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玩转Matlab-Simscape（初级）- 10 - 基于COMSOL&Simulink 凸轮机构的控制仿真

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前言

在产品开发中，多体动力学控制仿真是一种常见方法，本文从初学者的角度一点点掀开应用Maltab simscape对多体进行仿真的面纱。写这篇博文是为后续做旋翼无人机的多体系统仿真打基础。欢迎各位小伙伴关注、赞赞、留言和收藏。
本文进一步深入学习构建复杂一点点的凸轮机构的建模过程。

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一、简介

本文研究柴油机气门机构。该系统所有组成零件全部假定为刚体。模型的输出包括气门从动件的位移和速度，模型输入为旋转凸轮转速。凸轮3D结构如下所示。

二、在Solidworks中创建3D模型，并导入Simulink

2.1 Solidworks中建模

当我们按照从下到上的方式，将一个个创建完零件再装配起来。
该机构的运动组件是：

• 凸轮和凸轮轴
• 气门
  固定组件是：
• 导程、销轴、凸轮轴承

有时候从Solidworks中利用插件导出*.xml文件时会遇到一些问题，如在装配体中，如果使用“凸轮配合相切”、‘铰链’等配合方式来联结3D模型汇总的凸轮与推杆，摇臂与销轴时，会在导出Samscape Multibody模型的xml文件时出错。如下图所示。


这通常意味着你正在尝试导出的某些约束类型不被Simscape Multibody所支持。Simscape Multibody支持多种标准的机械约束，如固定连接、铰链、滑块、齿轮等，但对于一些更复杂或自定义的约束，如机械配合中涉及的“凸轮配合相切”，可能无法直接转换成Simscape Multibody中可用的约束类型。
解决方法1：忽略这种错误
手动创建凸轮：•在MATLAB/Simscape Multibody环境中，使用内置的凸轮组件（如果有的话）来重新创建凸轮机构。这可能需要手动输入凸轮轮廓的数据。
解决方法2：在SW中用其他约束来替换“凸轮配合相切”这种约束尝试使用Simscape Multibody支持的标准约束来代替你的凸轮配合。
这两种方法都不太友好，后续我对SimSacpe了解多了，再补上这块内容。

2.2 、将xml模型导入simulink

在matlab 命令窗中，利用命令smimport（‘*.xml’）语句，导入在SW中生成的xml模型文件，并运行仿真。

三、在COMSOL中创建模型，并导入Simulink

上面2.1 ~2.2讲到的方式，对于新手处理起那些复杂模型问题来，非常困难，下面讲述另一种简单的方法。

3.1 模型简介

该机构中，凸轮旋转是指定的，弹簧联结到气门，以限制其运动，由此，可以计算给定凸轮转速条件下，从动件的位移、速度和加速度；计算凸轮-推杆的连接力（单独在comsol中求解这个力是很容易收敛的，但与simulink进行协同仿真时，很难收敛。协同仿真时，我把求解连接力这部分给取消了，协同仿真模型很容易得到了收敛）。
将弹簧安装到气门上的目的是迫使气门跟随凸轮的轮廓运动，并避免凸轮与气门之间的间歇性接触。因此，弹簧刚度的最佳值是使凸轮与从动件始终保持接触，同时，使凸轮轴旋转所需的扭矩最小。

3.2 模型搭建

• 将Solidworks中创建的CamFollwer装配体模型导入进COMSOL几何中。

• 在“多体动力学”物理场节点中设置刚性材料、固定约束条件、运动副（凸轮从动件、铰链关节、槽关节）、 指定凸轮轴旋转运动，气门运动添加弹簧、添加重力

• 划分网格

• 在COMSOL中创建Simulink协同仿真块（Cosimulation for Simulink）

  • • 先创建全局变量探针，用于指定协同仿真块的输入、输出量
  • • 再次求解comsol模型，确保模型能正常求解
  • • 设置协同仿真块输入输出参数
  • • 导出生成*.fmu协同仿真文件，供Simulink调用

注意：
1.在COMSOL中如果要输出协同仿真模块（Cosimulation for Simulink节点），一般需要先创建“全局变量探针”，该探针变量用于探测模型的输入量、输出量在整个求解过程中的变化。
2.“研究”设置中“辅助扫描”功能，不支持协同仿真模块（Cosimulation for Simulink）的导出，因此，在“研究”中，不能设置“辅助扫描”参数。

3.3 在Simulink中创建模型

注意：1.需要通过进入Matlab Simulink平台，不支持手动建立Simulink与COMSOL的连接，否则在Simulink中添加Comsol协同仿真模块时，在Simulink Library中不显示Comsol协同仿真模块，如下图所示。

创建一个简单的控制模型，并运行仿真，如下图所示。

运行结果如下，在simulink和comsol中结果一致。
接下来，在Matlab 命令窗口中输入“mphlaunch”，打开Comsol，我们可以继续利用comsol对数据结果进行后处理，也可以进一步完善优化控制器，达成设计目的。

需要注意的是：在运行仿真时，计算不收敛是常见的问题，尝试在simulink–Model Settings中对求解器进行设置，comsol中对求解器进行设置，一般可以解决问题。

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总结

以上就是今天分享的关于Matlab Simulink 与comsol协同仿真的内容，搭建了一个柴油机控制气门开闭的凸轮机构的模型，进一步熟悉了利用SW、Comsol、Matlab Simulink进行协同仿真的整个建模流程。一种方法，从SW将3D模型导入Matlab Simscape中，另一种方法，将3D模型从SW导入Comsol生成协同仿真模块，再进入Simulink进行控制仿真；两种方法各有长短。后续会一步步再深入研究。【赠人玫瑰，手留余香】欢迎各位小伙伴关注、赞赞、留言和收藏。