Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Modelování elektromechanické soustavy v prostředí Matlab a Simulink (část 2)

 

Detailní simulační modely s neideálními akčními členy

Kompletní model křidélka byl sestaven tak, aby umožnil modulární náhradu obecného ideálního akčního členu modely konkrétních variant akčního členu realizovatelných v praxi. V úvahu připadají akční člen s využitím hydraulických prvků a elektromechanický akční člen.
 

Detailní model hydromechanického akčního členu

První zkoumanou variantou je akční člen s využitím hydraulických a hydromechanických prvků. Skládá se z tlakového okruhu s řízeným oběhovým čerpadlem, napájecím čerpadlem a dvojčinným lineárním hydromotorem. Model je realizován v prostředí Simscape a SimHydraulics (obr. 7). K regulaci rychlosti oběhového čerpadla je opět použit číslicový PI regulátor.
 

Detailní model elektromechanického akčního členu

Druhou možnou variantou je elektromechanický akční člen. Ten se skládá z elektromotoru a šnekové převodovky s vodicím šroubem pro převod rotačního pohybu na posuvný (obr. 8).
 
Spolu s vnější regulační smyčkou pro nastavení výchylky křidélka je do modelu elektromechanického akčního členu zahrnuto vnitřní řízení elektromotoru při použití dvoustupňové kaskádní regulace (obr. 9). V prvním stupni je regulován proud a ve druhém jsou řízeny otáčky elektromotoru.
 
Simulační model elektromechanického členu je vytvořen v prostředí Simscape a SimElectronics. Řídicí prvky jsou namodelovány v několika variantách, které postupně vedou od zjednodušených k plně propracovaným. Jejich přepínáním lze porovnat vliv zjednodušení modelu řízení na celkové chování systému (obr. 10).
 
Podsystém pro řízení otáček a proudu je tvořen dvěma kaskádně zapojenými PI regulátory. Vnitřní je regulátor proudu, vnější je regulátor otáček elektromotoru. Regulátory byly nejprve modelovány jako výpočetní schémata v prostředí Simulink (obr. 11) a poté byly přepracovány s využitím nástroje SimElectronics do reálné podoby provedené z jednotlivých elektronických součástek (obr. 12).
 
Stejně je namodelován i modul pulzní šířkové modulace (PWM) a H-můstku. V základním provedení se skládá ze dvou komplexních prvků s možností zadávat příslušné parametry (obr. 13). V parametrech H-můstku lze volit mezi dvěma možnostmi výstupu. První nabízí výstup ve formě střední hodnoty napětí, druhá poskytuje signál PWM, který bude použit k buzení elektromotoru v reálné soustavě.
 
V detailním provedení je blok H-můstku nahrazen modelem zapojení z jednotlivých součástek a výstup je možný pouze ve formě PWM (obr. 14). Detailní modely regulátorů a H-můstku poskytly možnost prozkoumat vlivy elektronické realizace na chování systému.
 

Optimální nastavení parametrů regulace elektromechanické varianty

K nastavení parametrů kaskádního regulátoru lze použít optimalizační nástroj Simulink Response Optimization, který simulaci automaticky opakuje při současném nastavování hodnot neznámých parametrů podle zvolené optimalizační metody. Proces probíhá do té doby, dokud nejsou splněny podmínky a omezení určené uživatelem. V daném případě byly stanoveny požadavky na dodržení žádané hodnoty při současném omezení maximální velikosti akčního zásahu (obr. 15). Hledanými parametry byly konstanty obou PI regulátorů.
 
Optimalizace byla provedena s regulátory v podobě výpočetních schémat vytvořených v prostředí Simulink, kde jsou konstanty u proporcionálních a integračních členů přímo vyčísleny. Z nových hodnot byly vypočítány velikosti odporů a kondenzátorů ve schématech zapojení obvodů. S nimi pak bylo prověřeno realistické chování optimálně naladěného systému.
 

Závěr

V článku je popsán způsob tvorby simulačního modelu systému letadlového křidélka technikou fyzikálního modelování, která umožnila modelovat soustavu jako reálný celek. Propojením s klasickou modelovací technikou v prostředí Simulink jsou navrženy vhodné řídicí algoritmy pro regulaci systému, jejichž parametry byly následně optimalizovány. Detailní modely regulátorů v podobě simulovaného elektronického obvodu umožňují poměrně přesně zjistit, jak se celá soustava bude chovat ve své reálné podobě.
 
Podrobnější informace o stavbě jednotlivých modelů, postupu při optimalizacích a porovnání výsledků jsou názorně ukázány v rámci webového semináře Modelování elektromechanického systému v SimElectronics, dostupného na stránkách http://www.humusoft.cz v sekci webové semináře.
 
Distributorem produktů společnosti The MathWorks v České republice a na Slovensku je společnost Humusoft, s. r. o.
 
Jaroslav Jirkovský,
 
 
Obr. 7. Model hydromechanického akčního členu s PI regulátorem
Obr. 8. Schéma elektromechanického akčního členu
Obr. 9. Vnitřní dvoustupňová kaskádní regulace elektromechanického akčního členu
Obr. 10. Simulační model elektromechanického akčního členu s možností záměny různých variant propracovanosti modelu řízení (ot. – otáčky)
Obr. 11. Model regulátoru otáček elektromotoru jako výpočetní schéma (Simulink)
Obr. 12. Podrobný model regulátoru otáček elektromotoru sestavený z elektronických součástek (SimElectronics)
Obr. 13. Model PWM a H-můstku z předpřipravených bloků (SimElectronics)
Obr. 14. Model PWM a H-můstku z elektronických součástek (SimElectronics)
Obr. 15. Optimalizované nastavení kaskádního regulátotu nástrojem Simulink Response Optimization