CC BY
167
74
И. И. Калапышина, А. Д. Перечесова, К. А. Нуждин
УДК 681.2.001.5
И. И. Калапышина, А. Д. Перечесова, К. А. Нуждин
ПРИМЕНЕНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПАКЕТА МАТЬАБ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Представлен обзор учебного пособия „Моделирование мехатронных систем в среде Ма1ЬаЬ (81тиИпк/ 81тМесИатс8)", в котором демонстрируется подход к моделированию механических систем с помощью библиотеки §1тМесЬатсБ, пакета 81ти1шк и среды Ма1ЬаЪ.
Ключевые слова: моделирование, ЫсйЬаЬ, ЕгтМескатсв, анализ механизмов, кинематика механизмов, динамика механизмов, учебное пособие.
Одной из самых эффективных систем программного обеспечения численных вычислений в наши дни является Ма1ЬаЬ — матричная лаборатория и язык программирования высокого уровня. Для расширения возможностей системы существует библиотека 81тиНпк — дополнение, обеспечивающее блочное имитационное моделирование различных систем и устройств с применением современной технологии визуально-ориентированного программирования. В инструментальном „ящике" БтиНпк, помимо общих, существуют специализированные пакеты для решения задач конкретного назначения [1]. Для моделирования систем и устройств физической природы наибольший интерес представляет пакет Б1твсаре. В этом пакете, в отличие от блоков Б1тиИпк, которые представляют собой математические операторы и взаимодействуют друг с другом с помощью сигналов, существуют блоки, представляющие собой тела физической природы, взаимодействующие с помощью реакций.
Система Ма1ЬаЬ успешно внедряется в учебный процесс многих вузов России. По этой теме существует множество литературы, однако специальные пакеты описываются, как правило, недостаточно подробно, кроме того, многие руководства написаны на английском языке. В связи с этим особенно важным представляется создание пособий для изучения инструментария специальных пакетов, охватывающих определенное направление науки и техники. В течение последних лет на кафедре мехатроники Университета ИТМО (Санкт-Петербург) в учебном процессе и в научных исследованиях широко используется пакет 81тМесЬашс8. Основу апробации пакета составляет метод сравнения результатов работы конкретной физической модели с ее аналитическим аналогом и вывод о степени ее приближения. На основе опыта, полученного при моделировании механических систем, было создано учебное пособие для студентов и преподавателей [2].
В учебном пособии изложены основы теории машин и механизмов и теоретической механики, а также методы математического моделирования в среде МаЛаЬ различных механических систем и физических процессов. Приведены модели механизмов, механических и измерительных систем, выполненные с помощью библиотеки 81тМесЬашс8 и пакета Б1тиИпк.
Структурно учебное пособие состоит из четырех глав, в каждой из которых присутствует раздел, посвященный теоретической информации, приведены подробно разобранные примеры, а также задачи для самостоятельной работы студентов. Теоретическая информация носит справочный характер, поскольку учебное пособие рассчитано на студентов старших курсов бакалавриата и магистратуры. В помощь учащимся приводится обширный список литературы. Сложность задач постепенно возрастает от главы к главе, однако каждая из изложенных задач базируется на ранее изученном материале, а отдельные учебные примеры последовательно включаются в более сложные как подсистемы, что позволяет закреплять знания путем неоднократного повторения материала. Учебные примеры поэтапно разобраны, настройки всех используемых блоков и управляющие программы приведены в приложениях. Подобная
Применение в учебном процессе пакета MatLab 75
последовательность изложения материала позволяет студенту провести обучение самостоятельно.
Первым, простейшим, примером для моделирования является физическая модель математического маятника. Данная модель обеспечивает возможность ознакомления с блоками пакета 81тМесЬашс8 и принципами их взаимодействия.
Далее уровень сложности моделей постепенно повышается. Следующими примерами являются кривошипно-ползунный механизм, двухступенчатый редуктор и модель исполнительного механизма плетения устройства, предназначенного для изготовления упругих торсионных подвесов приборов [2, 3]. Модель исполнительного механизма плетения устройства включает в себя все ранее рассмотренные подсистемы или их эквивалент, что позволяет объединить совокупные знания студентов о работе блоков пакета 81тМесЬашс8, предназначенных для моделирования плоских механизмов. Ценность данной модели для обучения заключается в том, что этот механизм существует и используется в Санкт-Петербургском филиале Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова Российской академии наук [2].
Рекомендуемое учебное пособие [2] предназначено для магистров высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров 200100 „Приборостроение" и 221000 „Мехатроника и робототехника". Пособие может быть полезно также для студентов, изучающих курсы „Теория механизмов и машин", „Проектирование мехатронных устройств", „Основы проектирования и конструирования приборов", и для использования в магистерских программах „Системное моделирование в мехатронике", „Модульные технологии в биомеха-тронике и робототехнике". Пособие представляет интерес для преподавателей и научных работников соответствующих специальностей. Пособию присвоен гриф УМО „Приборостроение", решение 588 от 29.11.2013 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hasan R., Rahideh A., Shaheed H. Modeling and interactional control of the multifingered hand // Proc. of the 19th Intern. Conf. on Automation and Computing: Future Energy and Automation. London, UK, 2013. P. 126—131.
2. Мусалимов В. М., Заморуев Г. Б., Калапышина И. И., Перечесова А. Д., Нуждин К. А. Моделирование мехатронных систем в среде MatLab (Simulink / SimMechanics): Учеб. пособие для высших учебных заведений. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 114 с.
3. Ghanbari A., Solaimani R., Rahmani A., Tabatabaie F. Design and simulating five-finger robot hand to grasp spherical objects // Life Science Journal. 2013. Vol. 10. P. 140—145.
Ирина Ивановна Калапышина Анна Дмитриевна Перечесова Константин Андреевич Нуждин
Рекомендована кафедрой мехатроники
Сведения об авторах Университет ИТМО, кафедра мехатроники, Санкт-Петербург; ассистент; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, кафедра мехатроники, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected] Университет ИТМО, кафедра мехатроники, Санкт-Петербург; ассистент; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 16.05.14 г.
