Мультидоменного моделирования
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. Именно поэтому современные пакеты компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств, такие, как Multisim, являются наиболее развитыми и отработанными.
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.
3.3.1. Пакет Modelica/Dymola
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, в Modelica используется
компонентный принцип задания исходной информации об исследуемой
системе, однако, используемые 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 нее существует большое количество библиотек готовых компонентов. Постоянно происходит как дополнение уже существующих библиотек, так и разработка новых, охватывающих многие отрасли науки.
Пакет Dymola (Dynamic Modeling Laboratory), поддерживающий язык моделирования Modelica, является комплексным инструментом для моделирования и исследования сложных систем в таких областях, как мехатроника, автоматика, аэрокосмические исследования и др.
Возможность объединения в одной модели компонентов различной физической природы позволяет строить модели сложных систем, лучше соответствующие реальности, и получать более точные и прозрачные результаты.
Стандартная библиотека Dymola включает элементарные компоненты, относящиеся к электротехнике, механике, гидравлике и т. д.
Специализированные библиотеки содержат модели устройств и явлений для конкретной области. Например, MultiBody Library содержит трехмерные механические компоненты, предназначенные для моделирования роботов, искусственных спутников Земли или транспортных средств. Это модели твердых тел, шарниров, источников и средств анимации. Такие же библиотеки разработаны для электротехники, гидравлики и т. п.
Гибкость и открытость пакета Dymola дают пользователям возможность создавать свои собственные библиотеки моделей, описывая их на внутреннем языке описания блоков, или модифицировать уже существующие модели под свои конкретные нужды.
Кроме собственного языка, Dymola (Modelica) поддерживает интеграцию с такими программными средами, как Fortran, С, Simulink, и некоторыми др.
Возможность взаимодействия разработанных моделей с системой MATLAB/Simulink позволяет объединить сильные стороны структурно-
го и физического моделирования.
Пакет 20-sim
Пакет моделирования 20-sim предназначен для моделирования динамики технических систем – механических, электрических, гидравлических, а также сложных систем, содержащих механические, электрические или гидравлические компоненты.
Пакет поддерживает визуальное компонентное моделирование: модель вводится обычным для пакетов такого типа методом – компоненты
выбираются из библиотеки, переносятся на рабочий стол и соединяются связями. 20-sim позволяет работать как с ориентированными блоками, так и с неориентированными, что очень удобно при моделировании систем управления физическими объектами и установками.
Библиотеки базовых компонентов включают библиотеку типовых одномерных направленных звеньев – источников, измерителей, преобразователей, блоков математических операций и т. д.; библиотеку элементов графов связей, как простейших универсальных энергетических
компонентов; библиотеки механических, электрических, гидравлических, тепловых элементов. В качестве примера на рис. 3.4 приведена модель системы, где энергетическая часть представлена графом связей, а управляющая – блок-схемой, включающей направленные звенья.
Рис. 3.4. Схема системы в пакете 20-sim с использованием графов связей
Пакет 20-sim имеет ряд расширений, одним из которых является Mechatronics Toolbox, включающий в основном модели различных электромеханических устройств. Важно отметить, что большинство моде-
лей, представленных в данном расширении, относятся к конкретным мехатронным устройствам, поддерживаются и сопровождаются производителями технических средств. Они точны, подробны, закрывают все аспекты функционирования устройств и с этой точки зрения очень по-лезны проектировщикам, занимающимся разработкой мехатронных систем.
Пакет допускает создание пользователем собственных библиотек.
В качестве внутреннего языка описания моделей используется язык, подобный языку среды Maple, достаточно понятный и простой в изучении.
20-sim имеет мощный решатель, позволяющий решать как ОДУ, так и дифференциально-алгебраические уравнения, используя одношаговые и многошаговые методы различных порядков. Как и положено современному пакету визуального моделирования, 20-sim имеет развитые средства анимации, в т. ч. 3D анимацию.