Виртуальная модель военного корабля в среде Matlab

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: «Информатика и программное обеспечение»

Курсовая работа

по информатике

«Виртуальная модель военного корабля в среде Matlab»

Выполнил

студент группы 12-Рад:

Гапеенко К.В.

Преподаватель:

Симкин В.В.

Брянск 2013



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Описание объекта моделирования

Математическое моделирование движителя военного корабля

Создание виртуальной модели военного корабля в среде VR-Builder

Заключение

Список используемой литературы

Приложение 1



ВВЕДЕНИЕ

MATLAB (Matrix Laboratory) -- пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений.

Основной особенностью языка MatLab является то, что его функции основаны на матричных операциях, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно».

MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером (англ. Cleve Moler) в конце 1970-х годов, когда он был деканом факультета компьютерных наук в Университете Нью-Мексико. Целью разработки служила задача дать студентам факультета возможность использования программных библиотек Linpack и EISPACK без необходимости изучения Фортрана. Вскоре новый язык распространился среди других университетов и был с большим интересом встречен учёными, работающими в области прикладной математики. До сих пор в Интернете можно найти версию 1982 года, написанную на Фортране, распространяемую с открытым исходным кодом. Инженер Джон Литтл (англ. John N. (Jack) Little) познакомился с этим языком во время визита Клива Моулера в Стэндфордский университет в 1983 году. Поняв, что новый язык обладает большим коммерческим потенциалом, он объединился с Кливом Моулером и Стивом Бангертом (англ. Steve Bangert). Совместными усилиями они переписали MATLAB на C и основали в 1984 компанию The MathWorks для дальнейшего развития. Эти переписанные на С библиотеки долгое время были известны под именем JACKPAC. Первоначально MATLAB предназначался для проектирования систем управления (основная специальность Джона Литтла), но быстро завоевал популярность во многих других научных и инженерных областях. Он также широко использовался и в образовании, в частности, для преподавания линейной алгебры и численных методов.

Программа Simulink является приложением к пакету MatLab и представляет собой программу моделирования аналогово-цифровой машины, которые использовались для моделирования динамических систем.

Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования.

Virtual Reality раздвигает границы возможностей систем MATLAB и Simulink в мир виртуальной реальности. Используя технологию языка моделирования виртуальной реальности Virtual Reality Modeling Language (VRML), можно создавать анимационные 3-D сцены, которые управляются из среды MATLAB и Simulink.



ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ

В качестве объекта моделирования выбран военный корабль. Особенностью моделируемого военного корабля является то, что используется движитель, роль которого выполняет двигатель постоянного тока (ДПТ). Для упрощения моделирования моделируется только движитель.

Условное графическое обозначение (УГО) ДПТ представлено на рис.1.

Рис. 1. УГО ДПТ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖИТЕЛЯ ВОЕННОГО КОРАБЛЯ

Роль движителя корабля выполняет ДПТ. С целью упрощения моделирования ДПТ принимаем допущения:

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, величина постоянная;

Момент сопротивления двигателю равен нулю;

равны.

Выпишем дифференциальное уравнение (уравнение Кирхгофа) для цепи якоря:

(закон Кирхгофа),

где

Uп - напряжение питания (входной сигнал)[В];

падение напряжения на активном сопротивлении цепи якоря (закон Ома) [Ом];

- ЭДС индукции обмотки якоря (закон Ленца) [];

- индуктивность цепи якоря [Гн];

- ЭДС вращения (закон Лоренца) [В];

- константа, определяется параметрами машины [];

- частота вращения якоря [];

- ток цепи якоря [А].

Дифференциальное уравнение, описывающее электромеханическое поведение ДПТ имеют вид:

(закон Ньютона);

,

где

- момент инерции якоря электродвигателя [];

- электромагнитный момент двигателя [Н*м] ;

- момент сопротивления двигателя [Н*м];

- угол поворота якоря электродвигателя [рад].

Исходную систему дифференциальных уравнений, описывающую ДПТ, выпишем в форме Коши, т.е. разрешим относительно первых производных

Представим систему дифференциальных уравнений ДПТ в форме пространства состояний, для этого введём новые переменные

, ,

и выпишем систему в виде:

или в матричном виде

,

Где

,

,

,

.

Принимая параметры ДПТ равными La=0.001[Гн], Ca=10[], J=10[], R=0.1[Ом] вычислим коэффициенты усилителей структурной схемы ДПТ Gain=1000, Gain1=-100, Gain2=-10000, Gain3=1, Gain4=1.

Структурная схема ДПТ представлена на рис. 2

моделирование военный корабль виртуальный

Рис. 2. Структурная схема ДПТ

СОЗДАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ВОЕННОГО КОРАБЛЯ В СРЕДЕ VR-BUILDER

С целью создания виртуальной модели открываем новый файл и используя примитивы и редакторы среды создадим виртуальную модель военного корабля (рис.3).



Рис. 3. Виртуальная модель военногокорабля

Рис. 4. Дерево узлов виртуальной модели военного корабля и виды Main, Top, Right и Front

С целью ориентации модели военного корабля в пространстве создаем модуль ориентации в Simulink модели. Модель ориентации представлена на рис. 5 и включает 2 блока констант 3 блока переключателей и мультиплексор. Изменяя положение ключей, формируется код ориентации корабля в пространстве.

Рис. 5. Структурная схема ориентации в пространстве модели корабля

С целью реализации функций корабля формируем входы на VR Sink модуле. При моделировании используем 2 входа korpus.rotation и korpus.translation (рис. 6)

Рис. 6. Модуль VR Sink с двумя входами

Подключение модуля VR Sink к Simulink модели корабля выполняем с помощью мастера связи файла модели с файлом визуализации (рис. 7).



Рис. 7. Мастер связи файла модели с файлом визуализации

Для визуализации параметров военного корабля создаем S-функцию и подключаем ее к модели движителя используя мультиплексор (рис. 8). На экран визуализатора выводим Напряжение питания якоря двигателя, ток якоря, угловую скорость и угол поворота ротора.

Рис. 8. Структурная схема визуализации параметров военного корабля

Окно визуализатора представлено на рис. 9. Программный код S-функции визуализатора представлен в приложении 1.

Рис. 9. Окно визуализатора параметров двигателя



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения курсовой работы по информатике были решены следующие задачи:

Разработана математическая модель движителя военного корабля;

Представили математическую модель движителя в форме Коши;

Выписали систему дифференциальных уравнений в форме пространства состояний;

Сформировали структурную схему движителя в Simulink;

Создали структурную схему ориентации в пространстве модели военного корабля;

В среде VR-Builder создали виртуальную модель военного корабля;

Выполнили подключение модуля VR Sink к Simulink модели военного корабля;

Создали S-функцию визуализатора параметров движителя;

Сформировали структурную схему системы моделирования движения виртуальной модели военного корабля;

Провели численные эксперименты моделирования военного корабля.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Matlab. Режим доступа: http://www.mathworks.com/products/matlab/

2. Лабораторные работы: http://matlab.exponenta.ru/matlab/default.php

3. Основы информатики. Савельев А.Я. Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2001. -- 328 с.



Приложение 1

Код для S-function

function [sys, x0, str, ts] = mysfun(t, x, u, flag)

case 0

[sys, x0, str, ts] = mdlInitializeSizes;

case 2

sys=mdlUpdate(t, x, u);

case 3

sys=mdlOutputs(t,x,u);

case 9

sys=mdlTerminate(t,x,u);

otherwise

error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]);

end

function [sys, x0, str, ts] = mdlInitializeSizes

sizes = simsizes;

sizes.NumInputs = 4;

sizes.NumSampleTimes = 1;

sys = simsizes(sizes);

x0 = [];

str = [];

ts = [-1 0];

Fig=figure('Position',[644 -11 551 685],...

'Color', 'k',...

'MenuBar', 'none',...

'Name', 'GUI_Simulink',...

'NumberTitle', 'off');

InitControl = 1;

uicontrol('Style', 'slider',...

'Position',[50 485 451 18],...

'Min', 0, 'Max', 220, 'Value', InitControl,...

'Callback', @sldCallback);

set_param([gcs '/Control'],'Value',num2str(InitControl));

axes('Tag', 'ax1',...

'Units', 'pixels',...

'Position',[50 334 451 101],...

'NextPlot','add',...

'Xlim', [0 50],...

'Ylim', [-500 1500],...

'Color','k',...

'Xcolor', 'g',...

'YColor', 'g',...

'Box', 'on',...

'XGrid', 'on',...

'YGrid', 'on');

axes('Tag', 'ax2',...

'Units', 'pixels',...

'Position',[50 534 451 101],...

'NextPlot','add',...

'Xlim', [0 50],...

'Ylim', [-5 250],...

'Color','k',...

'Xcolor', 'g',...

'YColor', 'g',...

'Box', 'on',...

'XGrid', 'on',...

'YGrid', 'on');

axes('Tag', 'ax3',...

'Units', 'pixels',...

'Position',[50 184 451 101],...

'NextPlot','add',...

'Xlim', [0 50],...

'Ylim', [-5 30],...

'Color','k',...

'Xcolor', 'g',...

'YColor', 'g',...

'Box', 'on',...

'XGrid', 'on',...

'YGrid', 'on');

axes('Tag', 'ax4',...

'Units', 'pixels',...

'Position',[50 34 451 101],...

'NextPlot','add',...

'Xlim', [0 50],...

'Ylim', [0 250],...

'Color','k',...

'Xcolor', 'g',...

'YColor', 'g',...

'Box', 'on',...

'XGrid', 'on',...

'YGrid', 'on');

uicontrol('Style', 'text',...

'String', 'Signal',...

'Position', [200 445 151 26],...

'FontSize', 10,...

'FontWeight', 'bold',...

'BackgroundColor', 'k',...

'ForegroundColor', 'm')

uicontrol('Style', 'text',...

'String', 'Control',...

'Position', [200 644 151 23],...

'FontSize', 10,...

'FontWeight', 'bold',...

'BackgroundColor', 'k',...

'ForegroundColor', 'y')

uicontrol('Style', 'text',...

'String', 'angular velocity',...

'Position', [199 285 151 22],...

'FontSize', 10,...

'FontWeight', 'bold',...

'BackgroundColor', 'k',...

'ForegroundColor', 'r')

uicontrol('Style', 'text',...

'String', 'angle of rotation',...

'Position', [199 135 151 22],...

'FontSize', 10,...

'FontWeight', 'bold',...

'BackgroundColor', 'k',...

'ForegroundColor', 'b')

set_param(gcbh, 'UserData', Fig);

function sys=mdlUpdate(t, x, u)

Fig = get_param(gcbh,'UserData');

Handles = guihandles(Fig);

PassedSampleNum = int32(t*10);

if mod(PassedSampleNum, 500) == 0

set(Handles.ax1, 'XLim', [t t+50])

set(Handles.ax2, 'XLim', [t t+50])

set(Handles.ax3, 'XLim', [t t+50])

set(Handles.ax4, 'XLim', [t t+50])

end

axes(Handles.ax1)

LastPoint = get(Handles.ax1, 'UserData');

if ~isempty(LastPoint)

plot([LastPoint(1) t],[LastPoint(2) u(2)],...

'Color', 'm', 'LineWidth', 2)

set(Handles.ax1, 'UserData', [t, u(2)])

else

set(Handles.ax1, 'UserData', [t, u(1)*u(2)])

plot(t, u(1)*u(2), 'Color', 'm', 'LineWidth', 2 )

end

axes(Handles.ax2)

LastPoint = get(Handles.ax2, 'UserData');

if ~isempty(LastPoint)

plot([LastPoint(1) t],[LastPoint(2) u(1)],...

'Color', 'y', 'LineWidth', 2)

set(Handles.ax2, 'UserData', [t, u(1)])

else

set(Handles.ax2, 'UserData', [t, u(1)])

plot(t, u(1), 'Color', 'y', 'LineWidth', 2 )

end

axes(Handles.ax3)

LastPoint = get(Handles.ax3, 'UserData');

if ~isempty(LastPoint)

plot([LastPoint(1) t],[LastPoint(2) u(3)],...

'Color', 'r', 'LineWidth', 2)

set(Handles.ax3, 'UserData', [t, u(3)])

else

set(Handles.ax3, 'UserData', [t, u(1)])

plot(t, u(3), 'Color', 'r', 'LineWidth', 1 )

end

axes(Handles.ax4)

LastPoint = get(Handles.ax4, 'UserData');

if ~isempty(LastPoint)

plot([LastPoint(1) t],[LastPoint(2) u(4)],...

'Color', 'b', 'LineWidth', 2)

set(Handles.ax4, 'UserData', [t, u(4)])

else

set(Handles.ax4, 'UserData', [t, u(1)])

plot(t, u(4), 'Color', 'b', 'LineWidth', 1 )

end

sys = [];

function sys=mdlOutputs(t,x,u)

sys=[];

function sys=mdlTerminate(t,x,u)

button = questdlg('Delete the GUI_Simulink window?','GUI_Simulink',...

'No','Yes','No');

if isequal(button, 'Yes')

Fig = get_param(gcbh,'UserData');

delete(Fig)

end

sys = [];

function sldCallback(src,evt)

s = get(src, 'Value');

set_param([gcs '/Control'], 'Value', num2str(s));

Размещено на Allbest.ru

...