基于统一建模语言的异步电机建模及仿真说明书带开题
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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。异步电机建模与仿真对其设计优化起着至关重要的作用。基于仿真对异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。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构建异步电机模型;4、 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。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,构建异步电机模型,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。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异步电机建模及仿真摘 要 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。在本论文中,我们通过分析异步电机的结构和工作原理,利用Modelica语言和Dymola仿真平台建立异步电机的仿真模型来分析测试电机的相关特性。该论文主要包含以下的几个主要部分:首先概述了当今多领域建模仿真的发展状况。其次,分析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,研究了异步电机的工作原理以及他它的主要组成部分。最后,讲述如何利用Modelica语言和Dymola仿真平台建立异步电机的仿真模型,以及对他们进行分析测试。 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系统进行了初步的介绍。关键字:异步电机建模仿真;异步电机动态响应;Modelica; Dymola系统 AbstractContemporary products controlled by the hydraulic components of a mixture in various fields, so in many areas, multi-disciplinary integration of the cross has become a modern digital design and manufacturing technology trends. Modelica object-oriented model is a mathematical model, based on the physical system of the internal consistency of mathematics, said that it supported a model in many areas included in the model from components, to achieve more than the area of modeling and simulation. In this paper, we analyze the structure of induction motor and the working principle, the use of Modelica and Dymola language induction motor simulation platform is built to analyze the simulation model to test the electrical characteristics of the relevant.In this paper, the paper contains the following main parts: the first provides an overview of todays multi-field development of modeling and simulation. Secondly, an analysis of the circuit design and simulation of some of the software and platform, as well as the Modelica language and Dymola simulation platform. Then, to study the working principle of induction motors as well as his major component of it. Finally, about how to use Modelica and Dymola simulation platform language to establish the simulation model of induction motors, as well as an analysis of their test.In this paper, the design method of the subject and the use of the theoretical knowledge explained in detail, and multi-domain modeling language Modelica and Dymola simulation system platform for the initial introduction. Key words: Modeling and Simulation of induction motor, induction motor dynamic response, Modelica, The Dymola system 目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1 课题来源11.2 研究背景11.3 国内外相关软件的发展概况31.3.1硬件描绘语言VHDL31.3.2MATLAB系统41.4 Modelica语言的介绍51.4.1Modelica发展的历史51.4.2Modelica的主要特征61.4.3Modelica的主要功能61.5 课题研究的目的与意义91.6 课题主要内容102 异步电机工作原理及结构102.1 三相异步电机的基本结构102.1.1定子部分112.1.2转子部分122.1.3其他部分142.2 三相异步电机工作原理142.2.1三相交流电机的旋转磁场142.2.2三相电动机的转动原理162.2.3转差率182.2.4主要系列183 仿真系统设计213.1 Dymola/Modelica213.2 可行性分析223.3在Dymola环境下采用Modelica语言建立物理元件模型224 仿真结果与分析324.1 仿真结果324.2 异步电机起动过程的分析334.3 结论385 总结与展望385.1 总结385.2 展望39谢 辞40参考文献41411 绪 论1.1 课题来源该课题来源于桂林电子科技大学机电工程学院的科研项目,项目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对异步电机的建模及应用。1.2 研究背景 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,同时研制成为了满足这些要求,提出了一下下几点。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。第二章一体化仿真环境 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。本章将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。仿真语言及其存在的问题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。1.3 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。1.3.1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。1.3.2MATLAB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。1.4 Modelica语言的介绍1.4.1Modelica发展的历史Modelica由位于瑞典Linkping的非赢利组织Modelica协会开发,可以免费使用。它是一种为支持有效的模型库开发和模型交换而设计的,建立在非因果模型之上、支持数学方程和模型知识重用的,用于大型、复杂、多种成分组成的物理系统建模的现代面向对象语言。它适合于多领域建模,例如机器人,包含机械、电子、水力、控制子系统的汽车、宇航应用,面向(化工)过程的应用及电力系统发配电等中的机电模型。Modelica中的模型是用微分、代数和离散方程进行数学描述的。无需人工求解特定的变量。Modelica工具将有足够的信息来自动决定求解的事,可用专门的算法使对具有超过10万个方程的大型模型的处理成为可能。Modelica适合并用于半实物仿真和嵌入式控制系统。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。 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。1.4.2Modelica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,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。1.4.3Modelica的主要功能 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:(1) 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。(2)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。(3) 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:(1)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。 (2)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。 (3)文本折叠功能可收起或展开文本里的说明和连接等信息。(4)行标识功能便于定位和显示有语法错误的行位置。(5)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。 (6)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。(7)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: (1)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。 (2)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。 (3)基本实体创建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。 (4)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。 (5)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。 (6)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。 (7)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。1.5 课题研究的目的与意义 随着建模技术和数值分析技术的发展,数字建模和模拟仿真技术在产品的设计过程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个重要手段。但是复杂产品通常涉及机械、控制、电子、液压、气动和软件等多学科领域,其每个部件、子系统都可能是由学科领域的零部件组成,复杂产品的设计过程需要进行仿真,以满足对成本、质量、性能等的要求。 目前,各个学科和领域都已经有了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。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,但对于它在异步电机建模中的应用的研究还比较少。对于异步电机相关的模型库建立的还比较少。通过此次课题的研究,建立异步电机的有关模型库,以便我们以后利用Modelica语言建立异步电机的模拟仿真系统。也为我们建立多领域仿真模型奠定了基础。1.6 课题主要内容 本设计主要是建立异步电机的模型,并在多领域物理系统仿真平台Dymola系统下进行仿真分析和测试。具体内容如下:1) 在分析异步电机的类型、基本功用、结构及其工作原理的基础上,建立异步电机的数学模型,根据其电路特性,建立相应的等效电路。2) 分析异步电机内部逻辑结构,并利用Modelica和Dymola仿真平台建立组成他们的基本构件。3) 设定异步电机的基本参数,在Dymola仿真平台上进行异步电机的仿真分析,并试图改变某些参数,采用串电阻启动方式,以得到较优的动态响应。2 异步电机工作原理及结构2.1 三相异步电机的基本结构 本次设计我们主要研究的是三相异步电机,三相异步电机的种类很多但其基本结构是相同的,它们都由定子和转子这两大基本部分组成,在定子和转子之间具有一定的气隙。此外,还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件,异步电机的外形如下图示:图2.1图(2.2)封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承;2前端盖;3转轴;4接线盒;5吊环;6定子铁心;7转子;8定子绕组;9机座;10后端盖;11风罩;12风扇2.1.1定子部分 定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。(1)外壳 三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。 机座:铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子,它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常,机座的外表要求散热性能好,所以一般都铸有散热片。 端盖:用铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是把转子固定在定子内腔中心,使转子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖:也是铸铁或铸钢浇铸成型的,它的作用是固定转子,使转子不能轴向移动,另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒:一般是用铸铁浇铸,其作用是保护和固定绕组的引出线端子。 吊环:一般是用铸钢制造,安装在机座的上端,用来起吊、搬抬三相电动机。 (2)定子铁心:是由内圆周表面均匀冲有槽孔的圆环形硅钢片叠压而成的圆筒,因而,在铁芯内圆周上形成了均匀。 异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分,由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成,如图所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的,所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口,用来嵌放定子绕圈。(a)定子铁心 (b)定子冲片 图(2.3)定子铁心及冲片示意图(3)定子绕组用带有绝缘包皮的导线(如漆包铜线等)绕成匝数相同的线圈,再分三组按一定的规律将线圈对称放置在定子铁芯的轴向线槽内,其中每一组称为一相绕组,这就成为三相对称绕组U1U2,V1V2,W1W2。根据电源的线电压和每相绕组的额定电压,定子绕组可接成Y形或形。定子的作用:产生旋转磁场,并从电网吸收电能转子结构。定子绕组是三相电动机的电路部分,三相电动机有三相绕组,通入三相对称电流时,就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成,且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相,每个绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线,大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后,再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上,首端分别标为U1, V1, W1 ,末端分别标为U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如下图所示,可以接成星形或三角形。(a)星形连接 (b)三角形连接图(2.4)定子绕组的连接2.1.2转子部分(1)转子铁心 是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成,套在转轴上,作用和定子铁心相同,一方面作为电动机磁路的一部分,一方面用来安放转子绕组。(2)转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种,由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相绕组,一般接成星形,三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上,通过电刷装置与外电路相连,这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能,见图2.5. 笼形绕组 在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条,在铜条两端各用一个铜环(称为端环)把导条连接起来,称为铜排转子,如图2.6(a)所示。也可用铸铝的方法,把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成,称为铸铝转子,如图2.6(b)所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。转子的作用:产生电磁转矩,并输出机械能。图2.51集电环;2电刷;3变阻器 图2.5 绕线形转子与外加变阻器的连接 (a)铜排转子(b)铸铝转子图2.6笼形转子绕组2.1.3其他部分 其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外,在端盖上还装有轴承,用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙,一般仅为0.2mm1.5mm。气隙太大,电动机运行时的功率因数降低;气隙太小,使装配困难,运行不可靠,高次谐波磁场增强,从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。2.2 三相异步电机工作原理2.2.1三相交流电机的旋转磁场 三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换,是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。 如图2.7所示,图2.7三相交流电流波形图U1U2, V1V2, W1W2为三相定子绕组,在空间彼此相隔120,接成Y形。三相绕组的首端U1, V1, W1接在三相对称电源上,有三相对称电流通过三相绕组。设电源的相序为U, V, W, 的初相角为零,如图2.7波形图所示。设 为了分析方便,假设电流为正值时,在绕组中从始端流向末端,电流为负值时,在绕组中从末端流向首端。当 的瞬间, =0, 为负值, 为正值,根据”右手螺旋定则”,三相电流所产生的磁场叠加的结果,便形成一个合成磁场,如图2.2所示,可见此时的合成磁场是一对磁极(即二极),右边是N极,左边是S极。 2.8两极旋转示意图空间120度 对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时,产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场,每电源周期旋转一周,即两个极距;某相绕组中电流达到最大值时,磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。当 时,即经过1/4周期后, 由零变成正的最大值, 仍为负值, 已变成负值,如图2.8(b)所示,这时合成磁场的方位与 时相比,已按逆时针方向转过了90。应用同样的方法,可以得出如下结论:当 时,合成磁场就转过了180,如图2.8(c)所示;当 时合成磁场方向旋转了300,如图2.8(d)所示;当 时合成磁场旋转了360,即转1周,如图2.8(a)所示。由此可见,对称三相电流 分别通入对称三相绕组U1U2, V1V2, W1W2中所形成的合成磁场,是一个随时间变化的旋转磁场。以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况,当定子绕组连接形成的是两对磁极时,运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期,磁场只转动了半圈,即转速减慢了一半。 由此类推,当旋转磁场具有p对极时(即磁极数为2p),交流电每变化一个周期,其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此,三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是 (2-1) 2.2.2三相电动机的转动原理 三相交流电通入定子绕组后,便形成了一个旋转磁场,其转速 。旋转磁场的磁力线被转子导体切割,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的,则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转,且某时刻为上为北极N下为南极S,如图2.9所示。根据右手定则,在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外,用表示;在下半部则由外向里,用表示。图2.9三相异步电动机转动原理原理:定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势(发电机右手定则),在转子导体中形成电流,使导体受电磁力作用形成电磁转矩,推动转子以转速n顺n0方向旋转(电动机左手定则),并从轴上输出一定大小的机械功率。(n不能等于n0)特点:电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。实现能量转换的前提;电动运行时n恒不等于n0(异步)必要条件nn0;建立转矩的电流由感应产生,感应名称的来源。 流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用,力F的方向可用左手定则确定,如图2.4所示。电磁力作用于转子导体上,对转轴形成电磁转矩,使转子按照旋转磁场的方向旋转起来,转速为n。三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样,转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线,转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流,从而产生电磁转矩,使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见 ,且 ,是异步电动机工作的必要条件,“异步”的名称也由此而来。异步电机模型图如下2.2.3转差率 旋转磁场转速n1与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率s,即 (2-2)转差率是异步电动机的一个基本参数,对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行时,电磁转矩 和转速n同向。转子尚未转动时,n=0, ;当 时, ,可知异步电动机处于电动状态时,转差率的变化范围总在0和1之间,即0s1。一般情况下,额定运行时=1%5%。2.2.4主要系列 在三相电动机的外壳上,钉有一块牌子,叫铭牌。铭牌上注明这台三相电动机的主要技术数据,是选择、安装、使用和修理(包括重绕组)三相电动机的重要依据,铭牌的主要内容如下。 1型号 国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列,是按国际电工委员会IEC标准设计生产的三相异步电动机,它是以电机中心高度为依据编制型号谱的示意图如下:异步电动机中心高度200mm6极2号铁心长机座(M中机座)(S短机座)图2.10中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心高度的关系见表2.1和表22。 表2.1 小型异步三相电动机表2.2 中型异步三相电动机2额定功率额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率,用表示,以千瓦(kW)或瓦(W)为单位。 3额定电压 额定电压是指接到电动机绕组上的线电压,用UN表示。三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的5%。电压过高,电动机容易烧毁;电压过低,电动机难以启动,即使启动后电动机也可能带不动负载,容易烧坏。4额定电流 额定电流是指三相电动机在额定电源电压下,输出额定功率时,流入定子绕组的线电流,用IN表示,以安(A)为单位。若超过额定电流过载运行,三相电动机就会过热乃至烧毁。三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式 (2-3)式中 额定功率因数 额定效率5额定频率 额定频率是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数,用fN表示。我国规定标准电源频率为50Hz。6额定转速 额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速,用nN表示,一般是略小于对应的同步转速n1。如n1=1500r/min,则nN =1440r/min。 7绝缘等级 绝缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力,它表明三相电动机允许的最高工作温度。 8定额 定额是指三相电动机的运转状态,即允许连续使用的时间,分为连续、短时、周期断续三种。(1)连续 连续工作状态是指电动机带额定负载运行时,运行时间很长,电动机的温升可以达到稳态温升的工作方式。(2)短时 短时工作状态是指电动机带额定负载运行时,运行时间很短,使电动机的温升达不到稳态温升;停机时间很长,使电动机的温升可以降到零的工作方式。(3)周期断续 周期断续工作状态是指电动机带额定负载运行时,运行时间很短,使电动机的温升达不到稳态温升;停止时间也很短,使电动机的温升降不到零,工作周期小于10min的工作方式。 9接法 三相电动机定子绕组的连接方法有星形(Y)和三角形()两种。定子绕组的连接只能按规定方法连接,不能任意改变接法,否则会损坏三相电动机。 10防护等级 防护等级表示三相电动机外壳的防护等级,其中IP是防护等级标志符号,其后面的两位数字分别表示电机防固体和防水能力。数字越大,防护能力越强,如IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1毫米的固体进入电机内壳。第二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。3 仿真系统设计3.1 Dymola/Modelica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。Modelica是一种为了支持有效地库开发和模型交换而设计的,用于物理系统建模的语言。它是一种建立在非因果模型之上的,具有数学方程和支持模型知识重用的面相对象结构的现代语言。Dymola仿真软件采用Modelica语言对其所仿真对象进行建模。它可以应用于诸多工程领域。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。其特点为:能处理大型,异构领域中的仿真过程;图形化模块快速建模;开放的模块式结构;实时仿真。图3-1Dymola/Modelica的仿真建模流程如图3-1所示。模块化建模的基础是系统的可分解性,即系统可以分解为若干个存在相互作用的子系统,子系统本身作为系统又可以进一步进行分解。我们把模型分解成功能化的独立模块。每个模块完成该模型中的某一项仿真计算。这样的设计满足了层次化结构的要求,并易于建立可扩展的标准化模型。而建立模块化模型库的困难之处在于系统内相互作用(耦合)的表达 。在表
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