帶變速箱的DC電機(jī)模擬

包頭師范學(xué)院

本科畢業(yè)論文論文題目：帶變速箱的DC電機(jī)模擬院系：物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué)班級：07應(yīng)用物理學(xué)姓 名： 許曉波學(xué) 號： 0709810014指導(dǎo)教師： 吳鴻業(yè)二零——年五月帶變速箱的DC電機(jī)模擬

摘要基于統(tǒng)一仿真語言Modelica進(jìn)行仿真建模的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模仿真技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模平臺的開發(fā)是進(jìn)行多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)。Modelica作為新一代多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言，代表著系統(tǒng)仿真建模和仿真技術(shù)發(fā)展的新方向。簡單介紹Modelica語言及其主要特點(diǎn)，總結(jié)了采用Modelica語言進(jìn)行多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的優(yōu)勢。最后系統(tǒng)地闡述了Modelica語言對DC電機(jī)的模擬的方法。建立了帶變速箱的DC電機(jī)電路圖、定義元件屬性及參數(shù)、添加探針到相應(yīng)位置，然后運(yùn)行仿真得出仿真圖。觀察圖像找出合理的參數(shù)值。關(guān)鍵詞： 變速箱;DC電機(jī);MapleSimAbstractThemulti-domainsimulationtechnologyofphysicalsystemmodelinghasabroadspacefordevelopmentandapplicationprospects,whichmakessimulationsandbuildsmodelsthroughunifiedsimulationlanguage---Modelica.ThedevelopmentofthemodelingplatformofMulti-domainphysicalsystemsisthebasisforthemulti-domainsimulation.Asanewgenerationofmulti-domainmodelinglanguage,Modelicarepresentsaneworientationofthedevelopmentofsystemsimulationmodelingandsimulation.Here,firstly,givingabriefintroductiontoModelicalanguageanditsmainfeatures,summarizingtheadvantageofmulti-domainunifiedmodelingthroughModelicalanguage.ThenelaboratingthesimulationmethodthroughModelicalanguageforDCmotorbriefly,EstablishingcircuitdiagramsforDCmotorwithspeedchangebox,definingcomponentpropertiesandparameters,addingtheprobestotheirappropriatelocations,andruningit,asaresult,obtainingsimulationmap.Finally,findingreasonableparametervaluesthroughobservingtheimage.Keywords:speedchangebox;DCmotor;MapleSim.TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 Modelica和MapleSim簡介 5\o"CurrentDocument"二、 國內(nèi)的發(fā)展 6\o"CurrentDocument"三、 模型建立 61、 建立1-DMechanical模型 6\o"CurrentDocument"1.1構(gòu)建一個(gè)RLC電路模型 6\o"CurrentDocument"1.2定義元件的屬性 9\o"CurrentDocument"1.3創(chuàng)建一個(gè)簡單的直流電機(jī)模型 9\o"CurrentDocument"1.4直流電機(jī)模型仿真 10\o"CurrentDocument"2、 添加變速箱到DC電機(jī)模型 10\o"CurrentDocument"3、 帶變速箱的DC電機(jī)模型仿真 11\o"CurrentDocument"4、 組合DC電機(jī)元件到一個(gè)子系統(tǒng)中 12\o"CurrentDocument"5、 給模型分配全局參數(shù) 12\o"CurrentDocument"6、 改變輸入和輸出值 13\o"CurrentDocument"結(jié)論 15參考文獻(xiàn) 16致謝 17引言隨著用戶需求的提升和科技的發(fā)展，諸多單一的機(jī)械產(chǎn)品已向機(jī)械、電子、液壓、控制集成的復(fù)雜產(chǎn)品發(fā)展，多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真成為此類復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化功能樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且現(xiàn)代產(chǎn)品日趨復(fù)雜，通常是由多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)子系統(tǒng)組成，這些不同領(lǐng)域的子系統(tǒng)表現(xiàn)出緊耦合的特性，要求對多領(lǐng)域統(tǒng)一建模、一致仿真。為優(yōu)化復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，得到復(fù)雜產(chǎn)品整體性能的準(zhǔn)確仿真結(jié)果，工業(yè)界迫切需要有一種能夠跨越不同領(lǐng)域、不同學(xué)科的多領(lǐng)域仿真理論與方法。通過學(xué)習(xí)使用Modelica對帶變箱的DC電機(jī)建模和仿真，在建模過程中對其進(jìn)行完整描述。通過MapleSim建模軟件生成系統(tǒng)方程，然后仿真階躍輸入的響應(yīng)，再顯示在圖形中。對其進(jìn)行定性分析，修改數(shù)據(jù)并重新建模，驗(yàn)證物理建模的邏輯性與合理性。分析數(shù)據(jù)原因。一、Modelica和MapleSim簡介Modelica基于非因果建模思想，采用數(shù)學(xué)方程（組）和面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)來促進(jìn)模型知識的重用，是一種面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化數(shù)學(xué)建模語言，支持類、繼承、方程、組件、連接器和連接。它采用基于廣義基爾霍夫原理的連接機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)一建模，Modelica模型的數(shù)學(xué)描述是微分、代數(shù)和離散方程（組），相關(guān)的Modelica工具能夠決定如何自動求解方程變量，因而無需手工處理。統(tǒng)一建模語言具有領(lǐng)域無關(guān)的通用模型描述能力，由于采用統(tǒng)一的模型描述形式，因此基于統(tǒng)一建模語言的方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的不同領(lǐng)域子系統(tǒng)模型間的無縫集成。有關(guān)系統(tǒng)統(tǒng)一建模語言的研究最早源于Elmqvist博士論文，隨后許多學(xué)者對此展開研究，結(jié)合面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，引入“類”的概念對物理系統(tǒng)“方程”進(jìn)行封裝與擴(kuò)展，從而奠定了該領(lǐng)域面向?qū)ο蠼y(tǒng)一建模思想的理論基礎(chǔ)。MapleSim是一個(gè)多領(lǐng)域物理建模和仿真工具，在圖形化的設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶通過簡單和直觀的方式完成各種系統(tǒng)的建模、分析和仿真。創(chuàng)建復(fù)雜的多領(lǐng)域模型，可以在MapleSim中使用不同工程領(lǐng)域的元件對系統(tǒng)建模，其內(nèi)預(yù)置了多個(gè)工程領(lǐng)域的庫，包括電子、機(jī)械、熱、傳感器和源、信號等模塊。也可以用高級符號和數(shù)值計(jì)算技術(shù)快速創(chuàng)建基于數(shù)學(xué)公式的自定義元件，滿足建模和仿真的需要。MapleSim基于Maple數(shù)學(xué)引擎，使用Maple中的高級符號和數(shù)值計(jì)算功能生成物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用了高級符號簡化技術(shù)，可以獲得簡潔和數(shù)值高效的模型。預(yù)置的分析工具和任務(wù)模板MapleSim提供了各種預(yù)定義的任務(wù)模板，在Maple工作表中查看模型方程和完成高級分析任務(wù)。MapleSim元件庫中許多元件是使用Modelica物理建模語言描述的。多體元件庫使用了不同的引擎，利用獨(dú)特的高級數(shù)學(xué)技術(shù)確保數(shù)學(xué)模型盡可能的簡潔和高效。模型中的每個(gè)元件都包含一組描述其行為的方程，這些系統(tǒng)方程可以是純粹的代數(shù)方程或微分方程?？梢远x任意數(shù)量的事情，在仿真過程中通過激活或取消系統(tǒng)方程的一部分，或者是改變狀態(tài)值，來改變元件的行為。接下來收集所有的方程到一個(gè)大的系統(tǒng)，參數(shù)值也被代入。MapleSim仿真引擎需要處理一個(gè)可能很大的混合微分代數(shù)方程組。也就是說，系統(tǒng)表示為了一組含有代數(shù)約束或離散事件的微分方程組。一個(gè)名為“IndexReduction"的過程將盡可能地減少代數(shù)約束。其他的一些符號簡化技術(shù)也會被用于減少方程和變量的數(shù)量。當(dāng)所有這些預(yù)處理步驟完成后，數(shù)值求解過程開始。一個(gè)基于Rosenbrock求解器（適用于剛度系統(tǒng)），ck45求解器（半剛度系統(tǒng)），和基于rkf45求解器（適用于非剛度系統(tǒng)）的高級微分代數(shù)方程求解器被用于數(shù)值求解系統(tǒng)方程。在數(shù)值求解過程中，模型中的不等式條件被監(jiān)視，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)條件變化時(shí)，事情就會被檢測。在這個(gè)過程中遇到事件時(shí)，數(shù)值求解器就會停止，仿真引擎計(jì)算出一個(gè)新的基于事件條件的系統(tǒng)方程配置。在仿真過程中的最后，生成結(jié)果并通過圖形顯示所求的量，對于多體機(jī)械系統(tǒng)，還可以選擇顯示3-D可視化窗口。二、 國內(nèi)的發(fā)展目前，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了基于Modelica的多領(lǐng)域建模與仿真系統(tǒng)，如Dynasim公司的Dymola，PELAB公司的MathModelica，Avant公司的Saber等。作為一種研究的原型，這些系統(tǒng)由于推出的時(shí)間不長，自身在功能、穩(wěn)定性和用戶界面上還存在缺陷，且還有許多地方不符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)，成本較高，維護(hù)困難，因而在國內(nèi)企業(yè)推廣應(yīng)用存在很大障礙。為此，國家成立“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展規(guī)劃引導(dǎo)項(xiàng)目，對多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真平臺研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行資助并啟動，以期在系統(tǒng)研發(fā)取得突破，并在包括汽車在內(nèi)的典型復(fù)雜產(chǎn)品的建模與仿真分析上得到實(shí)際應(yīng)用，取得產(chǎn)業(yè)化成果。華中科技大學(xué)國家CAD支撐中心（蘇州分中心）從2000年開始研究基于Modelica的多領(lǐng)域建模與仿真技術(shù)，經(jīng)過長期的潛心研發(fā)，開發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的基于Modelica復(fù)雜工程系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化一體化的計(jì)算平臺MWorks，在國內(nèi)和亞太地區(qū)處于領(lǐng)先地位。三、 模型建立在這個(gè)建模任務(wù)中，建立1-DMechanical，一個(gè)含線性彈簧和阻尼器的齒隙，以及一個(gè)慣性元件。在建立模型時(shí)，先建立一個(gè)RLC電路模型，在此基礎(chǔ)上添加元件到模型工作空間，然后連接它們組成DC電機(jī)的模擬電路，建立模型。1.建立1-DMechanical模型1.1構(gòu)建一個(gè)RLC電路模型在模型工作區(qū)左側(cè)的Labraries選項(xiàng)卡中，點(diǎn)擊Electrical旁邊的三角標(biāo)志展開面板。同樣方式，展開Analog菜單，然后展開Passive子菜單。

圖1從Electrical一Analog一Passive菜單，點(diǎn)擊并拖動Ground圖標(biāo)到模型工作區(qū)。使用步驟1和2描述的方式，添加其余的電子元件到模型工作區(qū)：從Electrical一Analog一Passive—Resistors菜單，添加Resistor元件。從Electrical一Analog一Passive一Inductors菜單，添加Inductor元件。從Electrical一Analog一Passive一Capacitors菜單，添加Capacitor元件。從Electrical一Analog一Sources一Voltage菜單，添加SignalVoltage元件。為了放置建模元件在模型工作區(qū)中的位置，點(diǎn)擊并拖動元件到如下圖所示位■-VW-o為了順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)SignalVoltage元件，然后水平翻轉(zhuǎn)它，右擊模型工作區(qū)中的SignalVoltage圖標(biāo)，從彈出菜單中選擇順時(shí)旋轉(zhuǎn)RotateClockwise。為了水平翻轉(zhuǎn)，再次右擊元件，從彈出菜單中選擇水平翻轉(zhuǎn)FlipHorizontal。確保正極（藍(lán)色）端口在頂部。為了順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)Capacitor元件，右擊模型工作區(qū)中的Capacitor圖標(biāo)并選擇順時(shí)針旋轉(zhuǎn)RotateClockwise。將鼠標(biāo)指針移到Ground元件端口的上方，端口將高亮顯示為綠色。單擊Ground輸入端口開始連接線。將鼠標(biāo)指針移到SignalVoltage元件的負(fù)極端口。點(diǎn)擊信號電壓SignalVoltage輸入端口。接地Ground元件被連接到信號電壓SignalVoltage元件。按照下圖所示連接其余元件。二圖二圖3展開信號塊SignalBlocks面板。展開源Sources菜單，然后展開Real子菜單。在模型工作區(qū)中從面板點(diǎn)擊并拖動Step源到信號電壓SignalVoltage元件的左側(cè)。階躍電壓是一個(gè)特別的信號流，通過連接箭頭表示。這個(gè)信號流引起電路對輸入信號做出響應(yīng)。連接Step源到信號電壓SignalVoltage元件。完整的RLC電路模型顯示在下圖中。圖41.2定義元件的屬性點(diǎn)擊模型工作區(qū)中的電阻器Resistor元件，參數(shù)面板出現(xiàn)在屏幕的右側(cè)，顯示電阻器的名稱和參數(shù)值。在R區(qū)域，輸入24，并按下回車鍵。電阻改變?yōu)?4。。使用步驟1和2的方式，定義其他元件的下列參數(shù)值：定義Inductor的感應(yīng)系數(shù)為160?10-3H.定義Capacitor的電容為200?10-6F.定義階躍源Step中t°的值為0.1s.1.3創(chuàng)建一個(gè)簡單的直流電機(jī)模型在Labraries選項(xiàng)卡內(nèi)，在面板頂部的搜索Search區(qū)域，鍵入EMF，彈出的下拉菜單顯示你的搜索結(jié)果：從下拉菜單中選擇RotationalEMF，RotationalEMF元件顯示在搜索區(qū)域旁邊的方框區(qū)域中。圖5從搜索區(qū)域中的方框區(qū)域，將RotationalEMF元件拖入到模型工作區(qū)，放置它到電容器Capacitor的右側(cè)。在搜索區(qū)域中，搜索Inertia。添加慣量Inertia元件到模型工作區(qū)，放置在RotationalEMF元件的右側(cè)。連接各個(gè)元件。圖6為了連接電動勢元件的正極（藍(lán)色）端口，點(diǎn)擊一下端口，拖動鼠標(biāo)指針到連接電容器和電感器之間的連線，并點(diǎn)擊連線。在模型工作區(qū)，點(diǎn)擊RotationalEMF元件。在Inspector選項(xiàng)卡，修改轉(zhuǎn)換系數(shù)的值k為10點(diǎn)擊階躍元件Step，修改參數(shù)值t為1。01.4直流電機(jī)模型仿真在模型工作區(qū)，刪除探針Probel。從模型工作區(qū)工具欄上，點(diǎn)擊探針按鈕/、、）。移動你的鼠標(biāo)指針到RotationalEMF和Inertia元件之間的連線上方。鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊一下連線，然后再點(diǎn)擊一下，定位探針的位置。選擇探針。在Inspector選項(xiàng)卡內(nèi)，選擇速度Speed和扭矩Torque復(fù)選框。探針添加到模型中，箭頭指示守恒量的方向。點(diǎn)擊模型工作空間的空白區(qū)域。在Inspector選項(xiàng)卡內(nèi)，設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間（,）為5秒。使用文件名為DC_Motor1.msim保存模型。2、添加變速箱到DC電機(jī)模型2.1打開上面所保存的DC_Motor1.msim文件，如下圖7所示。圖7從1-DMechanical一Rotational一BearingsandGears菜單，添加一個(gè)IdealGear元件到模型工作區(qū)，并放置在Inertia元件的右側(cè)。從1-DMechanical一Rotational—SpringsandDampers菜單，添^口一個(gè)ElastoBacklash元件到模型工作區(qū)，并放置在IdealGear元件的右側(cè)。從1-DMechanical一Rotational一Common菜單，添加另一個(gè)Inertia元件到模型工作區(qū)，并放置在ElastoBacklash元件的右側(cè)。2.3如下圖連接元件。圖82.4在模型工作區(qū)中，點(diǎn)擊IdealGear元件。2.5在右側(cè)的Parameters面板，改變兩個(gè)法蘭之間的傳動比，在r區(qū)域，輸入10后按回車鍵。2.6對其他元件定義下面的參數(shù)值：對Elasto-Backlash元件，在b區(qū)域，定義總的間隙為0.3rad。在d區(qū)域，定義阻尼常量為104旦^… . rad― 對第一個(gè)Inertia元件（i2），在J區(qū)域，定義轉(zhuǎn)動慣量（慣性矩）為10kg.m2對Step源，在height區(qū)域，定義高度為100。3、帶變速箱的DC電機(jī)模型仿真3.1從模型工作區(qū)中刪除Probe1。3.2從工具欄點(diǎn)擊探針圖標(biāo)（E!）3.3移動你的鼠標(biāo)指針到連接ElastoBacklash元件和第二個(gè)Inertia元件（i） 的線上，此時(shí)這條連接線將高亮顯示。33.4點(diǎn)擊一下連接線，然后點(diǎn)擊探針放置它。3.5選擇模型工作區(qū)中的探針。3.6為了在仿真圖形中顯示角度"），速度（w），加速度（a），和力矩（T）的值，選擇Angle，Speed，Acceleration，和Torqueo3.7點(diǎn)擊模型工作區(qū)中的空白區(qū)域。3.8在Inspector選項(xiàng)卡內(nèi)，設(shè)置參數(shù)t的值為10秒，并按回車鍵。3.9點(diǎn)擊工具欄上的仿真按鈕。仿真運(yùn)行結(jié)束后，下面的圖形將顯示出來。圖94、 組合DC電機(jī)元件到一個(gè)子系統(tǒng)中使用選擇工具（牛），在電子元件和第一個(gè)旋轉(zhuǎn)慣性元件周圍拖出一個(gè)方框。從Edit菜單，選擇CreateSubsystem。在CreateSubsystem對話框中輸入DCmotor。4.3點(diǎn)擊OK。一個(gè)代表直流電機(jī)的白色方塊顯示在模型工作區(qū)內(nèi)。5、 給模型分配全局參數(shù)5.1點(diǎn)擊導(dǎo)航工具欄上的Main按鈕瀏覽頂層模型。5.2點(diǎn)擊導(dǎo)航工具欄上的按鈕，切換到參數(shù)編輯器窗口。5.3在Mainsubsystemdefaultsettings表格的第一行，定義參數(shù)R并按回車鍵。5.4定義默認(rèn)值為24，輸入Globalresistancevariable作為描述語句。5.5在表格的第二行，定義一個(gè)名為J的參數(shù)，并按回車鍵。5.6定義默認(rèn)值為10，輸入Globalmomentofinertiavalue作為描述語句。5.7點(diǎn)擊導(dǎo)航工具欄上的國按鈕，切換到模型視圖。新的參數(shù)R和J將顯示在Inspector選項(xiàng)卡中的max.steps的下方區(qū)域。compilertrueR 24J 10圖105.8點(diǎn)擊導(dǎo)航工具欄上的Mk按鈕，切換到參數(shù)編輯器窗口。5.9在13component表格中的轉(zhuǎn)動慣量值區(qū)域輸入），按回車鍵確認(rèn)。轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)現(xiàn)在可以繼承全局參數(shù)（J）的數(shù)值，這里的值是10。5.10切換到模型視圖，雙擊DCMotor子系統(tǒng)。5.11點(diǎn)擊導(dǎo)航工具欄上的嗦按鈕，切換到圖標(biāo)視圖。5.12在emfcomponent表格中的轉(zhuǎn)換系數(shù)值區(qū)域，輸入R*J，按回車鍵確認(rèn)。這個(gè)值是轉(zhuǎn)換系數(shù)的近似值。5.13在R1component表格中電阻參數(shù)值區(qū)域，輸入日，按回車鍵確認(rèn)。5.14切換到模型視圖，瀏覽頂層模型。5.15保存物理模型到DC_Motor2.msim文件。6、改變輸入和輸出值修改模型的輸入值和輸出值，對不同的參數(shù)條件下的模型仿真。從1-DMechanical一Rotational一Sensors菜單，添力口AngularVelocitySensor元件到模型工作區(qū)中，并放置在變速箱的后面。鼠標(biāo)右擊AngularVelocitySensor元件，選擇FlipHorizontalo6.3刪除在Step源和DCMotor子系統(tǒng)之間的連接線。6.4從SignalBlocks一Controllers菜單，添加PI元件到模型工作區(qū)，并將它放置在DCMotor子系統(tǒng)的左邊。6.5從SignalBlocks一Mathematical一Operators菜單，添加Feedback元件到模型工作區(qū)，并將它放置在PI元件的左邊。6.6如下圖連接各個(gè)模型元件。

圖116.7點(diǎn)擊模型工作區(qū)中的PI元件。6.8在Parameters面板上，在k區(qū)域定義一個(gè)20的增益，在T區(qū)域定義一個(gè)時(shí)間常數(shù)為3秒。6.9再次對模型運(yùn)行仿真。仿真完成后，下面的圖形將顯示。7000600020001Q00131614Probe!:pht20864201111里田?切qoxdPiobc1:tanSOO0070000TS4lEqll-.E6000050000400007000600020001Q00131614Probe!:pht20864201111里田?切qoxdPiobc1:tanSOO0070000TS4lEql