Создание хранилища данных имитационного ансамбля, представляющего машину, работающую в условиях отказа, путем моделирования модели машины Simulink ® с изменением параметра отказа.

Загрузите модель Simulink. Эта модель является упрощенной версией модели коробки передач, описанной в разделе Использование Simulink для генерации данных о неисправностях. В этом примере моделируется только один режим отказа - отказ зубчатого колеса.

mdl = 'TransmissionCasingSimplified';
open_system(mdl)

Неисправность зубьев зубьев моделируется как нарушение в Gear Tooth fault подсистема. Величина возмущения контролируется переменной модели ToothFaultGain, где ToothFaultGain = 0 соответствует отсутствию отказа зуба зуба (исправная работа). Для генерации совокупности данных об отказах используется generateSimulationEnsemble для моделирования модели при различных значениях ToothFaultGain, в диапазоне от -2 до нуля. Эта функция использует массив Simulink.SimulationInput объекты для настройки модели Simulink для каждого участника ансамбля. Каждое моделирование генерирует отдельного члена ансамбля в собственном файле данных. Создать такой массив и использовать setVariable назначение значения коэффициента усиления при отказе зуба для каждого прогона.

toothFaultValues  = -2:0.5:0; % 5 ToothFaultGain values 

for ct = numel(toothFaultValues):-1:1
    simin(ct) = Simulink.SimulationInput(mdl);
    simin(ct) = setVariable(simin(ct),'ToothFaultGain',toothFaultValues(ct));
end

В этом примере модель уже сконфигурирована для регистрации определенных значений сигнала. Vibration и Tacho (см. раздел Экспорт данных сигнала с использованием регистрации сигнала (Simulink)). generateSimulationEnsemble далее конфигурирует модель следующим образом:

Укажите местоположение для созданных данных. Для этого примера сохраните данные в папке с именем Data в текущей папке. Индикатор status равно 1 (true) если все моделирования завершены без ошибок.

mkdir Data
location = fullfile(pwd,'Data');
[status,E] = generateSimulationEnsemble(simin,location);

[22-Apr-2021 20:12:51] Running simulations...
[22-Apr-2021 20:13:12] Completed 1 of 5 simulation runs
[22-Apr-2021 20:13:29] Completed 2 of 5 simulation runs
[22-Apr-2021 20:13:52] Completed 3 of 5 simulation runs
[22-Apr-2021 20:14:24] Completed 4 of 5 simulation runs
[22-Apr-2021 20:14:41] Completed 5 of 5 simulation runs

Внутри Data проверьте один из файлов. Каждый файл представляет собой MAT-файл, содержащий следующие переменные MATLAB ® :

Теперь можно создать хранилище данных ансамбля моделирования с использованием созданных данных. Получающееся simulationEnsembleDatastore объект указывает на сгенерированные данные. Объект перечисляет переменные данных в ансамбле, и по умолчанию для чтения выбираются все переменные. Осмотрите DataVariables и SelectedVariables свойства ансамбля для подтверждения этих обозначений.

ensemble = simulationEnsembleDatastore(location)

ensemble = 
  simulationEnsembleDatastore with properties:

           DataVariables: [4x1 string]
    IndependentVariables: [0x0 string]
      ConditionVariables: [0x0 string]
       SelectedVariables: [4x1 string]
                ReadSize: 1
              NumMembers: 5
          LastMemberRead: [0x0 string]
                   Files: [5x1 string]

ensemble.DataVariables

ans = 4x1 string
    "SimulationInput"
    "SimulationMetadata"
    "Tacho"
    "Vibration"

ensemble.SelectedVariables

ans = 4x1 string
    "SimulationInput"
    "SimulationMetadata"
    "Tacho"
    "Vibration"

Теперь вы можете использовать ensemble для чтения и анализа сгенерированных данных в хранилище данных ансамбля. Посмотрите simulationEnsembleDatastore для получения дополнительной информации.

В общем, вы используете read команда для извлечения данных из simulationEnsembleDatastore в рабочую область MATLAB ®. Часто ансамбль содержит больше переменных, чем требуется для конкретного анализа. Используйте SelectedVariables имущества simulationEnsembleDatastore для выбора подмножества переменных для чтения.

В этом примере используйте следующий код для создания simulationEnsembleDatastore с использованием данных, ранее сгенерированных при запуске модели Simulink ® с различными значениями отказов ( см.generateSimulationEnsemble.). Ансамбль включает в себя данные моделирования для пяти различных значений параметра модели, ToothFaultGain. Из-за объема данных, unzip операция занимает несколько минут.

unzip simEnsData.zip  % extract compressed files
ensemble = simulationEnsembleDatastore(pwd,'logsout')

ensemble = 
  simulationEnsembleDatastore with properties:

           DataVariables: [5x1 string]
    IndependentVariables: [0x0 string]
      ConditionVariables: [0x0 string]
       SelectedVariables: [5x1 string]
                ReadSize: 1
              NumMembers: 5
          LastMemberRead: [0x0 string]
                   Files: [5x1 string]

Модель, которая создала данные, TransmissionCasingSimplified, был сконфигурирован таким образом, что результирующий ансамбль содержит переменные, включая данные акселерометра, Vibrationи данные тахометра, Tacho. По умолчанию simulationEnsembleDatastore объект обозначает все эти переменные как переменные данных и выбранные переменные, как показано в DataVariables и SelectedVariables свойства.

ensemble.DataVariables

ans = 5x1 string
    "PMSignalLogName"
    "SimulationInput"
    "SimulationMetadata"
    "Tacho"
    "Vibration"

ensemble.SelectedVariables

ans = 5x1 string
    "PMSignalLogName"
    "SimulationInput"
    "SimulationMetadata"
    "Tacho"
    "Vibration"

Предположим, что для анализа, который вы хотите сделать, вам нужно только Vibration данные и Simulink.SimulationInput объект, описывающий условия, при которых были смоделированы данные этого элемента. Набор ensemble.SelectedVariables для указания переменных, которые требуется прочитать. read затем команда извлекает эти переменные из текущего члена ансамбля.

ensemble.SelectedVariables = ["Vibration";"SimulationInput"];
data1 = read(ensemble)

data1=1×2 table
         Vibration                SimulationInput        
    ___________________    ______________________________

    {20202x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}

data.Vibration является массивом ячеек, содержащим один timetable сохраняет время моделирования и соответствующий вибросигнал. Теперь эти данные можно обработать по мере необходимости. Например, извлеките данные вибрации из таблицы и постройте ее график.

vibdata1 = data1.Vibration{1};
plot(vibdata1.Time,vibdata1.Data)
title('Vibration - First Ensemble Member')

При следующем звонке read в этом ансамбле последнее прочитанное обозначение участника переходит к следующему члену ансамбля (см. Ансамбли данных для мониторинга состояния и предиктивного обслуживания). Прочитайте выбранные переменные из следующего участника ансамбля.

data2 = read(ensemble)

data2=1×2 table
         Vibration                SimulationInput        
    ___________________    ______________________________

    {20215x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}

Чтобы подтвердить, что data1 и data2 содержат данные от разных членов ансамбля, исследуют значения параметра изменяемой модели, ToothFaultGain. Для каждого ансамбля это значение хранится в Variables области SimulationInput переменная.

data1.SimulationInput{1}.Variables

ans = 
  Variable with properties:

           Name: 'ToothFaultGain'
          Value: -2
      Workspace: 'global-workspace'
    Description: ""

data2.SimulationInput{1}.Variables

ans = 
  Variable with properties:

           Name: 'ToothFaultGain'
          Value: -1.5000
      Workspace: 'global-workspace'
    Description: ""

Этот результат подтверждает, что data1 от участника ансамбля с ToothFaultGain = -2, и data2 из элемента с ToothFaultGain = –1.5.

Можно обрабатывать данные в хранилище данных ансамбля и добавлять производные переменные к членам ансамбля. В этом примере обрабатывается значение переменной для вычисления метки, которая указывает, содержит ли элемент ансамбля данные, полученные при наличии неисправности. Затем вы добавляете этот лейбл в ансамбль.

В этом примере используйте следующий код для создания simulationEnsembleDatastore с использованием данных, ранее созданных при выполнении модели Simulink ® с различными значениями отказов. ( см.generateSimulationEnsemble.) Ансамбль включает в себя данные моделирования для пяти различных значений параметра модели, ToothFaultGain. Модель настроена на запись данных моделирования в переменную с именем logsout в MAT-файлах, которые хранятся для этого примера в simEnsData.zip. Из-за объема данных, unzip операция может занять минуту или две.

unzip simEnsData.zip  % extract compressed files
ensemble = simulationEnsembleDatastore(pwd,'logsout')

ensemble = 
  simulationEnsembleDatastore with properties:

           DataVariables: [5x1 string]
    IndependentVariables: [0x0 string]
      ConditionVariables: [0x0 string]
       SelectedVariables: [5x1 string]
                ReadSize: 1
              NumMembers: 5
          LastMemberRead: [0x0 string]
                   Files: [5x1 string]

Прочитайте данные от первого участника ансамбля. Программа определяет, какой ансамбль является первым участником, и обновляет свойство ensemble.LastMemberRead для отражения имени соответствующего файла.

data = read(ensemble)

data=1×5 table
    PMSignalLogName           SimulationInput                   SimulationMetadata                   Tacho                Vibration     
    _______________    ______________________________    _________________________________    ___________________    ___________________

      {'logsout'}      {1x1 Simulink.SimulationInput}    {1x1 Simulink.SimulationMetadata}    {20202x1 timetable}    {20202x1 timetable}

По умолчанию все переменные, хранящиеся в данных ансамбля, обозначаются как SelectedVariables. Поэтому возвращаемая строка таблицы включает все переменные ансамбля, включая переменную. SimulationInput, который содержит Simulink.SimulationInput объект, настроивший моделирование для этого участника ансамбля. Этот объект включает в себя ToothFaultGain значение, используемое для члена ансамбля, хранящееся в структуре данных в его Variables собственность. Изучите это значение. (Дополнительные сведения о том, как хранится конфигурация моделирования, см. в разделе Simulink.SimulationInput (Симулинк).)

data.SimulationInput{1}

ans = 
  SimulationInput with properties:

          ModelName: 'TransmissionCasingSimplified'
       InitialState: [0x0 Simulink.op.ModelOperatingPoint]
      ExternalInput: []
    ModelParameters: [0x0 Simulink.Simulation.ModelParameter]
    BlockParameters: [0x0 Simulink.Simulation.BlockParameter]
          Variables: [1x1 Simulink.Simulation.Variable]
          PreSimFcn: []
         PostSimFcn: []
         UserString: ''

Inputvars = data.SimulationInput{1}.Variables;
Inputvars.Name

ans = 
'ToothFaultGain'

Inputvars.Value

ans = -2

Предположим, что требуется преобразовать ToothFaultGain значения для каждого члена ансамбля в двоичный индикатор наличия или отсутствия отказа зуба. Предположим далее, что из вашего опыта работы с системой вы знаете, что значения коэффициента усиления при повреждении зуба менее 0,1 величины достаточно малы, чтобы считаться здоровой работой. Преобразуйте значение усиления для этого ансамбля в индикатор, который равен 0 (без ошибок) для -0.1 < усиление < 0,1, и 1 (отказ) в противном случае.

sT = abs(Inputvars.Value) < 0.1;

Чтобы добавить новый индикатор отказа зуба к соответствующим данным ансамбля, сначала разверните список переменных данных в ансамбле, чтобы включить переменную для индикатора.

ensemble.DataVariables = [ensemble.DataVariables; "ToothFault"];
ensemble.DataVariables

ans = 6x1 string
    "PMSignalLogName"
    "SimulationInput"
    "SimulationMetadata"
    "Tacho"
    "Vibration"
    "ToothFault"

Эта операция концептуально эквивалентна добавлению столбца в таблицу данных ансамбля. Теперь это DataVariables содержит новое имя переменной, присвойте производное значение этому столбцу элемента с помощью writeToLastMemberRead.

writeToLastMemberRead(ensemble,'ToothFault',sT);

На практике необходимо добавить индикатор отказа зуба к каждому члену ансамбля. Для этого необходимо сбросить хранилище данных ансамбля в непрочитанное состояние, чтобы следующая операция чтения началась у первого участника ансамбля. Затем, петля через всех участников ансамбля, вычисления ToothFault для каждого элемента и добавление его. reset операция не изменяется ensemble.DataVariables, так "ToothFault" все еще присутствует в этом списке.

reset(ensemble);

sT = false; 
while hasdata(ensemble)
    data = read(ensemble);
    InputVars = data.SimulationInput{1}.Variables;
    TFGain = InputVars.Value;
    sT = abs(TFGain) < 0.1;
    writeToLastMemberRead(ensemble,'ToothFault',sT);
end

Наконец, обозначьте новый индикатор отказа зуба как переменную условия в хранилище данных ансамбля. Это обозначение можно использовать для отслеживания и ссылки на переменные в данных ансамбля, которые представляют условия, при которых были созданы данные элемента.

ensemble.ConditionVariables = {"ToothFault"};
ensemble.ConditionVariables

ans = 
"ToothFault"

Можно добавить новую переменную в ensemble.SelectedVariables когда вы хотите прочитать его для дальнейшего анализа. Пример, показывающий дополнительные способы управления и анализа данных, хранящихся в simulationEnsembleDatastore см. раздел Использование Simulink для формирования данных об отказах.

Считывание данных от нескольких участников ансамбля за один вызов read используйте команду ReadSize свойство хранилища данных ансамбля. В этом примере используется simulationEnsembleDatastore, но вы можете использовать ту же технику для fileEnsembleDatastore.

Используйте следующий код для создания simulationEnsembleDatastore с использованием данных, ранее сгенерированных при запуске модели Simulink с различными значениями отказов (см. generateSimulationEnsemble). Ансамбль включает в себя данные моделирования для пяти различных значений параметра модели, ToothFaultGain. (Из-за объема данных, unzip операция может занять минуту или две.) Укажите некоторые переменные данных для чтения.

unzip simEnsData.zip  % extract compressed files
ensemble = simulationEnsembleDatastore(pwd,'logsout');
ensemble.SelectedVariables = ["Vibration";"SimulationInput"];

По умолчанию вызов read в этом хранилище данных ансамбля возвращается однострочная таблица, содержащая значения Vibration и SimulationInput переменные для первого участника ансамбля. Изменить ReadSize свойство для чтения сразу трех членов.

ensemble.ReadSize = 3;
data1 = read(ensemble)

data1=3×2 table
         Vibration                SimulationInput        
    ___________________    ______________________________

    {20202x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}
    {20215x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}
    {20204x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}

read возвращает таблицу из трех строк, в которой каждая строка содержит данные одного из первого, второго и третьего участников ансамбля. read также обновляет LastReadMember свойство хранилища данных ансамбля на строковый массив, содержащий пути к трем соответствующим файлам. Избегайте настройки ReadSize значение настолько велико, что при загрузке данных может оказаться недостаточно памяти.

Если ансамбль содержит три или более дополнительных участников, следующий read возвращает данные из четвертого, пятого и шестого элементов. Поскольку ансамбль этого примера содержит всего пять участников, следующий read возвращает только две строки.

data2 = read(ensemble)

data2=2×2 table
         Vibration                SimulationInput        
    ___________________    ______________________________

    {20213x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}
    {20224x1 timetable}    {1x1 Simulink.SimulationInput}