Post on 10-Aug-2020
MODELOWANIE I SYMULACJE SYSTEMÓW
ELEKTROMECHATRONICZNYCH
dr inż. Michał MICHNA
Harmonogram – wykład, ćwiczenia E1
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 2
data kto temat
8 lut
15 lut MM Mechatronika/Systemy EM w
22 lut MM Modelowanie/Symulacja/Analiza w
29 lut GK Modelowanie metodą Lagrange'a w
7 mar GK Model SYN ABC - wyprowadzenie c
14 mar GK Model SYN ABC - wyprowadzenie c
21 mar MM Model SYN QD0 - wyprowadzenie c
28 mar MM Model SYN - symulacja Mathcad c
4 kwi MM Model SYN - symulacja SABER/MAST/SPICE c
11 kwi MM Układ napędowy SPS w
18 kwi MR Parametry SPS/SYN - dane katalogowe c
25 kwi MR Parametry SPS/SYN - metody doświadczalne c
2 maj
9 maj MM Parametry SPS/SYN – metody numeryczne w
16 maj PM Modelowanie układów energoelektronicznych w
23 maj MM Prezentacja specjlaności w
Harmonogram – laboratorium EM02
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 3
lp
laboratorium EM02
GR1 GR2 GR3 kto temat
PT 9-11 PT 9-11 ŚR 12-14
1 10 lut 15 lut MM wstęp/saber
2 17 lut MM wstęp/saber
3 24 lut 29 lut MM saber
4 2 mar MM saber
5 9 mar 14 mar MM mast
6 16 mar MM mast
7 23 mar 28 mar MM mast/labo
8 30 mar MM mast/labo
6 kwi
9 13 kwi 18 kwi MR Dymola/20Sim
10 20 kwi MR Dymola/20Sim
11 27 kwi PM Saber - prostownik
12 4 maj 9 maj PM Saber - prostownik
13 11 maj 16 maj PM Saber - prostownik
14 18 maj PM Saber - prostownik
Systemy EM
Podstawowe zagadnienia i definicje
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 4
System elektromechaniczny
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 5
Modelowanie
system - obiekt lub zespół układów które są badane
eksperyment – doświadczenie naukowe przeprowadzone w
kontrolowanych warunkach w celu zbadania jakiegoś zjawiska
model – zastępstwo dla rzeczywistego systemu, który
obejmuje eksperyment
modelowanie – akt tworzenia modelu
Symulacja – eksperyment przeprowadzony na modelu,
Symulator – program komputerowy do przeprowadzania
symulacji
System elektromechaniczny
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 6
System
obiekt lub zespół układów które są badane
wzajemna konfiguracja elementów systemu oraz sposób
przetwarzania informacji i realizacji sterowania
Energia
System e-mech
Ukł. sterowania
Aktory Sensory Alarmy
zakłócenia
ruchy
nastawy modelowanie
Siły/momenty
System elektromechaniczny
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 7
Proces
przekształcenie i transport materii, energii oraz informacji
Energia
System e-mech
Ukł. sterowania
Aktory Sensory Alarmy
zakłócenia
ruchy
nastawy modelowanie
Siły/momenty
System elektromechaniczny
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 8
Elementy aktywne systemu
Sensory – przetwarzają wielkości pomiarowe w sygnały elektryczne
Aktory – realizuj ruchy i siły sterujące układem elektro-mechanicznym
Energia
System e-mech
Ukł. sterowania
Aktory Sensory Alarmy
zakłócenia
ruchy
nastawy modelowanie
Siły/momenty
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 9
Cel modelowania i symulacji systemów EM
Wyznaczanie przebiegów prądów i napięć
Obliczanie wartości średnich, skutecznych, i szczytowych
prądów i napięć
Analiza systemu w stanach awaryjnych
Sprawdzenie poprawności koncepcji nowego systemu
Optymalizacja parametrów wybranych elementów
Badania wrażliwości układu na zmiany wartości
wybranych parametrów
…
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 10
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Analiza właściwości dynamicznych
Decyzje konstrukcyjne
Warunki techniczne
modelfizyczny
modelmatematyczny
Badania doświadczalne
Poprawki modelu
Układ rzeczywisty
Modelowanie fizyczne
Dokładne określenie układu, ustalenie istotnych cech i budowa modelu
fizycznego - zakładanie przybliżeń
Pominięcie małych wpływów, niezależność układu od otoczenia,
parametry skupione
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 11
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Analiza właściwości dynamicznych
Decyzje konstrukcyjne
Warunki techniczne
modelfizyczny
modelmatematyczny
Badania doświadczalne
Poprawki modelu
Układ rzeczywisty
Modelowanie matematyczne
analityczny opis zjawisk dynamicznych odzwierciedlanych modelem
fizycznym, czyli znalezienie modelu matematycznego – równań
różniczkowych
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 12
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Analiza właściwości dynamicznych
Decyzje konstrukcyjne
Warunki techniczne
modelfizyczny
modelmatematyczny
Badania doświadczalne
Poprawki modelu
Układ rzeczywisty
Analiza właściwości dynamicznych
przestudiowanie własności dynamicznych modelu matematycznego na
podstawie rozwiązania równań różniczkowych ruchu, ustalenie
przewidywanego ruchu układu
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 13
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Analiza właściwości dynamicznych
Decyzje konstrukcyjne
Warunki techniczne
modelfizyczny
modelmatematyczny
Badania doświadczalne
Poprawki modelu
Układ rzeczywisty
Decyzje konstrukcyjne
podjęcie decyzji projektowych, tj. przyjęcie fizycznych parametrów układu
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 14
Analiza systemu
Model materialny
Urządzenie podobne do oryginału
Model matematyczny
Opis matematyczny odzwierciedlający zachowanie się oryginału
w warunkach rzeczywistych
Model
Nie ma możliwości badania konkretnego urządzenia
Badania rzeczywisty są kosztowne i niebezpieczne
Szybkość procesów jest bardzo duża lub mała
Wielokrotne badanie w różnych warunkach
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 15
Model to uproszczone przedstawienie wybranego
fragmentu rzeczywistości celem lepszego jej
zrozumienia
Modele materialne
Model skalowany
Model reprezentujący sposób działania - analog
Modele symboliczne
Słowne
Graficzne
Matematyczne
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 16
Modele
Symboliczny
Jakościowy
Wyjaśniający Opisowy
Ilościowy
Strukturalny
… FEM
Funkcjonalno – predykcyjny
Zmienne stanu
Symptomowo wskaźnikowe
Materialny
Skalowany Analogowy
Modelowanie i symulacja
Model fizyczny
układ fizyczny, odpowiadający rzeczywistemu układowi
pod względem cech istotnych dla badanego zagadnienia,
ale prostszy i poddający się łatwiej studiom
analitycznym.
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Układrzeczywisty
Modelmatematyczny
Modelfizyczny
Modelowanie i symulacja
Uproszczenia
Pomijanie małych wpływów – zmniejsza się liczba
równań i zmiennych
Niezależność otoczenia od badanego układu
Parametry skupione
Liniowość
Unikanie nieokreśloności i pomijanie szumów
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Układrzeczywisty
Modelmatematyczny
Modelfizyczny
Modelowanie i symulacja
Model matematyczny
model matematyczny składa się z wyrażeń i funkcji
matematycznych.
Model określa reguły wzajemnej zależności wielkości
wejściowych i wyjściowych
Model powinien być poprawny i użyteczny
Kompletny, logiczny, jednoznaczny
Modelowanie fizyczne
Modelowanie matematyczne
Układrzeczywisty
Modelmatematyczny
Modelfizyczny
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 20
Matematyczne modele fizyczne
Matematyczny zapis zjawisk fizycznych zachodzących w
obiekcie/elemencie/systemie
Istotne są procesy zachodzące w elemencie
Matematyczne modele funkcjonalne
Modele bazujące na charakterystykach zewnętrznych bez
opisu zjawisk zachodzących wewnątrz danego układu
Istotne jest poprawne zachowanie układu
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 21
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 22
Systemowy
Funkcjonalny
Behawioralny
Komponentowy
Modelowanie, symulacja, badania
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 23
Teoria Eksperyment
Modelowanie
i symulacja
Sugeruje i uwiarygodnia teorie
Sugeruje i interpretuje doświadczenia
Sugeruje
teorie
Wykonuje
obliczenia
Dostarcza
równania
Interpretuje
wyniki
Generuje
dane
Modeluje
rzeczywiste procesy
Sugeruje doświadczenia
Analizuje dane
Steruje aparaturą
Modelowanie i symulacja
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 24
Statyka i dynamika obiektu
Stan ustalony
Stan quasi-ustalony
Stan nieustalony
Model statyczny – równania algebraiczne
Jednoznacznie opisuje relacje między zmiennymi wejściowymi i
wyjściowymi w stanie ustalonym
Model dynamiczny – równania różniczkowe
Wynikają ze zdolności niektórych elementów do akumulowania
energii, masy, ładunku
Modelowanie i symulacje
Metody opracowywania modeli
Metody analityczne
Model matematyczny
Metody eksperymentalne
Model materialny (skalowalny)
Metody numeryczne
Model polowy
Modelowanie i symulacja
Modelowanie analityczne
Wybór zmiennych
Opisują chwilowy stan układu, pozwalają na jego analizę
Warunki równowagi i spójności
Zależności wyrażające równowagę układu, zależności
występujące pomiędzy ruchami elementów układu
Prawa fizyki
Zależności fizyczne elementów układu
Zmienne przepływu i spadku
27
Przepływ energii pomiędzy dwoma modelami elementów SE, niezależnie od ich natury fizycznej, opisują dwie wielkości:
zmienne przepływu (through, flow)
zmienne spadku/potencjału (across, potencial)
Zależności fizyczne
Zależności pomiędzy zmiennymi przepływu i zmiennymi spadku
Model A
Model B
p
m
p
m
zmienna spadku,
zmienna biegunowa
zmienna
przepływu
© M. Michna Gdańsk 2011/12
Modelowanie i symulacja
Zmienne przepływu (through)
Miara czegoś co przechodzi przez element
Powiązanie przez zależności równowagi (prawo
Kirchoffa)
Element układu
Modelowanie i symulacja
Zmienne spadku (across)
Miara różnicy stanów na dwóch końcach
Powiązana zależnościami spójności
Element układu
Zmienne przepływu i spadku
Through variable Across variable
Electrical current (i) voltage (v)
Rotational torque (tq_nm) angular velocity (w_radps)
Mechanical force (frc_n) translational position (pos_m)
Magnetic flux (f) magneto-motive force (mmf)
Fluid flow rate (q_m3ps) pressure (p_npm2)
Thermal heat flow rate (p) temperature (tc)
Light luminous flux illuminance
30 © M. Michna Gdańsk 2011/12
Prawa zachowania
Gdańsk 2011/12 © M. Michna 31
Prawa zachowania
Energii
Masy
Ładunku
Akumulacja
wielkości X = Dopływ netto
wielkości X do
układu
Ilość wielkości X
wytwarzanej w
układzie +
uproszczenia
Literatura
Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 32
Czemplik A.: Modele dynamiki układów fizycznych
dla inżynierów. Zasady i przykłady konstrukcji modeli
dynamicznych obiektów automatyki. WNT 2008
Turowski J.: Podstawy mechatroniki. WSHE 2008
Szczęsny R.: Komputerowa symulacja układów
enegoelektronicznych. WPG 1999
Żółtowski B. : Badania dynamiki maszyn
Cannon R.H. : Dynamika układów fizycznych WNT
1973