Разработка справочно-расчетного программного обеспечения в среде визуального проектирования. Разработка динамической модели в системе MATLAB/Simulink

 

Курсовая работа

по дисциплине «Информатика»

Тема: «Разработка справочно-расчетного программного обеспечения в среде визуального проектирования. Разработка динамической модели в системе MATLAB/Simulink»

ВВЕДЕНИЕ

Целью работы является справочно-расчетная программа : сцепления механических трансмиссий.

Составить модель, описать и осуществить тестовое моделирование динамической системы, описываемой уравнением: x(t)+0.5x(t)+5x(t)+0.34x^5(t)= - 30sin(t).

1. РАЗРАБОТКА СПРАВОЧНО-РАСЧЕТНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

.1 Литературный обзор по тематике проблемной области (информация для справочника в литературном виде)

Главное назначение сцепления состоит в плавном присоединении маховика двигателя к первичному валу коробки передач во время движения с места и во время переключения коробки передач. Если уж совсем просто, сцепление - это выключатель крутящего момента. Очень важный момент - при резком торможении на включённой скорости, сцепление предохраняет трансмиссию от механической перегрузки и, как следствие, от дорогостоящего ремонта. Рассмотрим виды сцепления. По количеству ведомых дисков сцепления делятся на однодисковые и многодисковые. Наиболее распространено однодисковое сцепление. Из-за того в какой среде работает сцепление, оно бывает сухим и «влажным». Сухие сцепления самые популярные у автопроизводителей, если сцепление работает в масляной ванне, оно считается «влажным». По приводу в действие механизма сцепления существуют механические, гидравлические, электрические и комбинированные варианты. Более подробно привод рассмотрим ниже. Конструктивно сцепление различается по способу нажатия на прижимной диск, существует два вида: круговое расположение пружин и сцепления с центральной диафрагмой.

Рисунок 1 - Схема сцепления автомобиля: 1 - картер сцепления; 2 - подшипник выключения сцепления; 3 - втулка опорная вала вилки выключения сцепления; 4 - вилка выключения сцепления; 5 - нажимная пружина; 6 - ведомый диск; 7 - маховик; 8 - нажимной диск; 9 - кожух сцепления; 10 - первичный вал коробки передач; 11 - трос; 12 - педаль сцепления; 13 - муфта подшипника выключения сцепления; 14 - пластина соединяющая кожух сцепления с нажимным диском; 15 - пружина демпфера; 16 - ступица ведомого диска

В состав узла (сцепления) входят: нажимной диск, диск сцепления (ведомый), выжимной подшипник, вилка привода выжимного подшипника, система привода и педаль выключения сцепления.

Рисунок 2 - Схема сцепления: 1 - маховик; 2 - ведомый диск сцепления; 3 - корзина сцепления; 4 -выжимной подшипник с муфтой

Нажимной диск, в народе именуемый «корзиной», представляет собой основание выпуклой круглой формы. В основание встроены выжимные пружины, которые соединены с прижимной площадкой, так же круглой формы. Площадка имеет диаметр соизмеримый с диаметром маховика и отшлифована с одной стороны. Нажимные пружины сводятся к центру «корзины», где на них, во время выжима, воздействует выжимной подшипник. Нажимной диск жестко соединен с маховиком. В зазор между прижимной площадкой и маховиком вставляется, ведомый диск сцепления. Диск сцепления (ведомый) имеет округлую форму и конструктивно состоит из лучевого основания, фрикционных накладок, шлицевой муфты, для присоединения первичного вала коробки передач. Так же в состав входят пружины - успокоители, или демпферные пружины, которые расположены по кругу шлицевой муфты. Предназначены для сглаживания вибраций во время включения сцепления. Фрикционные накладки изготавливаются из углеродного композитного материала, существуют накладки из кевларовых нитей, керамики и т.д. Накладки крепятся к основанию при помощи заклепок, так же как и шлицевая муфта, которая расположена внутри накладок. Выжимной подшипник представляет собой подшипник, у которого одна сторона выполнена в виде нажимной площадки круглой формы соизмеримой с диаметром расположенных в центре «корзины» выжимных пружин. Выжимной подшипник располагается на выступающем из коробки передач первичном вале. Правда, крепится подшипник не на сам вал, а на защитный кожух вала. Подшипник в действие приводит «коромысло» или вилка привода, которая нажимает на оправку подшипника, имеющую специальные выступы. В некоторых случаях вилка и подшипник фиксируются стопорными пружинами. Выжимной подшипник может быть нажимного действия, или оттягивающего. Оттягивающий принцип работы подшипника применяется во многих моделях автомобилей Peugeot. Система привода в действие сцепления, как говорилось выше, может быть механическая, гидравлическая, электрическая или комбинированная. Механическая система привода предполагает передачу усилия нажатия на педаль сцепления на выжимную вилку тросом. Подвижный трос находится внутри кожуха. Кожух фиксируется перед педалью выжима сцепления и перед выжимной вилкой. Гидравлическая система привода состоит из главного гидравлического цилиндра и рабочего цилиндра, соединённых между собой трубкой высокого давления. При нажатии на педаль, в действие приводится шток главного цилиндра, на конце которого установлен поршень с масло-бензо-стойкой манжетой. Поршень в свою очередь нажимает на рабочую жидкость, обычно тормозную, и создает давление, которое передается по трубке к рабочему цилиндру. Рабочий цилиндр, так же имеет рабочий шток, соединенный с поршеньком. Под давление поршенек приводится в действие и толкает шток. Шток нажимает на выжимную вилку. Рабочая жидкость находится в специальном бачке и самотеком подается в главный цилиндр. Электрическая система привода сцепления включает в себя электромотор, который включается при нажатии на педаль сцепления. К электромотору присоединен трос. Далее выжим происходит как в механическом варианте. Педаль сцепления находится в салоне автомобиля, всегда является крайней слева. В автомобилях с АКПП педали сцепления нет. Но сам механизм сцепления присутствует, о нем будет рассказано ниже. Как работает сцепление? Самое распространенное на данное время это сухое однодисковое, постоянно включенное сцепление. Принцип работы сцепления автомобиля сводится к плотному сжатию между собой рабочих поверхностей маховика, накладок диска сцепления и прижимной поверхности «корзины». В рабочем положении, под действием выжимных пружин прижимной диск «корзины» плотно прилегает к диску сцепления и прижимает его к маховику. В шлицевую муфту заходит первичный вал, соответственно и крутящий момент передается на него от диска сцепления. При нажатии на педаль водителем в действие вступает система привода, выжимной подшипник нажимает на выжимные пружины и рабочая поверхность «корзины» отходит от диска сцепления. Диск высвобождается, и первичный вал коробки передач прекращает вращение, хотя двигатель продолжает работать.

В двух дисковых вариантах применяются два диска сцепления и «корзина», которая имеет две рабочие поверхности. Между рабочими поверхностями ведущего диска расположена система регулировки синхронного нажатия и ограничительные втулки. Весь процесс отсоединения маховика от первичного вала происходит, как и в однодисковом варианте. В автоматических коробках передач применяется в основном многодисковое влажное сцепление, хотя существуют АКПП с сухим сцеплением. Только вот выжим происходит не нажатием на педаль (педали просто нет), а специальным сервоприводом, в народе именуемым актуатором. Кстати, переключение передач происходит так же при помощи этих механизмов. Различаются несколько видов актуаторов: электрический, представляющий собой шаговый двигатель и гидравлический выполненный в виде гидроцилиндра. Управление сервоприводами осуществляется при помощи электронного блока управления (для электрических сервоприводов) и гидравлическим распределителем (для гидроактуаторов). В роботизированных коробках передач применяются два сцепления, которые работают попеременно. При выжиме первого сцепления для автоматического переключения, например первой передачи, второе ожидает команды для выжима для переключения следующей передачи. Рассмотрим два варианта выжима сцепления электрическим и гидравлическим актуатором. В блок управления АКПП поступают данные о скорости вращения двигателя и при достижении нужного значения, подается управляющий сигнал на сервопривод. Двигатель приходит в движение и при помощи передаточного механизма разъединяет двигатель от коробки. Дальше происходит небольшая пауза, автоматика определяет, повышаются ли обороты, и стоит ли включать повышенную передачу. Вот этот «провал» так сильно не нравится автолюбителям. Роботизированные коробки лишены этого недостатка. При увеличении оборотов двигателя, масляный насос в АКПП нагнетает масло в распределитель и, по достижении определенного значения давления, распределитель по маслопроводящим каналам предает давление на актуатор. Последний приводит в движение механизм нажатия сцепления. После переключения передачи, давление сбрасывается, и двигатель присоединяется к коробке. Есть еще один вид сцепления применяется в вариаторе. Классический вариатор это шкив, у которого от центробежной силы начинают «сходиться» «щеки». Между ними располагается клиновидный ремень, который натягивается во время сжатия «щек». После сжатия ремень начинает вращать ведомый шкив. Вариатор применяется еще не так часто. Многие автолюбители называют его ещё «сырым» и недоработанным. Сцепление является важным конструктивным элементом трансмиссии автомобиля <#"justify">Принцип работы сцепления

Однодисковое сухое сцепление постоянно включено. Работу сцепления обеспечивает привод сцепления <#"justify">1.2 Разработка интерфейса

.2.1 Головная программа

Рисунок 3 - Головная программа интерфейса

1.2.2 Расчетно-графический модуль

Рисунок 4 - Расчетно-графический модуль

Рисунок 5 - Справка

Рисунок 6 - Справка

Рисунок 7 - Справка

1.3 Обзор современных средств программного проектирования. Выбор и обоснование программного обеспечения

/Simulink

. Общие сведения

Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области в которой он работает.является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox - пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset - моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset - набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д.).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada.

. Запуск Simulink

Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет MATLAB. Основное окно пакета MATLAB показано на рисунке 2.1. Там же показана подсказка появляющаяся в окне при наведении указателя мыши на ярлык Simulink в панели инструментов.

Рисунок 8 - Основное окно программы MATLAB

После открытия основного окна программы MATLAB нужно запустить программу Simulink. Это можно сделать одним из трех способов:

Нажать кнопку (Simulink)на панели инструментов командного окна MATLAB.

В командной строке главного окна MATLAB напечатать Simulink и нажать клавишу Enter на клавиатуре.

Выполнить команду Open… в меню File и открыть файл модели (mdl - файл).

Последний вариант удобно использовать для запуска уже готовой и отлаженной модели, когда требуется лишь провести расчеты и не нужно добавлять новые блоки в модель. Использование первого и второго способов приводит к открытию окна обозревателя разделов библиотеки Simulink (рисунок 9).

Рисунок 9 - Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink

. Обозреватель разделов библиотеки Simulink

Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы (Рисунок 9 <#"justify">

Рисунок 10 - Окно обозревателя с набором блоков раздела библиотеки

Для работы с окном используются команды собранные в меню. Меню обозревателя библиотек содержит следующие пункты:(Файл) - Работа с файлами библиотек.(Редактирование) - Добавление блоков и их поиск (по названию).(Вид) - Управление показом элементов интерфейса.(Справка) - Вывод окна справки по обозревателю библиотек.

Полный список команд меню обозревателя библиотек приведен в Приложении 1 <#"justify">

Рисунок 11 - Панель инструментов обозревателя разделов библиотек

Кнопки панели инструментов имеют следующее назначение:

Создать новую S-модель (открыть новое окно модели).

Открыть одну из существующих S-моделей.

Изменить свойства окна обозревателя. Данная кнопка позволяет установить режим отображения окна обозревателя "поверх всех окон. Повторное нажатие отменяет такой режим.

Поиск блока по названию (по первым символам названия). После того как блок будет найден, в окне обозревателя откроется соответствующий раздел библиотеки, а блок будет выделен. Если же блок с таким названием отсутствует, то в окне комментария будет выведено сообщение Not found <имя блока> (Блок не найден).

2. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ

Для создания модели в среде SIMULINK необходимо последовательно выполнить ряд действий:

Создать новый файл модели с помощью команды File/New/Model, или используя кнопку на панели инструментов (здесь и далее, с помощью символа /, указаны пункты меню программы, которые необходимо последовательно выбрать для выполнения указанного действия). Вновь созданное окно модели показано на Рисунке 12.

Рисунок 12 - Пустое окно модели

Расположить блоки в окне модели. Для этого необходимо открыть соответствующий раздел библиотеки (Например, Sources - Источники). Далее, указав курсором на требуемый блок и нажав на левую клавишу мыши - перетащить блок в созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На Рисунке 13 показано окно модели, содержащее блоки.

Рисунок 13 - Окно модели, содержащее блоки

Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу мыши), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре.

Для изменения размеров блока требуется выбрать блок, установить курсор в один из углов блока и, нажав левую клавишу мыши, изменить размер блока (курсор при этом превратится в двухстороннюю стрелку).

Далее, если это требуется, нужно изменить параметры блока, установленные программой по умолчанию. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой клавишей мыши, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При задании численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. На рисунке 14 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию и окно редактирования параметров данного блока.

Рисунок 14 - Блок, моделирующий передаточную функцию и окно редактирования параметров блока

После установки на схеме всех блоков из требуемых библиотек нужно выполнить соединение элементов схемы. Для соединения блоков необходимо указать курсором на выход блока, а затем, нажать и, не отпуская левую клавишу мыши, провести линию к входу другого блока. После чего отпустить клавишу. В случае правильного соединения изображение стрелки на входе блока изменяет цвет. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу мыши, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию (так же, как это выполняется для блока), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Схема модели, в которой выполнены соединения между блоками, показана на Рисунке 15.

Рисунок 15 - Схема модели

После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File/Save As... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 32 символов, должно начинаться с буквы и не может содержать символы кириллицы и спецсимволы. Это же требование относится и к пути файла (к тем папкам, в которых сохраняется файл). При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню Fille/Save. При повторных запусках программы SIMULINK загрузка схемы осуществляется с помощью меню File/Open... в окне обозревателя библиотеки или из основного окна MATLAB.

3. ОКНО МОДЕЛИ

Окно модели содержит следующие элементы (см. рисунок 4.4 <#"46" src="doc_zip18.jpg" />

Рисунок 16 - Панель инструментов окна модели

Кнопки панели инструментов имеют следующее назначение:Model - Открыть новое (пустое) окно модели.Model - Открыть существующий mdl-файл.Model - Сохранить mdl-файл на диске.Model - Вывод на печать блок-диаграммы модели.- Вырезать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения.- Скопировать выделенную часть модели в буфер промежуточного хранения.- Вставить в окно модели содержимое буфера промежуточного хранения.- Отменить предыдущую операцию редактирования.- Восстановить результат отмененной операции редактирования.Browser - Открыть окно обозревателя библиотек.Model Browser - Открыть окно обозревателя модели.to parent system - Переход из подсистемы в систему высшего уровня иерархии (родительсую систему). Команда доступна только, если открыта подсистема.- Запуск отладчика модели./Pause/Continue Simulation - Запуск модели на исполнение (команда Start); после запуска модели на изображении кнопки выводится символ , и ей соответствует уже команда Pause (Приостановить моделирование); для возобновления моделирования следует щелкнуть по той же кнопке, поскольку в режиме паузы ей соответствует команда Continue (Продолжить).- Закончить моделирование. Кнопка становится доступной после начала моделирования, а также после выполнения команды Pause./Accelerator - Обычный/Ускоренный режим расчета. Инструмент доступен, если установлено приложение Simulink Performance Tool.

В нижней части окна модели находится строка состояния, в которой отображаются краткие комментарии к кнопкам панели инструментов, а также к пунктам меню, когда указатель мыши находится над соответствующим элементом интерфейса. Это же текстовое поле используется и для индикации состояния Simulink: Ready (Готов) или Running (Выполнение). В строке состояния отображаются также: масштаб отображения блок-диаграммы (в процентах, исходное значение равно 100%), индикатор степени завершенности сеанса моделирования (появляется после запуска модели), текущее значения модельного времени (выводится также только после запуска модели),

3.1 Алгоритм решения задачи

3.2 Решение задачи динамического моделирования в системе MATLAB/Simulink

Постановка задачи

Составить модель, описать и осуществить тестовое моделирование динамической системы, описываемой уравнением: x(t)+0.5x(t)+5x(t)+0.34x^5(t)=-30sin(t).

3.3 Разработка модели решения

Рисунок 17 - Модель решения дифференциального уравнения в MATLAB/Simulink

3.4 Описание блоков и параметров модели

- осциллограф - строит графики исследуемых сигналов в функции времени.- интегрирующий блок - выполняет интегрирование входного сигнала.- блок задания функции - задает выражение в стиле языка программирования С.- источник временного сигнала - формирует сигнал, величина которого на каждом шаге расчета равна текущему времени моделирования.- коэффициент усиления - выполняет умножение входного сигнала на постоянный коэффициент.- блок вычисления суммы - выполняет вычисление суммы текущих значений сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана программа расчета сцепления механических трансмиссий. Промоделированный процесс описанный уравнением в разделе 2.1.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.И.В.Черных. "Simulink: Инструмент моделирования динамических систем"-2012.-252с.

.А.И. Гришкевич. Автомобили. Трансмиссия - Минск, 2010.-240с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Программная реализация

Unit1;

interface, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,, StdCtrls, Menus;= class(TForm): TEdit;: TEdit;: TEdit;: TEdit;: TEdit;: TMainMenu;: TMenuItem;: TMenuItem;: TMenuItem;: TMenuItem;: TMenuItem;: TLabel;: TLabel;: TLabel;: TLabel;: TLabel;: TButton;: TButton;: TEdit;: TEdit;: TLabel;: TLabel;N5Click(Sender: TObject);N3Click(Sender: TObject);N4Click(Sender: TObject);Button1Click(Sender: TObject);FormCreate(Sender: TObject);Button2Click(Sender: TObject);

{ Private declarations }

{ Public declarations };: TForm1;,r1,m,Mlmax,Zm,Rtr,Fh: real;,p1,p2,p3,p4,p5: integer;Unit2;

{$R *.dfm}TForm1.N5Click(Sender: TObject);

if MESSAGEDLG ('õîòèòå âûéòè ',MTInformation, [MBYes, MBNo],1)=MRYes then

close;;TForm1.N3Click(Sender: TObject);

showmessage('ãðóïïà 101071-12 Ïðà÷êîâñêèé À.Â.');;TForm1.N4Click(Sender: TObject);.Show;;TForm1.Button1Click(Sender: TObject);:=0;(Edit1.Text,R,p1);(p1<>0) then.Color:=clRed;

showmessage('Ïðîâåðèòü äàííûå R');

pp:=pp+1;.Color:=clWhite;(Edit2.Text,r1,p2);(p2<>0) then.Color:=clRed;

showmessage('Ïðîâåðèòü äàííûå r1');

pp:=pp+1;.Color:=clWhite;(Edit3.Text,m,p3);(p3<>0) then.Color:=clRed;

showmessage('Ïðîâåðèòü äàííûå m');

pp:=pp+1;.Color:=clWhite;(Edit4.Text,Mlmax,p4);(p4<>0) then.Color:=clRed;

showmessage('Ïðîâåðèòü äàííûå Mlmax');

pp:=pp+1;.Color:=clWhite;(Edit5.Text,Zm,p5);(p5<>0) then.Color:=clRed;

showmessage('Ïðîâåðèòü äàííûå Zm');

pp:=pp+1;.Color:=clWhite;pp=0 then.Visible:=false;.Visible:=true;;;TForm1.FormCreate(Sender: TObject);.Visible:=false;;TForm1.Button2Click(Sender: TObject);:=2/3*(R*R*R-r1*r1*r1)/(R*R-r1*r1);:=Mlmax/m*Zm*Rtr;.Text:= floattostrf(Rtr,fffixed,8,3);.Text:= floattostrf(Fh,fffixed,8,3);

end;.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

расчетный программный обеспечение

Результаты моделирования динамической системы на текстовых примерах

Рисунок Б1 - Результат моделирования

Курсовая работа по дисциплине «Информатика» Тема: «Разработка справочно-расчетного программ

Больше работ по теме: