多领域物理统一建模语言与MWORKS实践 课件 6-基于Modelica与Sysplorer复杂工业系统建模仿真综合案例（1.5学时）

工业系统建模与仿真基于Modelica与Sysplorer复杂工业系统建模仿真综合案例

——四旋翼无人机案例曲明成计算学部工业软件中心/哈工大重庆研究院无人装备中心qumingcheng@目录1.

系统建模仿真流程简介2.四旋翼无人机对象简介3.系统建模与优化4.系统集成及调试5.结果分析1系统建模仿真流程为什么需要仿真?数字化建模与仿真技术能够优化产品设计、减少产品开发成本和开发时间。理论分析试制试验系统理论分析系统仿真物理试验可操纵性差难以观测试验成本高危险性较高试验要求高......可操纵性强可观测性经济性好可预测性扩大试验范围......1系统建模仿真流程为什么需要系统仿真?分解与对应的专业建模工具航空产品系统规模与复杂性变化趋势不同行业产品复杂度与研制周期的变化系统规模/复杂性增加引起基于模型设计方法的变化早期的飞机可将其归类为“ComplicatedSystem“，即可以进行分解的复杂系统，一般的研制过程将飞机分解为各个系统，即在满足总体要求与指标的前提下，分别对各个系统进行相对独立的设计，最后再进行集成。1系统建模仿真流程如何实现系统仿真?使用MBSE方法和Modelica技术来实现系统仿真，从而支撑现代复杂工程研究考虑飞机系统及系统内部的深度交联，航空产品从一个“ComplicatedSystem”逐渐向“ComplexSystem

”转变，即由可分解的复杂系统向不可分解的复杂系统转变。航空产品系统之间的深度交联基于模型的系统工程（MBSE）V流程1.1系统建模仿真流程简介建模手段：可视化建模方式文本建模方式目录1.

系统建模仿真流程简介2.四旋翼无人机对象简介3.系统建模与优化4.系统集成及调试5.结果分析2.1四旋翼无人机飞行原理需求阶段本体组成机架、电机、飞控板、螺旋桨、电池、遥控器等目标：构建一套四旋翼无人机系统，并能够控制无人机飞行路径和姿态。运动原理系统分析2.2四旋翼无人机系统分析需求阶段系统分析-自顶向下系统原理2.2四旋翼无人机系统分析需求阶段需求分解-自顶向下模型库架构系统组成序号模型名称模型描述子模型库存放内容说明1Examples示例模型库存放不同飞行轨迹的四旋翼无人机系统模型2PathPlanning路径模型存放路径规划模型3Mechanics机械多体库存放四旋翼无人机机械本体各组件模型4Blocks控制系统存放四旋翼无人机控制系统各组件模型5Electricals电气库存放四旋翼无人机驱动电机中电机本体、驱动电路和控制器模型6GroundModel地面模型存放地面接触模型7Sensors传感器库存放位置、速度、角度等传感器模型8Utilities辅助模型库存放辅助函数和图标目录1.

系统建模仿真流程简介2.四旋翼无人机对象简介3.系统建模与优化4.系统集成及调试5.结果分析3.1系统建模建模阶段模型筛选机械相关模型：Modelica.Mechanics传感相关模型：Modelica.Mechanics电气相关模型：Modelica.Electrical控制相关模型：Modelica.Blocks信号相关模型：Modelica.Blocks所有模型组件均可使用Modelica标准库3.1系统建模建模阶段模型建模-一般流程3.1机械多体部分建模旋翼机体旋翼臂转动副3.1机械多体部分建模旋翼机体旋翼臂转动副3.1机械多体部分建模旋翼机体旋翼臂转动副

3.1机械多体部分建模四旋翼多体地面点面接触模型升力刚体之间发生接触碰撞必然满足以下三个条件：（1）刚体之间不产生明显穿透；（2）刚体之间能够传递法向压力和切向摩擦力；（3）刚体之间不传递法向拉力。接触弹力接触阻尼摩擦力穿透深度3.1机械多体部分建模四旋翼多体地面点面接触模型升力3.1机械多体部分建模四旋翼多体地面点面接触模型升力3.1机械多体部分建模四旋翼多体地面点面接触模型升力3.1机械多体部分建模四旋翼多体地面点面接触模型升力3.2PID控制建模PoweredbyMWORKS10模型建模-PID控制器理论分析模型开发测例搭建图标绘制模型验证3.2PID控制建模3.2PID控制建模输入：给定轨迹位置

位置反馈

姿态角反馈输出：四个旋翼速度内环：姿态环外环：位置环3.3传感模块建模3.4轨迹规划模块建模(爬升轨迹)3.4轨迹规划模块建模(螺旋上升)3.4轨迹规划模块建模（八字轨迹）3.4轨迹规划模块建模（阿基米德螺旋轨迹）3.5永磁直流电机建模3.5.1理论分析（需求分析）目标：构建永磁直流电机系统，通过仿真分析电机动态特性本体组成电机线圈（电枢绕组）、换向器、转子、电刷、定子磁铁等永磁直流电机原理示意图系统分析ve：励磁电压φ：励磁磁通Le：励磁电感Ie：励磁电流E：感应电压ω：角速度Te：电磁转矩K：折算系数原理分析原理公式理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.2模型库设计模型筛选及模型库架构设计可用模型库：机械相关模型：Modelica.Mechanics电气相关模型：Modelica.Electrical模型库架构待开发模型：气隙模型建模手段：可视化建模方式文本建模方式理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3

气隙模型开发接口定义-connector接口定义方式：1.直接引用标准库接口2.文本建模类型名称描述电学接口PositivePin电学正极电学接口NegativePin电学负极机械接口Flange_a一维转动接口机械接口Flange_b一维转动接口表1模型接口永磁直流电机模型属于电学、机械耦合领域，因此该模型需要选择电学、机械两个领域的接口。理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3气隙模型开发接口实例化：根据分析结果实例化需要的接口模型电枢绕组接口励磁绕组接口转子传动接口定子传动接口modelAirGapDC"直流电机气隙模型"

Interfaces.PositivePinpin_ap

"电枢绕组正极"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"励磁绕组正极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"电枢绕组负极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"励磁绕组负极"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"转子传动接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子传动接口"annotation(...);endAirGapDC;理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3气隙模型开发ve：励磁电压φ：励磁磁通Le：励磁电感Ie：励磁电流E：感应电压ω：角速度Te：电磁转矩K：折算系数参数定义modelAirGapDC"直流电机气隙模型"

parameter

Modelica.SIunits.InductanceLe=1"励磁电感";

parameter

Real

TurnsRatio=1"电枢绕组折算到励磁绕组的折算系数";

Interfaces.PositivePinpin_ap

"电枢绕组正极"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"励磁绕组正极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"电枢绕组负极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"励磁绕组负极"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"转子传动接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子传动接口"annotation(...);endAirGapDC;理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3气隙模型开发ve：励磁电压φ：励磁磁通Le：励磁电感Ie：励磁电流E：感应电压ω：角速度Te：电磁转矩K：折算系数变量定义modelAirGapDC"直流电机气隙模型"

parameter

Modelica.SIunits.InductanceLe=1"励磁电感";

parameter

Real

TurnsRatio=1"电枢绕组折算到励磁绕组的折算系数";

Modelica.SIunits.Voltageve"励磁绕组压降";

Modelica.SIunits.Currentie"励磁电流";

Modelica.SIunits.Voltageva"电枢电压";

Modelica.SIunits.Currentia"电枢电流";

Modelica.SIunits.AngularVelocityw"角速度";

Modelica.SIunits.MagneticFluxpsi_e"励磁磁链";

Modelica.SIunits.Torquetau_electrical"转矩";

Interfaces.PositivePinpin_ap

"电枢绕组正极"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"励磁绕组正极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"电枢绕组负极"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"励磁绕组负极"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"转子传动接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子传动接口"annotation(...);endAirGapDC;理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3气隙模型开发行为描述modelAirGapDC"直流电机气隙模型"

......equation//励磁绕组电压vei=der(psi_e);psi_e=Le*ie;//电枢电压

vai=TurnsRatio*psi_e*w;//电磁力矩

tau_electrical=TurnsRatio*psi_e*ia;

//机械接口

w=der(flange_a.phi)-der(support.phi);flange_a.tau=-tau_electrical;support.tau=tau_electrical;//电枢电极

va=pin_ap.v-pin_an.v;ia=+pin_ap.i;ia=-pin_an.i;//励磁电极

ve=pin_ep.v-pin_en.v;ie=+pin_ep.i;ie=-pin_en.i;endAirGapDC;ve：励磁电压φ：励磁磁通Le：励磁电感Ie：励磁电流E：感应电压ω：角速度Te：电磁转矩K：折算系数理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.3气隙模型开发图标绘制理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.4电机本体搭建根据物理拓扑关系进行永磁直流电机搭建理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.4电机本体搭建模型封装-传递参数参数定义参数传递理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.4电机本体搭建图标绘制理论分析原型开发模型优化模型测试3.5永磁直流电机建模3.5.5电机模型优化理论分析原型开发模型优化模型测试多处使用标准单位，引用路径太长，且标准库切换路径如何快速适配单位？packageMotors"电机库"

importSI=Modelica.SIunits;endMotors;modelDCPM"永磁直流电机"

parameter

SI.VoltageVaNominal=100"额定电枢电压"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameter

SI.CurrentIaNominal=100"额定电枢电流"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameter

SI.AngularVelocityrpmNominal(displayUnit="rpm")=149.225651045515"额定转速"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameterSI.ResistanceRa=0.05"电枢电阻"

annotation(Dialog(group="标称电阻及电感"));

parameter

SI.InductanceLa=0.0015"电枢电感"

annotation(Dialog(group="标称电阻及电感"));

parameter

RealTurnsRatio=(VaNominal-Ra*IaNominal)/(rpmNominal*Le*IeNominal)"电机常数";

parameter

SI.InertiaJ_Rotor=0.15"转子主动惯量"

annotation(Dialog(group="传动参数"));

parameter

SI.InertiaJ_Stator=J_Rotor"定子转动惯量"

annotation(Dialog(group="传动参数"));protected

finalparameterSI.InductanceLe=1"励磁电感"

annotation(Dialog(group="励磁"));

constant

SI.CurrentIeNominal=1"等效励磁电流";public......equation......

endDCPM;3.5永磁直流电机建模3.5.5电机模型优化理论分析原型开发模型优化模型测试对于直流电机通用的接口和方程，如何做成通用模板？modelEletric_Interface"直流气隙模型接口模板"

SI.Voltageve"励磁绕组压降";

SI.Currentie"励磁电流";

SI.Voltageva"电枢电压";

SI.Currentia"电枢电流";

PositivePinpin_ap

"电枢绕组正极"annotation(...);

PositivePinpin_ep

"励磁绕组正极"annotation(...);

NegativePinpin_an

"电枢绕组负极"annotation(...);

NegativePinpin_en

"励磁绕组负极"annotation(...);equation

//电枢电极

va=pin_ap.v-pin_an.v;ia=+pin_ap.i;ia=-pin_an.i;

//励磁电极

ve=pin_ep.v-pin_en.v;ie=+pin_ep.i;ie=-pin_en.i;endEletric_Interface;modelAirGapDC_Optimistic"直流电机气隙优化模型"

extends

Motors.Interfaces.Eletric_Interface;

parameter

SI.InductanceLe=1"";

parameter

RealTurnsRatio=1"电枢绕组折算到励磁绕组的折算系数";

SI.AngularVelocityw"角速度";

SI.MagneticFluxpsi_e"励磁磁链";

SI.Torquetau_electrical"转矩";

Interfaces.Flange_aflange_a

"转子传动接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子传动接口"annotation(...);

annotation(...);equation

//励磁绕组电压

ve=der(psi_e);psi_e=Le*ie;

//电枢电压

va=TurnsRatio*psi_e*w;

//电磁力矩

tau_electrical=TurnsRatio*psi_e*ia;//机械接口

w=der(flange_a.phi)-der(support.phi);flange_a.tau=-tau_electrical;support.tau=tau_electrical;endAirGapDC_Optimistic;3.5永磁直流电机建模3.5.5电机模型优化理论分析原型开发模型优化模型测试电机定子是否固定，如何用一个模型表达,并且做成一个通用模板？partialmodelPartialBasicMachine"电机的通用机械模型"

parameter

SI.InertiaJ_Rotor=0.15"转子主动惯量";

parameterBooleanuseSupport=false"是否使用固定支撑"

annotation(Evaluate=true);

parameterSI.InertiaJ_Stator=J_Rotor"定子转动惯量"

annotation(Dialog(enable=useSupport));

Modelica.Mechanics.Rotational.Interfaces.Flange_aflange_a

annotation(...);Modelica.Mechanics.Rotational.Components.InertiainertiaRotor(finalJ=J_Rotor)

annotation(...);

Modelica.Mechanics.Rotational.Interfaces.Flange_asupportifuseSupport

annotation(...);Modelica.Mechanics.Rotational.Components.InertiainertiaStator(finalJ=J_Stator)ifuseSupport

annotation(...);

Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Fixedfixedif(notuseSupport)

annotation(...);

Modelica.Mechanics.Rotational.Interfaces.Flange_binternalSupport

annotation(...);

annotation(...);equation

......;endPartialBasicMachine;3.5永磁直流电机建模3.5.5电机模型优化理论分析原型开发模型优化模型测试参数框设计modelDCPM_Optimistic"永磁直流电机优化模型"extendsMotors.Machines.BasicModels.PartialBasicMachine;

parameterSI.VoltageVaNominal=100"额定电枢电压"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameterSI.CurrentIaNominal=100"额定电枢电流"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameterSI.AngularVelocityrpmNominal(displayUnit="rpm")=149.225651045515

"额定转速"

annotation(Dialog(group="额定参数"));

parameter

SI.ResistanceRa=0.05"电枢电阻"

annotation(Dialog(group="标称电阻及电感"));

parameter

SI.Inductan