Multidisciplinary Multirate co-simulations in multibody dynamics

Simulations of mechatronic systems quite always imply interaction between numerous and multidisciplinary components. In addition, it is common that the involved components and subsystems show different time scales and frequencies. An efficient way to build computer simulation models is to use a multidis- ciplinary environment, in which co-simulation setups are available, in order to simplify the definition of the computer model and improve the computational efficiency. Multirate methods can be used to further improve the efficiency. Most multirate methods are designed to be applied to monoblock equation systems, and used in single disciplinary simulations. The application of these methods in co-simulations setups may be not straightforward. The main concern of this thesis is to study properties and performances of multirate co-simulations, and to demonstrate it is possible to build a free soft- ware environment capable of integrating a Multibody simulator with a general purpose block diagram simulator, exploiting also the multirate layout. In par- ticular, the co-simulation setup is formed by the multibody simulator MBDyn and the general purpose block diagram simulator Scicos. The tool derived from this integration is finally applied to a controlled wind turbine, to show the computational costs and the effort needed in building the model for a possible real case. A new multirate scheme is also presented, for which stability and accuracy results are given.

La simulazione dei sistemi meccatronici quasi sempre implica interazioni tra numerosi componenti, spesso studiati da discipline diverse. Inoltre, è comune che componenti e sottosistemi coinvolti mostrino diverse scale temporali. Un metodo efficiente per costruire modelli computazionali è utilizzare ambienti multidisciplinari, in cui sia possibile eseguire co-simulazioni, in modo da semplificare la descrizione dei modelli e migliorare l’efficienza di calcolo. I metodi Multirate possono essere utilizzati per migliorare ulteriormente le prestazioni. Per la maggior parte, i metodi di tipo Multirate sono stati progettati per essere applicati a sistemi di equazioni monoblocco, risolte da singoli simulatori. L’applicazione di tali metodi alle cosimulazioni può essere complicata. Il primo obiettivo di questa tesi è studiare le proprietà e le prestazioni delle co-simulazioni Multirate, e dimostrare che è possibile costruire un ambiente di tipo free software capace di integrare un simulatore multicorpo con uno schema a blocchi generico, sfruttando anche la tecnica multirate. In particolare, il setup presentato è formato dal simulatore multicorpoMBDyn e dal simulatore basato su schemi a blocchi Scicos. Lo strumento risultante da questa integrazione verrà infine applicato ad una turbina eolica contrllata automaticamente e ad un elicottero, per mostrare i costi computazionali e lo sforzo per costruire il modello di calcolo in una reale applicazione. Inoltre, un nuovo metodo multirate viene presentato, di cui sono date le proprietà di stabilità e accuratezza.