مدلسازی ریاضی با استفاده از SimScape
(سیستمهای الکتریکی)
1. مدلسازی و شبیهسازی سیستمهای فیزیکی چند حوزهای
Simscape همانند سایت سیم پاورمحیطی برای مدلسازی و شبیهسازی سیستمهای فیزیکی شامل مکانیکی، الکتریکی، هیدرولیکی و دیگر حوزه های فیزیکی فراهم میکند. این محیط بلوکهای سازه اصلی این حوزهها را ارائه میکند که میتوانید آنها را در مدلهای اجزای فیزیکی مانند موتورهای الکتریکی، تقویتکننده معکوس، دریچههای هیدرولیکی و مکانیزمهای چرخدنده مونتاژ کنید. چون اجزای Simscape از اتصالات فیزیکی استفاده میکنند، مدلهای شما مطابق با ساختار سیستمی است که ایجاد میکنید.
مدلهای Simscape میتوانند برای ایجاد سیستمهای کنترل و تست عملکرد سیستم استفاده شوند. میتوانید کتابخانه هایی با زبان Simscape درMATLAB® ایجاد کنید که نوشتن اجزای مدلسازی، حوزهها و کتابخانههای فیزیکی را فراهم میکنند. میتوانید مدلهای خود را با متغیرهای MATLAB و عبارات پارامتریک کنید و سیستمهای کنترل برای سیستم فیزیکی در Simulink® طراحی کنید. جهت استقرار مدلها در محیطهای شبیهسازی دیگر از جمله سیستمهای سختافزار در حلقه (HIL)، Simscape از تولید کد C پشتیبانی میکند.
2. ویژگیهای کلیدی
- محیطی مخصوص مدلسازی و شبیهسازی مکانیکی، الکتریکی، هیدرولیکی، گرمایی و دیگر سیستمهای فیزیکی چند حوزهای
- کتابخانههای بلوکهای مدلسازی فیزیکی و المانهای ریاضی برای ایجاد اجزای سفارشی
- زبان Simscape همانند سایت سیم پاوربر پایه MATLAB، امکان نوشتن اجزای مدلسازی فیزیکی، حوزهها و کتابخانهها
- یکاهای فیزیکی برای پارامترها و متغیرها با مدیریت اتوماتیک تمام تبدیل واحدها
- قادر به شبیهسازی مدلهایی که شامل بلوکهایی از محصولات مدلسازی فیزیکی مرتبط هستند بدون نیاز به خرید آن محصولات
3. کتابخانه های بلوک Simscape
کتابخانه بلوک Simscape شامل دو کتابخانه است که محصولات SimscapeTM هستند:
- کتابخانه Foundation – پایههای هیدرولیکی، پنوماتیکی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی، گرمایی، مایع حرارتی و بلوکهای سیگنال فیزیکی، سازمان یافته در کتابخانههای فرعی بر اساس رشته فنی و کاربردهای آنها
- کتابخانه Utilities – حاوی بلوکهای ضروری محیط برای ایجاد مدلهای شبکه فیزیکی
علاوه بر این، اگر هر محصول جانبی از خانواده مدلسازی فیزیکی نصب کنید، کتابخانههای مرتبطی تحت کتابخانه اصلی Simscape سایت سیم پاور مشاهده خواهید کرد.
کتابخانههای بنیادین Simscape همانند سایت سیم پاورحاوی مجموعه کاملی از المانهای پایهای و بلوکهای سازنده هستند، مانند:
- بلوکهای سازه مکانیکی برای نمایش حرکت یک سویه و دَورانی
- بلوکهای سازه الکتریکی برای نمایش اجزای الکتریکی و مدارها
- بلوکهای سازه مغناطیسی که اجزای الکترومغناطیسی را نمایش میدهند.
- بلوکهای سازه هیدرولیکی که اثرات هیدرولیکی بنیادین را مدل میکنند و میتوانند با هم ترکیب شوند تا اجزای هیدرولیکی پیچیدهتری ایجاد کنند.
- بلوکهای سازه پنوماتیکی که اثرات پنوماتیکی بنیادین را بر اساس قانون گاز کامل مدل میکنند.
- بلوکهای سازه گرمایی که اثرات گرمایی بنیادین را مدل میکنند.
- بلوکهای سازه مایع حرارتی که اثرات ترمودینامیکی بنیادین در مایعات را مدل میکنند.
- کتابخانه بلوک سیگنالهای فیزیکی که به شما اجازه میدهد عملیات ریاضی روی سیگنالهای فیزیکی و گرافیکی در معادلات داخل شبکه فیزیکی انجام دهید.
با استفاده از المانهای این کتابخانههای بنیادین، میتوانید اجزای پیچیدهتر از حوزههای فیزیکی مختلف بسازید. سپس میتوانید این مجموعه بلوکها را در یک سیستم فرعی گروهبندی کنید و آن را برای استفاده مجدد پارامتریک کنید و این اجزا را به اشتراک بگذارید.
علاوه بر کتابخانههای Foundation، کتابخانه Utilities در Simscape همانند سایت سیم پاورهم وجود دارد که حاوی بلوکهای مفیدی است، مانند:
- بلوک Solver Configuration، که حاوی پارامترهای مرتبط با الگوریتمهای عددی برای شبیهسازیهای Simscape همانند سایت سیم پاوراست. هر دیاگرام Simscape همانند سایت سیم پاور(یا هر شبکه فیزیکی گسسته توپولوژیکی در یک دیاگرام) باید یک بلوک Solver Configuration داشته باشد.
- بلوک Simulink-PS Converter و بلوک Converter PS-Simulink، برای اتصال بلوکهای Simscape همانند سایت سیم پاورو Simulink®. از بلوک Simulink-PS Converter برای اتصال پورتهای خروجی Simulink به پورتهای ورودی Physical Signal استفاده کنید. برای اینکار میتوانید به مطالب مشابه سایت سیم پاور مراجعه نمایید از بلوک Converter PS-Simulink برای اتصال پورتهای خروجی Physical Signal به پورتهای ورودی Simulink استفاده کنید. برای اینکار میتوانید به مطالب مشابه سایت سیم پاور مراجعه نمایید
برای نمونههایی از این بلوکها در مدل Simscape، آموزش ایجاد و شبیهسازی یک مدل ساده را ببینید.
میتوانید تمام این بلوکها را در دیاگرامهای Simscape همانند سایت سیم پاوربرای مدلسازی سیستمهای فیزیکی ترکیب کنید. همچنین میتوانید از بلوکهای Simulink اساسی در دیاگرام خودتان استفاده کنید، مانند source یا scope. جهت اطلاعات بیشتر از نحوه انجام کار
Connecting Simscape همانند سایت سیم پاورDiagrams to Simulink Sources and Scopes را ببینید.
کتابخانههای بلوک Simscape شامل گلچین جامعی از بلوکها است که اجزای مهندسی مانند دریچهها، مقاومتها، فنرها و … را نمایش میدهند. به هر حال ممکن است این بلوکهای پیشساخته برای نیازهای مهندسی خاص شما کافی نباشند. وقتی نیاز به گسترش کتابخانههای بلوک موجود دارید از زبان Simscape همانند سایت سیم پاوربرای تعریف اجزای سفارشی یا حتی حوزههای فیزیکی جدید، بصورت فایلهای متنی استفاده کنید. برای اینکار میتوانید به مطالب مشابه سایت سیم پاور مراجعه نمایید سپس اجزای نوشتاری خود را به کتابخانههای بلوکهای Simscape همانند سایت سیم پاوربیشتر تبدیل کنید که میتوانید در دیاگرامهای مدل خود استفاده کنید. برای اینکار میتوانید به مطالب مشابه سایت سیم پاور مراجعه نمایید
شکل 3.1: کتابخانه SimScape
شکل 3.2: کتابخانه SimScape
4. روش کار شبیهسازی Simscape
نرمافزار Simscape همانند سایت سیم پاورروشهای مختلفی برای شبیهسازی به شما ارائه میدهد و سیستمهای فیزیکی در محیط Simulink را تحلیل میکند. اجرای یک شبیهسازی مدل فیزیکی مشابه شبیهسازی هر مدل Simulink است. این اجرا تنظیم عملیات مختلفی در پی دارد، شروع شبیهسازی و دیدن نتایج آن. این بحث جنبههای مختلف شبیهسازی مخصوص مدلهای Simscape همانند سایت سیم پاوررا شرح میدهد. برای مشخصات شبیهسازی و تحلیل با Simscape همانند سایت سیم پاورجداگانه محصولات الحاقی، به مستندات آن محصولات رجوع کنید.
فلوچارت شکل 3.3 ترتیب شبیهسازی Simscape همانند سایت سیم پاوررا نشان میدهد.
این فلوچارت شامل مراحل عمده زیر است:
1. اعتبارسنجی مدل
2. ساخت شبکه
3. ساخت معادله
4. محاسبه شرایط اولیه
5. شروع گذار
6. حل گذار
شکل 3.3: فلوچارت Simscape را نشان میدهد
4.1. اعتبارسنجی مدل
ابتدا حلکنندهی Simscape همانند سایت سیم پاورساختار مدل و دادههای ورودی از دیالوگباکس بلوک را بررسی میکند.
تمام بلوکهای Simscape همانند سایت سیم پاوردر یک دیاگرام باید داخل یک یا تعداد بیشتری شبکه فیزیکی متصل شوند. پورتهای Conserving باید متصل باشند.
- هر شبکه فیزیکی گسسته توپولوژیکی در یک دیاگرام دقیقاً نیاز به یک بلوک
Solver Configuration دارد. - اگر مدل شما حاوی المانهای هیدرولیکی است هر مدار هیدرولیکی گسسته توپولوژیکی در یک دیاگرام باید به یک بلوک Custom Hydraulic Fluid (یا بلوک
Hydraulic Fluid، موجود در کتابخانههای بلوک SimHydraulics®) متصل شود. این بلوکها خصوصیات سیال را تعریف میکنند که به عنوان پارامترهای عمومی برای تمام بلوکهای متصل به مدار هیدرولیکی عمل میکنند. اگر هیچ بلوک Hydraulic Fluid متصل به حلقه نباشد، بلوکهای هیدرولیکی در این حلقه از سیال پیشفرض استفاده میکنند. در هر حال، وجود بیش از یک بلوک Hydraulic Fluid در یک حلقه باعث بروز خطا میشود. - بطور مشابه، اگر مدل شما حاوی المانهای پنوماتیکی باشد، خصوصیات گاز پیشفرض برای یک شبکه پنوماتیکی هوای خشک و شرایط محیطی 101325 پاسکال و 20 درجه سلسیوس هستند. اگر یک بلوک Gas Properties به مدار پنوماتیکی متصل کنید میتوانید خصوصیات گاز و شرایط محیطی برای تمام بلوکهای متصل به مدار را تغییر دهید. در هر حال، وجود بیش از یک بلوک Gas Properties در یک مدار پنوماتیکی باعث بروز خطا میشود.
- واحدهای سیگنال مشخص شده در یک بلوک Simulink-PS Converter باید با نوع ورودی که بلوک Simscape همانند سایت سیم پاورمتصل به آن انتظار دارد جور باشد. برای مثال، وقتی سیگنال ورودی برای یک بلوک Ideal Angular Velocity Source ایجاد میکنید، واحدهای سرعت زاویهای را در بلوک Simulink-PS Converter مشخص کنید مثلاً rad/s یا rpm، یا آن را بدون واحد باقی بگذارید. بطور مشابه، واحدهای مشخص شده در یک بلوک Converter PS-Simulink باید با نوع سیگنال فیزیکی ارائه شده توسط پورت خروجی بلوک Simscape همانند سایت سیم پاورجور باشد.
4.2. ساخت شبکه
بعد از اعتبارسنجی مدل، حلکننده Simscape همانند سایت سیم پاورشبکه فیزیکی بر اساس اصول زیر میسازد:
- دو پورت Conserving با اتصال مستقیم ارزش یکسان برای متغیرهای Across (مانند ولتاژ یا سرعت زاویهای) خود دارند.
- هر متغیر Through (مانند جریان یا گشتاور) منتقل شده در راستای خط اتصال فیزیکی بین چندین جزء متصل با شاخه تقسیم میشود. برای هر متغیر Through، مجموع تمام مقادیر ورودی به یک نقطه از شاخه مساوی با مجموع تمام مقادیر خروجی از آن است.
4.3. ساخت معادله
بر اساس ساختار شبکه، مقادیر پارامتر در دیالوگباکس بلوک و پارامترهای عمومی تعریف شده بر اساس خصوصیات سیال (اگر مربوط به بلوک باشند) حلکننده Simscape همانند سایت سیم پاورسیستم معادلات مدل را میسازد.
این معادلات حاوی متغیرهای سیستم در انواع زیر است:
- دینامیک: مشتقات زمانی این متغیرها در معادلات ظاهر میشوند. متغیرهای دینامیک یا دیفرانسیل، پویایی را به سیستم اضافه میکنند و نیاز به حلکننده دارند تا با استفاده از انتگرالگیری عددی، مقادیر آنها محاسبه شود. متغیرهای دینامیک میتوانند حالتهای مستقل یا وابسته برای شبیهسازی ایجاد کنند.
- جبری: مشتقات زمانی این متغیرها در معادلات ظاهر نمیشوند. این متغیرها در معادلات جبری دیده میشوند اما پویایی را اضافه نمیکنند و معمولاً در سیستمهای فیزیکی مربوط به قوانین پایستگی، مانند پایستگی جرم و انرژی ظاهر میشوند. حالات متغیرهای جبری همیشه وابسته به متغیرهای دینامیک، متغیرهای جبری دیگر یا ورودیها است.
سپس حلکننده تجزیه و تحلیل میکند و متغیرهایی که برای حل سیستم معادلات اضافی هستند حذف میکند. بعد از حذف متغیر، متغیرهای باقیمانده (جبری، دینامیک وابسته و دینامیک مستقل) برای بردار حالت مدل در Simulink طرحریزی میشوند.
4.4. محاسبه شرایط اولیه
حلکننده Simscape همانند سایت سیم پاورشرایط اولیه را فقط یک بار در لحظه شروع شبیهسازی (t=0) محاسبه میکند. در دیالوگباکس بلوک Solver Configuration، چکباکس شروع شبیهسازی از حالت پایدار انتخاب نشده است. اگر در مدل شما انتخاب شده Finding an Initial Steady State را ببینید.
حلکننده با یافتن مقادیر اولیه برای تمام متغیرهای سیستمی که معادلات مدل را بطور دقیق برقرار میکند، شرایط اولیه را محاسبه میکند. میتوانید بر روی محاسبه شرایط اولیه با مقدار دهی اولیه متغیر در سطح بلوک اثر بگذارید، یعنی با مشخص کردن اولویت و مقادیر اولیه هدف در تب Variables از دیالوگباکسهای آن بلوک.
مقادیری که در مقداردهی اولیه متغیر در سطح بلوک مشخص میکنید مقادیر واقعی متغیرهای مربوطه نیستند اما نسبت به مقادیر هدف آنها در لحظه شروع شبیهسازی (t=0) ارجحتر هستند. بسته به نتایج حل، برخی از این اهداف ممکن است ارضا شوند یا نشوند. حلکننده سعی میکند ابتدا اهداف با اولویت بالا را ارضا کند سپس اهداف با اولویت پایین:
- ابتدا حلکننده سعی میکند یک حل پیدا کند که در آن کلیه اهداف متغیر با اولویت بالا دقیقاً ارضا شوند و اهداف با اولیت پایین تا حد امکان به دست آیند. اگر حل در این مرحله به دست آید، تمام اهداف با اولویت بالا را ارضا میکند. در این مرحله برخی از اهداف اولویت پایین هم ممکن است دقیقاً ارضا شوند، باقی اهداف تا حدودی ارضا میشوند.
- اگر حلکننده نتواند حلی پیدا کند که تمام اهداف با اولویت بالا را دقیقاً ارضا کند هشداری میدهد و وارد مرحله دوم میشود که در آن اولویت High به سمت اولویت Low میرود. یعنی حلکننده سعی میکند یک حل با تقریب هم اهداف اولویت بالا و هم اولویت پایین تا حد امکان به دست آورد.
بعد از مقداردهی اولیه متغیرهای بلوک و پیش از شبیهسازی مدل، میتوانید Variable Viewer را برای دیدن اینکه کدام یک از اهداف متغیر ارضا شدهاند ببینید. جهت اطلاعات بیشتر درباره مقداردهی اولیه متغیر در سطح بلوک Variable Initialization را ببینید.
یافتن یک حالت پایدار اولیه
وقتی شروع شبیهسازی را از چکباکس حالت پایدار انتخاب کنید، حلکننده سعی میکند حالت پایداری پیدا کند که حاصل ورودیهای ثابت در مدت زمان کافی با شروع از شرایط اولیه است. اگر حل حالت پایدار به دست آید، آن حالت پیدا شده در برخی حالات پایدار (بدون آشوب) است، اما ضرورتاً حالتی که از شرایط اولیهی داده شده انتظار میرفت نیست. حالت پایدار یعنی متغیرهای سیستم در طول زمان تغییر نمیکنند. سپس شبیهسازی از این حالت پایدار شروع میشود.
یک مدل میتواند بیش از یک حالت پایدار داشته باشد. در این مورد، حلکننده حالت پایداری را انتخاب میکند که با اهداف متغیر در مدت مقداردهای اولیه در سطح بلوک سازگار است.
4.5. شروع گذار
بعد از محاسبه شرایط اولیه یا بعد از رویداد (از قبیل یک نتیجه انفصال مثلاً باز کردن دریچه یا بستن آن)، حلکننده Simscape همانند سایت سیم پاورشروع گذار را انجام میدهد. شروع گذار تمام متغیرهای دینامیکی را ثابت میکند و متغیرهای جبری و مشتقات متغیرهای دینامیکی را حل میکند. هدف از این مرحله ارائه مجموعه یکپارچه از شرایط اولیه برای مرحله بعد یعنی حل گذار است.
4.6. حل گذار
سرانجام حلکننده Simscape همانند سایت سیم پاورحل گذار برای معادلات سیستم را انجام میدهد. در این مرحله معادلات دیفرانسیل پیوسته در زمان انتگرال گرفته میشوند تا تمام متغیرهای تابع زمان محاسبه شوند.
حلکننده بر اساس نتایج حل گذار به شبیهسازی ادامه میدهد تا زمانی که حلکننده به یک رویداد برسد مانند عبور از صفر یا انفصال. رویداد مدنظر ممکن است داخل شبکه فیزیکی یا هرجا از مدل Simulink باشد. اگر حلکننده با یک رویداد مواجه شود به مرحله شروع گذار برمیگردد و سپس به حل گذار ادامه میدهد. این چرخه تا پایان شبیهسازی ادامه مییابد.
5. سیستم الکتریکی با استفاده از SimScape
در این مثال، یک سیستم الکتریکی را مدل میکنید و رفتار آن را تحت شرایط مختلف مشاهده میکنید. این آموزش گامهای ضروری برای ساخت مدل فیزیکی را تشریح میکند و شما را با بلوکهای Simscape همانند سایت سیم پاوربنیادین آشنا میکند.
شکل 3.4 مدل سادهای از یک مدار الکتریکی را نشان میدهد که شامل مقاومت، خازن و القاگر است و با یک منبع تغذیه مجهز شده است.
شکل 3.4: مدار الکتریکی
- مدلسازی سیستم
برای ایجاد یک دیاگرام SimScape، گامهای زیر را طی کنید:
- مرورگر کتابخانه Simulink® را باز کنید، همانطوری که در کتابخانههای بلوک Simscape همانند سایت سیم پاورتشریح شد.
- یک مدل جدید ایجاد کنید. برای این کار، از نوار منوی بالای مرورگر کتابخانه، مسیر زیر را طی کنید:
File > New > Model
نرمافزار یک مدل خالی در حافظه ایجاد میکند و در یک پنجره ویرایشگر مدل جدید نمایش میدهد.
- مسیر زیر را طی کنید که در شکل 3.5 نشان داده شده است:
Simscape همانند سایت سیم پاور> Foundation Library > Electrical > Electrical Elements
- بلوکهای Mass، Translational Spring، Translational Damperو دو بلوک Mechanical Translational Reference داخل پنجره مدلسازی درگ کنید.
- بلوکها را همانطوری که در شکل 3.6 نشان داده شده تنظیم کنید. برای چرخاندن یک بلوک آن را انتخاب کنید و Ctrl+R را فشار دهید.
- بلوکهای Resistor، Capacitor و Inductor را به بلوکهای Electrical Reference Ground مطابق شکل 3.7 متصل کنید.
شکل 3.5: المان الکتریکی، گام 3
شکل 3.6: المان انتخاب شده، گام 5
شکل 3.7: المان را متصل کنید، گام 6
- برای اضافه کردن عملگر نیرو بر روی مجموعه، مسیر زیر را طی کنید:
Simscape همانند سایت سیم پاور> Foundation Library > Electrical > Electrical Sources
(شکل 3.8)
و بلوک Controlled Voltage Source را به دیاگرام خود اضافه کنید (شکل 3.9).
شکل 3.8: منبع الکتریکی، گام 7
شکل 3.9: بلوک مدار بعد از اضافه کردن منبع ولتاژ، گام 7
- سنسور را برای اندازهگیری سرعت و وضعیت مجموعه اضافه کنید. بلوکهای
Voltage Sensor و Current Sensor را مطابق شکل 3.10 از کتابخانه
Electrical Sensors در دیاگرام خود قرار دهید و آنها را همانطور که در شکل 3.11 نشان داده شده متصل کنید.
شکل 3.10: Electrical Sensor
شکل 3.11: مدار الکتریکی با استفاده از SimScape
- اکنون باید source و scope اضافه کنید. آنها در کتابخانه Simulink سازمان یافته پیدا میشوند. مسیر زیر را طی کنید و بلوک Signal Builder را در مدل کپی کنید:
Simulink > Sources Library
سپس مسیر زیر را طی کنید و دو بلوک Scope کپی کنید:
Simulink > Sinks Library
- هر بار یک source یا scope از Simulink به دیاگرام Simscape همانند سایت سیم پاورمتصل میکنید باید یک بلوک مبدل مناسب استفاده کنید برای تبدیل سیگنالهای Simulink به سیگنالهای فیزیکی و برعکس. مسیر زیر را طی کنید:
Simscape همانند سایت سیم پاور> Utilities (شکل 3.12)
و یک بلوک Simulink-PS converter و دو بلوکPS-Simulink converter داخل مدل کپی کنید. این بلوکها را مطابق شکل 3.13 متصل کنید.
شکل 3.12: SimScape Utilities Library
شکل 3.13: نمایش کامل Simscape برای مدار الکتریکی
- هر شبکه فیزیکی گسسته توپولوژیکی در یک دیاگرام باید دقیقاً یک بلوک
Solver Configuration داشته باشد که در مسیر زیر پیدا میشود:
Simscape همانند سایت سیم پاور> Utilities (شکل 3.12)
این بلوک را در مدل خودتان کپی کنید و آن را با ایجاد یک نقطه شعبهساز به مدار از محل اتصال پورت بلوک Solver Configuration وصل کنید. دیاگرام حالا باید شبیه شکل 3.13 باشد.
نتیجه شبیهسازی
شکل 3.14: نتیجه شبیهسازی
مراجع….
1) http://www.mathworks.com/help/index.html
2) Farid Golnaraghi, Benjamin C.Kuo; Automatic Control Systems; Ninth Edition
3) Norman S.Nise; Control Systems Engineering; Sixth Edition
4) Richard C.Dorf, Robert H.Bishop; Modern Control Systems; Twelfth Edition.