毕业论文-基于modelica语言的龙门刨床控制电路仿真

毕业设计基于modelica语言的龙门刨床控制电路仿真学生姓名：学号：系部：机械工程系专业：机械电子工程指导教师：二零一五年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日毕业设计任务书设计题目：基于modelica语言的龙门刨床控制电路仿真系部：机械工程系专业：机械电子学号：学生：指导教师（含职称）：讲师1．设计的主要任务及目标熟悉modelica语言及其建模环境结合机电传动课程中典型的龙门刨床控制电路建立相应的多领域模型，对系统进行分析论证2．设计的基本要求和内容(1)、认真阅读任务书，通过查阅相关文献资料，在了解课题研究目的意义及现状等基础上，构建设计方案并进行充分论证，并撰写开题报告；(2)、建立相关模型，熟悉相关软件；(3)、完成系统控制分析；(4)、毕业设计说明书；3．主要参考文献[1]陈竞雄.基于可编程序控制器和变频器的龙门刨床控制系统的研究.重庆大学.2005[2]刘敏.基于Modelica的多领域物理系统建模平台的研究与开发.华中科技大学.20054．进度安排设计各阶段名称起止日期1阅读任务书，通过查阅资料，撰写开题报告并进行开题答辩；2014.11.-2014.12.312建立相关模型，熟悉相关软件；2015.1-2015.33中期答辩；2015.42015.54完成模拟系统平台搭建，建立模型并分析；2015.5-2015.65撰写设计说明书，准备毕业答辩2015.6-审核人：年月日前言1.1龙门刨床的概述龙门刨运用了交流电动机,直流发电机,电机扩大机等多种电机。因此它在机床电力拖动自动控制系统中,具有一定的典型意义。因为龙门刨床所具有以上特点以及电气电路所涉及到的专业知识,能够较全面的考察学习者的专业技能。本文主要介绍龙门刨床控制电路以及在modelica中的仿真。1.2龙门刨床的结构与组成机械部分：龙门刨床的基本机械结构主要由七部分组成:①床身;②工作台;③横梁;④左右垂直刀架;⑤左右侧刀架及进给箱。主运动:龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动.辅助运动:是横梁的上下移动以及刀架横梁的左右移动以及侧刀架在立柱上的上下往复运动。电气部分：直流发电机一电动机组成的主回路；电机放大机作为直流发电机励磁调节器的控制回路；继电一接触控制回路;交流电动机及其他辅助电机部分；立流润班与工作白拖劝；电机放大机(又称交磁放大机)。1.3龙门刨床控制电路的介绍龙门刨床控制电路的原理其实就是电动机的正反转。异步电动机正反转：异步电动机定子三相对称绕组中通入三相对称交流电流后会自动产生一圆形旋转磁场，在该磁场的作用下，转子导体与其磁力线相互切割，在转子导体中产生感应电动势。根据异步电机结构知道，无论是鼠笼异步电机还是绕线异步电机，其转子绕组都是闭合回路，因此转子绕组中有感应电流流过。此时，转子绕组作为载流导体在定子磁场的作用下将产生电磁力，电磁力对称轴中心，所形成的电磁转矩驱动异步电动机转子沿着定子旋转磁场的方向转动。由此可见，异步电动机之所以能够转动，主要原因在于内部所产生的旋转磁场，改变旋转磁场的旋转方向即可改变异步电动机转子的旋转方向，而旋转磁场的旋转方向取决于定子三相对称绕组中所通入的三相对称交流电流的相序，所以改变三相对称交流电流的相序即可实现异步电动机的反转。实际操作中，只需对调三根电源线中的任意两根即可。1.4modelica语言的介绍Modelica是一种面向对象的、非因果建模的多领域统一建模语言。面向对象的建模方法使用户能够以应用领域熟悉、直观的对象概念来建立仿真模型,其建模观点与人们认识现实世界的思维方式一致,开发模型层次分明,结构清晰。非因果建模指采用数学方程而不是赋值语句定义类的行为。方程的求解方向最终由仿真求解器根据方程系统的数据流环境自动确定。这意味着用户不必在建模时将方程转化为因果赋值形式,既减轻了建模工作量,又增强了模型的鲁棒性与重用性。Modelica语言支持多领域建模与连续-离散混合建模,适合于描述具有复杂结构的系统,能实现不同领域模块间的无缝集成。基于其建立的模型库能够在建模语言层次上实现通用目的,具有其它软件工具所无法比拟的优势。Modelica语言实现了建模与仿真相分离,减少了数学模型变换整理为仿真模型的工作。开发人员能更加集中于模型的抽象与开发,语言平台自动产生高效的程序代码并提供丰富的求解算法,实现数学模型到仿真模型的转化。2龙门刨床控制电路的原理2.1电动机2.1.1三相异步电动机的工作原理本文主要介绍的是三相异步动机，它的工作原理是，由定子旋转磁场与转子电流的相互作用。因为转子转数和同步转数不想等，所以这一类型的电动机我们称为异步电动机，而且把转速差和同步转速的比值称为异步电动机的转差率，用s来表示，转差率是分析异步电动机运行的情况的主要参数。三相异步电动机的定子电路分析可得以下公式：转子电路分析：2.1.2三相异步电动机的转矩与机械特性有异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的电磁转矩是因为具有转子电流的转子导体在磁场中受到电磁理F作用而产生的。电磁力转矩的大小雨转子电流以及旋转磁场的每极磁通量ф成正比。从转子电路分析可知，转子电路是一个交流电路，它不只有电阻，还有漏磁感抗的存在，因此转子电流和转子感应电动势之间有一个相位差。转子电流可以分解为有功分量和无功分量两部分，只有转子电流的有功分量才可以雨旋转磁场互相作用而产生电磁转矩。也就是说，电动机电磁转矩实际上是雨转子电流的有功分量成正比。所以，异步电动机的转矩表达式为：其中，是仅雨电动机结构有关的常数；为旋转磁场每极磁通；为转子电流；为转子回路的功率因素。由上面这个公式最后可得:T=K其中，K与电动机的结构参数以及电源频率有关，是一个常数，U为电源电压，为转子每组绕组的电阻，为电动机不动是，转子每项绕组的感抗。机械特性：异步电动机的机械特性曲线是指转子转速n和电磁转矩T的关系曲线，就是n=f(T).它有固有机械特性和人为机械特性之分。固有机械特性：异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，在定子和转子电路中不串联任何电阻或者电抗时的机械特性为固有机械特性。如下图2-1所示：图2-1异步电动机的固有机械特性人为机械特性：降低电动机电源电压的人为特性；定子电路接入电阻或者电抗的人为机械特性；改变定子电源频率的人为特性；转子电路串联电阻的人为特性。2.2异步电动机正反转控制线路2.2.1直接启动控制电路对于小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接启动。图2-2电动机直接启动控制电路图（2）对于小容量笼式异步机，可采用解除其直接启动，如图2.2所示的为控制电路的原理图。它包括电源开关QS，交流接触器KM、热继电器FR、按钮SB及熔断器FU等控制和保护器。启动电路是先将开关QS合上，接通电源，做启动准备。按下启动按钮SB2，交流接触器的线圈KM通电，衔铁吸合而将三个主触头闭合，电动机定子电路接通电源，电动机便开始启动。与此同时，与启动按钮SB2并联的常开触头也闭合，因而当松开SB2的启动按钮时，接触器线圈的电路仍然与电源接通，电动机继续运转，这个触头称为自锁或自保触头。这种利用电器自身的常开触头使自己线圈保持通电的状态称为自锁或自保。若将停止按钮SB1按下，则线圈电路切断，衔铁和触头恢复到断电状态，电动机的主电路断开，电动机停止运行。若要电动机再次工作，必须再次按下启动按钮才能启动。上图2.2所示的电路，可对电动机的运行实行短路保护、过载保护和零压保护（或欠压保护）。起短路保护的是熔断器FU。一旦发生短路或过载严重，熔断器将立即熔断，电动机立即停车。熔断器一般是根据线路的工作电压和额定电流来选择的。一般笼式异步电动机的熔断器按启动电流的1/K（K≈1.6--2.5）来选择。起过载保护的是热继电器FR。当电动机过载时，串联的电动机主电路中的热继电器发热元件因电流过大而发热，经一段延时后其常闭触头断开，因而接触器线圈断电，主触头断开，电动机停转。目前普遍应用具有三个发热元件的三相热继电器，它的三个发热元件分别串联在定子中或使用三个这类的热继电器（每项一个）。当一相断电时，电动机定子绕组的某一相电流可能超过额定值，这时热继电器动作，将主电路断开，起到过载或断相保护作用。起零压保护作用的是交流接触器。当电源暂时停电时，电动机即自动从电源上切除。因为这时接触器线圈中的电流消失，衔铁释放而使主触头断开。当电源电压恢复时，如不重按动按钮，则电动机不能自行启动，因为自锁触头也是断开的。如果是用刀开关或转换器开关进行手动控制，由于在停电时未及时拉开开关，当电源恢复时，电动机即可自行启动，这可能会造成设备或人身事故。将上图2.2中所示的自锁触头KM除去，则可对电动机实现点动。当按下启动按钮SB2时，电动机就转动，一松手，电动机就停止。这在生产上也是常用的，例如试车调整时。2.2.2异步电动机正反转控制线路在生产上经常要求运动部件作正反两个方向的运动。例如，机床工作台的前进与后退、主轴的正转与反转、起重机的提升与下降等，都可用电动机正反转来实现。为了电动机能正反转，应使接到电动机定子绕组上的三根电源线中的任意两根能进行对调，这可用两只接触器分别控制。控制线路如图2-3所示。图2-3异步电动机正反转原理图图2-3中，KM1控制电动机正转，KM2控制反转。按下启动按钮SB2，接触器KM1吸引线圈得电，其主触头闭合，电动机定子绕组接入三相电源A、B、C线上，电动机正转。需要电动机反转时，必须先按下停止按钮SB1，使KM1失电，其主触点断开，电动机定子绕组与电源断开后才能按反转启动按钮SB3，使KM2吸引线圈得电，其主触头闭合，定子绕组分别接电源的C、B、A相，因而电机反转。由图可知，如果两个接触器同时工作，将有两根电源线通过他们的主触点而将电源短路。所以正反转线路必须保证两个接触器不同时工作。上图2-3所示的控制线路中，正转接触器KM1的一个动断触点接在反转接触器KM2的线圈电路中，而反转接触器的一个动断触点接在正转接触器的线圈电路中。这样在同一时间里，两个接触器只能一个工作，这种控制状态称为互锁或连锁。这两个动断触点称为连锁触点。图2-3所示电路中还采用了复合按钮。当电动机从正转改为反转，或是从反转改为正转时，只要那先正转按钮SB2（或反转按钮SB3）。电路总是按照先停机再开机这样的规律，再进行正转（或反转）。这样保证两只接触器不会同时通电。此电路是较完整的正反向自动控制线路。在实际生产中，常把此线路做成一套电气设备，称为磁力启动器，或称电磁开关，常用的启动器有QC10系列。3modelica语言介绍以及用法3.1modelica语言介绍Modelica语言由位于瑞典Linköing的非赢利组织Modelica协会开发。Modelica是一种用于大型、复杂、多种成分组成的物理系统建模的面向对象语言，可以免费使用。它适合于多领域建模，例如机器人中的机械建模，汽车与航空中的机械、电子、液压、控制子系统，面向(化工)过程的应用以及发电与电力传输。Modelica中的模型是用数学描述的微分、代数和离散方程。无需人工求解特定的变量，Modelica工具有足够的信息来自动求解。Modelica的设计使得有可用的专门算法可对超过10万个方程的大型模型进行处理。Modelica适合并已用于半实物仿真和嵌入式控制系统。3.2modelica语言的用法Modelica模型由变量、方程与算法、嵌套类等三种要素组成，下面结合VanDerPol实例介绍模型中的各种要素。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变量变量表示模型的属性，通常代表某个物理量。VanDerPol模型声明了两个变量x和y，变量的类型都是Real，变量的start属性值(即仿真开始时刻的值)都为1。模型还声明了一个以parameter前缀修饰的变量lamda，即模型参数参数。变量在仿真过程中随时间发生变化，而参数在仿真过程中保持为常量。模型参数可在仿真运行之前修改，修改参数后的模型其仿真结果可能发生变化，例如修改VanDerPol模型的参数lamda的值，变量x和y的仿真曲线立即发生变化。模型中声明的参数使得使用者可以很容易地改变模型的行为。Modelica还有另一种以constant前缀修饰的不能被修改的常量。常量在仿真过程不发生变化，与参数不同的是，常量不能被使用者修改。3.2.2方程与算法Modelica使用方程与算法描述模型的行为，表达变量之间的约束关系。Modelica使用不同操作符表示方程与算法，方程使用“=”操作符，而在算法中使用“:=”操作符。Modelica方程与数学方程的意义是一致的，方程等式没有方向性，变量之间的约束关系是非因果的。例如电路中描述电压v、电阻R和电流i之间关系的方程。R*i=v可以表达如下赋值关系：i:=v/R;v:=R*i;R:=v/i;除等式方程外，Modelica还有其他形式的方程，如声明方程、变型方程、连接方程、if方程、for方程、when方程等，详情参见3.3节。Modelica算法表达的是变量之间的因果关系，表示将赋值表达式右边的表达式赋值给左边的变量。算法中的一系列等式赋值描述了变量的求解过程。Modelica中方程与算法有本质区别，方程是陈述式非因果的，只描述模型而不说明如何求解；算法是过程式因果的，模型描述与求解是一体的。3.2.3连接Modelica将模型与外界的通信接口定义为连接器，并用一种称作连接器类(connector)的受限类来描述。连接表示了组件之间的相互联系，连接器包含连接中需要描述的各种物理量，如电子元件中的电压与电流量，驱动元件中的角度与扭矩值。3.2.4类与类型类是Modelica语言的基本结构元素，是构成Modelica模型的基本单元。类的实例称为对象或组件，实例化的类称为对象或组件的类型。类中可包含变量、嵌套类、算法和方程。变量代表类的属性，算法和方程定义类的行为，描述变量之间的约束关系。Modelica类分为一般类和受限类。受限类具有特殊用途，在语法规范上有一定的限制。使用受限类是为了使Modelica模型代码便于阅读和维护。一般类由关键字class修饰，受限类由特定的关键字修饰，例如model、connector、record、block和type等。受限类只不过是一般类概念的特殊化形式，在模型中受限类关键字可以被一般类关键字class替换，而不会改变模型的行为。受限类关键字也可以在适当条件下替换一般类关键字class，只要二者在语义上等价。Modelica类型可分为内置类型和自定义类型。内置类型是Modelica的基本类型，可以不声明直接使用，例如VanDerPol模型中x和y的类型是内置实型Real。Modelica定义了5种内置类型：Real、Integer、Boolean、String、enumeration，分别支持浮点型、整型、布尔型、字符串型和枚举型变量。内置类型自身具有属性，详细情况见表2-2。设置这些属性可能影响模型的求解结果，例如VanDerPol模型中x和y的“start”属性值。自定义类型即用户声明的类型。自定义类型必须声明才能使用，即有类型定义才能声明该类型的实例。Modelica将各领域常用的类型集成到Modelica标准库中，用户只需加载该库就可在此基础上建模，而不必自己从底层开始建立模型。3.3面向对象建模3.3.1对象与组件组件(Component)：Modelica语法规范中将“组件”定为专门术语，对应于工程建模中的零件/部件或者元件/器件。从面向对象的角度看，组件就是对象。对象(Object)：Modelica是面向对象的语言，在Modelica模型中，除了文字常量以外，任何被声明的组件，其本质都是一个对象。对应地，组件包含了组件属性。3.3.2类型定义在面向对象的语言中，对象是类的实例，同样，Modelica中组件是类型的实例。class类型名元素定义1;元素定义区域元素定义2;...equation方程1;方程2;行为定义区域...end类型名 如上所示，Modelica类型定义的基本结构包括：(1).元素定义：元素定义区域可以定义组件或者嵌套类型，并且可以导入其他类型或者组件，以及继承其他类型。(2).行为定义：行为定义区域可以通过方程或算法的方式定义此类的行为，这些方程或算法将与其他存在数据交互的模型方程一起决定求解过程(线性/非线性、常微分/微分代数、连续/离散等)。3.3.3其余三大建模陈述式建模：对于一个物理系统而言，各组成部分内部及各组成部分之间的物理关系本身并没有因果性，因此，模型中应当是对模型行为的自然描述而无需考虑计算顺序。这种基于方程的建模方式称为陈述式建模，又称为非因果建模，与之相对的是过程式建模或因果性建模。Modelica是基于方程的建模语言，在上述的类型定义中可以看到，中间有明确的行为区域用于以方程来描述模型行为，作为对陈述式建模的补充，Modelica同时支持过程式建模方法。连续离散混合建模：实际物理模型的动态特性可以是连续时变的，也可以是分段连续时变的，如二极管，物体之间的摩擦力等，还可以是离散时变的，即系统状态只在某些离散时间点上发生变化。动态连续建模的关键是基于能量守恒、动量守恒、质量守恒等基本物理定律描述系统连续时变行为，而离散事件建模的关键是怎样表达与事件相关的离散行为。多领域统一建模：Modelica对于多领域耦合模型统一描述的基本原理是，从能量的角度出发，按照广义基尔霍夫定律和能量守恒定律构造多领域耦合模型，从而以数学方程统一的描述多领域物理系统。3.4方程方程以陈述式的方式表达约束和关系，不指定数据流向和控制流。按方程所在的区域又可分为声明区域方程、方程区域方程。在声明区域的方程有两种：声明方程和变型方程。方程区域是以“equation”关键字开始，终止于类定义结束或者public、protected、algorithm、equation、initialalgorithm、initialequation关键字之一。方程区域的结构为：equation<方程>…<类定义结束或其它关键字。3.5算法算法是由一系列语句组成的计算过程。算法是过程式建模的重要组成部分。算法只能出现在算法区域，由一系列算法语句组成。算法区域以algorithm关键字开始，终止于类定义结束或equation、public、protected、algorithm、initial关键字之一。算法区域作为一个整体，会用到算法区域外变量的值，这些变量称为算法的输入，同时，在算法中会对一些变量赋值，这些被赋值的变量称为算法的输出。从外部来看，有n个输出变量的算法区域可以看做是有n个方程的子系统，这n个方程通过算法来表达n个输出变量之间的约束关系。算法区域中的语句有赋值语句、for循环语句、while循环语句、if条件语句、when条件语句、其他语句。3.6数组数组是一组同类型变量的集合。数组元素通过简单的整数下标来访问，范围从1到对应的维数的大小。在Modelica中，数组是整齐的，以矩阵为例，每行的长度是相同的，每列的长度也是相同的。该特性保证了数值计算应用的高效性与方便性。尽管标量本质上不是数组，但仍可被看做是0维的数组。向量是1维数组，矩阵是2维数组。Modelica不区分行向量与列向量，要想区分二者，需要用行矩阵或列矩阵来表示。但在应用Modelica建模过程中很少需要对二者进行区分。4模型的建立与仿真结果的分析4.1.各组件模型的建立4.1.1openmodelica的介绍如图4-1，图是openmodelica的打开后的主页，openmodelica是一个开源的modelica语言的仿真环境，我们这次建模主要用的就是这个软件，用这个软件实习龙门刨床控制电路的仿真。图4-1openmodelica的主页4.1.2三相异步电动机模型的建立如图4-2，是在openmodelica里建立的三相异步电动机的模型图，图4-2三相异步电动机的模型图在建立电动机模型图的时候，首先要清楚该电动机为三相异步电动机，所以有3个输出端口。然后，在openmodelica里面建立的时候，在软件的主页里面点击新建modelica类，将会弹出一个窗口，图4-3，在窗口中输入要做模型的名称（不能为汉字）。在特殊话里面选择Block。然后点击确定，这样软件将会变成图4-4.图4-3图4-4点击图4-4左边的modelica,，在modelica里面选择block,然后打开，然后在打开里面的Interfaces,如图4-5，把里面的RealIput拉三个到图4-4中白色方格的地方（也就是组件视图里面），准备建立电动机模型，因为建立的是三相异步电动机，它是有3个输入端，所以要拉出3个RealIput,拉进去后，图4-5图4-2为拉进去后建立的电动机组件图，它是通过软件上面行，多边形，圆形，矩形文本这来画成电动机的图，然后点开图标视图，拖动成为美观的图标视图。最后点击文本查看，根据前面的原来，编辑自己的程序如下：RealT;Reals;equations=(1500-time)/1500;T=24200*s/(25+100*s*s);4.1.3电源的模型建立图4-6为电源模型建立，因为用的是三相异步电动机，所以也应该用三相电源。图4-6电源模型如同电动机的建立，新建类后，打开modelica里面的blocks,点开interfaces，拖出3个RealOutput,然后通过画图建立电影模型，最后点开文本，根据理论部分，修改出相应自己要用的软件程序如下：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接触器的建立图4-7为接触器的模型建立，因为接触器是一种自动开关，所以在建立接触器的时候我们要用到开关，接触器主要控制电动机或者其他负载。图4-7接触器的模型接触器模型的建立也如电动机一样，先打开软件建立新的类，然后打开modelica在blocks里面点击interfaces，在里面个拉出4个RealInput和4个RealOutput,因为根据我的原理图，这里我用4个开关来建立一个接触器，所以要用到输入输出个4个，所以这些要个拉4个。然后在分别拉入4个开关，外加一个BooleanInput,然后连接做出接触器的模型组件图。图4-8，表示选择的开关，在点开modelica，选择Electrical，在选择Analog里面的开关图形的图4-8同样的，在图4-5里面也可以找到BooleanInput。图4-9为接触器的图标图形，点击软件中的图标图形，在根据上面的矩形和文字画出他的突变图形，图4-9接触气的图标图形最后还是点击文本，显示程序，自己修改程序。4.1.5熔断器的建立熔断器的建里和以上建立的方式一样，它的主要只需要一个输入输出，图4-10与4-11分别用来表示熔断器的组件模型和图标模型。图4-10熔断器组件模型图4-11熔断器图标图形最后，熔断器的点开文本，修改程序。4.2龙门刨床控制电路模型的建立图4-12为建立的龙门控制电路模型，图中KM1控制电路正转，图中KM2控制电路反转，图4-12龙门刨床控制电路的模型图龙门刨床的电路模型具体建立：如图4-12，打开软件，在软件中的打开模型库|文件中分别先打开第三章中各组件的模型，新建一个库，弹出对话框，填写名称，特殊话不动，然后新建裤，在新建的组件图中分别拉入已建立的模型，然后在拉入开关，在拉入一个BooStep,打开modelica选择blockss里面的sources中的BooStep,然后点击连接，分别把他们连接成图4-12。图4-12点击文本，对程序进行设置，从而让电路图实现仿真，程序如下：RealT;Reals;equations=(1500-time)/1500;T=24200*s/(25+100*s*s);4.3模型的仿真和仿真结果分析4.3.1模型的仿真过程首先根据自己的原理里面的公式，编写程序，图4-13表示程序的仿真过程，图4-14表示程序出现问题，类型这种都需要修改。图4-15表示仿真完成后的图形。图4-13图4-14图4-15点击图4-15上面的新建参数会图窗口，就会出现新的窗口，这个窗口用来进行仿真的东西，从而得出仿真的结果。图4-16，点击窗口上面的重新仿真设置。因为仿真时间过短出现不了图形，这里需要设置起始时间，因为转速为1500，这里把结束时间设为1500。图4-16图4-17，这个图就是最后用来仿真的图形，首先右边的变量，先点哪一个，哪一个就是自变量，后点哪一个那一个就是因变量，根据这些从而来实现自己的仿真。