畢業(yè)論文-基于modelica語(yǔ)言的龍門刨床控制電路仿真

畢業(yè)設(shè)計(jì)基于modelica語(yǔ)言的龍門刨床控制電路仿真學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：二零一五年六月誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名：年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：基于modelica語(yǔ)言的龍門刨床控制電路仿真系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械電子學(xué)號(hào)：學(xué)生：指導(dǎo)教師（含職稱）：講師1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)熟悉modelica語(yǔ)言及其建模環(huán)境結(jié)合機(jī)電傳動(dòng)課程中典型的龍門刨床控制電路建立相應(yīng)的多領(lǐng)域模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析論證2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容(1)、認(rèn)真閱讀任務(wù)書，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在了解課題研究目的意義及現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行充分論證，并撰寫開題報(bào)告；(2)、建立相關(guān)模型，熟悉相關(guān)軟件；(3)、完成系統(tǒng)控制分析；(4)、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書；3．主要參考文獻(xiàn)[1]陳競(jìng)雄.基于可編程序控制器和變頻器的龍門刨床控制系統(tǒng)的研究.重慶大學(xué).2005[2]劉敏.基于Modelica的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模平臺(tái)的研究與開發(fā).華中科技大學(xué).20054．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起止日期1閱讀任務(wù)書，通過查閱資料，撰寫開題報(bào)告并進(jìn)行開題答辯；2014.11.-2014.12.312建立相關(guān)模型，熟悉相關(guān)軟件；2015.1-2015.33中期答辯；2015.42015.54完成模擬系統(tǒng)平臺(tái)搭建，建立模型并分析；2015.5-2015.65撰寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯2015.6-審核人：年月日前言1.1龍門刨床的概述龍門刨運(yùn)用了交流電動(dòng)機(jī),直流發(fā)電機(jī),電機(jī)擴(kuò)大機(jī)等多種電機(jī)。因此它在機(jī)床電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中,具有一定的典型意義。因?yàn)辇堥T刨床所具有以上特點(diǎn)以及電氣電路所涉及到的專業(yè)知識(shí),能夠較全面的考察學(xué)習(xí)者的專業(yè)技能。本文主要介紹龍門刨床控制電路以及在modelica中的仿真。1.2龍門刨床的結(jié)構(gòu)與組成機(jī)械部分：龍門刨床的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由七部分組成:①床身;②工作臺(tái);③橫梁;④左右垂直刀架;⑤左右側(cè)刀架及進(jìn)給箱。主運(yùn)動(dòng):龍門刨床的主運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)和工件的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng).輔助運(yùn)動(dòng):是橫梁的上下移動(dòng)以及刀架橫梁的左右移動(dòng)以及側(cè)刀架在立柱上的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電氣部分：直流發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組成的主回路；電機(jī)放大機(jī)作為直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制回路；繼電一接觸控制回路;交流電動(dòng)機(jī)及其他輔助電機(jī)部分；立流潤(rùn)班與工作白拖勸；電機(jī)放大機(jī)(又稱交磁放大機(jī))。1.3龍門刨床控制電路的介紹龍門刨床控制電路的原理其實(shí)就是電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)：異步電動(dòng)機(jī)定子三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱交流電流后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與其磁力線相互切割，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)知道，無論是鼠籠異步電機(jī)還是繞線異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞組都是閉合回路，因此轉(zhuǎn)子繞組中有感應(yīng)電流流過。此時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組作為載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生電磁力，電磁力對(duì)稱軸中心，所形成的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子沿著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，異步電動(dòng)機(jī)之所以能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，主要原因在于內(nèi)部所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向即可改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子三相對(duì)稱繞組中所通入的三相對(duì)稱交流電流的相序，所以改變?nèi)鄬?duì)稱交流電流的相序即可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。實(shí)際操作中，只需對(duì)調(diào)三根電源線中的任意兩根即可。1.4modelica語(yǔ)言的介紹Modelica是一種面向?qū)ο蟮?、非因果建模的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言。面向?qū)ο蟮慕７椒ㄊ褂脩裟軌蛞詰?yīng)用領(lǐng)域熟悉、直觀的對(duì)象概念來建立仿真模型,其建模觀點(diǎn)與人們認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的思維方式一致,開發(fā)模型層次分明,結(jié)構(gòu)清晰。非因果建模指采用數(shù)學(xué)方程而不是賦值語(yǔ)句定義類的行為。方程的求解方向最終由仿真求解器根據(jù)方程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流環(huán)境自動(dòng)確定。這意味著用戶不必在建模時(shí)將方程轉(zhuǎn)化為因果賦值形式,既減輕了建模工作量,又增強(qiáng)了模型的魯棒性與重用性。Modelica語(yǔ)言支持多領(lǐng)域建模與連續(xù)-離散混合建模,適合于描述具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模塊間的無縫集成?；谄浣⒌哪Ｐ蛶?kù)能夠在建模語(yǔ)言層次上實(shí)現(xiàn)通用目的,具有其它軟件工具所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。Modelica語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了建模與仿真相分離,減少了數(shù)學(xué)模型變換整理為仿真模型的工作。開發(fā)人員能更加集中于模型的抽象與開發(fā),語(yǔ)言平臺(tái)自動(dòng)產(chǎn)生高效的程序代碼并提供豐富的求解算法,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到仿真模型的轉(zhuǎn)化。2龍門刨床控制電路的原理2.1電動(dòng)機(jī)2.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理本文主要介紹的是三相異步動(dòng)機(jī)，它的工作原理是，由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流的相互作用。因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)和同步轉(zhuǎn)數(shù)不想等，所以這一類型的電動(dòng)機(jī)我們稱為異步電動(dòng)機(jī)，而且把轉(zhuǎn)速差和同步轉(zhuǎn)速的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s來表示，轉(zhuǎn)差率是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況的主要參數(shù)。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路分析可得以下公式：轉(zhuǎn)子電路分析：2.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性有異步電動(dòng)機(jī)的工作原理可以知道，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是因?yàn)榫哂修D(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁理F作用而產(chǎn)生的。電磁力轉(zhuǎn)矩的大小雨轉(zhuǎn)子電流以及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通量ф成正比。從轉(zhuǎn)子電路分析可知，轉(zhuǎn)子電路是一個(gè)交流電路，它不只有電阻，還有漏磁感抗的存在，因此轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間有一個(gè)相位差。轉(zhuǎn)子電流可以分解為有功分量和無功分量?jī)刹糠郑挥修D(zhuǎn)子電流的有功分量才可以雨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。也就是說，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是雨轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比。所以，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：其中，是僅雨電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通；為轉(zhuǎn)子電流；為轉(zhuǎn)子回路的功率因素。由上面這個(gè)公式最后可得:T=K其中，K與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電源頻率有關(guān)，是一個(gè)常數(shù)，U為電源電壓，為轉(zhuǎn)子每組繞組的電阻，為電動(dòng)機(jī)不動(dòng)是，轉(zhuǎn)子每項(xiàng)繞組的感抗。機(jī)械特性：異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線，就是n=f(T).它有固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性之分。固有機(jī)械特性：異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，在定子和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或者電抗時(shí)的機(jī)械特性為固有機(jī)械特性。如下圖2-1所示：圖2-1異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性：降低電動(dòng)機(jī)電源電壓的人為特性；定子電路接入電阻或者電抗的人為機(jī)械特性；改變定子電源頻率的人為特性；轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)電阻的人為特性。2.2異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路2.2.1直接啟動(dòng)控制電路對(duì)于小型臺(tái)鉆、冷卻泵、砂輪機(jī)等，可用開關(guān)直接啟動(dòng)。圖2-2電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)控制電路圖（2）對(duì)于小容量籠式異步機(jī)，可采用解除其直接啟動(dòng)，如圖2.2所示的為控制電路的原理圖。它包括電源開關(guān)QS，交流接觸器KM、熱繼電器FR、按鈕SB及熔斷器FU等控制和保護(hù)器。啟動(dòng)電路是先將開關(guān)QS合上，接通電源，做啟動(dòng)準(zhǔn)備。按下啟動(dòng)按鈕SB2，交流接觸器的線圈KM通電，銜鐵吸合而將三個(gè)主觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)定子電路接通電源，電動(dòng)機(jī)便開始啟動(dòng)。與此同時(shí)，與啟動(dòng)按鈕SB2并聯(lián)的常開觸頭也閉合，因而當(dāng)松開SB2的啟動(dòng)按鈕時(shí)，接觸器線圈的電路仍然與電源接通，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)觸頭稱為自鎖或自保觸頭。這種利用電器自身的常開觸頭使自己線圈保持通電的狀態(tài)稱為自鎖或自保。若將停止按鈕SB1按下，則線圈電路切斷，銜鐵和觸頭恢復(fù)到斷電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的主電路斷開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。若要電動(dòng)機(jī)再次工作，必須再次按下啟動(dòng)按鈕才能啟動(dòng)。上圖2.2所示的電路，可對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行實(shí)行短路保護(hù)、過載保護(hù)和零壓保護(hù)（或欠壓保護(hù)）。起短路保護(hù)的是熔斷器FU。一旦發(fā)生短路或過載嚴(yán)重，熔斷器將立即熔斷，電動(dòng)機(jī)立即停車。熔斷器一般是根據(jù)線路的工作電壓和額定電流來選擇的。一般籠式異步電動(dòng)機(jī)的熔斷器按啟動(dòng)電流的1/K（K≈1.6--2.5）來選擇。起過載保護(hù)的是熱繼電器FR。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，串聯(lián)的電動(dòng)機(jī)主電路中的熱繼電器發(fā)熱元件因電流過大而發(fā)熱，經(jīng)一段延時(shí)后其常閉觸頭斷開，因而接觸器線圈斷電，主觸頭斷開，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。目前普遍應(yīng)用具有三個(gè)發(fā)熱元件的三相熱繼電器，它的三個(gè)發(fā)熱元件分別串聯(lián)在定子中或使用三個(gè)這類的熱繼電器（每項(xiàng)一個(gè)）。當(dāng)一相斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的某一相電流可能超過額定值，這時(shí)熱繼電器動(dòng)作，將主電路斷開，起到過載或斷相保護(hù)作用。起零壓保護(hù)作用的是交流接觸器。當(dāng)電源暫時(shí)停電時(shí)，電動(dòng)機(jī)即自動(dòng)從電源上切除。因?yàn)檫@時(shí)接觸器線圈中的電流消失，銜鐵釋放而使主觸頭斷開。當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)，如不重按動(dòng)按鈕，則電動(dòng)機(jī)不能自行啟動(dòng)，因?yàn)樽枣i觸頭也是斷開的。如果是用刀開關(guān)或轉(zhuǎn)換器開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制，由于在停電時(shí)未及時(shí)拉開開關(guān)，當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)即可自行啟動(dòng)，這可能會(huì)造成設(shè)備或人身事故。將上圖2.2中所示的自鎖觸頭KM除去，則可對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB2時(shí)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)，一松手，電動(dòng)機(jī)就停止。這在生產(chǎn)上也是常用的，例如試車調(diào)整時(shí)。2.2.2異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路在生產(chǎn)上經(jīng)常要求運(yùn)動(dòng)部件作正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。例如，機(jī)床工作臺(tái)的前進(jìn)與后退、主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、起重機(jī)的提升與下降等，都可用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。為了電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)，應(yīng)使接到電動(dòng)機(jī)定子繞組上的三根電源線中的任意兩根能進(jìn)行對(duì)調(diào)，這可用兩只接觸器分別控制?？刂凭€路如圖2-3所示。圖2-3異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理圖圖2-3中，KM1控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，KM2控制反轉(zhuǎn)。按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1吸引線圈得電，其主觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)定子繞組接入三相電源A、B、C線上，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。需要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，必須先按下停止按鈕SB1，使KM1失電，其主觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)定子繞組與電源斷開后才能按反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB3，使KM2吸引線圈得電，其主觸頭閉合，定子繞組分別接電源的C、B、A相，因而電機(jī)反轉(zhuǎn)。由圖可知，如果兩個(gè)接觸器同時(shí)工作，將有兩根電源線通過他們的主觸點(diǎn)而將電源短路。所以正反轉(zhuǎn)線路必須保證兩個(gè)接觸器不同時(shí)工作。上圖2-3所示的控制線路中，正轉(zhuǎn)接觸器KM1的一個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)接在反轉(zhuǎn)接觸器KM2的線圈電路中，而反轉(zhuǎn)接觸器的一個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)接在正轉(zhuǎn)接觸器的線圈電路中。這樣在同一時(shí)間里，兩個(gè)接觸器只能一個(gè)工作，這種控制狀態(tài)稱為互鎖或連鎖。這兩個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)稱為連鎖觸點(diǎn)。圖2-3所示電路中還采用了復(fù)合按鈕。當(dāng)電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)改為反轉(zhuǎn)，或是從反轉(zhuǎn)改為正轉(zhuǎn)時(shí)，只要那先正轉(zhuǎn)按鈕SB2（或反轉(zhuǎn)按鈕SB3）。電路總是按照先停機(jī)再開機(jī)這樣的規(guī)律，再進(jìn)行正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）。這樣保證兩只接觸器不會(huì)同時(shí)通電。此電路是較完整的正反向自動(dòng)控制線路。在實(shí)際生產(chǎn)中，常把此線路做成一套電氣設(shè)備，稱為磁力啟動(dòng)器，或稱電磁開關(guān)，常用的啟動(dòng)器有QC10系列。3modelica語(yǔ)言介紹以及用法3.1modelica語(yǔ)言介紹Modelica語(yǔ)言由位于瑞典Link?ing的非贏利組織Modelica協(xié)會(huì)開發(fā)。Modelica是一種用于大型、復(fù)雜、多種成分組成的物理系統(tǒng)建模的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，可以免費(fèi)使用。它適合于多領(lǐng)域建模，例如機(jī)器人中的機(jī)械建模，汽車與航空中的機(jī)械、電子、液壓、控制子系統(tǒng)，面向(化工)過程的應(yīng)用以及發(fā)電與電力傳輸。Modelica中的模型是用數(shù)學(xué)描述的微分、代數(shù)和離散方程。無需人工求解特定的變量，Modelica工具有足夠的信息來自動(dòng)求解。Modelica的設(shè)計(jì)使得有可用的專門算法可對(duì)超過10萬個(gè)方程的大型模型進(jìn)行處理。Modelica適合并已用于半實(shí)物仿真和嵌入式控制系統(tǒng)。3.2modelica語(yǔ)言的用法Modelica模型由變量、方程與算法、嵌套類等三種要素組成，下面結(jié)合VanDerPol實(shí)例介紹模型中的各種要素。modelVanDerPolRealx(start=1)"Descriptivestringforx";Realy(start=1)"Descriptivestringfory";parameterReallamda=0.3;equationder(x)=y;der(y)=-x+lamda*(1-x*x)*y;endVanDerPol3.2.1變量變量表示模型的屬性，通常代表某個(gè)物理量。VanDerPol模型聲明了兩個(gè)變量x和y，變量的類型都是Real，變量的start屬性值(即仿真開始時(shí)刻的值)都為1。模型還聲明了一個(gè)以parameter前綴修飾的變量lamda，即模型參數(shù)參數(shù)。變量在仿真過程中隨時(shí)間發(fā)生變化，而參數(shù)在仿真過程中保持為常量。模型參數(shù)可在仿真運(yùn)行之前修改，修改參數(shù)后的模型其仿真結(jié)果可能發(fā)生變化，例如修改VanDerPol模型的參數(shù)lamda的值，變量x和y的仿真曲線立即發(fā)生變化。模型中聲明的參數(shù)使得使用者可以很容易地改變模型的行為。Modelica還有另一種以constant前綴修飾的不能被修改的常量。常量在仿真過程不發(fā)生變化，與參數(shù)不同的是，常量不能被使用者修改。3.2.2方程與算法Modelica使用方程與算法描述模型的行為，表達(dá)變量之間的約束關(guān)系。Modelica使用不同操作符表示方程與算法，方程使用“=”操作符，而在算法中使用“:=”操作符。Modelica方程與數(shù)學(xué)方程的意義是一致的，方程等式?jīng)]有方向性，變量之間的約束關(guān)系是非因果的。例如電路中描述電壓v、電阻R和電流i之間關(guān)系的方程。R*i=v可以表達(dá)如下賦值關(guān)系：i:=v/R;v:=R*i;R:=v/i;除等式方程外，Modelica還有其他形式的方程，如聲明方程、變型方程、連接方程、if方程、for方程、when方程等，詳情參見3.3節(jié)。Modelica算法表達(dá)的是變量之間的因果關(guān)系，表示將賦值表達(dá)式右邊的表達(dá)式賦值給左邊的變量。算法中的一系列等式賦值描述了變量的求解過程。Modelica中方程與算法有本質(zhì)區(qū)別，方程是陳述式非因果的，只描述模型而不說明如何求解；算法是過程式因果的，模型描述與求解是一體的。3.2.3連接Modelica將模型與外界的通信接口定義為連接器，并用一種稱作連接器類(connector)的受限類來描述。連接表示了組件之間的相互聯(lián)系，連接器包含連接中需要描述的各種物理量，如電子元件中的電壓與電流量，驅(qū)動(dòng)元件中的角度與扭矩值。3.2.4類與類型類是Modelica語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)元素，是構(gòu)成Modelica模型的基本單元。類的實(shí)例稱為對(duì)象或組件，實(shí)例化的類稱為對(duì)象或組件的類型。類中可包含變量、嵌套類、算法和方程。變量代表類的屬性，算法和方程定義類的行為，描述變量之間的約束關(guān)系。Modelica類分為一般類和受限類。受限類具有特殊用途，在語(yǔ)法規(guī)范上有一定的限制。使用受限類是為了使Modelica模型代碼便于閱讀和維護(hù)。一般類由關(guān)鍵字class修飾，受限類由特定的關(guān)鍵字修飾，例如model、connector、record、block和type等。受限類只不過是一般類概念的特殊化形式，在模型中受限類關(guān)鍵字可以被一般類關(guān)鍵字class替換，而不會(huì)改變模型的行為。受限類關(guān)鍵字也可以在適當(dāng)條件下替換一般類關(guān)鍵字class，只要二者在語(yǔ)義上等價(jià)。Modelica類型可分為內(nèi)置類型和自定義類型。內(nèi)置類型是Modelica的基本類型，可以不聲明直接使用，例如VanDerPol模型中x和y的類型是內(nèi)置實(shí)型Real。Modelica定義了5種內(nèi)置類型：Real、Integer、Boolean、String、enumeration，分別支持浮點(diǎn)型、整型、布爾型、字符串型和枚舉型變量。內(nèi)置類型自身具有屬性，詳細(xì)情況見表2-2。設(shè)置這些屬性可能影響模型的求解結(jié)果，例如VanDerPol模型中x和y的“start”屬性值。自定義類型即用戶聲明的類型。自定義類型必須聲明才能使用，即有類型定義才能聲明該類型的實(shí)例。Modelica將各領(lǐng)域常用的類型集成到Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，用戶只需加載該庫(kù)就可在此基礎(chǔ)上建模，而不必自己從底層開始建立模型。3.3面向?qū)ο蠼?.3.1對(duì)象與組件組件(Component)：Modelica語(yǔ)法規(guī)范中將“組件”定為專門術(shù)語(yǔ)，對(duì)應(yīng)于工程建模中的零件/部件或者元件/器件。從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤矗M件就是對(duì)象。對(duì)象(Object)：Modelica是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，在Modelica模型中，除了文字常量以外，任何被聲明的組件，其本質(zhì)都是一個(gè)對(duì)象。對(duì)應(yīng)地，組件包含了組件屬性。3.3.2類型定義在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中，對(duì)象是類的實(shí)例，同樣，Modelica中組件是類型的實(shí)例。class類型名元素定義1;元素定義區(qū)域元素定義2;...equation方程1;方程2;行為定義區(qū)域...end類型名 如上所示，Modelica類型定義的基本結(jié)構(gòu)包括：(1).元素定義：元素定義區(qū)域可以定義組件或者嵌套類型，并且可以導(dǎo)入其他類型或者組件，以及繼承其他類型。(2).行為定義：行為定義區(qū)域可以通過方程或算法的方式定義此類的行為，這些方程或算法將與其他存在數(shù)據(jù)交互的模型方程一起決定求解過程(線性/非線性、常微分/微分代數(shù)、連續(xù)/離散等)。3.3.3其余三大建模陳述式建模：對(duì)于一個(gè)物理系統(tǒng)而言，各組成部分內(nèi)部及各組成部分之間的物理關(guān)系本身并沒有因果性，因此，模型中應(yīng)當(dāng)是對(duì)模型行為的自然描述而無需考慮計(jì)算順序。這種基于方程的建模方式稱為陳述式建模，又稱為非因果建模，與之相對(duì)的是過程式建?；蛞蚬越?。Modelica是基于方程的建模語(yǔ)言，在上述的類型定義中可以看到，中間有明確的行為區(qū)域用于以方程來描述模型行為，作為對(duì)陳述式建模的補(bǔ)充，Modelica同時(shí)支持過程式建模方法。連續(xù)離散混合建模：實(shí)際物理模型的動(dòng)態(tài)特性可以是連續(xù)時(shí)變的，也可以是分段連續(xù)時(shí)變的，如二極管，物體之間的摩擦力等，還可以是離散時(shí)變的，即系統(tǒng)狀態(tài)只在某些離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化。動(dòng)態(tài)連續(xù)建模的關(guān)鍵是基于能量守恒、動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒等基本物理定律描述系統(tǒng)連續(xù)時(shí)變行為，而離散事件建模的關(guān)鍵是怎樣表達(dá)與事件相關(guān)的離散行為。多領(lǐng)域統(tǒng)一建模：Modelica對(duì)于多領(lǐng)域耦合模型統(tǒng)一描述的基本原理是，從能量的角度出發(fā)，按照廣義基爾霍夫定律和能量守恒定律構(gòu)造多領(lǐng)域耦合模型，從而以數(shù)學(xué)方程統(tǒng)一的描述多領(lǐng)域物理系統(tǒng)。3.4方程方程以陳述式的方式表達(dá)約束和關(guān)系，不指定數(shù)據(jù)流向和控制流。按方程所在的區(qū)域又可分為聲明區(qū)域方程、方程區(qū)域方程。在聲明區(qū)域的方程有兩種：聲明方程和變型方程。方程區(qū)域是以“equation”關(guān)鍵字開始，終止于類定義結(jié)束或者public、protected、algorithm、equation、initialalgorithm、initialequation關(guān)鍵字之一。方程區(qū)域的結(jié)構(gòu)為：equation<方程>…<類定義結(jié)束或其它關(guān)鍵字。3.5算法算法是由一系列語(yǔ)句組成的計(jì)算過程。算法是過程式建模的重要組成部分。算法只能出現(xiàn)在算法區(qū)域，由一系列算法語(yǔ)句組成。算法區(qū)域以algorithm關(guān)鍵字開始，終止于類定義結(jié)束或equation、public、protected、algorithm、initial關(guān)鍵字之一。算法區(qū)域作為一個(gè)整體，會(huì)用到算法區(qū)域外變量的值，這些變量稱為算法的輸入，同時(shí)，在算法中會(huì)對(duì)一些變量賦值，這些被賦值的變量稱為算法的輸出。從外部來看，有n個(gè)輸出變量的算法區(qū)域可以看做是有n個(gè)方程的子系統(tǒng)，這n個(gè)方程通過算法來表達(dá)n個(gè)輸出變量之間的約束關(guān)系。算法區(qū)域中的語(yǔ)句有賦值語(yǔ)句、for循環(huán)語(yǔ)句、while循環(huán)語(yǔ)句、if條件語(yǔ)句、when條件語(yǔ)句、其他語(yǔ)句。3.6數(shù)組數(shù)組是一組同類型變量的集合。數(shù)組元素通過簡(jiǎn)單的整數(shù)下標(biāo)來訪問，范圍從1到對(duì)應(yīng)的維數(shù)的大小。在Modelica中，數(shù)組是整齊的，以矩陣為例，每行的長(zhǎng)度是相同的，每列的長(zhǎng)度也是相同的。該特性保證了數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的高效性與方便性。盡管標(biāo)量本質(zhì)上不是數(shù)組，但仍可被看做是0維的數(shù)組。向量是1維數(shù)組，矩陣是2維數(shù)組。Modelica不區(qū)分行向量與列向量，要想?yún)^(qū)分二者，需要用行矩陣或列矩陣來表示。但在應(yīng)用Modelica建模過程中很少需要對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分。4模型的建立與仿真結(jié)果的分析4.1.各組件模型的建立4.1.1openmodelica的介紹如圖4-1，圖是openmodelica的打開后的主頁(yè)，openmodelica是一個(gè)開源的modelica語(yǔ)言的仿真環(huán)境，我們這次建模主要用的就是這個(gè)軟件，用這個(gè)軟件實(shí)習(xí)龍門刨床控制電路的仿真。圖4-1openmodelica的主頁(yè)4.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)模型的建立如圖4-2，是在openmodelica里建立的三相異步電動(dòng)機(jī)的模型圖，圖4-2三相異步電動(dòng)機(jī)的模型圖在建立電動(dòng)機(jī)模型圖的時(shí)候，首先要清楚該電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，所以有3個(gè)輸出端口。然后，在openmodelica里面建立的時(shí)候，在軟件的主頁(yè)里面點(diǎn)擊新建modelica類，將會(huì)彈出一個(gè)窗口，圖4-3，在窗口中輸入要做模型的名稱（不能為漢字）。在特殊話里面選擇Block。然后點(diǎn)擊確定，這樣軟件將會(huì)變成圖4-4.圖4-3圖4-4點(diǎn)擊圖4-4左邊的modelica,，在modelica里面選擇block,然后打開，然后在打開里面的Interfaces,如圖4-5，把里面的RealIput拉三個(gè)到圖4-4中白色方格的地方（也就是組件視圖里面），準(zhǔn)備建立電動(dòng)機(jī)模型，因?yàn)榻⒌氖侨喈惒诫妱?dòng)機(jī)，它是有3個(gè)輸入端，所以要拉出3個(gè)RealIput,拉進(jìn)去后，圖4-5圖4-2為拉進(jìn)去后建立的電動(dòng)機(jī)組件圖，它是通過軟件上面行，多邊形，圓形，矩形文本這來畫成電動(dòng)機(jī)的圖，然后點(diǎn)開圖標(biāo)視圖，拖動(dòng)成為美觀的圖標(biāo)視圖。最后點(diǎn)擊文本查看，根據(jù)前面的原來，編輯自己的程序如下：RealT;Reals;equations=(1500-time)/1500;T=24200*s/(25+100*s*s);4.1.3電源的模型建立圖4-6為電源模型建立，因?yàn)橛玫氖侨喈惒诫妱?dòng)機(jī)，所以也應(yīng)該用三相電源。圖4-6電源模型如同電動(dòng)機(jī)的建立，新建類后，打開modelica里面的blocks,點(diǎn)開interfaces，拖出3個(gè)RealOutput,然后通過畫圖建立電影模型，最后點(diǎn)開文本，根據(jù)理論部分，修改出相應(yīng)自己要用的軟件程序如下：constantRealpi=Modelica.Constants.pi;equationy=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+0));y1=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+120));y2=380*Modelica.Math.sin(2*pi*50*(time-0+240));4.1.4接觸器的建立圖4-7為接觸器的模型建立，因?yàn)榻佑|器是一種自動(dòng)開關(guān)，所以在建立接觸器的時(shí)候我們要用到開關(guān)，接觸器主要控制電動(dòng)機(jī)或者其他負(fù)載。圖4-7接觸器的模型接觸器模型的建立也如電動(dòng)機(jī)一樣，先打開軟件建立新的類，然后打開modelica在blocks里面點(diǎn)擊interfaces，在里面?zhèn)€拉出4個(gè)RealInput和4個(gè)RealOutput,因?yàn)楦鶕?jù)我的原理圖，這里我用4個(gè)開關(guān)來建立一個(gè)接觸器，所以要用到輸入輸出個(gè)4個(gè)，所以這些要個(gè)拉4個(gè)。然后在分別拉入4個(gè)開關(guān)，外加一個(gè)BooleanInput,然后連接做出接觸器的模型組件圖。圖4-8，表示選擇的開關(guān)，在點(diǎn)開modelica，選擇Electrical，在選擇Analog里面的開關(guān)圖形的圖4-8同樣的，在圖4-5里面也可以找到BooleanInput。圖4-9為接觸器的圖標(biāo)圖形，點(diǎn)擊軟件中的圖標(biāo)圖形，在根據(jù)上面的矩形和文字畫出他的突變圖形，圖4-9接觸氣的圖標(biāo)圖形最后還是點(diǎn)擊文本，顯示程序，自己修改程序。4.1.5熔斷器的建立熔斷器的建里和以上建立的方式一樣，它的主要只需要一個(gè)輸入輸出，圖4-10與4-11分別用來表示熔斷器的組件模型和圖標(biāo)模型。圖4-10熔斷器組件模型圖4-11熔斷器圖標(biāo)圖形最后，熔斷器的點(diǎn)開文本，修改程序。4.2龍門刨床控制電路模型的建立圖4-12為建立的龍門控制電路模型，圖中KM1控制電路正轉(zhuǎn)，圖中KM2控制電路反轉(zhuǎn)，圖4-12龍門刨床控制電路的模型圖龍門刨床的電路模型具體建立：如圖4-12，打開軟件，在軟件中的打開模型庫(kù)|文件中分別先打開第三章中各組件的模型，新建一個(gè)庫(kù)，彈出對(duì)話框，填寫名稱，特殊話不動(dòng)，然后新建褲，在新建的組件圖中分別拉入已建立的模型，然后在拉入開關(guān)，在拉入一個(gè)BooStep,打開modelica選擇blockss里面的sources中的BooStep,然后點(diǎn)擊連接，分別把他們連接成圖4-12。圖4-12點(diǎn)擊文本，對(duì)程序進(jìn)行設(shè)置，從而讓電路圖實(shí)現(xiàn)仿真，程序如下：RealT;Reals;equations=(1500-time)/1500;T=24200*s/(25+100*s*s);4.3模型的仿真和仿真結(jié)果分析4.3.1模型的仿真過程首先根據(jù)自己的原理里面的公式，編寫程序，圖4-13表示程序的仿真過程，圖4-14表示程序出現(xiàn)問題，類型這種都需要修改。圖4-15表示仿真完成后的圖形。圖4-13圖4-14圖4-15點(diǎn)擊圖4-15上面的新建參數(shù)會(huì)圖窗口，就會(huì)出現(xiàn)新的窗口，這個(gè)窗口用來進(jìn)行仿真的東西，從而得出仿真的結(jié)果。圖4-16，點(diǎn)擊窗口上面的重新仿真設(shè)置。因?yàn)榉抡鏁r(shí)間過短出現(xiàn)不了圖形，這里需要設(shè)置起始時(shí)間，因?yàn)檗D(zhuǎn)速為1500，這里把結(jié)束時(shí)間設(shè)為1500。圖4-16圖4-17，這個(gè)圖就是最后用來仿真的圖形，首先右邊的變量，先點(diǎn)哪一個(gè)，哪一個(gè)就是自變量，后點(diǎn)哪一個(gè)那一個(gè)就是因變量，根據(jù)這些從而來實(shí)現(xiàn)自己的仿真。