La modélisation système se met au service de l’industrie de l’automatisation grâce aux techniques modernes

Philipp Wallner, Directeur de la technologie à l’international de Bernecker + Rainer Industrie et Johannes Friebe, Directeur MapleSim Europe de Maplesoft

Au moment où l’industrie est soumise à une pression croissante pour raccourcir toujours plus les cycles de conception de l’ingénierie, les ingénieurs découvrent qu’ils peuvent gagner beaucoup de temps en déterminant les propriétés de leur système avant de construire un prototype physique. Par exemple, connaissant les forces et accélérations prévues présentes au sein du système, il est possible de dimensionner correctement les actionneurs. Alors que la modélisation système devient courante dans l’automobile et l’aérospatial pour les conceptions mécatroniques, elle doit encore s’épanouir dans l’industrie de l’automatisation. Cet était de fait est vraisemblablement attribuable à la perception que la modélisation système prend du temps et requiert un niveau élevé d’expertise mathématique pour les écritures de modèles. Dans le passé, c’était vrai : les processus « flux de signal », comme le montre la Figure 1, exigeaient de faire à la main une laborieuse écriture d’équations, source d’erreurs-, ce qui se soldait habituellement par un bloc-diagramme complexe. Les avancées récentes en matière d’ingénierie de conception ont cependant permis une meilleure approche, plus moderne, de la modélisation et de la simulation système.

MapleSim et B&R Automation Studio
La conception d’un modèle de machine ou de système adéquat joue un rôle important dans le développement fondé sur la simulation. MapleSim est un outil de simulation et de modélisation physique avancé qui applique des techniques modernes pour réduire très sensiblement le temps d’analyse et de développement tout en produisant rapidement des simulations extrêmement fidèles. Le modèle n’est cependant en soi que le début de l’histoire.
B&R Automation Studio est un environnement de développement d’ingénierie intégré permettant de configurer en un seul et même environnement toutes les phases de développement du contrôleur, des entraînements, de la communication et de la visualisation. Grâce à un produit add-on, le Connecteur MapleSim dédié B&R Automation Studio, les modèles physiques conçus dans MapleSim peuvent être facilement transférés dans le matériel du contrôleur B&R. Ils sont immédiatement utilisables pour les simulations HIL (hardware-in-the-loop) qui émulent le comportement de la machine en temps réel, ceci dans un environnement de test sécurisé.
MapleSim est pourvu d’une interface graphique pour réaliser une création de modèle similaire à la réalité physique. Ainsi, la connaissance de la structure du modèle suffit en général à la création d’un modèle physique qui fonctionne dans Automation Studio avec le hardware de B&R. Ce processus, représenté à la Figure 2, se traduit également par des modèles système facilement compréhensibles, autorisant une collaboration dans le projet plus rapide et plus efficace.
MapleSim fournit également des équations du système sous forme entièrement symbolique. Cette disposition contribue à l’automatisation des calculs contraignants de trajectoires de mouvement dans la résolution des problèmes de cinématique inverse.

Exemple d’application : équilibrage de roue de réaction B&R
Le balancier inverse est un exemple bien connu qui illustre la modélisation système et les stratégies de contrôle en boucle fermé. Ici, le dispositif d’équilibrage de roue de réaction de B&R est utilisé comme base de création d’un modèle MapleSim de balancier inverse, comme le montre la Figure 3. Le modèle MapleSim est simple et rapide à réaliser, et peut être ensuite aisément exporté vers B&R Automation Studio pour valider le modèle et tester les stratégies de contrôle.

Le modèle de système utilise la bibliothèque étendue de composants multicorps 3D de MapleSim, tels que les axes rigides, les masses et articulation. Un utilisateur MapleSim moyennement expérimenté peut parfaitement développer des modèles aussi complexes en quelques minutes.
Dans cette première situation de test, le code du modèle est généré et exporté avec le solveur requis, processus illustré sur la Figure 4. Le code généré à l’aide du Connecteur MapleSim dédié à B&R Automation Studio est libre de droits et est la propriété de l’utilisateur. Cet outil convertit les équations différentielles fondamentales du mouvement générées par le modèle en code C compatible Automation Studio. MapleSim applique également à ce stade une optimisation de code symbolique unique qui accélère la vitesse d’exécution sans diminuer la fidélité du modèle.

Grâce à ce processus efficace, le temps réel de modélisation, de codage et d’implémentation n’est plus l’affaire que de quelques minutes. Cette spectaculaire accélération du processus de développement est rendue possible grâce au caractère intuitif de la modélisation dans MapleSim conjointement à ses capacités de génération de code automatique. Avec la génération de code C par MapleSim prête pour l’intégration dans Automation Studio, la dernière étape consiste à valider le modèle de système MapleSim sur la plate-forme matérielle proprement dite, via le workflow existant d’Automation Studio.
Modélisation système dans MapleSim
MapleSim offre de multiples avantages en matière de modélisation système en combinant des technologies avancées comme la modélisation physique, le calcul symbolique et Modelica^® :
• Développement rapide et facile de modèles physiques complexes, y compris pour les applications multi-domaines et multicorps
• Equations de modèles accessibles, générées automatiquement, aboutissant à des modèles entièrement paramétriques et faciles à analyser
• Analyse avancée au moyen d’un langage de programmation et d’un environnement de documentation de conception étendus
• Génération de code hautement optimisée pour les modèles de systèmes
• Support du standard de modélisation Modelica et sélection, parallèlement, de frameworks de modélisation spécialisés pour les domaines d’application avancés
Sur le plan de l’architecture, MapleSim est un environnement de modélisation connecté au logiciel de calcul bien connu Maple (Figure 5). Maple procure un puissant moteur mathématique symbolique qui manipule efficacement l’expression et la structure algébriques des équations. Autrement dit, les ingénieurs peuvent exploiter les mathématiques sans approximation et ce, dans un environnement automatisé exempt d’erreurs.

Mathématiquement parlant, les modèles MapleSim sont en général gouvernés par des équations différentielles ordinaires (EDO) ou des équations différentielles algébriques (EDA). MapleSim donne la possibilité d’entrer rapidement et simplement des équations mathématiques pour définir des composants personnalisés.
MapleSim fournit également des niveaux supplémentaires de prétraitement de code et d’équations pour minimiser la charge de calcul requise pendant la simulation. Par conséquent, MapleSim est capable de générer du code à la fois très rapide et très robuste, car la simplification mathématique réduit intrinsèquement la complexité.
Conclusion
La combinaison de MapleSim et B&R Automation Studio assure l’implémentation efficace de la modélisation système dans la chaîne d’outils de B&R. La puissance et le potentiel véritable résident cependant dans le concept plus large inscrit dans cette initiative. En ajoutant une phase facile et rentable de modélisation système au workflow d’automatisation, les ingénieurs pourront bientôt augmenter le niveau et la sophistication de la simulation et des tests virtuels préalablement aux implications matérielles.

Maplesoft, MapleSim, et Maple sont des marques de Waterloo Maple Inc. Modelica est une marque déposée de l’Association Modelica.

Figure 1: Le workflow habituel de la modélisation système
Figure 2: La manière dont MapleSim aborde la modélisation système est plus efficace et intuitive
Figure 3: Le dispositif d’équilibrage de roue de réaction avec le modèle de MapleSim
Figure 4: Génération de code C à partir d’un modèle MapleSim et son déploiement sur PLC B&R ou PC industriel
Figure 5: Grâce à Maple, vous pouvez résoudre des problèmes de calcul technique plus rapidement et plus intuitivement

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