Пакеты визуального моделирования мехатронных систем

        На сегодняшний день на рынке существует множество инструментальных средств для автоматизированного моделирования технических, в частности мехатронных, систем. Некоторые из них хорошо известны и популярны у российских пользователей, другие появились совсем недавно. Часть пакетов являются универсальными и могут использоваться для моделирования любых технических, и не только технических, систем. Другие имеют узкую специализацию в какой-либо предметной области. Возможности многих пакетов в значительной степени перекрываются, и подходы к решению одних и тех же задач у них зачастую примерно одинаковы.

    Поскольку освоение даже одного серьезного пакета связано с существенными затратами времени, сил и денег, правильный выбор инструмента в значительной степени определит успешность исследований.

    Опираясь на такие важнейшие показатели, как назначение и возможности пакета, состав библиотек и принципы построения моделей, методы интегрирования и средства визуализации результатов, проведем достаточно приближенную классификацию инструментальных средств, которые могут в той или иной мере использоваться для моделирования мехатронных систем.

Классификация пакетов моделирования технических систем

    Структура современных инструментальных средств (пакетов) для моделирования технических систем представлена на рис.1.

Рис. 1. Классификация пакетов моделирования технических систем

    Под специализированными пакетами понимаются программные средства, которые долгое время создавались и развивались на конкретных предприятиях и отраслях и были ориентированы на специфические понятия конкретной прикладной области (механики, теплотехники, электроники и т. д.). Написанные на языках Fortran, С и т. п., эти пакеты уходят в прошлое, заменяясь предметно-ориентированными компонентными пакетами. Связано это с тем, что специализированные пакеты требуют тесного сотрудничества программиста и специалиста в предметной области, а лучше хорошего владения специалистом искусством программирования. Переход к компонентным пакетам позволяет разорвать эту связь. Кроме того, специализированные пакеты с трудом поддаются модернизации, в них сложно использовать современные программы визуализации и обработки результатов экспериментов и т. п.

    Математические пакеты, такие как Mathcad, Maple, Mathematica, хорошо приспособлены к проведению расчетов в естественно-научных дисциплинах, когда модель задана в аналитической форме. Удобство варьирования параметров в сочетании с заранее определенной процедурой обработки и визуализации результатов существенно облегчает исследования. В таких многовариантных расчетах накладные расходы, связанные с написанием на языке пакета специальной программы, управляющей экспериментом, окупаются той легкостью, с которой возможно повторить все вычисления заново при внесении изменений в исходную модель. Программирование сводится к написанию относительно небольших по объему программ, состоящих в основном из макрооператоров.

    С точки зрения моделирования мехатронных объектов основным и, пожалуй, единственным достоинством систем компьютерной математики является математическая прозрачность вычислений и легкость создания объектов, осуществляющих математические вычисления. К числу недостатков можно отнести отсутствие следующих принципиально важных возможностей:

● автоматизация построения математической модели;

● компонентное моделирование с применением достаточно большого количества типовых блоков;

● быстрая модификация модели;

● создание предметно-ориентированной среды;

● оперативное изменение метода моделирования и т. д.

В результате применение систем компьютерной математики ограничивается решением простых задач или задач, где главное – прозрачность вычислений.

    Пакеты компонентного моделирования в основном ориентированы на численные эксперименты и являются в настоящее время доминирующими в процессах проектирования технических объектов. Они дают пользователю возможность не заботиться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и, тем самым, создают на компьютере некоторую удобную среду, в которой можно создавать виртуальные системы и проводить эксперименты с ними.

Пакеты компонентного моделирования по способам их применения или технологии моделирования можно разделить на две группы.

    Так называемые универсальные пакеты ориентированы на определенный класс математических моделей и применимы для любой прикладной области, в которой эти модели справедливы. Основу универсального пакета составляют библиотеки компонентов общего назначения. В этих пакетах используются разнообразные коллекции численных методов, способные справиться с широким спектром задач. Как правило, универсальные пакеты обладают развитыми средствами визуализации, обеспечивающими показ изучаемого явления с разных сторон, а не одним, принятым в конкретной области, способом.

    Предметно-ориентированные пакеты предназначены для решения промышленных и научно-исследовательских задач в конкретной предметной области. Библиотеки моделей компонентов таких пакетов содержат хорошо изученные и отлаженные модели из довольно узкой предметной области, которые лишь накапливаются, модифицируются и приспосабливаются для решения конкретных задач. В результате накопленная база моделей со временем приобретает большую ценность. Спектр методов решения задач проектирования также ограничен известными и хорошо отработанными инструментами (возможно, ориентированными на узкий класс задач), в эффективности и надежности которых у пользователей нет сомнений. Как правило, предметно-ориентированные пакеты требуют серьезных усилий для их освоения, а также знаний в конкретной предметной области. Стоимость этих пакетов достаточно высока, что обычно заставляет пользователя работать с каким-либо одним пакетом в течение длительного времени, всячески расширяя его возможности.

    Следует заметить, что между универсальными и предметно-ориентированными пакетами в настоящее время нет четкой границы. Часто разница лишь количественная. Добавление к универсальному пакету соответствующего набора специализированных модулей, прежде всего библиотек моделей компонентов, превращает этот пакет в предметно-ориентированную среду моделирования. Примером подобного подхода может служить появление предметных расширений пакета Simulink – SimPower, SimMechanics и т. п. Учитывая открытость системы, каждый пользователь может добавить к готовым моделям то, что ему нужно, создав собственную предметно-ориентированную среду.

    По принципам представления исходной модели среди пакетов компонентного моделирования можно выделить две основные группы:

1) пакеты структурного (или блочного) моделирования;

2) пакеты физического мультидоменного моделирования.

    Элементарные блоки пакетов структурного моделирования обладают направленным действием, последующий блок не влияет на предыдущий. К достоинствам этого подхода следует отнести, прежде всего, простоту создания не очень сложных моделей даже не слишком подготовленным пользователем. Другим достоинством является эффективность реализации элементарных блоков и простота построения эквивалентной системы. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы. Наиболее известными представителями пакетов визуального структурного моделирования являются MATLAB/Simulink, EASY5, VisSim, AnyLogiс, МВТУ.

    Пакеты физического мультидоменного моделирования позволяют использовать как ориентированные, так и неориентированные компоненты и связи. Подход очень удобен и естественен для описания типовых блоков физических систем. К пакетам физического моделирования можно отнести Multisim, DYNAST, 20-sim, Dymola.

    Некоторые авторы выделяют в качестве третьей группы пакеты, предназначенные для моделирования гибридных систем. Эти пакеты позволяют очень наглядно и естественно описывать мехатронные системы со сложной логикой переключений. К этому направлению относится пакет Shift, а также отечественный пакет Model Vision Studium.

Пакеты структурного моделирования

    Рассмотрим кратко возможности и особенности некоторых универсальных и достаточно распространенных пакетов визуального структурного моделирования, которые могут быть использованы для моделирования мехатронных систем.

    К числу универсальных, не ориентированных на конкретные прикладные области пакетов для моделирования технических систем можно отнести пакет MATLAB/Simulink, а также построенные по его образу и подобию пакеты VisSim, МВТУ.

    Данные пакеты предназначены для моделирования и исследования динамических систем в широком понимании этого термина, включая и дискретные, и непрерывные, и гибридные модели. Их отличает относительная простота и интуитивная ясность входных языков в сочетании с разумными требованиями к мощности компьютеров.

Пакет МВТУ

    Из отечественных программных продуктов визуального моделирования технических систем наиболее развитым в настоящее время является пакет, или, как его называют авторы, программный комплекс «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ»), созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана (ссылка на электронный ресурс).

• моделирование процессов в непрерывных, дискретных и гибридных динамических системах, в том числе и при наличии обмена данными внешними программами и устройствами;
• редактирование параметров модели в режиме «on-line»;
• расчет в реальном времени или в режиме масштабирования модельного времени;
• рестарт, архивацию и воспроизведение результатов моделирования;
• статистическую обработку сигналов, основанную на быстром преобразовании Фурье. 

• минимизации (максимизации) заданных показателей качества;
• нахождения оптимальных параметров проектируемой системы в многокритериальной постановке при наличии ограничений на показатели качества и оптимизируемые параметры.

•  расчет и построение частотных характеристик и годографов;
•  расчет передаточных функций, их полюсов и нулей;
•  реализацию метода D-разбиения на плоскости одного комплексного параметра. 

•  по заданным желаемым частотным характеристикам;
•  по заданному расположению доминирующих полюсов. 

•  пультов управления с измерительными приборами и управляющими устройствами;
•  мнемосхем с мультимедийными и анимационными эффектами.

    Программный комплекс МВТУ реализует структурное моделирование и предназначен для исследования динамики и проектирования разнообразных технических систем и устройств. Авторы считают его альтернативой программным продуктам Simulink, VisSim и др. Действительно, МВТУ обладает всеми основными достоинствами современных средств визуального моделирования, хотя его функциональные возможности существенно уже, чем у вышеупомянутых пакетов. Удобный редактор структурных схем, обширная библиотека типовых блоков и встроенный язык программирования позволяют реализовывать модели высокой степени сложности, обеспечивая при этом наглядность их представления. Для отечественных пользователей удобство работы с МВТУ обусловлено также русскоязычным интерфейсом и наличием обширной документации на русском языке.

    МВТУ успешно применяется для проектирования систем автоматического управления, следящих приводов и роботов-манипуляторов, ядерных и тепловых энергетических установок. Он может функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в т. ч. и в режиме удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам.

    МВТУ реализует такие режимы работы, как моделирование процессов в непрерывных, дискретных и гибридных динамических системах, в т. ч. при наличии обмена данными с внешними программами и устройствами; оптимизация показателей качества; анализ и синтез по линейным моделям; контроль и управление с использованием виртуальных аналогов пультов управления с измерительными приборами и управляющими устройствами.

    Учитывая, что невозможно сформировать абсолютно полную библиотеку типовых блоков, в ПК «МВТУ» включены средства, позволяющие пользователю расширить состав личной библиотеки путем создания новых типов блоков. К таким средствам относятся типовые блоки Новый и Язык программирования. Блок Язык программирования позволяет создавать модели с помощью алгоритмического языка, аналогичного языку системы MATLAB. Диалоговое окно этого блока – окно текстового редактора алгоритмов, в котором пользователь записывает математическую модель в виде, близком к естественной записи. Язык позволяет задавать алгебраические соотношения и дифференциальные уравнения, а также выполнять операции с действительными и комплексными матрицами и векторами, логическими переменными, геометрическими точками, полиномами. Возможны и более сложные типы данных – записи и ссылки. Среди конструкций языка – условные и безусловные переходы, циклы, пользовательские функции и процедуры. Интерпретатор языка предварительно компилирует программу во внутренний псевдокод, что ускоряет выполнение задачи.

    Основными особенностями МВТУ, делающими его современным программным продуктом и ставящими его в один ряд с аналогичными по назначению зарубежными пакетами, являются следующие:

● принцип вложенности структур, что особо актуально при моделировании сложных динамических систем;

● наличие достаточно полной общетехнической библиотеки и ряда специализированных библиотек типовых блоков;

● обширный набор алгоритмов численного интегрирования;

● открытость, дающая пользователю возможность расширить состав личной библиотеки путем создания новых типов блоков.

    Библиотека типовых блоков состоит из общетехнической и ряда обладающих значительными по количеству готовых моделей специализированных библиотек, таких как «Гидроавтоматика», «Роботы», «Электромашины» и др.

    Для пользователя МВТУ существуют две возможности расширить библиотеку математических моделей – создать в виде графического представления блок-схему, которая будет потом использоваться как типовой блок (макроблок), или создать новый типовой блок, описав его поведение с помощью языка программирования, аналогичного языку системы MATLAB. Такие подходы являются типовыми и используются во многих программных комплексах, реализующих методы структурного моделирования.

    На рис. 2 приведена модель электрической схемы в МВТУ, все элементы которой являются замаскированными макроблоками, соединенными между собой векторными линиями связи.

Рис. 2. Пример построения модели электрической схемы выпрямителя
в пакете МВТУ

    Векторные переменные имеют две компоненты: напряжение и ток. Модели некоторых элементов схемы показаны на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентные схемы узла и емкости (макроблоки)

    В решателе интерпретирующего типа реализованы 10 явных и 6 неявных методов численного интегрирования, среди которых есть новые оригинальные методы, позволяющие эффективно интегрировать жесткие системы.