Modeling of Patu-655 loader with a combination of Mevea and Simulink using Functional Mock-up Interface
Kotta, Jomi (2021)
Diplomityö
Kotta, Jomi
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021112557003
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021112557003
Tiivistelmä
The aim of this master’s thesis was to create a simulation models for Patu-655 loader with Mevea (mechanics) and Simulink (hydraulics) and then combine the models with Functional Mock-up Interface (FMI). The mechanics model in Mevea consists of pillar, lift boom, 4-bar mechanism, tilt boom, extension boom and log grapple. The hydraulic circuit in Simulink has two hydraulic cylinders, two proportional directional control valves and a load sensing pump. The combination of the simulation models was achieved by using FMI for Co-Simulation with generated code method. Previously the interaction between Mevea and Simulink has been achieved with tool coupling method which can make the simulation computationally heavy and may require higher timestep to work correctly.
The research started by building hydraulic circuit with Simulink and multibody model with Mevea. Both models were tested independently, so that they could be verified without affecting each other. Hydraulic circuit was tested by connecting it to previously developed Simscape Multibody model and Mevea was verified by building a hydraulic circuit with Mevea’s in-built tool. After both systems were verified as working, they were connected with FMI, where Mevea acts as master software and Simulink as slave software.
The simulation model was compared to data from laboratory measurements and previously developed simulation model which was developed with Simscape Multibody and Simulink. The model developed in this thesis achieved similar results to previous studies and laboratory measurements in terms of pressures, cylinder forces and positions, but was significantly faster than previous model, as it was able run the simulation in real time with time step of 1 ms for mechanics and 0.25 ms for hydraulics. Based on the results from this thesis, using FMI is a valid option for simulating systems which can benefit from using multiple different simulation software as the use of FMI didn’t increase the simulation time at all in this model. Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda Patu-655 kuormaimelle simulaatiomallit Mevealla (mekaniikka) ja Simulinkillä (hydrauliikka) ja yhdistää mallit Functional Mock-up Interface (FMI) -rajapinnan avulla. Mekaniikkamalli Meveassa koostuu pilarista, nostopuomista, 4-tankomekanismista, kallistuspuomista, jatkopuomista ja kourasta. Simulinkin hydraulipiirissä on kaksi hydraulisylinteriä, kaksi proportionaalista suuntaventtiiliä ja kuormituksen tunnistava pumppu. Simulaatiomallit yhdistettiin käyttämällä FMI for Co-Simulation with generated code -menetelmää. Aiemmin Mevea ja Simulink on yhdistetty käyttämällä tool coupling -menetelmää, joka voi tehdä simuloinnista laskennallisesti raskasta ja voi vaatia suuremman aika-askeleen toimiakseen oikein.
Tutkimus alkoi tekemällä hydraulipiiri Simulinkillä ja mekaniikkamalli Mevealla. Mallit testattiin yksittäin, jotta ne voitiin varmistaa toimivaksi ilman, että ne vaikuttivat toisiinsa. Hydraulipiiri testattiin liittämällä se aiemmin valmistettuun Simscape Multibody malliin ja Mevean mekaniikkamalli testattiin rakentamalla hydraulipiiri Mevean sisäänrakennetulla työkalulla. Kun molemmat mallit todettiin toimiviksi, ne yhdistettiin FMI:n avulla, jossa Mevea toimi master ohjelmistona ja Simulinkin malli slave ohjelmistona.
Simulaatiomallia verrattiin laboratoriomittausten tuloksiin ja aiemmin Simscape Multibodylla kehitettyyn malliin. Tässä diplomityössä kehitetty malli saavutti samanlaisia tuloksia kuin aiemmat tutkimukset ja mittaukset paineiden, sylinterivoimien ja asemien suhteen, mutta oli simulointiajan suhteen huomattavasti nopeampi kuin aiempi malli, koska tämä malli pystyi suorittamaan simulaation reaaliajassa, kun mekaniikkamallissa oli 1 ms aika-askel ja 0.25 ms hydrauliikassa. Tämän diplomityön tulosten perusteella FMI:n käyttö on sopiva vaihtoehto sellaisten järjestelmien simulointiin, jotka voivat hyötyä useiden simulointiohjelmistojen samanaikaisesta käytöstä, sillä FMI:n käyttö ei kasvattanut simulointiaikaa ollenkaan tässä mallissa.
The research started by building hydraulic circuit with Simulink and multibody model with Mevea. Both models were tested independently, so that they could be verified without affecting each other. Hydraulic circuit was tested by connecting it to previously developed Simscape Multibody model and Mevea was verified by building a hydraulic circuit with Mevea’s in-built tool. After both systems were verified as working, they were connected with FMI, where Mevea acts as master software and Simulink as slave software.
The simulation model was compared to data from laboratory measurements and previously developed simulation model which was developed with Simscape Multibody and Simulink. The model developed in this thesis achieved similar results to previous studies and laboratory measurements in terms of pressures, cylinder forces and positions, but was significantly faster than previous model, as it was able run the simulation in real time with time step of 1 ms for mechanics and 0.25 ms for hydraulics. Based on the results from this thesis, using FMI is a valid option for simulating systems which can benefit from using multiple different simulation software as the use of FMI didn’t increase the simulation time at all in this model.
Tutkimus alkoi tekemällä hydraulipiiri Simulinkillä ja mekaniikkamalli Mevealla. Mallit testattiin yksittäin, jotta ne voitiin varmistaa toimivaksi ilman, että ne vaikuttivat toisiinsa. Hydraulipiiri testattiin liittämällä se aiemmin valmistettuun Simscape Multibody malliin ja Mevean mekaniikkamalli testattiin rakentamalla hydraulipiiri Mevean sisäänrakennetulla työkalulla. Kun molemmat mallit todettiin toimiviksi, ne yhdistettiin FMI:n avulla, jossa Mevea toimi master ohjelmistona ja Simulinkin malli slave ohjelmistona.
Simulaatiomallia verrattiin laboratoriomittausten tuloksiin ja aiemmin Simscape Multibodylla kehitettyyn malliin. Tässä diplomityössä kehitetty malli saavutti samanlaisia tuloksia kuin aiemmat tutkimukset ja mittaukset paineiden, sylinterivoimien ja asemien suhteen, mutta oli simulointiajan suhteen huomattavasti nopeampi kuin aiempi malli, koska tämä malli pystyi suorittamaan simulaation reaaliajassa, kun mekaniikkamallissa oli 1 ms aika-askel ja 0.25 ms hydrauliikassa. Tämän diplomityön tulosten perusteella FMI:n käyttö on sopiva vaihtoehto sellaisten järjestelmien simulointiin, jotka voivat hyötyä useiden simulointiohjelmistojen samanaikaisesta käytöstä, sillä FMI:n käyttö ei kasvattanut simulointiaikaa ollenkaan tässä mallissa.