UM Control

UM Control

The UM Control (Matlab/Simulink) module (UM Control)

 

Das UM-Control Modul beinhaltet folgende Tools, die eine Kombination von in UM beschriebenen mechanischen Systemen mit Anwenderbibliotheken oder MATLAB/Simulink Modellen ermöglichen: UM-Matlab Import, UM Matlab CoSimulation, UM-Users Defined Libraries, UM Blockeditor.

Bei der Modellierung vieler realer Systeme entsteht ein Kopplungsproblem des mechanischen Teils des Modells mit anderen nicht-mechanischen, wie z. B. automatischen Steuerungen, elektrischen Maschinen, elektromagnetischen Feldern, Hydraulik, Pneumatik, etc.

Komplexe Systeme dieser Art können nicht mit Hilfe der „UM“ eigenen Tools direkt beschrieben werden, daher werden die mathematische Modelle solche Teilsysteme entweder in MATLAB/Simulink oder vom Anwender separat in einer Programmiersprache beschrieben und entwickelt, und dann in „UM“ mittels externer dynamisch verlinkter Bibliotheken (DLL) integriert. In dieser Weise ermöglichen es die Tools des UM-Control Moduls die Modellierungsbandbreite mechanischer Systeme in „UM“ erheblich auszudehnen und die Modellierung komplexer elektromechanischer Systeme wie eines elektromechanischen System einer Lokomotive, elektronischer Steuerungssysteme eines Fahrzeugs (ABS, Traktionskontrolle, ESP und anderen), sowie mechatronischer Systeme zu realisieren.

Die genannten Tools haben eine ähnliche Benutzeroberfläche und nutzen eine ähnliche Terminologie, und sind daher im UM-Control Modul zusammengefasst. Jedoch sind alle Tools funktionell unabhängig und können separat erworben werden. 

Im Folgenden werden die genannten Tools näher betrachtet:

UM Matlab Import;
UM CoSimulaiton;

UM User's Defined Routines
.
UM Block Editor.

See also:
  - Getting Started: Matlab/Simulink interface;

UM Matlab Import

 

Интерфейс с Matlab/Simulink. Щелкните для просмотра копии экранаZu den am häufigsten zur Modellierung von technischen Systemen verwendeten Programmen gehören MATLAB/Simulink. Das UM MATLAB Import Modul ermöglicht verschiedenartigen Teilsystemen aus  MATLAB/Simulink mit in UM ausgearbeiteten mechanischen Systemen zu verbinden. Die Schnittstelle mit MATLAB/Simulink ermöglicht es gleichzeitig eine unbegrenzte Anzahl von MATLAB/Simulink Modellen in Form von kompilierten dll-Bibliotheken in mechanische UM-Modelle zu integrieren. Die intuitive graphische Oberfläche des Moduls ermöglicht es dll-Bibliotheken mit kompilierten Teilsystemen zu verbinden, Input und Output für gegebene Teilsysteme auszuwählen und benötigte Teilsysteme in Echtzeit ein- und auszuschalten.

Der Algorithmus der Integration eines Modells aus verschiedenen Teilsystemen aus UM und aus MATLAB/Simulink enthält in der Regel folgende Schritte:

- Festlegung von erforderlichen Daten, die aus einem in das andere Teilsystem übertragen werden müssen (von UM in MATLAB/Simulink und umgekehrt).

- Aufbau der Modelle in UM und MATLAB/Simulink unter Berücksichtigung der festgelegten Datenströme.

- Kompilierung der in MATLAB/Simulink erstellten Modelle in dll-Bibliotheken

- Verknüpfung des im UM erstellten Modells des mechanischen Systems mit verfügbaren dll-Bibliotheken

- Modellierung des dynamischen Verhaltens des verknüpften Modells mittels des UM Simulation Moduls.

See also:
1. Getting started: using Matlab/Simulink interface

Beispiel 1: Stabilisierung eines umgedrehten Pendels mittels des UM MATLAB Import Tools 

Das unten abgebildete Model besteht aus einem Karren mit der Masse M und eines umgedrehten Pendels mit der Masse m und einem Trägheitsmoment I relativ zur Rotationsachse. Das Steuerungssystem hat als Eingabewert den Abweichungswinkel des Pendels von der Vertikalachse und als Ausgabewert den Kraftvektor, der nötig ist um das umgedrehte Pendel mittels der ausgleichenden Bewegung des Karrens vertikal zu halten.

Расчетная схема Схема обмена данными
umgedrehtes Pendel Datenstrom

Das Steuerungssystem des umgedrehten Pendels in MATLAB/Simulink stellt einen so genannten PID-Regler (proportional–integral–derivative controller) dar. Zur Verknüpfung des Steuerungsmodells des Pendels mit dem UM Modell müssen im Steuerungsmodell „Input“ und „Output“ Bausteine eingeführt werden. Die Eingangsvariable des Input Bausteins für das Steuerungssystem im gewählten Model ist der Abweichungswinkel (ψ) des Pendels von der Vertikalachse. Die entsprechende Ausgangsvariable des Output Bausteins ist die auf den Karren einwirkende Kraft F

Модель системы управления
Modell des Steuerungssystems in MATLAB/Simulink

 

Неуправляемое движение Управляемое движение
unkontrollierte Bewegung kontrollierte Bewegung


Beispiel 2: Elektromechanisches Modell einer Lokomotive

In der unteren Abbildung ist das Modell einer Rangierlokomotive der Bryansk Maschinenbauwerke dargestellt. Das elektromechanische Modell der Lokomotive wurde aus zwei Modellen erstellt, das MATLAB/Simulink Modell des Zugkraft Gleichstrom Elektromotors mit eigenem Steuerungssystem wurde mit Hilfe des UM MATLAB Import Tools mit einem Modell des mechanischen Teils der Lokomotive ergänzt.

Das vollständige elektromechanische Modell erlaubt im Vergleich zu anderen Verfahren eine verfeinerte Prozessanalyse des Antriebs, von Testuntersuchungen der Steuerungssysteme der Motoren während der Anfahrt und unter normaler Zuglast, der Verbesserung des Rangiervorganges, bei Auffahrt auf einen Ölfleck usw. 

Модель маневрового локомотива Модель электродвигателя постоянного тока с системой управления
Modell einer Rangierlokomotive Typ TEM21 MATLAB/Simulink eines Gleichstrommotors

UM Matlab CoSimulation

 

UM CoSimulation. Щелкните для просмотра копии экранаDas in MATLAB/Simulink eingeführte UM Model des mechanische Systems wird als Blackbox betrachtet, die aus Inputdaten auf nicht näher spezifizierte Weise Outputdaten erstellt. Während des Exportes des mechanischen UM Systems in das MATLAB/Simulink Model werden Outputvariablen festgelegt, die mit Hilfe des Master Variables Tools definiert wurden. In der Regel werden die Kinematik des Systems beschreibenden Variablen, Koordinaten und Geschwindigkeiten, als Outputvariablen festgelegt. Inputvariablen, in der Regel in MATLAB/Simulink berechnete Kräfte, und Parameter der S-Funktion werden mit Parametern des UM Models verknüpft. Zur Schaffung von Steuerelementen seitens des Steuerungssystems werden Kräfte/Momente, dessen Werte oder Charakteristika (zum Beispiel Steifigkeit, Dissipation) durch Modelparameter definiert sind, in das Model des mechanischen Systems eingeführt. Danach werden diese Parameter mit Hilfe des Master Export Tools mit den Eingangswerten der S-Funktion in MATLAB/Simulink verknüpft.

Um mit Hilfe des UM Matlab CoSimulation Tools den mechanische Teils eines Models aus der UM Umgebung in ein mit MATLAB/Simulink erstelltes Model zu exportieren und einzufügen sind folgende Schritte erforderlich:
- Beschreibung des nicht mechanischen Teils in der MATLAB/Simulink Umgebung.
- Einfügen eines S-Funktion Blocks, der als Platzhalter für den später importierten mechanischen Teil des Models aus der UM Umgebung dient.
- Erstellung des mechanischen Systems in der UM Input Umgebung.
- Übertragung des fertiggestellten mechanischen Teils des Models in die UM Simulation Umgebung, Erstellung von Regelungsdateien und der m-Steuerungsdatei mit Hilfe des UM Master Export Tools zur Übertragung des Models in MATLAB/Simulink.
- Verknüpfung des UM Models mit dem Steuerungssystem von MATLAB/Simulink.
- Dynamische Simulation des verknüpften Models in der MATLAB/Simulink Umgebung.

Beispiel 3: Stabilisierung des umgedrehten Pendels mittels des UM Matlab CoSimulation Tools

Folgend ist das Model des Steuerungssystems zur Stabilisierung des umgedrehten Pendels, das mittels des UM Matlab CoSimulation Tools kreiert wurde, dargestellt. Der mechanische Teil des Models ist in der S-Funktion inv_pend_cosim „versteckt“. Vergleichbar mit dem Model aus dem ersten Beispiel.

Модель системы управления

Model des Steuerungssystems in MATLAB/Simulink

Beispiel 4: ABS mittels des UM Matlab CoSimulation Tools

Die obere Abbildung stellt das Model eines Zweikanal Antiblockiersystems (ABS) dar, das die Bremskräfte auf den Vorder- und Hinterreifen eines Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von den relativen Gleitwerten ermittelt. Die S-Funktion abs_cosim auf der Abbildung beinhaltet das dynamische Model des PKW vom Typ VAZ-2109. Das ABS strebt einen Gleitwert von 0.1 an. Die Ergebnisse der rechnerischen Experimente zum relativen Gleiten der Vorder- und Hinterräder sind in den unteren Diagrammen abgebildet. Das relative Gleiten der Vorder- und Hinterräder schwankt sichtbar um den vergebenen Wert. 

Модель легкового автомобиля ВАЗ-2109
Das mechanische Model des PKW VАZ-2109
Модель ABS
Model des Zweikanal ABS

 

 

Проскальзывание передних колес
Gleiten der Vorderräder
Проскальзывание задних колес
Gleiten der Hinterräder

UM User,s Defined Routines

 

Das UM User´s Defined Routines Tool ermöglicht das Einfügen einer dynamisch verlinkten Bibliothek (DLL) in den mechanischen Teil des UM Models. Diese Bibliothek kann in jeder   Programmiersprache, die eine DLL Kompilierung unterstützt, geschrieben werden. In der UM Umgebung werden dynamisch verlinkte Bibliotheken als externe Bibliotheken bezeichnet. In der Regel werden externe Bibliotheken zur Verknüpfung von mathematischen Kräftemodellen, die nicht mit Hilfe von programminternen Kraftelementen beschrieben werden können, mit UM Modellen verwendet. Diese Vorgehensweise stellt eine Alternative zur Programmierung der Steureungsdatei dar und hat folgende Vorteile:
- zur Entwicklung eigener Bibliotheken kann der Anwender jede Programmumgebung und jeden Kompillator, die die Erstellung einer dynamisch verlinkten Bibliothek (DLL) unterstützen, verwenden.
- Der Anwender benötigt keine tiefergehenden Programmierkenntnisse für die UM Steuerungsdatei.
- vorhandene Bibliotheken (DLL) können ohne zusätzlichen Programmieraufwand mit UM Modellen verknüpft werden.
Bei der Modellierung von dynamischen Modellen mechanischer Systeme mit einer Einbindung von externen dynamisch verlinkten Bibliotheken (DLL) sind in der Regel folgende Schritte nötig:
- Ausarbeitung und Implementierung eines mathematischen Models in einem Programmcode in einer geeigneten Form.
- Kompilierung des Programmcodes in ein DLL Format.
- Verknüpfung der DLL mit dem mechanischen Model mit Hilfe des UM eigenen Assistentenprogramms zur Einbindung von externen Bibliotheken. Verknüpfung der Input und Output Parameter der DLL mit Variablen und Parametern des UM Modells.
- dynamische Simulation des kompletten Models.

Externen Bibliotheken haben sowohl eine Reihe von Input und Output Variablen als auch von Parametern. Bei der Einbindung der externen Bibliothek in das UM Modell werden Variablen, die normalerweise die Kinematik des Systems beschreiben, als Input der externen Bibliothek übertragen. Die Output Variablen der externen Bibliothek werden mit Modelparametern, die normalerweise auf die Körper des mechanischen Systems wirkenden Kräfte und Momente beschreiben, verbunden.     

Mit Hilfe von externen Bibliotheken lassen sich Modelle von komplexen Systemen, wie zum Beispiel Steuerungssystemen, elektrischen und hydraulischen Maschinen und Anlagen, realisieren. 

 UM Block Editor

 

Der UM Block Editor aus dem UM Control Modul stellt eine eigenständige Ergänzung dar, die zur Beschreibung von Strukturschemata mit Hilfe von grundlegenden funktionellen Elemente dient. Tatsächlich gleicht der Block Editor dem Simulink Modul aus dem MATLAB/Simulink Programmpaket. Im Block Editor erstellte Schemata werden in gleicher Weise wie die in MATLAB/Simulink erstellten Schemata an die UM Programmumgebung angebunden. Beide Tools, der Block Editor und MATLAB Import erfüllen in der UM Programmumgebung analoge Funktionen und verfügen über sehr ähnliche Ansätze in der Beschreibung von Strukturschemata und deren Anbindung an dynamische Modelle in der UM Umgebung.

Die Nutzung des UM Block Editors folgende Vorteile:
- Die Arbeit mit dem UM Block Editor erfordert keine Installation des MATLAB/Simulink Programmpakets auf dem Arbeitsrechner.
- Der UM Block Editor verfügt zusätzlich zur Funktion der Erstellung von Strukturschemata eine Schnittstelle zur Einbindung der erstellten Schemata in Modelle der UM Umgebung. Somit entfällt im Gegensatz zu MATLAB/Simulink eine umständliche Kompilierung des ursprünglich zu exportierenden Codes nach C/C++.

Der UM Block Editor unterstützt alle wesentlichen und am häufigsten genutzten Blockdiagramme und ermöglicht die Bearbeitung der Mehrheit aller praktischen Anwendungen. Im Gegensatz zu Simulink verfügt der UM Blockeditor nicht über spezifische Bibliotheken zur Bearbeitung von neuralen Netzen oder Bibliotheken der Unterstützung von  Fuzzy Logic usw.

Der UM Block Editor kann für die Modellierung von Blockdiagrammen geringer und mittlerer Komplexität sowie Anwendern mit weniger Erfahrung empfohlen werden. Falls die Möglichkeiten des UM Block Editors ausgeschöpft sind oder der Anwender über  Erfahrung mit MATLAB/Simulink verfügt, sollte auf UM MATLAB Import zurückgegriffen werden. 

istory Handbuch / Präsentation



Das Handbuch und eine Präsentation dieses Moduls sind auf der  Download seite hinterlegt..