектов в пакетах matlab/Simulink

4.1. Моделирование, основные понятия и определения

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.