基于统一建模语言的同步电机建模及仿真说明书带开题
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1毕业设计的主要内容、重点和难点等主要内容是基于统一建模语言在Dymola软件环境下构建异步电机模型,在对模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。要.对现有仿真建模语言进行比较研究。能够基于统一建模语言Modelica构建异步电机模型。实现.对异步电机模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。难点是未接触过Dymola软件,关于Dymola软件的书本较少,在图书馆无法借阅相关书籍,对Modelica语言不熟悉,以前也没有对电机的各种参数深入学习研究过,其中的关系理解不够透彻。2准备情况(查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等)1. Unigraphics Solutions Inc编著, 张琴译. UG相关参数化设计培训教程M. 北京: 清华大学出版社, 20022. 童秉枢. 参数化计算机绘图与设计M.北京: 清华大学出版社, 19973. 赵志鹏, 孙向阳. UG NX 4中文版从入门到精通M. 北京:人民邮电出版社,20084. 张彬. UG NX 4.0中文版机械设计实例教程M. 北京:电子工业出版社,20075. 张彬. UG NX 4.0中文版机械设计实例教程M. 北京:电子工业出版社,20076. 郑贞平. UG NX 4.0中文版零件设计M. 北京:清华大学出版社,20077. 阮春红, 刘世平, 严婷. 基于UG的三维标准件库的研究与开发J. 湖北工业大学学报, 22(6), 2007: 69-718. 张宁. 基于UG环境的刀具CAD系统开发及三维参数化零件库研究D. 西北工业大学硕士学位论文, 20059. 机械设计手册编委会. 机械设计手册Z. 北京:机械工业出版社,2007-310. Duncan,Helen. Current state of CAD a usersperspective,Microwave Engineering Europe,2000,(5):90-98已具备设备:一台装有Dymola软件的计算机,3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料2009年3月6日前,完成开题报告;2009年3月20日前,查阅相关书籍,将同步电机的工作原理理解透彻,清楚其输入输出关系和动态响应特性,将建模仿真所需参数列出;2009年4月10日前,利用网络、书籍等资源学习Dymola软件及Modelica语言,并能在Dymola软件环境下构建同步电机模型;分析调试构建的电机模型,并最终能获取较优的动态响应;2009年4月25日前,最后完善各种文档。预计能在2009年5月10日前提交设计资料。指导教师意见指导教师(签字): 年月日开题小组意见开题小组组长(签字):年月日 院(系、部)意见 主管院长(系、部主任)签字: 年月日- 3 - 编号: 毕业设计(论文)外文翻译(译文)院 (系): 机电工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化学生姓名: 马端理 学 号: 0500110117 指导教师单位: 机制教研室 姓 名: 蒋占四 职 称: 教授 2009年5月30日数控技术发展趋势1 数控技术数控是自动化可编程技术的一种形式,通过数字、字母和其他符号来控制加工设备。数字、字母和符号用适当的格式编码为一个特定工件定义指令程序。当工件改变时,指令程序就改变。这种改变程序的能力使数控适合于中、小批量生产,写一段新程序远比对加工设备做大的改动容易得多。数控机床有两种基本形式:点位控制和连续控制(也称为轮廓控制)。点位控制机床采用异步电动机,因此,主轴的定位只能通过完成一个运动或一个电动机的转动来实现。这种机床主要用于直线切削或钻孔、镗孔等场合。数控系统由下列组件组成:数据输入装置,带控制单元的磁带阅读机,反馈装置和切削机床或其他形式的数控设备。数据输人装置,也称“人机联系装置”,可用人工或全自动方法向机床提供数据。人工方法作为输人数据唯一方法时,只限于少量输入。人工输入装置有键盘,拨号盘,按钮,开关或拨轮选择开关,这些都位于机床附近的一个控制台上。拨号盘通常连到一个同步解析器或电位计的模拟装置上。在大多数情况下,按钮、开关和其他类似的旋钮是数据输入元件。人工输入需要操作者控制每个操作,这是一个既慢又单调的过程,除了简单加工场合或特殊情况,已很少使用。几乎所有情况下,信息都是通过卡片、穿孔纸带或磁带自动提供给控制单元。在传统的数控系统中,八信道穿孔纸带是最常用的数据输入形式,纸带上的编码指令由一系列称为程序块的穿孔组成。每一个程序块代表一种加工功能、一种操作或两者的组合。纸带上的整个数控程序由这些连续数据单元连接而成。带有程序的长带子像电影胶片一样绕在盘子上,相对较短的带子上的程序可通过将纸带两端连接形成一个循环而连续不断地重复使用。带子一旦安装好,就可反复使用而无需进一步处理。此时,操作者只是简单地上、下工件。穿孔纸带是在带有特制穿孔附件的打字机或直接连到计算机上的纸带穿孔装置上做成的。纸带制造很少不出错,错误可能由编程、卡片穿孔或编码、纸带穿孔时的物理损害等形成。通常,必须要试走几次来排除错误,才能得到一个可用的工作纸带。 虽然纸带上的数据是自动进给的,但实际编程却是手工完成的,在编码纸带做好前,编程者经常要和一个计划人员或工艺工程师一起工作,选择合适的数控机床,决定加工材料,计算切削速度和进给速度,决定所需刀具类型,仔细阅读零件图上尺寸,定下合适的程序开始的零参考点,然后写出程序清单,其上记载有描述加工顺序的编码数控指令,机床按顺序加工工件到图样要求。控制单元接受和储存编码数据,直至形成一个完整的信息程序块,然后解释数控指令,并引导机床得到所需运动。为更好理解控制单元的作用,可将它与拨号电话进行比较,即每拨一个数字,就储存一个,当整个数字拨好后,电话就被激活,也就完成了呼叫。 装在控制单元里的纸带阅读机,通过其内的硅光二极管,检测到穿过移动纸带上的孔漏过的光线,将光束转变成电能,并通过放大来进一步加强信号,然后将信号送到控制单元里的寄存器,由它将动作信号传到机床驱动装置。有些光电装置能以高达每秒1000个字节的速度阅读,这对保持机床连续动作是必须的,否则,在轮廓加工时,刀具可能在工件上产生划痕。阅读装置必须要能以比控制系统处理数据更快的速度来阅读数据程序块。反馈装置是用在一些数控设备上的安全装置,它可连续补偿控制位置与机床运动滑台的实际位置之间的误差。装有这种直接反馈检查装置的数控机床有一个闭环系统装置。位置控制通过传感器实现,在实际工作时,记录下滑台的位置,并将这些信息送回控制单元。接受到的信号与纸带输入的信号相比较,它们之间的任何偏差都可得到纠正。在另一个称为开环的系统中,机床仅由响应控制器命令的步进电动机驱动定位,工件的精度几乎完全取决于丝杠的精度和机床结构的刚度。有几个理由可以说明步进电机是一个自动化申请的非常有用的驱动装置。对于一件事物,它被不连续直流电压脉冲驱使,是来自数传计算机和其他的自动化的非常方便的输出控制系统。当多数是索引或其他的自动化申请所必备者的时候,步进电机对运行一个精确的有角进步也是理想的。因为控制系统不需要监听就提供特定的输出指令而且期待系统适当地反应的公开- 环操作造成一个回应环,步进电机是理想的。 一些工业的机械手使用高抬腿运步的马乘汽车驾驶员,而且步进电机是有用的在数字受约束的工作母机中。 这些申请的大部分是公开- 环 ,但是雇用回应环检测受到驱策的成份位置是可能的。 环的一个分析者把真实的位置与需要的位置作比较,而且不同是考虑过的错误。 那然后驾驶员能发行对步进电机的电脉冲,直到错误被减少对准零位。在这个系统中,没有信息反馈到控制单元的自矫正过程。出现误动作时,控制单元继续发出电脉冲。比如,一台数控铣床的工作台突然过载,阻力矩超过电机转矩时,将没有响应信号送回到控制器。因为,步进电机对载荷变化不敏感,所以许多数控系统设计允许电机停转。然而,尽管有可能损坏机床结构或机械传动系统,也有使用带有特高转矩步进电机的其他系统,此时,电动机有足够能力来应付系统中任何偶然事故。最初的数控系统采用开环系统。在开、闭环两种系统中,闭环更精确,一般说来更昂贵。起初,因为原先传统的步进电动机的功率限制,开环系统几乎全部用于轻加工场合,最近出现的电液步进电动机已越来越多地用于较重的加工领域。2 数控技术发展趋势2.1国内外数控系统发展概况随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,CAD/CAM与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节,整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量,因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了CNC向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程,因此,对数控技术实行变革势在必行。我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为3个阶段:第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段,我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50,配国产数控系统(普及型)也达到了10。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础,基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术,其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础,部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上,建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步,但我们也要清醒地认识到,我国高端数控技术的研究开发,尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快,但横向比(与国外对比)不仅技术水平有差距,在某些方面发展速度也有差距,即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看,对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上,与国外先进水平大约落后1015年,在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上,市场占有率低,品种覆盖率小,还没有形成规模生产;功能部件专业化生产水平及成套能力较低;外观质量相对差;可靠性不高,商品化程度不足;国产数控系统尚未建立自己的品牌效应,用户信心不足。c.可持续发展的能力上,对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱;数控技术应用领域拓展力度不强;相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足;对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足;对我国数控技术应用水平及能力分析不够。b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多,从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少;没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失,又制约了技术及技术路线创新、产品创新,且制约了规划的有效实施,往往规划理想,实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强,核心技术的工程化能力不强。机床标准落后,水平较低,数控系统新标准研究不够。2.2战略考虑以及发展策略我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,即要掌握先进制造核心技术,否则在新一轮国际产业结构调整中,我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价,交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”,而非掌握核心技术的制造中心的地位,这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题,首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面,要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合,以“做得出、用得上、卖得掉”为目标,按国家意志实施攻关,以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面,强调创新,强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品,为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。3数控技术发展趋势3.1性能发展方向效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40秒/辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min,快速为100m/min,加速度达2g,主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件,只用30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需3h,在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。(1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。(3)工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴,西门子880系统控制轴数可达24轴。 (4)实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展:自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统,在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m,精密级加工中心则从35m,提高到11.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面,国外数控装置的MTBF值已达6000h以上,伺服系统的MTBF值达到30000h以上,表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。3.2功能发展方向(1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同,因而开发用户界面的工作量极大,用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用,人们可以通过窗口和菜单进行操作,便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据,使信息交流不再局限于用文字和语言表达,而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合,进一步拓宽了应用领域,如无图纸设计、虚拟样机技术等,这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域,可视化技术可用于CAD/CAM,如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。(3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。(4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块,可直接用梯形图或高级语言编程,具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例,用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改,从而方便地建立自己的应用程序。(5)多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域,应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化,在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。(6)5轴联动加工和复合加工机床快速发展,采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。一般认为,1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时,5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。在EMO2001展会上,新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头,可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现,还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工,可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。3.3体系结构的发展21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController),中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”(智能生产控制中心,简称CPC);日本大隈(Okuma)机床公司展出“ITplaza”(信息技术广场,简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment(开放制造环境,简称OME)等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术,可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点,可实现超大尺寸显示,成为和CRT抗衡的新兴显示技术,是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格,改进性能,减小组件尺寸,提高系统的可靠性。 (2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求,将基本模块,如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,作成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。(3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网,可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构,便于裁剪、扩展和升级,可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程,包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素,因此,要实现加工过程的多目标优化,必须采用多变量的闭环控制,在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式,易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,构成严密的制造过程闭环控制体系,从而实现集成化、智能化、网络化。4智能化新一代PCNC数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,形成严密的制造过程闭环控制体系。 进度计划表学生姓名: 学号: 序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12.9-2.15学习分析同步电机教师填写,下同22.16-2.22学习分析同步电机32.23-3.1学习分析同步电机43.2-3.8完成开题报告53.9-3.15学习modelica语言及Dymola仿真平台63.16-3.22学习modelica语言及Dymola仿真平台73.23-3.29学习modelica语言及Dymola仿真平台83.30-4.5学习modelica语言及Dymila仿真平台设计进度计划表(续)学生姓名: 学号: 序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名94.6-4.12构建电机模型教师填写,下同教师填写,下同104.13-4.19构建电机模型114.20-4.26构建电机模型124.27-5.3电机特性分析135.4-5.10电机特性分析145.11-5.17编写设计论文155.18-5.24完善设计论文165.25-5.31完成毕业设计,提交论文任务下达时间:2008年11月21日2第 2 页 共 2 页 一、毕业设计(论文)的内容、要求现代产品多由机电液控多领域组件混合而成,因此多领域、多学科的交叉融合已成为现代数字化设计与制造技术的发展趋势。Modelica模型是面向对象的数学模型,基于物理系统数学表示的内在一致性,它支持在一个模型中包含来自多个领域的模型组件,实现多领域建模和仿真。同步电机建模与仿真对其设计优化起着至关重要的作用。基于仿真对同步电机性能进行综合分析可很大程度上提高电机的设计效率和可靠性,从而获得最佳性能参数。该课题基于统一建模语言在Dymola软件环境下构建同步电机模型,在对模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。具体要求如下:1、 调研和查阅相关文献,对现有仿真建模语言进行比较研究;2、 熟悉Modelica语言以及Dymola仿真平台;3、 基于统一建模语言Modelica构建同步电机模型;4、 对同步电机模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。二、毕业设计(论文)应完成的工作毕业设计应完成的工作包括:1、完成二万字左右的毕业设计说明书(论文);在毕业设计说明书(论文)中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要; 2、独立完成与课题相关,不少于四万字符的指定英文资料翻译(附英文原文);3、在熟悉Modelica语言以及Dymola仿真平台的基础上,构建同步电机模型,对同步电机模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。4、完成绘图工作量折合A0图纸1张以上,其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸。三、应收集的资料及主要参考文献1 Fritzson P. Principles of object-oriented modeling and simulation with Modelica 2.1M. New York: IEEE Press, 20032 Modelica Group .Modelica Language SpecificationZ, version 2.2.3 Modelica WWW Site EB/OL. http:/www.modelica.org4 陈晓波, 熊光楞, 郭斌, 等. 基于HLA 的多领域建模研究J. 系统仿真学报, 2003, 15(11): 153715425 熊光楞. 协同仿真与虚拟样机技术M. 北京: 清华大学出版社, 20046 赵建军,丁建完, 周凡利, 陈立平. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理J.系统仿真学报, 2006,18(2): 570-573.7 Dynasim AB. Users Manual Dymola 6 Additions, 20068 杨世文, 苏铁熊, 李炯. 基于Modelica 语言的面向对象的发动机建模与仿真J. 车用发动机, 2004, (2): 39429 吴民峰. 多领域建模仿真平台中语义分析关键机制研究与实现D.华中科技大学硕士学位论文. 200610 刘敏. 基于Modelica的多领域物理系统建模平台的研究与开发D. 华中科技大学硕士学位论文. 2005四、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台多领域建模仿真求解软件(Dymola)任务下达时间:2008年 11 月 21 日毕业设计开始与完成时间:2009年3月9日至 2009年 6 月 29 日-装 - 订 - 线-组织实施单位:教研室主任意见:签字 2008 年 11 月 19 日院领导小组意见:签字 2008 年 11 月 20 日 基于统一建模语言的同步电机建模及仿真摘 要 目前, 随着计算机技术和模拟建模技术的发展,数学建模与仿真在产品设计中的作用越来越重要,已经成为测试和分析产品技术性能的一项重要手段。然而,现在产品的复杂程度逐渐提高,往往涉及机械、控制、电子、和软件等多学科领域,其每个部件、子系统都可能是由各个学科领域的零部件组成, 虽然各个学科领域都有比较成熟的仿真软件,但大部分仿真软件仅适用于本学科领域,并在模型表述中采用自己专门的格式,而复杂产品的整体性能需要多个领域仿真软件的协同仿真,需要在多个仿真软件间进行大量的数据交换,并进行系统层面上的建模,单领域仿真建模工具很难满足要求。因此要设计多领域建模与仿真平台,以满足当今产品生产的需要。 在本论文中,通过对多领域建模语言Modelica在数字电路中的应用以及多领域物理系统仿真平台Dymola系统的应用的介绍,让我们初步了解了多领域建模与仿真在当今产品设计中的应用。该论文主要包含以下的几个主要部分:首先介绍当今多领域建模仿真的发展状况。其次,介绍了有关电路设计和仿真的一些有关软件和平台,以及Modelica语言和Dymola仿真平台。接着,介绍了同步电机工作原理以及它的数学模型。最后,讲述如何利用Modelica语言和Dymola仿真平台建立同步电机仿真模型,以及对它进行分析测试。 本论文对课题的设计方法以及所利用的理论知识进行了详细的阐述,并对多领域建模语言Modelica以及仿真平台Dymola系统进行了介绍。关键字:同步电机建模仿真;同步电机动态响应;Modelica; Dymola系统。 Abstract At present, along with the computer technology and the simulation modelling technology development, mathematics modelling and the simulation is more and more important in the product design function,already became the test and an analysis product technical performance important method.However, now the product complex degree gradually enhances, often involves the machinery, the control, the electron, and software and soon the multi-disciplinary domain, its each part, the subsystem all possibly are is composed by each discipline domain spare part. Although each discipline domain has quite mature simulation softwares, however, most simulation softwares applie only to the areas of themselves, used their own special formats to illustrate the models, but complex products require multiple areas of the overall performance of simulation softwares co-simulation, and need a large number of data exchange among a number of simulation softwares,modeling on system level. single field of simulation modeling tools are very difficult to meet the requirements, therefore must design the multi- domains modelling and the simulation platform, meets now the product production needs. In this paper, through to multi- domains modelling language Modelica in the digital circuit application as well as the multi-domains physical system simulation platform Dymola system application introduction, lets us initially understand the multi- domainsmodelling and the simulation in now the product design application.Below this paper mainly contains several main parts: First briefs now the multi- domains modelling simulation development condition.Second, introduced the related circuit design and simulation somerelated software and the platform, as well as Modelica language and Dymola simulation platform.After that, introduced work principle of synchronous motor as well as its mathematical model. Finally, how narrates using the Modelica language and Dymola simulation platform establishment parallel synchronous motor the simulation model, as well as carries on the analysis test to them. The present paper the theory knowledge which as well as used to thetopic design method has carried on the detailed elaboration, and hascarried on the introduction to multi- domains modelling language Modelica as well as the simulation platform Dymola system. Key words: Synchronous machine modeling and simulation;Synchronous motor dynamic response,;Modelica;The Dymola system.目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题来源和研究背景11.2 国内外相关软件的发展概况41.2.1硬件描绘语言VHDL41.2.2 Matlab系统51.3 Modelica语言的介绍61.3.1 Modelica发展的历史61.3.2 Modelica的主要特征71.3.3 Modelica的主要功能81.4 课题研究的目的与意义111.5 课题主要内容122 同步电机基本原理123 仿真系统设计204 仿真结果及分析295 总结与展望355.1 总结355.2 展望35谢 辞37参考文献38391 绪论1.1 课题来源和研究背景该课题来源于桂林电子科技大学机电工程学院,课题主要研究面向对象的多领域建模语言Modelica的应用,本设计主要是研究Modelica在同步电机仿真中的方针及应用。 随着时代和科技的进步,计算机仿真技术日益成为各行业不可缺少的手段和技术。纵观系统仿真技术发展的历史可知,仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算技术的发展密切联系的。正是控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,同时计算机的出现以及计算技术的发展,为仿真技术提供了强有力的手段和工具。由于在计算机上建立系统的数学模型并运转和实验这个模型是十分经济、方便和灵活的,因而计算机仿真在仿真中越来越占有重要的地位。50年代末期到60年代,由于洲际导弹和宇宙飞船的姿态及轨道控制动力学的研究,促进了混合仿真技术的发展,1958年第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真。1964年生产出第一台商用混合计算机系统。60年代,阿波罗登月计划的成功及核电站的广泛使用进一步促进了仿真技术的发展。70年代开始,仿真技术被应用于社会、经济、生态、管理等非工程系统的研究,开拓了仿真技术的广阔应用前景。仿真技术现在已成为系统分析、研究、设计及人员训练不可缺少的重要手段,它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益与经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本,提高系统实验、调试及训练过程中的安全性,对于社会、经济系统,由于不可能直接进行实验,仿真技术更显出它的重要性。 现代仿真系统的总体要求如下(1)减少模型开发时间,即从重视编程转向重视建模,包括研究结构化建模的环境与工具,建立模型库及模型开发的专家系统等等。(2)改进精度,包括改进模型建立的精度及实验运行的精度,比如研究模型结构特征化的新方法模式识别法及人工智能法、连续动力学系统的数值解法、随机数产生的方法等等。(3)改进通信,包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信,比如研究模型的统一描述形式,图形输入与动画输出,仿真结果的统计、分析等。仿真实验要使得模型能够在计算机上运行,这部分工作要由仿真软件来完成。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件,它的特点是面向问题、面向用户,其功能可概括为:(1)模型描述的规范及处理;(2)仿真实验的执行与控制;(3)数据与结果的分析、显示及文档化;(4)对模型、实验模式、数据、图形或知识的存储、检索与管理。根据上述功能的实现情况,可以将仿真软件分为程序包具有(2)、(3)、(4)中一种或两种功能、仿真语言具有(1)、(2)、(3)功能和一体化仿真环境具有(1)一(4)全部功能的一体化软件系统。从目前看,仿真语言仍是仿真软件的主体。从软件发展的观点来看,最初出现的是一些功能简单的程序包,以后为便于仿真用户使用,开发了许多仿真语言,同时研制成仿真软件。为了满足这些要求,提出了以下几点。 改善建模环境,改善建模环境包括下述内容。(1)模块化、结构他建模技术 所谓结构化建模技术是指;根据不同实际系统的组成,对系统进行分解,抽象出它们的基本成分及组合关系;确定各种基本成分及其连接的描述形式并开发一种非过程编程语言(模型描述语言),根据应用领域的不同建立相应的模型库并使它与模型实验模块有机地结合起来。采用这种技术不仅能使仿真软件直接面向领域工程师,而且能大大缩短建模时间。 (2)图形建模技术 利用鼠标器在计算机屏幕上将模型库中已有的系统元件拼合成系统的横型。 在20世纪90年代以前,应用于特定领域的建模仿真软件在其取得成功的同时,伴随着新产品、新技术的不断出现,离复杂产品的现实要求之间的差距也越来越大,具体表现在:(1)对多领域建模支持不足:ADAMS,SIMPACK、Spice、VHDL-AMS、Flowmaster等在其特定专业领域,如机械、电子或液压等,功能相当完善,但对于来自其它领域的组件描述能力有限,对多领域统一建模的支持不足。(2)通用仿真系统如Simulink、ACSL等,有时需要对模型方程作手工推导和分解,然后建立对应的经过分解和变型的模型。建立的模型拓扑结构和实际的物理模型的拓扑结构相去甚远,因而不适合于物理建模(physical modeling)。(3)和传统的面向计算的建模方法不同,第一代面向对象的数学建模语言和仿真系统(ObjectMath,Dymola,Omola,NMF,gPROMS,Allan,Smile等)采用了面向对象和基于方程的建模方法,克服了以前面向过程的建模仿真语言的限制,但诸多语言本身又产生了兼容性和标准化的问题。 为此,来自不同领域的专家学者,在归纳和统一以前的多种面向对象的数学建模语言基础上,于1997年提出了一种新的多领域统一物理建模语言Modelica。 目前,国内高校和研究所对基于Modelica统一建模语言的多领域统一建模的研究还主要局限于基于Dymola软件的应用,如上海交通大学机械与动力工程学院借助于Dymola对燃气轮机、开关磁阻电机、同步电机和热机的分析应用,华北工学院对发动机和机械传动箱的建模分析以及河海大学常州校区机电学院在柔性结构振动控制上应用Modelica语言进行的建模分析等等,而对Modelica统一建模语言本身的研究及其软件支撑平台的开发几乎是空白。 一体化仿真环境是先进仿真技术的主要内容,也是这些技术的综合实现。它涉及到许多新的有关系统仿真的概念,如仿真的基本摄念框架,仿真基于模型的活动,仿真操作系统等。本文从仿真语言及其存在的问题出发,从而引进伤真的基本概念框架及一体化仿真环境,最后再从仿真操作系统的角度对一体化仿真环境作进一步讨论。当前的仿真语言还存在一些问题,有鉴于此,针对多领域耦合的复杂产品,研究开发多领域物理系统混合建模与仿真通用平台MWorks;进一步将针对机械系统,基于CAD技术和多体系统动力学对其进行拓展,研究开发复杂产品机械系统的虚拟功能样机系统FVPS,在统一环境下处理由机械、电子、液压、控制等多领域构件组成的复杂产品的设计分析问题;最终形成一套具有我国自主知识产权的集成化多领域物理系统混合建模与仿真统一平台EMWorks,为企业提供一套产品创新工具。随着电子技术和计算机技术的不断提高,计算机模拟仿真在当今的产品生产过带程中的作用也日趋重要,它能够大大降低产品的生产成本。是否能够建立模拟仿真模型是实现计算机模拟仿真关键之所在。Dymola/Modelica具有良好的可扩展性,可以建立分级模块,再把它们组装起来成为最终的模型,因而简化了程序和步骤。同时,Modelica的non-casual(无须明确输入输出关系)也使得系统模块的组装方便简捷,不失为一种好的建立模块化仿真模型的有效工具和方法。充分开发其特点能进一步完善模块化建模的方法,并拓展该语言的应用领域。由于面向对象技术存在一系列突出优点,近年来这种技术越来越受到人们的重视,对它的应用和研究遍及计算机软件和硬件的各个领域。用模块化、抽象、局部化和模块独立等原理及结构程序设计技术指导面向对象程序设计,能够提高软件的开发效率,增加软件的可理解性和可维护性。当功能需求变化时,无须重新创建工程,只须在原有的基础上作一些增加、删除或修改即可。而且如要产生新的功能也可用原有的类派生而成,可继承原有类中可重用的部分,这样就可以减少不必要的工作量。1.2 国内外相关软件的发展概况 如今,对电子电路的设计与仿真软件很多,这里主要介绍硬件描绘语言VHDL,电路图电路板设计软件PROTEL,以及 MATLAB系统。1.2.1硬件描绘语言VHDL 在现代电子工程领域,硬件描述语言(Hardware Description Language ,缩写为HDL) 因其“代码复用”(Code Reuse) 远高于图形化输入方法的“代码复用”,并且解决了用电路原理图在设计大规模电子系统时的诸多不便,所以成为了电子工程领域主要的设计工具。VHDL语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强, 覆盖面广, 抽象能力强, 应用越来越广泛。 VHDL的英文全写是:VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。但是,由于它在一定程度上满足了当时的设计需求,于是他在1987年成为ANSI/IEEE的标准(IEEE STD 1076-1987)。1993年更进一步修订,变得更加完备,成为ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993标准。目前,大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。 VHDL作为IEEE(美国电气电子工程师学会) 标准,近十多年来获得了越来越广泛的应用,随着IEEE 对VHDL 的修订与扩充,VHDL 已经具备描述模拟和数模混合电路结构与行为的能力。然而,VHDL 仿真器仍以事件驱动为核心,也就是说,仿真是按事件发生的顺序进行的。因此,在应用VHDL 对模拟电路进行建模与仿真分析时,还存在着许多限制。 VHDL语言具有多层次描述系统硬件功能的能力, 可以从系统的数学模型直到门级电路, 其高层次的行为描述可以与低层次的RTL 描述和结构描述混合使用; 设计者可以实现从文本编辑、功能仿真、逻辑综合、布局布线、时序仿真到编程下载整个开发过程,大大减轻了设计人员的工作强度, 提高了设计质量, 减少了出错的机会。 用VHDL语言进行的数字系统的设计采用“自顶向下(top to down) ”的设计方法,实现的基本步骤如下: (1) 分析系统的内部结构并进行系统划分,确定各个模块的接口和功能;(2) 编写程序,输入VHDL 代码;(3) 将其编译成标准的VHDL 文件;(4) VHDL 源代码进行综合优化处理;(5) 配置,即加载设计规定的编程数据到指定型号的芯片中;(6) 下载,并验证设计的正确性。1.2.2 Matlab系统 在科学研究和工程应用的过程中,往往需要进行大量的数学计算,传统的纸笔和计算器已根本不能满足海量计算的要求,一些技术人员尝试用Basic , Fortran以及C语言编制程序来减轻工作量,但编制程序不仅需要掌握所用语言的语法,还需要对有关算法进行深入的分析,这对大多数科技工作者来说有一定的难度。当用C或Fortran语言编写程序时,尤其当涉及到矩阵运算和画图时,编程会很麻烦,往往一个简单的问题就要编写很长的代码,键入和调试程序都非常困难。 为了满足用户对工程数学计算的要求,一些软件公司相继推出了一批数学类科技应用软件,如MATLAB, Xmath Mathernatica Maple等,其中Mathworks公司推出的MATLAB以其强大的功能和易用性受到越来越多的科技工作者的欢迎。 MATLAB起初是作为矩阵实验室(Matrix Laboratory)提供给UNPACK和EISPACK矩阵软件包的接口(UNPACK是解线性方程的Fortran程序库,EISPACK是解特征值问题的Fortran程序库)。80年代初期,Cleve Moler, John Little采用C语言编写MATLAB的核心,合作开发了MATLAB第二代专业版。不久,他们成立了Mathworks公司,并将MATLAB正式推向市场。与Basic Fortran C语言比较,MATLAB的语法规则更为简单,编程特点更贴近人的思维方式,用MATLAB写程序有如在便笺上列公式和求解,因而MATLAB被称为“科学便笺式”的科学工程计算语言。 MATLAB 是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言,主要由MATLAB主开发环境、扩展MATLAB 功能的工具箱、Simulink仿真环境和第三方开发的辅助工具等内容组成。 它可靠的数值计算和符号计算功能、简单易学的编程语言、强大的图形功能以及为数众多的应用工具箱是MATLAB 区别于其它科技应用软件的显著特点。 MATLAB相对于其他应用软件有以下的优势:(1)语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由,利用其丰富的库面数避开铰杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性。(2)运算符丰富。由于MATLAB是用c语言编写的,MATLAB提供了和c语言几乎样多的运算符,灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。(3)MATLAB既具有结构化的控制语句又有面向对象编程的特性。(4)语法限制不严格,程序设计自由度大。(5)程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。(6)MATLAB的图形功能强大。MATLAB数据的可视化非常简单。而且还具有较强的编辑图形界面的能力。 Simulink是MATLAB软件包中最重要的功能模块之一,是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具。它以MAlUlB的核心数学、图形和语言为基础,可以让用户毫不费力地完成从算法开发、仿真或者模型验证的全过程,而不需要传递数据、重写代码或改变软件环境,是交互式,模块化的建模和仿真的动态分析系统,在电子领域,通常利用 Simulink建立电子装置的简化模型并连接成系统,即可直接进行控制器的设计和仿真。 Simulink对C语言代码提供了很好的支持,而且既可以工作在交互式图形环境下,也可以工作在MATLAB指令语言模式的批处理模式下。 使用MATLAB的优势:其数据处理十分有效,精细,运行速度较快;数据的格式兼容性非常好便于数据的后处理与分析,尤其是控制特性的研究分析。1.3 Modelica语言的介绍1.3.1 Modelica发展的历史多领域建模(multi-domain modeling)是将机械、控制、电子、液压、气动、软件等不同学科领域的模型“组装”成为一个更大的仿真模型,以用于仿真运行。多领域统一建模技术的发展,经历了从单一领域独立建模到多领域统一建模、连续域或离散域分散建模到连续离散混合建模、面向过程建模到面向对象建模的发展阶段。 1978年瑞典人Hilding Elmqvist在博士论文中,针对计算机仿真发展的趋势提出了建立一种新的面向对象的计算机仿真语言的思想,其后在20世纪80年代,由于Pantelides解DAE方程法的出现而有了进一步的发展,并最终在20世纪90年代后半期形成了一种新的仿真语言和软件Modelica/Dymola。Modelica 是欧洲仿真界在统一和归纳先前多种物理建模语言的基础上, 为解决复杂多领域物理系统的统一建模与仿真问题, 提出的一种面向对象的、基于方程的、陈述式建模语言。 目前基于Modelica的具有从建模到仿真直至后处理完整功能的软件只有2个:瑞典Dynasim AB公司的Dymola和瑞典PELAB实验室的MathModelica。Dymola由瑞典Dynasim AB公司设计开发,是第一个支持Modelica语言的建模仿真工具。Dymola提供图形化建模环境,支持基于图标的拖放式图形建模。Dymola也提供文本建模环境,支持具有Modelica语言的文本建模。Dymol具有功能强大的符号处理引擎,集成了多个数值求解包,可实现较大规模的多领域物理系统建模仿真。目前,基于Modelica语言的建模应用大多是采用Dymola实现的。MathModelica由瑞典Link OPing大学PELAB实验室设计开发,它通过集成Microsoft Visio、Mathmatica和Dymol仿真引擎开发而成。其中,Microsoft Visio用于实现图形建模,Dymola仿真引擎用于模型转化和求解,Mathmatica的notebook用于文本建模和仿真后处理。MathModelica拥有和Dymola一样的图形和文本建模能力。与Dymola不同的是,MathModelica的各组成模块没有集成在同一个框架界面中,在建模仿真过程常常需要反复激活和切换操作界面。国内的华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心目前正在研究开发一个基于Modelica语言的多领域物理系统统一建模与仿真平台MWorks,已在核心技术研究和系统开发方面取得了若干成果。Dymola基本上实现了Modelica 2.0版,提供了从可视化建模、自动求解到曲线和动画后处理的完整功能。1.3.2 Modelica的主要特征 Modelica作为新一代面向对象的、基于方程的、多领域复杂物理系统统一建模语言,其显著的四个特征是:(1)面向对象建模。采用面向对象的建模方法,类(class)封装了模型系统的状态和行为,模型知识通过继承实现重用和进化。(2)多领域建模。基于实际物理系统数学描述的内在一致性,Modelica能够对包括机、电、液、控等多个领域组件在内的复杂物理系统统一建模。(3)陈述式物理建模。采用方程描述模型及连接方式,实现非因果建模,可用于物理建模。(4)离散混合建模。Modelica采用同步的微分、代数和离散方程描述混合系统。 Modelica采用了无因果的建模思想,用更加自然的语法和语义来表述模型,非常适合于物理系统的建模。它语法简单、层次清晰,可以按照系统真实拓扑结构来连接各个组件,而且可处理混杂系统。由于其接口设计巧妙,可以用于多领域建模(multi domain) 和多范式建模(multi for2malism) ,真正做到“通用建模”。Modelica 语言与Java 等通用语言有很多相似之处, 完全由类( class) 组成。1.3.3 Modelica的主要功能Dymola(Dynamic Modeling Laboratory)适宜于模拟不同类型的物理对象。它支持分级建模,支持模型库中元件的重复使用,支持复杂、任意的连接。Dymola采用一种新的面向对象的、建立在微分方程基础上的建模方法。Dymola仿真软件采用Modelica语言对其仿真对象进行建模,可以应用于诸多工程领域。 根据Modelica模型文本特点,把握面向用户进行建模的宗旨,把多领域模型建模系统主要分为三大模块:领域库模块、文本建模模块和图形建模模块。领域库模块的主要功能是形象化显示Modelica标准库中的模型,方便用户在图形建模过程中通过拖放式操作进行重用,另外它还能够显示当前模型的层次化信息,反映模型的部件和继承结构;文本建模模块是整个建模系统的核心,能够让用户对模型文本信息进行方便有效的操作和维护,这里的文本信息分为当前模型的Modelica文本信息和注释信息;有效的操作和维护,这里的文本信息分为当前模型的Modelica文本信息和注释信息;图形建模模块是用户进行多领域系统建模最直接方便的途径,能够以图形的方式快速准确的显示模型的层次化建模信息,并对图形信息进行各种操作和维护,而且对建模环境的视图信息进行缩放、移动等操作,方便用户在最优的方式下进行建模工作,图形建模模块包括两个方面:图表组件系统和图标组件系统,图表组件系统显示模型建前模型功能或者外形信息,不反映组件和继承信息信息。通过以上分析,整个基于Modelica模型建模系统具备以下功能:(1)实现两种方式建模,包括纯文本Modelica模型编辑和可视化图形建模,并保持两种表达的一致性;(2)领域库和自定义模型库的调用功能,支持对已有模型的拖放式重用;(3)对建立的模型进行分层显示,即可快速获取和显示其父模型和子部件的信息;(4)可以同时显示和建立多个模型。 多领域物理系统建模平台中每个模块的具体功能分析如下:(1)领域库模块是建模系统的基础,是用户进行建模的最直接手段,它具体有以下功能:Modelica标准库管理功能 能够准确的读取Modelica标注库中的信息,快捷,准确,直观的显示标注库中的模型,并且可以对标准库中的模型进行拖放式操作。标准库查找功能能够实现在Modelica标注库中对特定名称的模型进行查找。模型层次化信息管理能够反映当前模型的层次结构,显示模型的继承信息和组件信息。(2)文本建模模块是建立模型的主要手段,文本编辑环境应具备以下功能:词法敏感功能文本中的特殊关键词或者注释会以不同颜色高亮显示。基本编辑功能插入、删除、复制、剪贴、粘贴、查找、替换,以及撤消和恢复等功能。文本折叠功能可收起或展开文本里的说明和连接等信息。行标识功能便于定位和显示有语法错误的行位置。文本读取和存入功能从mo文件中读取模型,或将模型文本存入已有的mo包中。参数和属性修改功能对当前模型、父模型、子部件模型的参数和属性提供方便的修改方式。代码提示功能在文本输入时能够实现智能的代码提示。(3)图形建模模块是为用户提供的方便快捷的可视化建模平台。用户可绘制示意图形,或调用领域库中的现成模型创建子部件,并建立部件之间的合理连接。图形环境下的实体编辑、部件拖放和建立连接都会反映到文本编辑器中模型文本的修改。图形编辑模块应具备的主要功能包括:部件拖放功能从系统领域库或用户自定义库中方便快捷的将模型拖放到图形编辑环境中,创建模型的部件。基本实体创建功能实现直线、矩形、椭圆、多边形、文本、部件块以及部件之间的连接等实体图元的绘制。图形窗口缩放功能图形环境应具备放大、缩小、窗口显示、显示全部等显示缩放功能。图形编辑功能实现对以上基本实体的移动、缩放、旋转、复制、剪切、粘贴等功能,以及对编辑操作的撤消和恢复。图形与文本的动态转换图形信息作为文本信息的局部,图形的修改要及时反映到文本的修改,同样文本的修改要及时反映到图形的改变。部件之间非法连接的监测能够监测部件之间连接的合法性,并针对各种非法连接给出相应警告。对于因果关系建模,连接必须是从输入(输出)开始,以输出(输入)结束。连接实体的正交化对部件之间的连接线实体,可以自动将原连接线改变成正交模式的连接线。除了以上功能,系统还具有模型属性修改模块,该模块以图表窗口格式,让用户不仅可以很方便的查看到模型的各种参数信息,也可以查看到当前模型视图的窗口信息(显示尺寸,栅格大小等),而且还可以对以上信息进行方便快捷的修改。 Dymola作为Modelica建模语言的软件支持环境,是一种采用面向对象技术的建模和仿真软件。由于Modelica语言也可以将SIDOPS语言翻译为Modelica语言,所以也支持键合图建模,它也是一种把键合图和方块图结合在一起的建模和仿真软件。Dymola是对实际物理对象的建模,适意于模拟不同类型的物理对象。并且它支持分级建模,支持模型库中元件的重复使用,支持复杂、任意的连接。1.4 课题研究的目的与意义同步电机历来是以转速与电源频率严格保持同步而著称的,只要电源频率保持恒定,同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录仪表的定时旋转机构,大到大型同步电动机直流发电机组,无不利器转速恒定的特点。除此以外,同步电动机还有一个突出的优点,就是可以控制励磁来调节它的功率因数,可使功率因数高到1.0甚至超前。在一个工厂中只需要少数几台大容量恒转速的设备(例如水泵、空气压缩机等)采用同步电动机,就足以改善全厂的功率因数。由于同步电动机起动费事、重载有振荡以至于失步的危险,因此除了上述要求以外,一般的工业设备很少应用。自从电力电子变频技术蓬勃发展以后,情况就完全改变了。采用电压频率协调控制后,同步电动机便和同步电动机一样成为调速电机大家庭的一员。原来阻碍同步电动机广泛应用的问题已经得到解决。例如起动问题,既然频率可以由低调到高,转速也就逐渐升高,不需要任何其他起动措施,甚至有些容量达数万千瓦的大型高速拖动电机,还专门配上变频装置作为软起动设备。再如失步问题,其起因本来就是由于旋转磁场的同步转速固定不变,电机转子落后的角度太大时便造成失步,现在有了转速和频率的闭环控制,同步转速可以跟着改变,失步问题自然也就不存在了。所以,同步电机的应用已日趋广泛,同步电机将在今后的电机系统研究中占有重要的地位。 目前,单领域仿真建模工具很难满足要求。针对复杂产品的建模和仿真正朝着多领域统一建模和协同仿真的方向发展。 当前,多领域建模仿真方法主要有两种:一种是基于高层体系结构(High Level Architecture, HLA)的方法,另一种是基于统一建模语言的方法。HLA 是一种支持分布式仿真的集成框架标准,它将由不同领域的仿真软件建立的模型划分为不同的联邦成员,并按照HLA 的规范进行集成以实现协同仿真。因此,基于HLA 的多领域建模方法实质上是一种模型集成方法,它需要得到各领域商用仿真软件公司的合作,需要针对不同的仿真应用配置模型接口,编写集成代码,实现较为困难,而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系。 基于统一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描述,彻底实现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换。Modelica 语言是目前盛行的一种先进的面向对象多领域物理系统建模语言,它采用了无因果的建模思想,用更加自然的语法和语义来表述模型,非常适合于物理系统的建模。它语法简单、层次清晰,可以按照系统真实拓扑结构来连接各个组件,而且可处理混杂系统。它具备模型重用性高、建模简单方便、无须符号处理等许多优点。Modelica 语言的建模思想在很大程度上顺应了知识的可积累、可重用和可重构的指导原则。Modelica 语言的优秀特性使得基于Modelica 语言的多领域建模方法具有非常显著的优势,必将成为今后多领域物理系统建模的主流方法。 作为多领域建模语言Modelica 已经被人们广泛应用于机械,液压,气动等各个领域,但对于它在数字电子电路中的应用的研究还比较少。对于数字电路的相关的模型库建立的还比较少。通过此次课题的研究,建立同步电机仿真模型,实现同步电机的仿真。1.5 课题主要内容 本设计主要是讨论Modelica语言并在多领域物理系统仿真平台Dymola系统下建立同步电机模型并进行仿真分析和测试。其具体内容如下:(1) 分析同步电机的结构、工作原理及其数学模型,根据其电路特性,建立相应的等效电路。(2) 分析同步电机内部逻辑结构,并在Dymola仿真平台上构建同步电机模型库,利用组件连接方式构建同步电机仿真系统。(3) 设定同步电机的基本参数,在Dymola仿真平台上进行同步电机的仿真分析,改变某些参数,采用串电阻启动方式,以得到较优的动态响应。2 同步电机基本原理(1)结构模型 同步发电机和其它类型的旋转电机一样,由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图2-1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型,其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽,槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢,定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极,磁极上绕有励磁绕组,通以直流电流时,将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场,称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间,气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机,其磁极安装于定子上,而交流绕组分布于转子表面的槽内,这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。图2-1同步电机结构模型(2)工作原理 主磁场的建立:励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。 载流导体:三相对称的电枢绕组充当电机的功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组(相当于绕组的导体反向切割励磁磁场)。 交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 感应电有效值:每相感应电势的有效值为 (2-1) 感应电势 频率: 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ,即 (2-2)交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对性,保证了感应电势的三相对称性。(3)同步转速 同步转速 从供电品质考虑,由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值,这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ,故有: (2-3)要使得发电机供给电网50Hz的工频电能,发电机的转速必须为某些固定值,这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min,4极电机的同步转速为1500r/min,依次类推。只有运行于同步转速,同步电机才能正常运行,这也是同步电机名称的由来。(4)运行方式同步电机的主要运行方式有三种,即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式,作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节,在不要求调速的场合,应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来,小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载,靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率,以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。众所周知,由于转子结构的不同,同步电机可分为隐极机和凸极机两类。以下的研究对象像都是凸极机。同步电机的主要特点是:定子有三相交流绕组,转子为直流励磁。将电机结构简化后,电机内部的磁场分布和相应的感应电势的变化规律仍相当复杂,如步采取一定的假设,仍难以对它们的运行方式作定量分析。这些假设是: 电机铁芯不饱和。这一假设不仅意味磁场和各绕组电流间有线形关系,也使在确定空气隙合成磁场时有可能运用叠加原理。 电机有完全对称的磁路和绕组。这一假设包含以下几方面:定子三相绕组完全相同,空间位置彼此相隔2/3电弧度;转子每极的励磁绕组完全相同;阻尼条的设置对称于正、交轴。 定子三相绕组的自感磁场,定子与转子绕组间的互感磁场,沿空气隙按正弦律分布。这一假设表示略去所有的谐波磁势、谐波磁通和相应的谐波电势,也略去谐波磁场产生的电磁转矩。满足上列假设条件的同步电机,称为理想同步电机。以下的分析都以理想同步电机为前提。而时实践证明,按理想同步电机条件的分析、计算所得,误差在允许范围内。(5)励磁方式简介 获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类:一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统;另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下: 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴,采用并励或者他励接法。采用他励接法时,励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机,即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供,待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机,而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组,对于大容量的同步发电机,其励磁电流达到数千安培,使得集电环严重过热。因此,在大容量的同步发电机中,常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后,直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置,故又称为无刷励磁系统。(6)数学模型同步电机是电力系统非常重要的元件,它是一种集旋转与静止、电磁变化和机械运动于一体,实现电能与机械能变换的元件,其动态性能十分复杂,而其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大的影响。为了建立同步电机的数学模型,必须对实际的同步电机作必要的假定,以便分析运算。当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时,三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场,一方面切割定子绕组,并在定子绕组中产生感应电动势;另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通,并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外,转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组。从而产生空载电动势。因为对于具有阻尼条的凸极机,由于空气隙旋转磁场总可以分解为两个轴线与转子正,交轴重合的脉动磁场,因此模型得以建立。取定子各相绕组轴线及其磁链的的正方向,dq轴线的正方向,励磁绕组以及正交轴阻尼绕组磁链的正方向,如图(21)所示,定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时,这些电流为正值。换言之,定子各相正值电流将产生各该相负值磁链。转子各绕组电流产生的磁通方向,与正轴或交轴正方向相同时,这些电流为正值。即,正值转子电流将产生正值转子绕组磁链。br-axis bs-axiskq-axis ar-axis as-axisk d-axescs-axis cr-axis 图22 定子、转子各相的旋转d,q坐标定位按图22的电磁量取向即可列出如下的同步电机电压方程和磁链方程:电压方程: (2-4)其中,为求导算子,即=d/dt,v为各绕组电压,i为各绕组电流,r为各绕组电阻,为各绕组合成磁链, (2-5) (2-6)定义为电流,电压,磁链的共同变量,则有 (2-7)将abc模型转换为dq模型可更方便地研究,abc轴上的变量转变成dq轴上的转换如下:(2-8)定义,将(2-8-1)j(2-8-2)可得(2-9)同理, (2-10)定义 (2-11)其中,Ns,Nr分别为定子和转子的匝数则有(2-12)定子方程: (2-13)其中 (2-14)转子方程: (2-15)其中 (2-16)在大多数情况下,中枢电流不存在。这种情况下中性轴分量上的电压和恒等于0,解方程很容易,因此剩下的四个方程可以表示为一个矩阵(2-17)(2-17)以上即为同步电机数学模型。派克变换是人们熟悉也是最广泛运用的坐标变换之一。它的基础是“任何一组三相平衡定子电流产生的合成磁场,总可由两个轴线相互垂直的磁场所替代”的双反应原理。根据这原理,将这两根轴线的方向选择得与转子正、交轴方向一致,使三相定子绕组电流产生得电枢反应磁场,由两个位于这两轴方向的等值定子绕组电流产生的电枢反应磁场所替代,就称为派克变换。因此,简言之,派克变换相当于观察点位置的变换将观察点从空间不动的定子上,转移到空间旋转的转子上,并且将两个位于转子正、交轴向的等值定子绕组,替代实际的三相定子绕组。设为abc坐标下的变量,为dq坐标下的变量,定义P为求导算子,其转换公式为: (2-18)式中 (2-19)定义 (2-20)由式(2-17)可得出电机的基本模型,基于先有电压后有电流的习惯,且等式只在瞬间成立,可得出以下算式: (2-21) 带入dq表达式输入功率可得(2-22)因此,电功率在电机内的终结有三个去向,第一部分消耗在定子和转子的阻抗中,转化成热能;第二部分转化为电机内部储存的磁能;剩下的那部分即用于输出,转化为机械能。因此,输出的电机功率为: (2-23)其中 (2-24)上式中 为极对数,为机械速度,且转动机械功率定义为转速、时间和转矩,以此可得: (2-25)3 仿真系统设计Modelica语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真,在归纳和统一先前多种建模语言的基础上,于1997年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。Modelica语言采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象,根据物理系统的拓扑结构基于语言内在的组
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