Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Pět důvodů, proč při návrhu a modelování systémů používat Simulink

Softwarový systém Matlab & Simulink je světový standard v oblasti technických výpočtů a simulací. Systém Matlab & Simulink je považován za přelom jak z hlediska rozsahu, integrace a kvality produktu, tak z hlediska efektivity práce a uživatelského komfortu. Článek stručně seznamuje s hlavními oblastmi a možnostmi využití simulačního nástroje Simulink při vývoji technických systémů a uvádí dva ukázkové příklady jeho využití pro potřeby průmyslové praxe.

Výpočetní systém Matlab je interaktivní prostředí pro technické výpočty, vývoj algoritmů, analýzu dat a vizualizaci. Funkce základního systému Matlab lze rozšířit při použití funkcí nabízejících pohotově použitelná řešení problémů z mnoha aplikačních oblastí. Systém Matlab také poskytuje nástroje pro paralelní výpočty, tvorbu samostatných aplikačních programů a implementaci či vývoj vestavných systémů.

Simulační nástroj Simulink je grafická nadstavba systému Matlab, založená na intuitivním prostředí blokových schémat, která je určena k modelování a simulaci dynamických systémů. Jako taková umožňuje simulovat a analyzovat široké spektrum inženýrských úloh.

Pět klíčových oblastí využití nástroje Simulink

Simulační nástroj Simulink lze při vývoji technických systémů využít k řešení úloh zejména v těchto oblastech:

  • modelování a simulace systémů,
  • navrhování řídicích systémů,
  • modelování systémů řízených událostmi,
  • navrhování systémů pro zpracování signálu a obrazu,
  • měření a testování.

Detailnější pohled na nástroj Simulink a jeho uplatnění při řešení úloh uvedených pěti kategorií přinášejí následující odstavce.

Modelování a simulace systémů

Prostředí Simulink umožňuje snadno a rychle vytvářet modely dynamických soustav v podobě blokových schémat nebo rovnic. Při použití nástroje Simulink a jeho grafického editoru lze vytvářet modely lineárních, nelineárních, v čase diskrétních nebo spojitých systémů pouhým přesouváním funkčních bloků z knihoven a jejich propojováním pomocí myši. Nástroj Simulink využívá k numerickému řešení nelineárních diferenciálních rovnic, které simulační modely popisují, algoritmy ze systému Matlab. Samozřejmá je otevřená architektura, dovolující uživateli vytvářet si vlastní funkční bloky a uživatelské knihovny a dále rozšiřovat již tak bohatou knihovnu bloků, kterou Simulink obsahuje. Hierarchická struktura modelů umožňuje koncipovat i složité systémy do přehledné soustavy subsystémů a nástroje pro správu rozsáhlých modelů podporují spolupráci většího kolektivu řešitelů na různých úrovních. Vytvořená schémata lze přímo využít jako dokumentaci při vývoji systému.

Fyzikální modelování

Nástroje pro fyzikální modelování usnadňují tvorbu modelů a simulace tzv. multi-domain systémů, tvořených navzájem propojenými mechanickými, elektrickými, hydraulickými a dalšími komponentami. Do simulačních schémat jsou zaváděny reálné fyzikální veličiny jako např. síly, momenty, napětí, proudy, tlaky, průtoky atd. Podobně jako při montáži reálného systému vzniká model grafickým propojením bloků, které přímo odpovídají fyzickým prvkům reálného systému (obr. 1).

Simulační grafika

Pokročilou možnost vizualizace představuje obousměrná interakce prostředí Matlab a Simulink s prostředím virtuální reality. Modely dynamických systémů vytvořené v nástroji Simulink lze realisticky zobrazovat v třírozměrném prostředí a získat tak lepší prostorovou představu o tom, jak fungují.

Návrh řídicích systémů

Knihovny aplikačních programů pro navrhování řídicích systémů přinášejí do prostředí Matlab a Simulink nástroje pro obory řídicí techniky a teorie systémů. Funkce z oblasti analýzy a návrhu řídicích systémů využívají jak klasické přechodové charakteristiky, tak i popisy systémů ve stavovém prostoru. Nástroje lze používat i pro nelineární modely soustav vytvořené v prostředí Simulink. Z nelineárních modelů je možné automaticky extrahovat lineární aproximaci modelu, provést frekvenční analýzu a nastavit parametry řídicích algoritmů.

Další univerzální přístup využitelný při ladění řídicích systémů i modelování soustav představuje numerická optimalizace parametrů modelů v prostředí Simulink. Jeho největší předností je přímá práce s nelineárním modelem. Díky tomu lze efektivně optimalizovat chování řídicích systémů, určovat neznámé parametry modelovaných soustav nebo nastavovat koeficienty algoritmů pro zpracování signálů.

Modelování systémů řízených událostmi

Systémy řízené událostmi (logické automaty) lze snadno modelovat a simulovat v interaktivním grafickém vývojovém nástroji Stateflow. Diskrétní logické obvody jsou zde popisovány pomocí stavových diagramů a přechodů mezi stavy. Přechody mezi stavy jsou vázány na splnění určité podmínky, výskyt určité události apod.

Nástroj Stateflow je zcela integrován do prostředí Simulink. Při zkombinování nástrojů Simulink a Stateflow lze simulovat jak dynamiku fyzikální podstaty soustavy (spojité procesy), tak chování logiky řídicího systému, který tuto soustavu ovládá. Typickými úlohami jsou návrhy protiblokovacích brzdových systémů (ABS) a automatických spojek v automobilovém průmyslu nebo naváděcích systémů v oblasti letectví (obr. 2).

Systémy pro zpracování signálu a obrazu

Knihovny aplikačních programů pro obor zpracování signálu jsou vybaveny grafickým rozhraním, které zjednodušuje jak frekvenční analýzu signálu, tak jeho zpracování. K nejvýznamnějším schopnostem těchto knihoven patří podpora návrhu a analýzy filtrů včetně interaktivního zobrazování frekvenčních charakteristik a dalších údajů. Je možné navrhovat standardní konvoluční (FIR) a rekurzivní (IIR) filtry nebo filtry specializované, adaptivní a polyfázové (multirate).

Nástroje pro zpracování obrazu a videozáznamu obsahují množinu funkcí pro dvourozměrnou (2D) filtraci obrazů, rekonstrukci obrazů, manipulaci s barvami nebo morfologickou analýzu. Pokročilé možnosti poskytují algoritmy z oblasti strojového vidění. Na technice zpracování obrazu jsou založeny špičkové metody lékařské i průmyslové diagnostiky, analýzy dat a automatizace.

Algoritmy pro zpracování signálu a obrazu podporují výpočty v aritmetice s pevnou řádovou čárkou a generování kódu v jazyce C nebo HDL, což lze využít při navrhování vestavných zařízení nebo při tvorbě prototypů pracujících v reálném čase. 

Měření a testování

Knihovny aplikační programů pro oblast měření a testování propojují prostředí Matlab a Simulink s měřicími kartami, čímž vzniká integrované prostředí pro on-line analýzu dat. Nástroje uživateli zajišťují kontrolu nad celým procesem měření a zpracování dat v rámci jednotného a známého prostředí. Vedle propojení s analogovými a digitálními vstupy a výstupy jsou podporována i rozhraní jako CAN, UDP nebo sériová linka.

Využití nástrojů Matlab a Simulink v průmyslu

Společnost Festo AG vyvinula zcela novou koncepci mechatronické robotické paže s názvem Bionic Handling Assistant. Zařízení, inspirované pohybovými schopnostmi sloního chobotu, má hmotnost 1,8 kg a délku 1,1 m. Na rozdíl od průmyslových robotických ramen, která jsou obvykle umisťována do ochranných klecí, je Bionic Handling Assistant navržen tak, aby mohl být v přímém kontaktu s lidmi. Jde o složité zařízení s jedenácti stupni volnosti obsahující dvanáct komor, třináct pneumatických pohonů a dvanáct snímačů polohy. V prostředí Matlab a Simulink byl realizován návrh komplexního řídicího systému, který využívá dvanáct regulátorů tlaku a dvanáct regulátorů polohy. Pro zajištění správného pohybu ramene nestačí samostatně ovládat jednotlivé sekce, nýbrž všechny regulátory musí pracovat ve vzájemném souladu. O vývoji zařízení podrobněji pojednává článek v časopisu Automa č. 11/2012, str. 49, odkud je také pro ilustraci převzat jeho unikátní obrázek (obr. 3).

Simulink a metoda Model-Based Design

Nástroje sdružené v prostředí Simulink podporují metodu vývoje systémů nazvanou Model Based Design, kdy vývoj zařízení v prostředí Simulink probíhá od návrhu systému a jeho komponent, přes automatické generování kódu, testování a verifikaci až po automatickou tvorbu dokumentace. Modely vytvořené v prostředí Simulink mohou pracovat v reálném čase na simulátorech typu HIL (Hardware-In-the-Loop) i na cílových platformách – řídicích jednotkách ve výrobních zařízeních.

O metodě Model-Based Design bude dále pojednáno v samostatném článku v nadcházejícím čísle časopisu.

(Humusoft s. r. o.)

Obr. 1. Fyzikální model elektromechanického systému čtecí jednotky mechaniky DVD

Obr. 2. Model dynamiky soustavy a řídicí logiky v prostředí Simulink a Stateflow včetně vizua­lizace v prostředí virtuální reality

Obr. 3. Robotické rameno Bionic Handling Assistant od firmy Festo (foto: Festo AG)