يوفر هذا المنشور نسخة من الندوة عبر الإنترنت . أدار الندوة المهندس ميخائيل بيسيلنيك .)
سنتعلم اليوم أنه يمكننا ضبط النماذج لتحقيق التوازن الأمثل بين دقة ودقة نتائج المحاكاة وسرعة عملية المحاكاة. هذا هو المفتاح لاستخدام المحاكاة بشكل فعال والتأكد من أن مستوى التفاصيل في النموذج الخاص بك مناسب للمهمة التي تنوي تنفيذها.
وسوف نتعلم أيضا:
- كيف يمكنك تسريع عمليات المحاكاة باستخدام خوارزميات التحسين والحوسبة المتوازية؛
- كيفية توزيع عمليات المحاكاة عبر نوى كمبيوتر متعددة، وتسريع المهام مثل تقدير المعلمات واختيار المعلمات؛
- كيفية تسريع عملية التطوير من خلال أتمتة مهام المحاكاة والتحليل باستخدام MATLAB؛
- كيفية استخدام برامج MATLAB النصية للتحليل التوافقي وتوثيق نتائج أي نوع من الاختبارات باستخدام إنشاء التقارير تلقائيًا.
سنبدأ بنظرة عامة على نموذج الشبكة الكهربائية للطائرات. سنناقش أهداف المحاكاة لدينا وننظر إلى عملية التطوير التي تم استخدامها لإنشاء النموذج.
وسنمر بعد ذلك بمراحل هذه العملية بما في ذلك التصميم الأولي – حيث نوضح المتطلبات. التصميم التفصيلي - حيث سننظر إلى المكونات الفردية للشبكة الكهربائية، وأخيراً سنستخدم نتائج المحاكاة للتصميم التفصيلي لضبط معلمات النموذج المجرد. وأخيرًا، سننظر في كيفية توثيق نتائج كل هذه الخطوات في التقارير.
فيما يلي تمثيل تخطيطي للنظام الذي نقوم بتطويره. هذا نموذج نصف طائرة يشتمل على مولد، وحافلة تيار متردد، وأحمال تيار متردد متنوعة، ووحدة محول مقوم، وحافلة تيار مستمر بأحمال مختلفة، وبطارية.
يتم استخدام المفاتيح لتوصيل المكونات بالشبكة الكهربائية. مع تشغيل المكونات وإيقاف تشغيلها أثناء الطيران، قد تتغير الظروف الكهربائية. نريد تحليل هذا النصف من الشبكة الكهربائية للطائرة في ظل هذه الظروف المتغيرة.
يجب أن يتضمن النموذج الكامل للنظام الكهربائي للطائرة مكونات أخرى. لم ندرجها في نموذج نصف المستوى هذا لأننا نريد فقط تحليل التفاعلات بين هذه المكونات. هذه ممارسة شائعة في صناعة الطائرات والسفن.
أهداف المحاكاة:
- تحديد المتطلبات الكهربائية للمكونات المختلفة وكذلك خطوط الكهرباء التي تربط بينها.
- تحليل تفاعلات النظام بين المكونات من مختلف التخصصات الهندسية، بما في ذلك التأثيرات الكهربائية والميكانيكية والهيدروليكية والحرارية.
- وعلى مستوى أكثر تفصيلا، قم بإجراء التحليل التوافقي.
- تحليل جودة مصدر الطاقة في ظل الظروف المتغيرة وإلقاء نظرة على الفولتية والتيارات في عقد الشبكة المختلفة.
يتم تقديم هذه المجموعة من أهداف المحاكاة بشكل أفضل باستخدام نماذج بدرجات متفاوتة من التفاصيل. سنرى أنه بينما نتحرك خلال عملية التطوير، سيكون لدينا نموذج مجرد ومفصل.
عندما ننظر إلى نتائج المحاكاة لهذه المتغيرات المختلفة للنماذج، نرى أن نتائج النموذج على مستوى النظام والنموذج التفصيلي هي نفسها.
إذا ألقينا نظرة فاحصة على نتائج المحاكاة، نرى أنه حتى على الرغم من الديناميكيات الناجمة عن تبديل أجهزة الطاقة في النسخة التفصيلية لنموذجنا، فإن نتائج المحاكاة الإجمالية هي نفسها.
وهذا يسمح لنا بإجراء تكرارات سريعة على مستوى النظام، بالإضافة إلى تحليل مفصل للنظام الكهربائي على المستوى الجزئي. بهذه الطريقة يمكننا تحقيق أهدافنا بفعالية.
الآن دعونا نتحدث عن النموذج الذي نعمل معه. لقد أنشأنا عدة خيارات لكل مكون في الشبكة الكهربائية. سنختار متغير المكون الذي سيتم استخدامه اعتمادًا على المشكلة التي نقوم بحلها.
عندما نستكشف خيارات توليد طاقة الشبكة، يمكننا استبدال مولد القيادة المتكامل بمولد متغير السرعة من نوع المحمل الحلقي أو مولد تردد مقترن بالتيار المستمر. يمكننا استخدام مكونات الحمل المجردة أو التفصيلية في دائرة التيار المتردد.
وبالمثل، بالنسبة لشبكة التيار المباشر، يمكننا استخدام خيار تجريدي أو تفصيلي أو متعدد التخصصات يأخذ في الاعتبار تأثير التخصصات الفيزيائية الأخرى مثل الميكانيكا والهيدروليكا وتأثيرات درجة الحرارة.
مزيد من التفاصيل حول النموذج.
هنا ترى المولد وشبكة التوزيع والمكونات الموجودة في الشبكة. تم إعداد النموذج حاليًا للمحاكاة باستخدام نماذج المكونات المجردة. تم تصميم المحرك ببساطة عن طريق تحديد الطاقة النشطة والمتفاعلة التي يستهلكها المكون.
إذا قمنا بتكوين هذا النموذج لاستخدام متغيرات المكونات التفصيلية، فسيتم تصميم المشغل بالفعل كآلة كهربائية. لدينا محرك متزامن ذو مغناطيس دائم، ومحولات، ونظام ناقل وتحكم DC. إذا نظرنا إلى وحدة محول المعدل، نرى أنه تم تصميمه باستخدام المحولات والجسور العالمية المستخدمة في إلكترونيات الطاقة.
يمكننا أيضًا تحديد خيار النظام (في TRU DC Loads -> Block Choices -> Multidomain) الذي يأخذ في الاعتبار التأثيرات المرتبطة بالظواهر الفيزيائية الأخرى (في مضخة الوقود). بالنسبة لمضخة الوقود، نرى أن لدينا مضخة هيدروليكية، أحمال هيدروليكية. بالنسبة للسخان، نرى مراعاة تأثيرات درجة الحرارة التي تؤثر على سلوك ذلك المكون مع تغير درجة الحرارة. تم تصميم مولدنا باستخدام آلة متزامنة ولدينا نظام تحكم لضبط مجال الجهد لهذه الآلة.
يتم تحديد دورات الطيران باستخدام متغير MATLAB المسمى Flight_Cycle_Num. وهنا نرى بيانات من مساحة عمل MATLAB التي تتحكم في وقت تشغيل وإيقاف بعض مكونات الشبكة الكهربائية. تظهر هذه المؤامرة (Plot_FC) لدورة الطيران الأولى عند تشغيل المكونات أو إيقاف تشغيلها.
إذا قمنا بضبط النموذج على الإصدار Tuned، فيمكننا استخدام هذا البرنامج النصي (Test_APN_Model_SHORT) لتشغيل النموذج واختباره في ثلاث دورات طيران مختلفة. دورة الطيران الأولى جارية ونقوم باختبار النظام في ظل ظروف مختلفة. نقوم بعد ذلك بتكوين النموذج تلقائيًا لتشغيل دورة طيران ثانية وثالثة. عند الانتهاء من هذه الاختبارات، لدينا تقرير يوضح نتائج هذه الاختبارات الثلاثة مقارنة بعمليات الاختبار السابقة. يمكنك في التقرير رؤية لقطات شاشة للنموذج، ولقطات شاشة للرسوم البيانية التي توضح السرعة والجهد والطاقة المولدة عند خرج المولد، ورسوم بيانية للمقارنة مع الاختبارات السابقة، بالإضافة إلى نتائج تحليل جودة الشبكة الكهربائية.
يعد العثور على مقايضة بين دقة النموذج وسرعة المحاكاة أمرًا أساسيًا لاستخدام المحاكاة بفعالية. كلما قمت بإضافة المزيد من التفاصيل إلى النموذج الخاص بك، يزداد الوقت المطلوب لحساب النموذج ومحاكاته. من المهم تخصيص النموذج للمشكلة المحددة التي تقوم بحلها.
عندما نهتم بتفاصيل مثل جودة الطاقة، فإننا نضيف تأثيرات مثل تبديل إلكترونيات الطاقة والأحمال الواقعية. ومع ذلك، عندما نكون مهتمين بقضايا مثل توليد أو استهلاك الطاقة من خلال مكونات مختلفة في الشبكة الكهربائية، فسوف نستخدم طريقة المحاكاة المعقدة والأحمال المجردة ونماذج الجهد المتوسط.
باستخدام منتجات Mathworks، يمكنك اختيار المستوى المناسب من التفاصيل للمشكلة المطروحة.
للتصميم بفعالية، نحتاج إلى نماذج مجردة وتفصيلية للمكونات. وإليك كيفية تناسب هذه الخيارات مع عملية التطوير لدينا:
- أولاً، نوضح المتطلبات باستخدام نسخة مجردة من النموذج.
- ثم نستخدم المتطلبات المكررة لتصميم المكون بالتفصيل.
- يمكننا دمج نسخة مجردة ومفصلة من أحد المكونات في نموذجنا، مما يسمح بالتحقق من المكون ودمجه مع الأنظمة الميكانيكية وأنظمة التحكم.
- وأخيرا، يمكننا استخدام نتائج المحاكاة للنموذج التفصيلي لضبط معلمات النموذج المجرد. سيعطينا هذا نموذجًا يعمل بسرعة وينتج نتائج دقيقة.
يمكنك أن ترى أن هذين الخيارين - النظام والنموذج التفصيلي - يكملان بعضهما البعض. العمل الذي نقوم به باستخدام النموذج المجرد لتوضيح المتطلبات يقلل من عدد التكرارات المطلوبة للتصميم التفصيلي. وهذا يسرع عملية التطوير لدينا. نتائج المحاكاة للنموذج التفصيلي تعطينا نموذجا تجريديا يعمل بسرعة ويعطي نتائج دقيقة. يتيح لنا ذلك تحقيق التطابق بين مستوى تفاصيل النموذج والمهمة التي تؤديها المحاكاة.
تستخدم العديد من الشركات حول العالم MOS لتطوير أنظمة معقدة. تقوم شركة إيرباص بتطوير نظام لإدارة الوقود لطائرة A380 يعتمد على MOP. يحتوي هذا النظام على أكثر من 20 مضخة وأكثر من 40 صمامًا. يمكنك أن تتخيل عدد سيناريوهات الفشل المختلفة التي يمكن أن تحدث. باستخدام المحاكاة، يمكنهم إجراء أكثر من مائة ألف اختبار في نهاية كل أسبوع. وهذا يمنحهم الثقة بأنه بغض النظر عن سيناريو الفشل، فإن نظام التحكم الخاص بهم يمكنه التعامل معه.
الآن بعد أن رأينا نظرة عامة على نموذجنا وأهداف المحاكاة لدينا، سننتقل خلال عملية التصميم. سنبدأ باستخدام نموذج مجرد لتوضيح متطلبات النظام. سيتم استخدام هذه المتطلبات المكررة للتصميم التفصيلي.
سنرى كيفية دمج وثائق المتطلبات في عملية التطوير. لدينا وثيقة متطلبات كبيرة تحدد جميع متطلبات نظامنا. من الصعب جدًا مقارنة المتطلبات بالمشروع ككل والتأكد من تلبية المشروع لهذه المتطلبات.
باستخدام SLVNV، يمكنك ربط مستندات المتطلبات والنموذج مباشرة في Simulink. يمكنك إنشاء روابط مباشرة من النموذج مباشرة إلى المتطلبات. وهذا يجعل من السهل التحقق من أن جزءًا معينًا من النموذج يرتبط بمتطلبات محددة والعكس صحيح. هذا التواصل ذو اتجاهين. لذا، إذا كنا ننظر إلى أحد المتطلبات، فيمكننا الانتقال سريعًا إلى النموذج لنرى كيف يتم استيفاء هذا الشرط.
الآن بعد أن قمنا بدمج وثيقة المتطلبات في سير العمل، سنقوم بتحسين متطلبات الشبكة الكهربائية. على وجه التحديد، سننظر في متطلبات التشغيل والذروة وتصميم الأحمال للمولدات وخطوط النقل. سنقوم باختبارها على نطاق واسع من ظروف الشبكة. أولئك. أثناء دورات الطيران المختلفة، عند تشغيل وإيقاف الأحمال المختلفة. وبما أننا نركز فقط على الطاقة، فسوف نهمل التبديل في إلكترونيات الطاقة. ولذلك، سوف نستخدم النماذج المجردة وطرق المحاكاة المبسطة. هذا يعني أننا سنقوم بضبط النموذج لتجاهل التفاصيل التي لا نحتاجها. سيؤدي ذلك إلى تشغيل المحاكاة بشكل أسرع ويسمح لنا باختبار الظروف أثناء دورات الطيران الطويلة.
لدينا مصدر تيار متردد يمر عبر سلسلة من المقاومات والسعات والمحاثة. يوجد مفتاح في الدائرة يفتح بعد مرور بعض الوقت ثم يغلق مرة أخرى. إذا قمت بتشغيل المحاكاة، يمكنك رؤية النتائج باستخدام الحل المستمر. (V1) يمكنك أن ترى أن التذبذبات المرتبطة بفتح وإغلاق المفتاح معروضة بدقة.
الآن دعنا ننتقل إلى الوضع المنفصل. انقر نقرًا مزدوجًا فوق كتلة PowerGui وحدد الحل المنفصل في علامة التبويب Solver. يمكنك أن ترى أنه تم الآن تحديد الحل المنفصل. لنبدأ المحاكاة. سترى أن النتائج الآن هي نفسها تقريبًا، لكن الدقة تعتمد على معدل العينة المحدد.
يمكنني الآن تحديد وضع المحاكاة المعقد، وضبط التردد - نظرًا لأنه يتم الحصول على الحل عند تردد معين فقط - وتشغيل المحاكاة مرة أخرى. سترى أنه يتم عرض سعة الإشارة فقط. من خلال النقر على هذه الكتلة، يمكنني تشغيل برنامج MATLAB النصي الذي سيقوم بتشغيل النموذج بشكل تسلسلي في جميع أوضاع المحاكاة الثلاثة ورسم المخططات الناتجة فوق بعضها البعض. إذا نظرنا عن كثب إلى التيار والجهد، فسنرى أن النتائج المنفصلة قريبة من النتائج المستمرة، ولكنها متطابقة تمامًا. إذا نظرت إلى التيار، يمكنك أن ترى أن هناك ذروة لم يتم ملاحظتها في الوضع المنفصل للمحاكاة. ونحن نرى أن الوضع المعقد يسمح لك برؤية السعة فقط. إذا نظرت إلى خطوة الحل، يمكنك أن ترى أن الحل المعقد يتطلب 56 خطوة فقط، بينما تتطلب الحلول الأخرى العديد من الخطوات لإكمال المحاكاة. سمح هذا لوضع المحاكاة المعقد بالعمل بشكل أسرع بكثير من الأوضاع الأخرى.
بالإضافة إلى اختيار وضع المحاكاة المناسب، نحتاج إلى نماذج بمستوى مناسب من التفاصيل. لتوضيح متطلبات الطاقة للمكونات في الشبكة الكهربائية، سوف نستخدم نماذج مجردة للتطبيق العام. تسمح لنا كتلة التحميل الديناميكي بتحديد الطاقة النشطة والمتفاعلة التي يستهلكها أو يولدها أحد المكونات في الشبكة.
سنحدد نموذجًا مجردًا أوليًا للطاقة التفاعلية والنشطة بناءً على مجموعة أولية من المتطلبات. سوف نستخدم كتلة المصدر المثالي كمصدر. سيسمح لك ذلك بضبط الجهد الكهربي على الشبكة، ويمكنك استخدامه لتحديد معلمات المولد وفهم مقدار الطاقة التي يجب أن ينتجها.
بعد ذلك، سترى كيفية استخدام المحاكاة لتحسين متطلبات الطاقة للمولد وخطوط النقل.
لدينا مجموعة أولية من المتطلبات التي تتضمن تصنيف الطاقة وعامل الطاقة للمكونات الموجودة في الشبكة. لدينا أيضًا مجموعة من الظروف التي يمكن أن تعمل فيها هذه الشبكة. نريد تحسين هذه المتطلبات الأولية عن طريق الاختبار في ظل مجموعة واسعة من الظروف. سنقوم بذلك عن طريق ضبط النموذج لاستخدام الأحمال والمصادر المجردة واختبار المتطلبات في ظل نطاق واسع من ظروف التشغيل.
سنقوم بتكوين النموذج لاستخدام نماذج الحمل والمولدات المجردة، ونرى الطاقة المولدة والمستهلكة عبر نطاق واسع من ظروف التشغيل.
الآن سوف ننتقل إلى تصميم مفصل. سوف نستخدم المتطلبات المكررة لتفاصيل التصميم، وسوف نقوم بدمج هذه المكونات التفصيلية مع نموذج النظام لاكتشاف مشاكل التكامل.
اليوم، تتوفر العديد من الخيارات لتوليد الكهرباء في الطائرة. عادةً ما يتم تشغيل المولد عن طريق الاتصال بتوربينات الغاز. يدور التوربين بتردد متغير. إذا كان يجب أن يكون للشبكة تردد ثابت، فيجب التحويل من سرعة عمود التوربين المتغيرة إلى تردد ثابت في الشبكة. يمكن القيام بذلك عن طريق استخدام محرك متكامل ذو سرعة ثابتة في اتجاه المولد، أو باستخدام إلكترونيات الطاقة لتحويل التيار المتردد ذو التردد المتغير إلى تيار متردد ذو تردد ثابت. هناك أيضًا أنظمة ذات تردد عائم، حيث يمكن أن يتغير التردد في الشبكة ويحدث تحويل الطاقة عند الأحمال الموجودة في الشبكة.
يتطلب كل خيار من هذه الخيارات مولدًا وإلكترونيات طاقة لتحويل الطاقة.
لدينا توربين غازي يدور بسرعات مختلفة. يستخدم هذا التوربين لتدوير عمود المولد، مما ينتج تيارًا متناوبًا بتردد متغير. يمكن استخدام خيارات إلكترونيات الطاقة المختلفة لتحويل هذا التردد المتغير إلى تردد ثابت. نود تقييم هذه الخيارات المختلفة. ويمكن القيام بذلك باستخدام SPS.
يمكننا تصميم كل نظام من هذه الأنظمة وإجراء عمليات محاكاة في ظل ظروف مختلفة لتقييم الخيار الأفضل لنظامنا. دعنا ننتقل إلى النموذج ونرى كيف يتم ذلك.
هذا هو النموذج الذي نعمل معه. يتم نقل السرعة المتغيرة من عمود التوربينات الغازية إلى المولد. ويستخدم المحول الحلقي لإنتاج تيار متردد بتردد ثابت. إذا قمت بتشغيل المحاكاة، سترى كيف يتصرف النموذج. يوضح الرسم البياني العلوي السرعة المتغيرة لتوربينة الغاز. ترى أن التردد يتغير. هذه الإشارة الصفراء في الرسم البياني الثاني هي الجهد من إحدى المراحل عند خرج المولد. يتم إنشاء هذا التيار المتردد ذو التردد الثابت من سرعات متغيرة باستخدام إلكترونيات الطاقة.
دعونا نلقي نظرة على كيفية وصف أحمال التيار المتردد. يتم توصيل جهازنا بمصباح ومضخة هيدروليكية ومشغل. تم تصميم هذه المكونات باستخدام كتل من SPS.
تشتمل كل كتلة من هذه الكتل في SPS على إعدادات التكوين للسماح لك باستيعاب تكوينات المكونات المختلفة وضبط مستوى التفاصيل في النموذج الخاص بك.
لقد قمنا بتكوين النماذج لتشغيل نسخة مفصلة من كل مكون. لذلك لدينا الكثير من القدرة على نمذجة أحمال التيار المتردد ومن خلال محاكاة المكونات التفصيلية في الوضع المنفصل يمكننا رؤية المزيد من التفاصيل حول ما يحدث في شبكتنا الكهربائية.
إحدى المهام التي سنقوم بها مع النسخة التفصيلية للنموذج هي تحليل جودة الطاقة الكهربائية.
عندما يتم إدخال الحمل إلى النظام، فإنه يمكن أن يسبب تشويه الموجي عند مصدر الجهد. هذا هو الجيوب الأنفية المثالية، وستكون هذه الإشارة عند خرج المولد إذا كانت الأحمال ثابتة. ومع ذلك، مع زيادة عدد المكونات التي يمكن تشغيلها وإيقاف تشغيلها، يمكن أن يصبح شكل الموجة مشوهًا ويؤدي إلى مثل هذه التجاوزات الصغيرة.
هذه الارتفاعات في الشكل الموجي عند مصدر الجهد يمكن أن تسبب مشاكل. يمكن أن يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة المولد بسبب التبديل في إلكترونيات الطاقة، وهذا يمكن أن يخلق تيارات محايدة كبيرة، ويتسبب أيضًا في التبديل غير الضروري في إلكترونيات الطاقة بسبب لا يتوقعون هذا الارتداد في الإشارة.
يوفر التشويه التوافقي مقياسًا لجودة الطاقة الكهربائية للتيار المتردد. ومن المهم قياس هذه النسبة في ظل ظروف الشبكة المتغيرة لأن الجودة ستختلف حسب المكون الذي يتم تشغيله وإيقاف تشغيله. من السهل قياس هذه النسبة باستخدام أدوات MathWorks ويمكن تشغيلها تلقائيًا للاختبار في ظل مجموعة واسعة من الظروف.
تعرف على المزيد حول THD على .
التالي سنرى كيفية التنفيذ تحليل جودة الطاقة باستخدام المحاكاة.
لدينا نموذج للشبكة الكهربائية للطائرة. بسبب الأحمال المختلفة في الشبكة، يتم تشويه شكل موجة الجهد عند خرج المولد. وهذا يؤدي إلى تدهور نوعية الطعام. يتم فصل هذه الأحمال وجلبها عبر الإنترنت في أوقات مختلفة أثناء دورة الرحلة.
نريد تقييم جودة الطاقة لهذه الشبكة في ظل ظروف مختلفة. لهذا سوف نستخدم SPS و MATLAB لحساب THD تلقائيًا. يمكننا حساب النسبة بشكل تفاعلي باستخدام واجهة المستخدم الرسومية أو استخدام برنامج MATLAB النصي للأتمتة.
دعنا نعود إلى النموذج لنوضح لك ذلك بمثال. يتكون نموذج الشبكة الكهربائية لطائراتنا من مولد، وناقل تيار متردد، وأحمال تيار متردد، ومحول مقوم، وأحمال تيار مستمر. نريد قياس جودة الطاقة في نقاط مختلفة في الشبكة وفي ظل ظروف مختلفة. للبدء، سأوضح لك كيفية القيام بذلك بشكل تفاعلي للمولد فقط. ثم سأوضح لك كيفية أتمتة هذه العملية باستخدام MATLAB. سنقوم أولاً بإجراء محاكاة لجمع البيانات المطلوبة لحساب THD.
يوضح هذا الرسم البياني (Gen1_Vab) الجهد بين مراحل المولد. كما ترون، هذه ليست موجة جيبية مثالية. وهذا يعني أن جودة طاقة الشبكة تتأثر بالمكونات الموجودة على الشبكة. بمجرد اكتمال المحاكاة، سوف نستخدم تحويل فورييه السريع لحساب THD. سنفتح كتلة powergui ونفتح أداة تحليل FFT. يمكنك أن ترى أنه يتم تحميل الأداة تلقائيًا بالبيانات التي قمت بتسجيلها أثناء المحاكاة. سوف نقوم باختيار نافذة FFT، ونحدد التردد والمدى، ونعرض النتائج. يمكنك أن ترى أن عامل التشوه التوافقي هو 2.8%. هنا يمكنك رؤية مساهمة التوافقيات المختلفة. لقد رأيت كيف يمكنك حساب معامل التشوه التوافقي بشكل تفاعلي. لكننا نرغب في أتمتة هذه العملية من أجل حساب المعامل في ظل ظروف مختلفة وفي نقاط مختلفة في الشبكة.
سننظر الآن في الخيارات المتاحة لنمذجة أحمال التيار المستمر.
يمكننا نمذجة الأحمال الكهربائية البحتة وكذلك الأحمال متعددة التخصصات التي تحتوي على عناصر من مجالات هندسية مختلفة، مثل التأثيرات الكهربائية والحرارية والكهربائية والميكانيكية والهيدروليكية.
تشتمل دائرة التيار المستمر لدينا على محول مقوم، ومصابيح، وسخان، ومضخة وقود، وبطارية. يمكن للنماذج التفصيلية أن تأخذ في الاعتبار التأثيرات من مناطق أخرى، على سبيل المثال، يأخذ نموذج السخان في الاعتبار التغيرات في سلوك الجزء الكهربائي مع تغير درجة الحرارة. تأخذ مضخة الوقود في الاعتبار التأثيرات من المناطق الأخرى لمعرفة تأثيرها أيضًا على سلوك المكون. سأعود إلى النموذج لأوضح لك كيف يبدو.
هذا هو النموذج الذي نعمل معه. كما ترون، أصبح الآن محول المعدل وشبكة التيار المستمر كهربائيين بحتين، أي. تؤخذ في الاعتبار فقط التأثيرات من المجال الكهربائي. لقد قاموا بتبسيط النماذج الكهربائية للمكونات في هذه الشبكة. يمكننا اختيار نوع مختلف من هذا النظام (TRU DC Loads -> Multidomain) الذي يأخذ في الاعتبار التأثيرات من المجالات الهندسية الأخرى. ترى أنه في الشبكة لدينا نفس المكونات، ولكن بدلاً من عدد النماذج الكهربائية، أضفنا تأثيرات أخرى - على سبيل المثال، بالنسبة للمضرب، وهي شبكة مادية لدرجة الحرارة تأخذ في الاعتبار تأثير درجة الحرارة على السلوك. في المضخة نأخذ الآن بعين الاعتبار التأثيرات الهيدروليكية للمضخات والأحمال الأخرى في النظام.
يتم تجميع المكونات التي تراها في النموذج من كتل مكتبة Simscape. هناك كتل للمحاسبة في التخصصات الكهربائية والهيدروليكية والمغناطيسية وغيرها. باستخدام هذه الكتل، يمكنك إنشاء نماذج نسميها متعددة التخصصات، أي. مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات من مختلف التخصصات الفيزيائية والهندسية.
يمكن دمج التأثيرات من مناطق أخرى في نموذج الشبكة الكهربائية.
تتضمن مكتبة كتل Simscape كتلًا لمحاكاة التأثيرات من المجالات الأخرى، مثل المكونات الهيدروليكية أو درجة الحرارة. باستخدام هذه المكونات، يمكنك إنشاء أحمال شبكة أكثر واقعية ثم تحديد الظروف التي يمكن أن تعمل هذه المكونات في ظلها بشكل أكثر دقة.
من خلال الجمع بين هذه العناصر، يمكنك إنشاء مكونات أكثر تعقيدًا، بالإضافة إلى إنشاء تخصصات أو مناطق مخصصة جديدة باستخدام لغة Simscape.
تتوفر المزيد من المكونات المتقدمة وإعدادات المعلمات في ملحقات Simscape المتخصصة. تتوفر مكونات أكثر تعقيدًا وتفصيلاً في هذه المكتبات، مع الأخذ في الاعتبار التأثيرات مثل فقدان الكفاءة وتأثيرات درجة الحرارة. يمكنك أيضًا تصميم أنظمة ثلاثية الأبعاد ومتعددة الأجسام باستخدام SimMechanics.
والآن بعد أن انتهينا من التصميم التفصيلي، سوف نستخدم نتائج المحاكاة التفصيلية لضبط معلمات النموذج المجرد. سيعطينا هذا نموذجًا يعمل بسرعة بينما لا يزال ينتج نتائج تتطابق مع نتائج المحاكاة التفصيلية.
لقد بدأنا عملية التطوير باستخدام نماذج المكونات المجردة. والآن بعد أن أصبح لدينا نماذج تفصيلية، نود التأكد من أن هذه النماذج المجردة تنتج نتائج مماثلة.
يظهر اللون الأخضر المتطلبات الأولية التي تلقيناها. نود أن تكون نتائج النموذج المجرد، الموضحة هنا باللون الأزرق، قريبة من نتائج محاكاة النموذج التفصيلية، الموضحة باللون الأحمر.
للقيام بذلك، سوف نقوم بتحديد القوى النشطة والمتفاعلة للنموذج المجرد باستخدام إشارة الدخل. بدلاً من استخدام قيم منفصلة للطاقة النشطة والمتفاعلة، سنقوم بإنشاء نموذج ذو معلمات وضبط هذه المعلمات بحيث تتطابق منحنيات الطاقة النشطة والمتفاعلة من محاكاة النموذج المجرد مع النموذج التفصيلي.
بعد ذلك، سنرى كيف يمكن ضبط النموذج المجرد ليتناسب مع نتائج النموذج التفصيلي.
هذه هي مهمتنا. لدينا نموذج تجريدي لأحد مكونات الشبكة الكهربائية. عندما نطبق إشارة التحكم هذه عليها، يكون الإخراج هو النتيجة التالية للطاقة النشطة والمتفاعلة.
عندما نطبق نفس الإشارة على مدخلات نموذج تفصيلي، نحصل على نتائج مثل هذه.
نحن بحاجة إلى أن تكون نتائج محاكاة النموذج المجرد والمفصل متسقة حتى نتمكن من استخدام النموذج المجرد للتكرار بسرعة على نموذج النظام. للقيام بذلك، سنقوم تلقائيًا بضبط معلمات النموذج المجرد حتى تتطابق النتائج.
للقيام بذلك، سوف نستخدم SDO، والذي يمكنه تغيير المعلمات تلقائيًا حتى تتطابق نتائج النماذج المجردة والتفصيلية.
لضبط هذه الإعدادات، سنتبع الخطوات التالية.
- أولاً، نقوم باستيراد مخرجات المحاكاة للنموذج التفصيلي واختيار هذه البيانات لتقدير المعلمة.
- سنقوم بعد ذلك بتحديد المعلمات التي يجب تكوينها وتعيين نطاقات المعلمات.
- بعد ذلك، سنقوم بتقييم المعلمات، مع قيام SDO بضبط المعلمات حتى تتطابق النتائج.
- وأخيرا، يمكننا استخدام بيانات الإدخال الأخرى للتحقق من صحة نتائج تقدير المعلمة.
يمكنك تسريع عملية التطوير بشكل كبير من خلال توزيع عمليات المحاكاة باستخدام الحوسبة المتوازية.
يمكنك تشغيل عمليات محاكاة منفصلة على مراكز مختلفة لمعالج متعدد النواة أو على مجموعات حسابية. إذا كانت لديك مهمة تتطلب منك تشغيل عمليات محاكاة متعددة - على سبيل المثال، تحليل Monte Carlo، أو ملاءمة المعلمات، أو تشغيل دورات طيران متعددة - فيمكنك توزيع عمليات المحاكاة هذه عن طريق تشغيلها على جهاز محلي متعدد النواة أو مجموعة كمبيوتر.
في كثير من الحالات، لن يكون هذا أكثر صعوبة من استبدال حلقة for في البرنامج النصي بحلقة for موازية، parfor. يمكن أن يؤدي هذا إلى تسريع كبير في تشغيل عمليات المحاكاة.
لدينا نموذج للشبكة الكهربائية للطائرة. نود اختبار هذه الشبكة في ظل مجموعة واسعة من ظروف التشغيل - بما في ذلك دورات الطيران والاضطرابات والطقس. سوف نستخدم معاهدة التعاون بشأن البراءات لتسريع هذه الاختبارات، وMATLAB لضبط النموذج لكل اختبار نريد تشغيله. سنقوم بعد ذلك بتوزيع عمليات المحاكاة عبر مراكز مختلفة لجهاز الكمبيوتر الخاص بي. سنرى أن الاختبارات الموازية تكتمل بشكل أسرع بكثير من الاختبارات المتسلسلة.
فيما يلي الخطوات التي سنحتاج إلى اتباعها.
- أولاً، سنقوم بإنشاء مجموعة من العمليات المنفذة، أو ما يسمى بعمال MATLAB، باستخدام أمر parpool.
- بعد ذلك، سنقوم بإنشاء مجموعات معلمات لكل اختبار نريد تشغيله.
- سنقوم بإجراء عمليات المحاكاة أولاً بالتسلسل، واحدة تلو الأخرى.
- ثم قارن ذلك بإجراء عمليات المحاكاة بالتوازي.
وفقا للنتائج، فإن إجمالي وقت الاختبار في الوضع المتوازي هو حوالي 4 مرات أقل من الوضع المتسلسل. لقد رأينا في الرسوم البيانية أن استهلاك الطاقة بشكل عام عند المستوى المتوقع. ترتبط القمم المرئية بظروف الشبكة المختلفة عند تشغيل وإيقاف المستهلكين.
تضمنت عمليات المحاكاة العديد من الاختبارات التي تمكنا من إجرائها بسرعة من خلال توزيع عمليات المحاكاة عبر مراكز كمبيوتر مختلفة. هذا سمح لنا بتقييم مجموعة واسعة من ظروف الطيران.
الآن بعد أن أكملنا هذا الجزء من عملية التطوير، سنرى كيف يمكننا أتمتة إنشاء التوثيق لكل خطوة، وكيف يمكننا تشغيل الاختبارات وتوثيق النتائج تلقائيًا.
إن تصميم النظام هو دائمًا عملية تكرارية. نقوم بإجراء تغيير على مشروع ما، واختبار التغيير، وتقييم النتائج، ثم إجراء تغيير جديد. تستغرق عملية توثيق النتائج والأساس المنطقي للتغييرات وقتًا طويلاً. يمكنك أتمتة هذه العملية باستخدام SLRG.
باستخدام SLRG، يمكنك أتمتة تنفيذ الاختبارات ومن ثم جمع نتائج تلك الاختبارات في شكل تقرير. قد يتضمن التقرير تقييم نتائج الاختبار، ولقطات شاشة للنماذج والرسوم البيانية، ورمز C وMATLAB.
سأختتم بالتذكير بالنقاط الرئيسية لهذا العرض.
- لقد رأينا العديد من الفرص لضبط النموذج لإيجاد توازن بين دقة النموذج وسرعة المحاكاة، بما في ذلك أوضاع المحاكاة ومستويات تجريد النموذج.
- لقد رأينا كيف يمكننا تسريع عمليات المحاكاة باستخدام خوارزميات التحسين والحوسبة المتوازية.
- أخيرًا، رأينا كيف يمكننا تسريع عملية التطوير من خلال أتمتة مهام المحاكاة والتحليل في MATLAB.
مؤلف مادي — ميخائيل بيسيلنيك، مهندس .
رابط لهذه الندوة عبر الإنترنت
المصدر: www.habr.com