Crear y simular un modelo simple

Crear un diagrama de Simscape

En este ejemplo, va a modelar un sistema mecánico simple y a observar su comportamiento en distintas condiciones. Este tutorial ilustra los pasos esenciales para crear un modelo físico y familiarizarse con el uso de los bloques básicos de Simscape™.

Nota

Para ver técnicas de ahorro de tiempo y formas avanzadas de analizar los datos de simulación, consulte el tutorial Pasos esenciales para construir un modelo físico.

El siguiente esquema representa un modelo simple de la suspensión de un automóvil. Consta de un muelle y un amortiguador conectados a un cuerpo (representado como una masa), que se agita por una fuerza. Puede modificar los parámetros del modelo, como la rigidez del muelle, la masa del cuerpo o el perfil de la fuerza, y ver los cambios resultantes en la velocidad y la posición del cuerpo.

Para crear un diagrama de Simscape equivalente, siga los siguientes pasos:

Abra Library Browser de Simulink^®, como se describe en Bibliotecas de bloques de Simscape.
Cree un nuevo modelo de Simulink utilizando la plantilla Blank Model. El software crea un modelo vacío en la memoria y lo muestra en una nueva ventana del editor de modelos.
Nota
De forma alternativa, puede escribir ssc_new en la línea de comandos de MATLAB^® para crear un nuevo modelo rellenado previamente con determinados bloques utilizados comúnmente y requeridos. Para obtener más información, consulte Creating a New Simscape Model.
De forma predeterminada, el editor de Simulink oculta los nombres automáticos de los bloques en los diagramas de los modelos. Para mostrar los nombres de bloque ocultos con fines de formación, desactive la casilla Hide Automatic Block Names. Para obtener más información, consulte Configure Model Element Names and Labels.
Abra la biblioteca de Simscape > Foundation Library > Mechanical > Translational Elements.
Arrastre el bloque Mass, Translational Spring, Translational Damper y dos bloques Mechanical Translational Reference a la ventana del modelo.
Oriente los bloques como se muestra en la siguiente ilustración. Para girar el bloque, selecciónelo y pulse Ctrl+R.
Conecte los bloques Translational Spring, Translational Damper y Mass a uno de los bloques Mechanical Translational Reference como se muestra en la siguiente ilustración.
Para añadir la representación de la fuerza que actúa sobre la masa, abra la biblioteca de Simscape > Foundation Library > Mechanical >Mechanical Sources y añada el bloque Ideal Force Source a su diagrama.
Para reflejar la dirección correcta de la fuerza como muestra el esquema original, invierta la orientación del bloque. Con el bloque Ideal Force Source seleccionado, en la pestaña Format de la parte superior de la ventana del modelo, en Arrange, haga clic en Flip up-down. Conecte el puerto C del bloque (C representa la carcasa) al segundo bloque Mechanical Translational Reference y su puerto R (R representa la varilla) al bloque Mass, como se muestra a continuación.
Añada el sensor para medir la velocidad y la posición de la masa. Coloque el bloque Ideal Translational Motion Sensor de la biblioteca Mechanical Sensors en su diagrama y conéctelo como se muestra a continuación.
Añada las fuentes y los scopes. Se encuentran en las bibliotecas de Simulink. Abra la biblioteca de Simulink > Sources y copie el bloque Signal Editor en el modelo. Luego, abra la biblioteca de Simulink > Sinks y copie dos bloques Scope. Modifique el nombre de uno de los bloques Scope como Velocity y otro como Position.
Cada vez que conecta una fuente o scope de Simulink a un diagrama de Simscape, debe usar un bloque de conversión adecuado para convertir las señales de Simulink en señales físicas y viceversa. Abra la biblioteca de Simscape > Utilities y copie un bloque Simulink-PS Converter y dos bloques PS-Simulink Converter en el modelo. Conecte los bloques como se muestra a continuación.
Cada red física distinta en términos de estructura topológica de un diagrama requiere exactamente un bloque Solver Configuration, que se encuentra en la biblioteca de Simscape > Utilities. Copie este bloque en el modelo y conéctelo al circuito creando un punto de bifurcación y conectándolo al único puerto del bloque Solver Configuration. Su diagrama presenta este aspecto ahora.
Su diagrama de bloques está ahora completo. Guárdelo como mech_simple.

Modificar la configuración inicial

Después de haber creado un diagrama de bloques del modelo, tal como se describe en la sección anterior, es necesario seleccionar un solver y proporcionar los valores correctos para los parámetros de configuración.

Para preparar la simulación del modelo, siga estos pasos:

Seleccione un solver de Simulink. En la ventana del modelo, abra la pestaña Modeling y haga clic en Model Settings. Se abrirá el cuadro de diálogo Configuration Parameters, que muestra el panel Solver.
En Solver selection, establezca Solver en ode23t (mod.stiff/Trapezoidal).
Amplíe Solver details y establezca Max step size en 0.2.
Observe también que Simulation time está especificado entre 0 y 10 segundos. En caso necesario, puede ajustar esta configuración más tarde.
Haga clic en OK para cerrar el cuadro de diálogo Configuration Parameters.
Guarde el modelo.

Ejecutar la simulación

Después de haber creado un diagrama de bloques y especificado la configuración inicial del modelo, puede ejecutar la simulación.

El bloque Signal Editor proporciona la señal de entrada para la fuerza. Edite las propiedades de la señal como se muestra en la siguiente ilustración. El perfil de señal comienza con un valor de 0; luego, a los 4 segundos, hay un cambio de paso a 1 y, después, vuelve a cambiar a 0 en 6 segundos.
El scope Velocity genera como salida la velocidad de masa y el scope Position genera como salida el desplazamiento de masa como una función de tiempo. Haga doble clic en ambos scopes para abrirlos.
Haga clic en . El solver de Simscape evalúa el modelo, calcula las condiciones iniciales y ejecuta la simulación. Para una descripción detallada de este proceso, consulte How Simscape Simulation Works. Este paso puede tardar unos segundos en completarse. El mensaje que aparece en la esquina inferior izquierda de la ventana del modelo indica la actualización del estado.
Una vez que la simulación comienza a ejecutarse, las ventanas de los scope Velocity y Position muestran los resultados de la simulación, como se muestra en la siguiente ilustración.
Al principio, la masa está en reposo. Luego, a los 4 segundos, como la señal de entrada cambia de forma abrupta, la velocidad de la masa aumenta en dirección positiva y gradualmente vuelve a cero. A la vez, la posición de la masa cambia de manera más gradual, a causa de la inercia y la amortiguación, y permanece en el valor nuevo siempre y cuando la fuerza esté actuando sobre ella. A los 6 segundos, cuando la señal de entrada vuelve a cambiar a cero, la velocidad aumenta en dirección opuesta y la masa vuelve de manera gradual a su posición inicial.

Ahora puede ajustar distintos parámetros de bloque y entradas, y ver su impacto en la velocidad y el desplazamiento de la masa.

Ajustar los parámetros

Después de ejecutar la simulación inicial, puede experimentar ajustando distintos parámetros de bloque y entradas.

Pruebe los siguientes ajustes:

Cambiar el perfil de la fuerza

Este ejemplo muestra cómo un cambio en la señal de entrada afecta al perfil de la fuerza y, por lo tanto, al desplazamiento de la masa.

Haga doble clic en el bloque Signal Editor para abrirlo.
Cambie el perfil de señal moviendo su primer segmento vertical de 4 a 2 segundos, como se muestra a continuación. Cierre el cuadro de diálogo del bloque.
Ejecute la simulación. Los resultados de la simulación se muestran en la siguiente ilustración.

Cambiar los parámetros del modelo

En nuestro modelo, la fuerza actúa sobre una masa contra un muelle y un amortiguador de traslación, conectados en paralelo. Este ejemplo muestra cómo los cambios en la rigidez del muelle y la viscosidad del amortiguador afectan al desplazamiento de la masa.

Haga doble clic en el bloque Translational Spring. Establezca Spring rate en 2000 N/m.
Ejecute la simulación. El incremento de la rigidez del muelle genera como resultado una amplitud más pequeña del desplazamiento de la masa, como se muestra en la siguiente ilustración.
Luego, haga doble clic en el bloque Translational Damper. Establezca Damping coefficient en 500 N/(m/s).
Ejecute la simulación. Debido al incremento de la viscosidad, la masa es más lenta tanto para alcanzar su desplazamiento máximo como para volver a la posición inicial, como se muestra en la siguiente ilustración.

Cambiar las unidades de salida de la posición de la masa

En nuestro modelo, hemos usado el bloque PS-Simulink Converter con su configuración de parámetros predeterminada. Por lo tanto, el scope Position emite el desplazamiento de la masa en las unidades de longitud predeterminadas, es decir, en metros. Este ejemplo muestra cómo cambiar las unidades de salida para el desplazamiento de la masa en milímetros.

Haga doble clic en el bloque PS-Simulink Converter1 block. Escriba mm en el cuadro combinado Output signal unit y haga clic en OK.
Ejecute la simulación. En la ventana del scope Position, haga clic en para autoescalar el eje Y del scope. El desplazamiento de la masa se genera ahora en milímetros, como se muestra en la siguiente ilustración.