등온 액추에이션 시스템 모델링하기

모델 도식

이 튜토리얼에서는 Simscape™ Fluids™ 블록을 사용하여 등온 액추에이션 시스템을 모델링하는 방법을 보여줍니다. 이 시스템은 이상화된 압력 소스에 의해 모델링된 펌프, 제어 장치, 유량 조절 밸브 및 기계적 부하로 구성됩니다.

Schematic of isothermal actuator model

제어 장치는 액추에이션을 위해 들어오는 신호를 나타냅니다. 3방향 밸브는 액추에이터로 유입되는 유량 조절을 나타냅니다. 제어 장치로부터 수신한 위치에 따라, 3방향 밸브는 유체를 액추에이터 챔버로 유입시키거나 방향을 바꾸어 다시 환경("Reference")으로 보냅니다. 3-Way Directional Valve (IL) 블록에는 두 개의 밸브 위치(포트 P와 A 사이의 유동 경로, 포트 A와 T 사이의 유동 경로)를 조정하는 단일 스풀이 있습니다. 스풀 위치가 바뀌면 밸브를 통과하는 유동 경로가 변경됩니다.

방향 제어 밸브 위치

schematic of directional valve in actuator system

펌프와 밸브 사이의 압력이 너무 높아지면 릴리프 밸브가 환경으로 배출합니다.

새 모델 시작하기

  1. MATLAB® 명령 프롬프트에 sscnew를 입력합니다. MATLAB에서 Simscape 모델 템플릿이 열립니다. 이 템플릿은 Simscape Fluids 모델의 시작점을 제공합니다. Simscape Foundation 제품 라이브러리와 Simscape Fluids 제품 라이브러리의 블록을 모두 사용합니다.

  2. 시뮬레이션 탭에서 라이브러리 브라우저를 클릭합니다. Simscape > Foundation Library > Isothermal Liquid > Utilities 라이브러리에서 Isothermal Liquid Properties (IL) 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다. 이 블록을 사용하여 밀도, 점도, 체적 탄성 계수를 포함한 네트워크 유체의 물리적 속성을 정의합니다. 이러한 속성이 이미 정의되어 있는 유체를 선택하려면 Fluids > Isothermal Liquid > Utilities 라이브러리의 Isothermal Liquid Predefined Properties (IL) 블록을 사용하십시오.

  3. 그림에 표시된 것처럼 Solver Configuration 블록을 Isothermal Liquid Properties (IL) 블록에 연결합니다. Solver Configuration 블록은 모델에 대한 Simscape 솔버 설정을 제공합니다. 솔버 선택에 대한 자세한 내용은 Setting Up Solvers for Physical Models 항목을 참조하십시오.

    토폴로지가 서로 다른 각각의 물리 네트워크마다 솔버 블록이 필요합니다.

Actuator 서브시스템 모델링하기

  1. Simscape > Foundation Library에서 다음 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다.

    블록하위 라이브러리
    Pressure Source (IL)Isothermal Liquid > Sources
    Reservoir (IL)Isothermal Liquid > Elements

    또는 모델 캔버스를 더블 클릭하고 블록 이름을 입력합니다. 나타나는 드롭다운 목록에서 블록 이름을 클릭하여 캔버스에 블록을 추가합니다.

    블록 아이콘을 더블 클릭하여 각 블록 대화 상자에서 모델 구성을 지정합니다.

  2. 압력 소스는 정압 펌프를 나타냅니다. Pressure Source (IL) 블록 대화 상자에서 소스 유형을 상수로 설정합니다. 압력차에 10e5 Pa를 입력합니다.

  3. 레저버는 환경 경계 조건을 설정합니다. Reservoir (IL) 블록에서 레저버 압력 사양을 지정된 압력으로 설정하고 레저버 압력을 0.2MPa로 설정합니다.

  4. Simscape > Fluids 라이브러리에서 다음 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다.

    블록하위 라이브러리
    Single-Acting Actuator (IL)Isothermal Liquid > Actuators
    3-Way Directional Valve (IL)Isothermal Liquid > Valves & Orifices > Directional Control Valves
    Multiposition Valve ActuatorIsothermal Liquid > Valve Actuators
    Pressure Relief Valve (IL)Isothermal Liquid > Valves & Orifices > Pressure Control Valves

    액추에이터는 압력 소스에 의해 발생된 파워를 병진력으로 변환합니다. 방향 제어 밸브와 밸브 액추에이터는 액추에이터로 들어가는 유량을 조절합니다.

  5. 그림에 표시된 것처럼 블록을 연결합니다. 3-Way Directional Valve (IL) 블록, Pressure Source (IL) 블록, Pressure Relief Valve (IL) 블록은 Reservoir (IL) 블록과의 연결을 통해 그라운드됩니다.

  6. Pressure Relief Valve (IL)의 동작 압력을 설정합니다. 설정 압력차 파라미터에 50e5 Pa를 입력합니다. 이는 밸브가 열리기 시작하는 압력입니다. 밸브의 동작 범위를 설명하는 압력 조절 범위 파라미터에 5e5 Pa를 입력합니다. 릴리프 밸브의 최대 압력은 설정 압력과 조절 범위의 합입니다.

  7. 3-Way Directional Valve (IL) 블록 대화 상자의 P-A 오리피스 탭에서 최대 P-A 오리피스 면적에서의 스풀 위치를 0.01m로 설정합니다. 이는 P-A 유동 경로가 완전히 열렸을 때 밸브 스풀의 위치입니다. A-T 오리피스 탭에서 최대 A-T 오리피스 면적에서의 스풀 위치를 0m로 설정합니다.

    모델 파라미터화 탭의 닫힌 오리피스와 열린 오리피스 사이의 스풀 이동 거리 파라미터는 두 오리피스가 열리고 닫히는 거리를 설정합니다. 이 값에서는 두 오리피스가 모두 닫혀 있습니다.

  8. Single-Acting Actuator (IL) 블록에서 피스톤 단면적을 0.001m2로 설정합니다.

  9. Simscape > Foundation Library > Mechanical > Translational Elements 라이브러리에서 Mechanical Translational Reference 블록을 추가하고 그림에 표시된 것처럼 연결합니다.

    이는 Single-Acting Actuator (IL)의 기계적 케이싱(포트 C로 표현됨)을 고정합니다. 액추에이터 샤프트(포트 R로 표현됨)는 이 기준점을 기준으로 움직입니다.

부하 모델 추가하기

  1. Simscape > Foundation Library > Mechanical > Translational Elements 라이브러리에서 다음 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다.

  2. 그림에 표시된 것처럼 블록을 연결합니다.

    질량, 스프링, 댐퍼 요소는 외력, 관성 및 감쇠가 포함된 부하의 기본 모델을 제공합니다.

제어 시스템과 모니터링 추가하기

  1. Simulink > Sources 라이브러리에서 Sine Wave를 캔버스로 끌어서 놓습니다. 이는 제어 시스템에 입력되는 가변 신호를 나타내며, 제어 시스템은 결과적으로 액추에이터가 받는 유동을 조절합니다.

  2. Simscape > Utilities 라이브러리에서 PS-Simulink Converter 블록 하나를 끌어서 놓습니다. 양방향인 Simscape 물리 신호와 단방향인 Simulink® 신호 사이를 변환하려면 Simulink-PS Converter 또는 PS-Simulink Converter 블록을 사용해야 합니다.

  3. 그림에 표시된 것처럼 Sine Wave 블록, 캔버스에 이미 있는 Simulink-PS Converter 블록, Multiposition Valve Actuator 블록을 직렬로 연결합니다.

  4. Sine Wave 블록 대화 상자에서 진폭 파라미터를 24로 설정합니다. 이 값은 Multiposition Valve Actuator 블록의 디폴트 공칭 신호 값입니다.

  5. Simulink Sources 라이브러리에서 Scope 블록을 끌어서 놓습니다. Scope 블록을 사용하면 모델 결과를 빠르게 검사할 수 있습니다.

  6. 그림에 표시된 것처럼 Single-Acting Actuator (IL) 블록, PS-Simulink Converter 블록, Scope 블록을 직렬로 연결합니다.

  7. 그림에 표시된 것처럼 Multiposition Valve Actuator 블록의 출력 측, 다른 PS-Simulink Converter 블록, Scope 블록을 직렬로 연결합니다.

  8. Single-Acting Actuator (IL) 블록의 포트 P는 피스톤 초기 변위를 기준으로 한 액추에이터 샤프트 위치의 물리 신호를 출력합니다.

    Multiposition Valve Actuator 블록은 초기 위치와 푸시 핀 스트로크를 기준으로 한 밸브 개방 거리의 물리 신호를 출력합니다.

시뮬레이션 실행하기

모델을 실행하면 Simscape가 모델을 평가하고 시뮬레이션 초기 조건을 확인한 다음 모델을 시뮬레이션합니다. 이 과정에 대한 자세한 내용은 How Simscape Simulation Works 항목을 참조하십시오.

  1. 모델에 있는 블록, 예를 들어 3-Way Directional Valve (IL) 블록을 클릭합니다. Simscape Block 탭에서 데이터 기록을 클릭하고 모든 Simscape 데이터 기록을 선택합니다. 그러면 결과 탐색기에서 시뮬레이션 변수 값을 탐색할 수 있습니다.

  2. 실행을 클릭합니다.

  3. 디버그 탭에서 Simscape > 변수 뷰어를 선택합니다. Configure the Variable Viewer에 모든 모델 변수의 초기화 값과 우선 순위가 표시됩니다. 블록 대화 상자에 변수 탭이 있는 블록의 경우, 초기화 중에 변수 목표값과 우선 순위를 설정할 수 있습니다. 모든 변수의 상태가 녹색인지 확인합니다.

  4. 여러 가지 방법으로 시뮬레이션 결과를 검사할 수 있습니다. 모델을 빠르게 평가하려면 Scope 블록을 사용하십시오.

    Multiposition Valve Actuator에 연결된 Scope 블록을 더블 클릭합니다. 그러면 Multiposition Valve Actuator 신호에 의해 설정된 밸브 스풀 위치가 표시됩니다.

    확대해 보면, 두 번째 피크의 시작 지점에서 신호에 작은 스파이크가 관찰됩니다.

    이는 다음 단계를 따라 솔버 시간 스텝의 크기를 제한하여 해결할 수 있습니다.

    1. 구성 파라미터를 엽니다. 모델링 탭에서 모델 설정 > 모델 설정을 선택하고 왼쪽 창에서 솔버를 클릭합니다.

    2. 솔버 세부 정보 옵션을 확장합니다.

    3. 최대 스텝 크기를 자동에서 0.01로 변경합니다.

    4. 확인을 클릭합니다.

    다음에 모델을 실행할 때 이 구성이 사용됩니다.

    Single-Acting Actuator (IL) 블록에 연결된 Scope 블록을 더블 클릭합니다. Scope 플롯에 샤프트 위치가 액추에이터 챔버 내 압력의 함수로 표시됩니다.

    액추에이터가 제어 장치로부터 수신한 신호에 완전하게 반응하지 않는 것처럼 보입니다.

  5. 환경 압력은 세 위치, 즉 Isothermal Liquid Properties (IL) 블록, Reservoir (IL) 블록, Single-Acting Actuator (IL) 블록에 지정됩니다. 모델에서 Reservoir (IL) 블록은 0.2MPa로 설정되어 있고, 다른 두 블록은 0.101MPa로 설정되어 있습니다. Single-Acting Actuator (IL) 블록에서 환경 압력 사양을 지정된 압력으로 설정하고 환경 압력을 0.2MPa로 설정합니다.

  6. 모델을 실행합니다.

  7. 임의 블록(예: Multiposition Valve Actuator 블록)을 클릭하고 Simscape Block 탭에서 결과 탐색기를 선택하여 결과 탐색기에서 결과를 확인합니다.

  8. 결과 탐색기는 Scope 블록이 보고할 수 없는 내부 변수를 포함하여 모델의 모든 변수를 표시합니다. 왼쪽 창에서 Single-Acting Actuator (IL) 옵션을 클릭합니다. 그러면 포트 P에서의 물리 신호, 즉 액추에이터 샤프트 위치의 물리 신호를 보여주는 플롯이 표시됩니다. 옵션 옆의 플러스 기호를 클릭하여 Single-Acting Actuator (IL) 블록에 대해 기록된 변수를 표시합니다.

  9. 플롯은 시뮬레이션의 마지막 3.5초 동안의 샤프트 위치를 보여줍니다. 전체 시뮬레이션 동안의 샤프트 위치를 보려면 다음과 같이 데이터 기록 제한을 끄십시오.

    1. 구성 파라미터를 엽니다. Simulink 툴스트립의 모델링 탭에서 모델 설정 > 모델 설정을 선택하고 왼쪽 창에서 Simscape를 클릭합니다.

    2. 데이터 점 제한의 선택을 해제합니다.

    3. 모델을 실행합니다.

액추에이터 샤프트 위치가 이제 제어 신호를 따릅니다.

참고 항목

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