Моделирование механических систем с помощью пакета расширения SimMechanics

Цель работы:

Ознакомиться пакетом расширения Simulink для моделирования механических систем SimMechanics. Освоить основные принципы создания моделей механических систем.

Теоретическая часть:

Как правило, моделирование объектов, помимо чисто научных целей может иметь и прикладное значение. Для проектирования и анализа механических систем (например, различных кинематических цепей) давно разработан специальный физико-математический аппарат.

SimMechanics - пакет расширения системы Simulink для Физического Моделирования. Его цель — техническое проектирование и моделирование механических систем (в рамках законов теоретической механики). SimMechanics позволяет моделировать поступа-тельное и вращательное движения в трех плоскостях. SimMechanics содержит набор инструментов для задания параметров звеньев (масса, моменты инерции, геометрические параметры), кинематических ограничений, локальных систем координат, способов задания и измерения движений. SimMechanics позволяет создавать модели механических систем по-добно другим Simulink-моделям в виде блок-схем. Встроенные дополнительные инстру-менты визуализации Simulink позволяют получить упрощенные изображения трехмерных механизмов как в статике, так и в динамике.

Любой механизм можно представить в виде совокупности звеньев и сопряжений. Например, звухзвенный физический маятник (см. рис. 1) представляет собой последова-тельное соединение следующих элементов:

• неподвижного звена (земли);
• шарнирного соединения (задающего 1-му звену одну степень свободы поворот вокруг оси z);
• первого звена (звено представляется как абсолютное твердое тело);
• шарнирного соединения между 1-ым и 2-ым звеньями (ограничивает степени свободы 2-го звена, оставляя также только поворот в плоскости xy);
• второго звена.

Рис. 1 — Модель двухзвенного физического маятника

Simulink — модель такого механизма строится в аналогичной последовательности (см. рис. 2). Исходным элементом модели является звено Ground — земля. К нему присоединен элемент -— Revolute (т.е. сопряжение, позволяющее следующему звену лишь поворачиваться вокруг указанной оси - z). Далее следует непосредственно звено физического маятника Body. В качестве параметров этого звена необходимо указать массу тела, моменты инерции относительно главных центральных осей симметрии, а также координаты верхнего, нижнего конца звена и его центра масс. При этом координаты можно задавать как в глобальной системе координат (ГСК), так и в локальной системе координат (ЛСК) звена.

Аналогично, к первому звену посредством шарнирного соединения Revolute 1 присоединяется второе звено Body 1. Чтобы звенья спроектированного механизма начали движение необходимо либо добавить вынуждающую силу, либо задать начальные условия (например, начальное отклонение или сообщить начальную скорость). Для реализации последних используется блок Initial Condition.

Рис. 2,а

Рис. 2,б

Рис. 2 — Simulink-модель двухзвенного физического маятника (а) и моделью имитации движения (б)

На модели имитации отображаются звенья, колеблющиеся по законам классической механики (физики твердого тела). Там же отображаются локальные системы координат (ЛСК) звеньев.

Вопрос о выборе той или иной системы координат (СК) является очень важным. Правильный выбор СК значительно облегчает моделирование механизма и интерпретацию результатов.

При моделировании данного механизма использовались следующие СК (рис. 3).

Неподвижная глобальная система координат ГСК Global находится в точке сопряжения неподвижного звена с верхним звеном (коленом маятника). Задавать координаты точек верхнего звена маятника можно различными способами, в том числе, просто перечислив их значения в ГСК. Однако это не всегда удобно.

Верхний конец первого звена сопрягается с неподвижным звеном, и поэтому его координаты совпадают с началом ГСК. Его координаты действительно легко задать как Global [0, 0, 0]. Пусть звено имеет длину L и симметрию относительно ГЦОИ. Положение центра масс (ЦМ) звена удобно задавать уже не в ГСК а, в только что созданной ЛСК, где началом координат является верхний конец звена, т.е. в ЛСК CS1. Тогда координаты ЦМ можно задать как CS1 [0, -L/2, 0]. Аналогично нижний конец звена можно задать в ЛСК CS1 [0, -L, 0].

Несмотря на то, что начало ЛСК CS1 совпадает с началом ГСК Global, следует иметь в виду что ЛСК CS1 принадлежит верхнему звену, а значит, может поворачиваться относительно точки Global [0, 0, 0]. Глобальная же система координат ГСК Global всегда неподвижна. Ее начало может и не совпадать с точкой сопряжения неподвижного звена (тем более, когда неподвижных звеньев в механизме несколько).

Рис. 3 — Системы координат двухзвенного физического маятника

Помимо визуального наблюдения за свободными (при задании начальных условиях) или вынужденными (при наложении внешней силы) можно анализировать законы движения любой точки механизма. Для этого необходимо при задании координат звеньев указать координаты интересующей точки и к выходу соответствующего Simulink-блока подключить блок-датчик (Sensor).

Датчики могут регистрировать как угловые колебания, так и линейные, причем как перемещение, так и скорость и ускорение. Выход с датчика обычно выводят на блок осциллографа Scope (см. рис. 4).

Рис. 4,а

Рис. 4,б

Рис. 4 — Модель двухзвенного физического маятника (а) для исследования законов движения его звеньев (б)

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомление с пакетом SimMechanics.
1. Запустите MatLab и Simulink.


Рис. 5 — Задание параметров визуализации механизма

2. Откройте файл Phys_pend2.mdl. Проанализируйте приведенную модель двухзвенного физического маятника. Откройте функциональные блоки и посмотрите на способы задания их параметров.
3. В меню Simulation выберете пункт Mechanical Environment… . Здесь можно задать параметры механического моделирования (значения ускорения свободного падения, точности расчетов, способ отображения работы механизма и пр.). Внесите изменения только во вкладку Visualisation (см. рис. 5).
4. Запустите модель, при этом наблюдая за колебаниями маятника.
5. Запустите модель с различными начальными условиями.
2. Моделирование кривошипно-шатунного механизма.

В данной лабораторной работе предлагается создать кинематическую модель кривошипно-шатунного механизма (рис. 6) и исследовать закон движения поршня.



Рис. 6 — Кривошипно-шатунный механизм

Параметры кривошипа:

Масса — 1 кг;

Моменты инерции относительно ГЦОИ - [I_x, I_y, I_z] = [50, 50, 300] г/см²

Параметры кривошипа:

Масса — 1,5 кг;

Моменты инерции относительно ГЦОИ - [I_x, I_y, I_z] = [80, 80, 500] г/см²

1. Создайте новую Simulink-модель.
2. Проектирование большинства механизмов начинается с неподвижного звена - земли. Для этого воспользуйтесь пакетом расширения SimMechanics - Bodies - Ground. В параметрах блока укажите координаты [0, 0, 0], это будет означать, что координаты блока совпадают с началом ГСК.
3. Так как кривошип может совершать только вращение вокруг оси OZ, то возьмем в качестве блока сопряжения блок Joints - Revolute. В параметрах блока необходимо указать [0, 0, 1], что будет означать возможность вращения вокруг оси OZ.
4. Добавьте кривошипное звено в модель механизма, для этого воспользуйтесь блоком Bodies - Body. Внесите все необходимые данные о звене в параметры блока (см. рис. 7).


Рис. 7 — Параметры блока Body — при вводе данных о кривошипном звене

Примечание: ввод значений моментов инерции необходимо осуществлять в матричном виде [3 ? 3] (см. рис. 7).

5. К уже спроектированной части механизма можно добавить привод (элемент, заставляющий механизм двигаться по определенному закону). Добавим вращение к сопряжению Revolute. Для этого в параметрах блока Revolute необходимо указать вход/выход для привода/датчика. При этом блок Revolute будет иметь еще один вход/выход. К этому входу нужно подсоединить блок Sensors and Actuators - Joint Actuator.
6. Для задания закона движения формируемого в звене Joint Actuator необходимо задать три параметра - вектора φ(t), ω(t), ε(t). Поэтому ко входу элемента Joint Actuator необходимо подать необходимые вектора. Так как величины π0, ω0, ε - величины известные, то легко определить зависимости φ(t), ω(t), ε(t):

φ(t)=φ₀+ω₀t+εt²/2; ω(t)=ω₀+εt; ε(t)=ε=const

Реализуйте приведенные зависимости в виде отдельной подсистемы, например, как показано на рис. 8.

7. Теперь можно запустить сформированную часть модели. Для этого необходимо выбрать в меню Simulation — Mechanical Environment … и далее указать параметры, показанные на рис. 5 и нажать кнопку ОК.


Рис. 8 — Добавление к модели привода и моделирование закона движения

8. Самостоятельно доработайте модель кривошипно-шатунного механизма (см. рис. 9).



Рис. 9 — Окончательная модель кривошипно-шатунного механизма

Примечания:

1. Для создания сопряжения между шатуном и неподвижным звеном (направляющей) воспользуйтесь блоком Joints Custom Joint, и укажите степени свободы:

2. При указании координат второго неподвижного звена можно воспользоваться следующими значениями [L1+L2; 0; 0]
3. Для исследования закона движения поршня целесообразно добавить датчик перемещения Sensors and Actuators - Joint Sensor, а его выход подключить к осциллографу Scope (см. рис. 9).


Рис. 10 — Механизм с одной степенью свободы

3. Задание на отличную оценку. Создайте имитационную модель механизма, представленного на рис. 10.

Размеры, указанные на эскизе механизма (рис. 10) условные. Определите, при какой длине правого кривошипа, ведущее левое звено не сможет совершить полный оборот.

Вариант модели механизма (без датчиков) представлен на рис. 11.

Рис. 11 — Вариант построения имитационной модели механизма, представленного на рис. 10

Контрольные вопросы:

1. Библиотеки пакета SimMechanics.
2. Особенности имитационного моделирования кинематических механизмов в Simulink.
3. Глобальные и локальные системы координат механизмов.
4. Задание законов движение звеньям механизмов и их исследование.

Содержание отчета:

1. Название лабораторной работы и ее цель.
2. Краткая теоретическая справка о моделировании механических систем.
3. Окончательная модель кривошипно-шатунного механизма.
4. Графики движения звеньев или сопряжений.
5. Имитационная модель механизма, представленного на рис. 10.

Литература:

1. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. — 576 с.
2. Материал, представленный на сайте www.exponenta.ru
3. Справочная система MATLAB.