Um projeto de pesquisa da universidade norueguesa está usando modelos do MapleSim para prever o desempenho de equipamentos de manuseio de materiais complexos offshore. No curto prazo, o trabalho é ajudar os projetistas para escolher os melhores componentes para o trabalho. Em última análise, pretende-se automatizar mais o processo de design.

Com as plataformas de perfuração de petróleo e gás custando milhões de dólares por dia, suas tripulações precisam garantir que eles façam o trabalho o mais rápido possível. Esse trabalho envolve a montagem de milhares de metros de tubos flexíveis que compõem uma coluna de perfuração, e fazê-lo de forma segura e consistente em uma plataforma remota, onde o espaço é valioso e as condições meteorológicas são frequentemente um desafio.

As Plataformas de perfuração modernas fazem uso de materiais e equipamentos de movimentação altamente especializados para garantir que os componentes sejam movidos rapidamente, com precisão e de forma segura para manter o equipamento dentro do cronograma. Normalmente, este equipamento é operado hidraulicamente, como a maioria dos sistemas modernos também incorpora um sistema de controle eletrônico sofisticado, o que simplifica a operação e permite um considerável grau de automação.

A Concepção de tais sistemas de controle é um desafio porque quando uma grua estiver em movimento o seu comportamento dinâmico depende, entre outras coisas, do comportamento elétrico e hidráulico preciso das válvulas de controle, o desempenho dos seus atuadores hidráulicos, a inércia da estrutura da grua, a sua carga e as complexas interações entre todos estes componentes.

Esta complexidade não só torna a programação do sistema de controle de um guindaste difícil, ele também coloca desafios para a sua concepção mecânica e hidráulica. As equipes de projeto deve assegurar que os componentes hidráulicos que escolheram vai ser entregar o nível exigido de capacidade de resposta de movimentação de carga, ou "largura de banda", além de considerar uma série de outros fatores, incluindo o custo, tamanho e peso dos componentes, a confiabilidade a longo prazo, e facilidade de manutenção .

Um projeto de pesquisa no curso do Departamento de Engenharia da Universidade de Agder na Noruega, realizado em conjunto com o fabricante de equipamentos offshore de Aker Solutions, visa simplificar este desafio formidável do projeto, permitindo que os engenheiros possam construir e executar simulações detalhadas do equipamentos antes de montar num parte única. O MapleSim, a ferramenta de modelagem à nível de sistema, está desempenhando um papel fundamental nesta iniciativa.

A Morten Kollerup Bak é o companheiro de pesquisa de doutorado no comando do projeto. Ele explica como é feito. "Nosso objetivo é usar o projeto baseado em modelo, para prever o comportamento dos produtos acabados e para apoiar as decisões do projeto", diz ele. "Para que isso funcione, tudo depende do seu poder de modelar toda a estrutura e os sistemas de controle em detalhes suficientes para ter uma ideia realista do seu desempenho."

No trabalho de Bak, o MapleSim é vital para a construção de tais modelos precisos. "Eu dividi todo o sistema em três modelos diferentes - a estrutura mecânica, o sistema de acionamento hidráulico e sistema de controle elétrico", diz ele."Eu estou usando o MapleSim para modelar as duas primeiras partes e, em alguns casos, todos os três."

O MapleSim é bom para este trabalho, explica ele, porque combina uma extensa biblioteca de elementos padrão Modelica, com a capacidade de integrar facilmente componentes personalizados. E esse grau de personalização é essencial para alcançar a precisão e detalhe requerido para o projeto baseado em modelos físicos.

"Nosso objetivo com este trabalho é a construção de modelos de sistemas hidráulicos, tanto quanto possível a partir de dados do catálogo padrão", observa Bak. "Mas descobrimos rapidamente que os fabricantes de componentes nem sempre fornecem todos os dados que você precisa, especialmente quando você está olhando para o comportamento exato de seus componentes em condições dinâmicas."

Para a obtenção dos dados em falta, Bak construiu modelos personalizados dos principais componentes, como válvulas de controle, e validada sua precisão através da realização de testes em componentes individuais que operam de forma isolada.

Uma vez que ele tem confiança no desempenho dos componentes personalizados, o Eng. Bak pode integrá-los nos modelos em MapleSim de todo o sistema de atuação e, em seguida, usá-lo para avaliar o desempenho provável da grua completa. "Com o meu parceiro industrial, que já construiu um modelo de um dos seus guindastes existentes e demonstrou que prevê o comportamento real do guindaste com precisão. Agora nós começamos usando o modelo em nosso trabalho de projeto, olhando para o impacto provável das substituições ou alterações de projetos para os componentes individuais. "

A capacidade de modelar tais mudanças antes de construir o sistema é, obviamente, extremamente útil para os designers  Para a Aker Solutions, a próxima etapa do projeto tem o potencial de mudar fundamentalmente seus papéis. "Em última análise, queremos usar nossos modelos para automação do projeto", explica Bak. "Nesta abordagem alimentar o sistema com os requisitos de desempenho do produto acabado e, com uma biblioteca de opções para os componentes mecânicos e hidráulicos, em seguida, permitir a busca de uma solução ótima."

A Otimização através de centenas de componentes e milhares de parâmetros seria demorado, difícil e maçante para os projetistas humanos, mas um modelo simulado criado, usando o MapleSim pode completar essa tarefa de forma rápida. Mesmo assim, um sistema viável requer um algoritmo de busca eficiente e o Sr. Bak planeja usar o método complexo. "No algoritmo, completar a simulação com um número de projetos gerados aleatoriamente e que avalia o desempenho de cada um", explica ele. "Em seguida, ele escolhe o projeto com o pior desempenho e 'espelhos' de TI em todo o baricentro dos demais projetos para a produção de uma solução que deve funcionar de forma mais eficaz." Este processo é repetido, com um projeto de desempenho pior e a cada vez é substituído, até que as soluções convergem sobre o resultado ideal.

Inicialmente, o Sr. Bak está usando estabilidade e precisão, como critérios de desempenho, e, consequentemente, a melhor solução é o projeto produzindo o menor nível de oscilações no sistema hidráulico e com melhor habilidade para seguir a posição de referência alimentando o sistema de controle. Mais tarde Bak planeja acrescentar outros critérios, tais como custo, robustez e confiabilidade a longo prazo.

Como a Universidade de Agder coloca seus modelos para usos cada vez mais exigentes, outros aspectos do MapleSim estão se tornando mais importante. "Eu estou usando o MATLAB® e o Simulink® para executar o algoritmo de otimização do projeto", observa Bak. "Desde que o MapleSim oferece um link direto para esse pacote, é fácil de integrar as duas partes do trabalho." Otimização do projeto também faz exigências consideráveis ​​sobre a eficiência dos pacotes de computação, uma vez que uma única otimização pode exigir centenas ou milhares de simulações separadas. "O MapleSim executa rápido e parece ser computacionalmente mais eficiente, o que é essencial para manter o tempo de execução à um nível controlável, como realizar análises maiores e mais sofisticadas", conclui.

MATLAB e Simulink são marcas registradas.

O Dr. James Andrew Smith, professor de engenharia elétrica e biomédica na Universidade Ryerson, em Toronto, está muito animado com as mudanças experimentais que ele fez para a sua abordagem de ensino em sala de aula. Ele introduziu ferramentas e métodos que ajudam os alunos a gerar conhecimento por meio da interação, explorar melhor o assunto e criar uma compreensão mais aprofundada do assunto. Ele chama isso de uma "abordagem indutiva" para aprender um pouco do que a "abordagem dedutiva" tradicional.Ele considera o MapleSim - o sistema de modelagem à nível de sistema a ferramenta de simulação da Maple software - como a ferramenta de aprendizagem indutiva chave, muito diferente das ferramentas de aprendizagem dedutivas.

O Dr. Smith introduziu o MapleSim no terceiro ano do programa de Engenharia Elétrica, nas aulas centradas em uma introdução à robótica e microssistemas. Um dos objetivos dessas classes é familiarizar os alunos com as ferramentas para análise, simulação, visualização e design. Ele usou a ferramenta de modelagem à nível de sistema do MapleSim para ver como uma abordagem indutiva para a aprendizagem pode melhorar a compreensão dos alunos. "Uma abordagem indutiva permite aos alunos explorarem um sistema, e derivem equações dos comportamentos que observamos no sistema", explicou o Dr. Smith. "Em contraste com a abordagem dedutiva, que é a forma tradicional de ensino, que envolve dar aos alunos um conjunto de equações e deixá-los deduzir o que significa e qual o tipo de comportamento que demonstra. A abordagem indutiva permite a geração de conhecimento através da interação e empurra os alunos a explorar ainda mais. "

De acordo com o Dr. Smith, as ferramentas tradicionais têm o seu lugar, mas não deixa que os alunos vêem sob o capô, o que é um impedimento para a aprendizagem. "O que faz MapleSim diferente dos outros é que os alunos podem pedir ao MapleSim para mostrar as equações subjacentes e interagir com elas em diferentes cenários. Essa abertura é muito diferente de outras ferramentas no mercado. Com o MapleSim, os alunos podem se conectar facilmente com os modelos analíticos de livros didáticos para as soluções numéricas que resultam da simulação. Ele também tem uma interface muito intuitiva que torna mais fácil para os alunos explorar o software e chegar a novas conclusões. "

Como ilustração, o Dr. Smith fornece um tema simples tratado no programa de engenharia do terceiro ano. Um conceito muito fundamental todos os alunos lidam com a classe na engenharia elétrica é o tema de amplificadores operacionais. É importante que os alunos em como controlar um amplificador operacional, modular um sinal ou como ele amplifica / atenua um sinal, e qualquer pacote de simulação utilizado tem que ser capaz de facilitar um entendimento muito claro deste conceito. Tradicionalmente, o instrutor remete para um livro de texto padrão, como "The Art of Electronics" e dar aos alunos as regras de ouro de amplificadores operacionais e dizer-lhes como entra em certas portas  e não em outras portas e que tensões devem ser de um valor particular. Os alunos então, pedem para resolver os circuitos a mão."Há um grande potencial para o erro aqui", disse o Dr. Smith. "É pedir muito dos alunos, especialmente se eles não tiveram nenhuma experiência com eletrônica, e é difícil para eles descobrir isso em um curto espaço de tempo."

Em alternativa, a abordagem indutiva do MapleSim. Ele faz os alunos começarem por desenhar o esquema, e, em seguida, simular com o MapleSim. Ele, então, extrai as equações subjacentes, explora usando diferentes cenários, e analisa as equações para tirar conclusões. "A melhor parte para os alunos é que eles podem combiná-lo com o que estão vendo em seus livros", disse Smith. "O processo de simulação é o mesmo que eles vêem no livro texto. Isso reforça o que lêem e fornece uma boa ligação entre o que eles fazem no computador e o que eles vêem no livro ".

Além disso, o Dr. Smith leva o uso do MapleSim mais longe, estendendo exemplos básicos do livro para mostrar aos alunos mais ilustrações uteis da vida real. Isso amplia as possibilidades dos alunos e eles são encorajados a pensar além do espaço limitado de um problema particular. Por causa da abordagem à nível de sistema do MapleSim, para sistemas multi-domínio. Os alunos muitas vezes estendem um problema de engenharia elétrica para o que aprendem na sua classe de engenharia mecânica ou classe de instrumentação. "Para mim, este é o verdadeiro poder do MapleSim", acrescentou o Dr. Smith. "Por causa de suas possibilidades de modelagem multi-domínio, bate outras ferramentas de software que são semelhantes. Ele proporciona aos alunos um ambiente familiar para trabalhar, e os ajuda a relacionar problemas e exemplos de diferentes áreas para obter uma visão abrangente ".

O Dr. Smith está convencido de que o MapleSim é uma ferramenta fundamental na caixa de ferramentas de um instrutor de engenharia, pois facilita a aprendizagem indutiva, o que, acredita ele, é o paradigma do futuro.