MAK505 Dinamik Sistemlerin Modellenmesi ve Simülasyonu

Transkript

1 MAK505 Dinamik Sistemlerin Modellenmesi ve Simülasyonu 2015-Güz Dönemi Gebze Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Prof.Dr. Selim Sivrioğlu

2 Ders Konusunda Bilgiler Temel Dinamik Bilgisine sahip olmak MATLAB/Simulink bilgisine sahip olmak. Yıl İçi Sınavı Ödev ( ders içi ödev ve yıl sonu proje ödevi) Final Sınavı Derse devam zorunluluğu yoktur. Ders notları DersWeb de yayınlanmaktadır. Değerlendirme: Vize (%40) + Final(%40) + Ödev(%20)

3 Dersin Amaçları Mekanik, Elektrik ve Elektromekanik Sistemlerin Modelleme Yaklaşımları Modelleme Yöntemleri(Enerji Metodu, Newton Kanunu, Lagrange Yaklaşımı:) Matlab/Simulink esaslı simülasyon ve analiz Ödev çalışmaları ile simülasyon modeli oluşturma ve analiz yapma yeteneği kazandırmak. Ödev gönderme formatı: İsimSoyad_ÖdevNo.doc

4 Kaynaklar System Dynamics W. J. Palm, McGraw Hill, Simulation of Dynamic Systems, Harold Klee, Randal Allen, CRC Press 2011 Dynamic Modeling And Control Of Engıneering Systems Bohdan T. Kulakowski, John F. Gardner, J. Lowen Shearer Cambridge University Press, Modeling and Simulations of Systems Using Matlab D.K. Chatuvedi CRC Press 2010 Feedback Systems Karl Johan Astrom, Richard M. Murray PRINCETON UNIVERSITY PRESS, 2012 Tek bir kaynaktan takip yapılmıyor. Değişik kaynaklardan faydalanılıyor.

5 Modelleme yaklaşımı Gerçek mühendislik sistemlerini belirli yaklaşımlarla modellemenin amacı sistem dinamiğini etkiyen şartları ve parametreleri analiz etmektir ve en optimum tasarım için çözümleri bulmaktır. Bu modeller mühendislik anlamında tasarımda büyük avantaj sağlar. Gerçek Sistem Mekanik Model

6 Balans sistemleri Kontrol kitaplarında vazgeçilmez bir örnek problem olan ters sarkaç sistemi aslında bir çok mühendislik sisteminin modeli olarak düşünülebilir. mj, F pivot M p c Bir balans sistemi kütle merkezinin bir pivot noktasında dengelendiği mekanik bir sistemdir. Segway kişisel taşıyıcı motorize bir platform üzerinde duran kişiyi dengelemekte kullanır. Sürücü ileriye doğru eğildiğinde sensörler gidilecek yönü algılar ve taşıyıcı cihaz zemin üzerinde hareket eder düşey pozisyonu sağlar.

7 Maglev taşıt dinamiği Gerek otomobillerin gerekse raylı taşıtların dinamiği iyi bir sürüş ve konfor sağlamak için aktif bir araştırma konusu içinde yeralmaktadır. Maglev tren sistemleri mekanik temasın olmadığı bir ray sistemi üzerinde ilerlemektedir. Modelleme vagon ve bojinin manyetik ray üzerindeki dinamiğini yansıtacak şekilde yanal ve boylamasına olarak ayrı ayrı yapılmaktadır. K.Watanabe et al., A study of vibration control systems for superconducting Maglev Vehicles Journal of System Design and Dynamics, Vol.1, No.3, pp , Şekilde kesit resmi verilen sistemde Bojinin yanal hareketini, 1 Bojinin açısal dönme hareketini, y2 gövdenin yanal hareketini ve 2 gövdenin açısal dönme hareketini göstermektedir. Sistemin dinamik denklemleri her bir harekete göre verilmiştir. y 1

8 Maglev taşıt dinamiği Düşey ve başvurma(pitching) hareketin modellenmesi ve kontrolü K.Watanabe et al., A study of vibration control systems for superconducting Maglev Vehicles(vibration control of vertical and pitching motions) Journal of System Design and Dynamics, Vol.1, No4, pp , 2007.

9 Bisiklet Dinamigi Bisiklet, ön çatal kısminin tasarımı ile oluşturulan geri besleme mekanizmasından dolayı var olan özellikleri nedeniyle ilginç bir dinamik sistemdir. Bir çok serbestlik derecesine sahip olmasından ve geometrisinin karmaşık olmasından dolayı bisikletin ayrıntılı modeli karmaşıktır

10 Değişken Hızlı Rüzgar Türbini Mekanik Modeli Düşük rüzgar hızlarında da enerji elde edebilmek için değişken hızlı rüzgar türbinleri kullanılmaktadır. K m Y.D. Song, B. Dhinakaran, X.Y. Bao,Variable speed control of wind turbines using nonlinear and adaptive algorithm, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 85, pp , Tm T T p K e T e J e B e e B m

11 Raylı sistem dinamiği

12 Raylı sistem dinamiği

13 Raylı sistem dinamiği

14 Simülasyon ve analizler Modellemeden elde edilen hareket denklemleri (diferansiyel denklemler) transfer fonksiyonu ve durum uzayı denklemlerine dönüştürülebilir. Sistemin analizi zaman domeni cevapları frekans domeni cevapları üzerinden yapılabilir. Birçok mühendislik sistemi için analitik çözüm elde etmek mümkün olmayabilir. Değişik yöntemlerle elde edilen nümerik çözümler analizlerde kullanılmaktadır. 14

15 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink İkinci dereceden lineer bir sistem modelini düşünelim: d dt d dt z( t) 2 ( ) ( ) ( ) 2 n z t n z t Knu t burada u( t) sisteme olan giriştir. z( t) hesaplanması istenen değişkendir yani çıkışı göstermektedir. n, sisteme ait doğal frekansı ve sönümü göstemektedir. K sabit bir değerdir. ut ( ) nin adım girişi olması durumu için simülasyonunu yapı nız. sistemin

16 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink Temel simülasyon elemanları x x İntegrasyon x K Kx Kazanç x2 x1 x2 Toplama noktası x 1

17 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink İlk olarak en yüksek türevli terimi eşitliğin sol tarafında yalnız bırakalım d dt d dt z( t) 2 ( ) ( ) ( ) 2 n z t n z t Knu t Eşitliği toplama noktası olarak düşünelim ve eşitliğin sağ tarafındaki elemanları işaretlerini dikkate alarak toplama noktasına giriş olarak yazalım K 2 nu() t 2 zt () d 2 n zt ( ) - - n dt + 2 d () 2 zt dt d z ( t ) ve z ( t ) integre edilerek bulunacak değişkenlerdir. dt, ve K sisteme ait parametrelerdir. n

18 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink d dt d dt z( t) 2 ( ) ( ) ( ) 2 n z t n z t Knu t % ikinci derece sistem % K = 1; zeta = 0.5; wn = 4 ;

19 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink

20 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink

21 Sistem modelleme ve simülasyon- MATLAB/Simulink Simulasyonlar iki şekilde gerçekleştirilebilir: 1- Başlangıç şartları girilerek 2- Dış girişler(adım,sinusodial, vb.) etkisinde

22 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler Şekilde içten yanmalı bir motor için piston hareketi modellenecektir. Bu hareket bağlantı çubuğunun krankı döndürmesine sebep olur. Problemi açısını hesaplamaya gerek kalmadan farklı bir şekilde ele almak mümkündür. Burada krankın 500 d / d devir sayısındaki 2 devri için pistonun konumunu, hızını ve ivmesini hesaplayal ım. l l d 2 x h d r 1 r

23 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler Şekilden d ve h mesafeleri aşağıdaki gibi hesaplanabilir. 1 d r cos, h r sin 1 Eğer h uzaklığı bilinirse d hesaplanabilir: 2 l d 2 d l h l r 2 sin x h d r 1

24 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler Pistonun x konumu x d d r cos l r 1 2 sin Pistonun hızı : x rsin 2 r sin ( l r sin ) Pistonun ivmesi: 2 x r cos 4r cos 2 ( l r sin ) ( r sin 2 ) ( l r sin )

25 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler clear all theta_dot=500; % rpm r=0.12; l=0.25; % m t_rev=2*pi/theta_dot; % Time for one revolution t=linspace(0,2*t_rev, 200); % time vector theta=theta_dot*t ; % calculate theta at each time. h=r*sin(theta); d2s=l^2-r^2*sin(theta).^2; %calculate d2 square d2=sqrt(d2s); x=r*cos(theta)+d2; % calculate x for each theta x_dot=-r*theta_dot*sin(theta)-(r^2*theta_dot*sin(2*theta)./(2*d2) ); x_dot_dot=-r*theta_dot^2*cos(theta)-(4*r^2*theta_dot^2*cos(2*theta).*... d2s+(r^2*sin(2*theta)*theta_dot).^2)./(4*d2s.^(3/2) ); subplot(2,2,1) plot(t,x) % plot Position vs t xlabel('time(s)') ylabel('position(m)') subplot(2,2,2) plot(t,x_dot) % plot Velocity vs t xlabel('time(s)') ylabel('velocity(m/s)') subplot(2,2,3) plot(t,x_dot_dot) % plot Acceleration vs t xlabel('time(s)') ylabel(' Acceleration(m/s^2)') subplot(2,2,4) plot(t,h) % plot h vs t xlabel('time(s)') ylabel('h (m)')

26 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler Position(m) Acceleration(m/s 2 ) Velocity(m/s) h(m) Time(s) 5 x Time(s) Time(s) Time(s)

27 Sistem modelleme-trigonometrik denklemler 2 4r cos 2 ( l r sin ) ( r sin 2 ) x r cos ( l r sin ) Pistonun başlangıç değeri belli bir açısı için modele girilmelidir. x d d r cos l r sin

28 Sistem modelleme-termal denklemler Şekil elektrik ısıtıcısı ile ısıtılan bir odayı temsil etmektedir. Odanın içinin sıcaklığı sıcaklığının ortam sıcaklığı sıcaklığı T T modeli oluşturunuz. r w ve duvarların olduğu kabul edilmektedir. Eğer dış T ise, sağlanan ısı miktarı q ile oda o arasındaki ilişkiyi gösteren bir sistem T r

29 Sistem modelleme-termal denklemler Oda içinden duvarlara olan ısı akışı q rw T r T R r w Burada R r odanın termal direncidir. Benzer şekilde duvardan dışarıya olan ısı transferi q wo T w T R w o Burada R w duvarın termal direncidir. Isı denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir. dt r q qrw C1 dt

30 Sistem modelleme-termal denklemler Burada q ısıtıcıdan gelen ısı akışıdır. q T T dt C r w r 1 Rr dt Tr Tw C1T r q ( I) R r Benzer şekilde duvar ve dış ortam arasındaki ısı transferi dt T T T T dt qrw qwo C2 C dt R R d w r w w o w 2 r w t CT 2 w T r 1 1 Tw Rr R R T R r w w o (II)

31 Sistem modelleme-termal denklemler ( I ) ve ( II ) denklemleri durum uzayı şeklinde düzenlenirse: T T T q r r w C1Rr C1Rr C T T T T w r w o C2Rr C2Rr C2Rw C2Rw 1 1 C1Rr C1R T r r Tr Tw T w C2Rr C2Rr C2Rw 1 0 C 1 q 1 T 0 CR 2 w o

32 Wall Temperature degree C Room Temperature degree C Sistem modelleme-termal denklemler clear all; C1=0.5; C2=1.5; Rr=0.5; Rw=1.8; Tr=8; Tw=4; To=3; q=5; A=[-1/(C1*Rr) 1/(C1 * Rr) 1/(C2*Rr) -(1/(C2*Rr) + 1/(C2*Rw) )]; B=[1/C /(C2 * Rw)]; X=[Tr; Tw;]; dt=0.1; % step size t=0; % Initial time tsim=25; % Simulation time n=round(tsim-t)/dt; for i=1:n X1(i,:)=[X' t]; dx=a*x+b*[q; To]; X=X+dt*dX; t=t+dt; end subplot(2,1,1) plot(x1(:,3),x1(:,1) ) xlabel('time (sec.)') ylabel('room Temperature degree C') subplot(2,1,2) plot(x1(:,3),x1(:,2) ) xlabel('time (sec.)') ylabel('wall Temperature degree C') % Divides the graphics window into sub windows % Divides the graphics window into sub windows Time (sec.) Time (sec.)

33 ÖDEV T T T q r r w C1Rr C1Rr C T T T T w r w o C2Rr C2Rr C2Rw C2Rw Yukarıdaki denklemleri esas alarak Matlab/Simulink modelini oluşturunuz. (Başlangıç şartları Tr=8, Tw=4). Sistem parametreleri C1=0.5; C2=1.5; Rr=0.5; Rw=1.8; To=3;q=5; Not: Ödev hazırlanırken proje hazırlama mantığı içinde 1- Başlık, 2- Problemin anlatımı(denklemsel çıkartım vb.), 3- Model dosyasının ödev dosyası içinde gösterilmesi, 4-Sonuçların gösterilmesi ve yorumlanması şeklinde word dosyasında hazırlanmalıdır.