机械电子工程毕业设计-基于Modelica动态组件下的液压传动系统.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于 Modelica 动态组件下的液压传动系统所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期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 动态组件下的液压传动系统1设计的主要任务及目标复习并掌握液压传动基本原理查阅资料学习 Modelica 语言和 OpenModelica 软件建立基于 Modelica 动态组件下的液压传动系统仿真2设计的基本要求和内容掌握液压传动基本工作原理学习 Modelica 语言，掌握

2、 OpenModelica 软件的使用方法完成液压传动系统的参数化建模毕业设计说明书、外文文献翻译、答辩用 PPT 演示换灯片一份，其他规定内容3主要参考文献1 左健民.液压与气压传动M.机械工业出版社.2007.62 谭浩强.C 程序设计M.清华大学出版社.2007.7 3 Open Source Modelica Consortium.OpenModelica 使用手册M.2011.4 4 王积伟.控制工程基础M.高等教育出版社.2010.54进度安排毕业设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，撰写开题报告 2013.122014.3.62 掌握 OpenModelica 软件的使用

3、2014.3.62014.4.103 掌握液压传动系统的基本工作原理 2014.4.102014.5.14 完成液压传动系统的建模与仿真 2014.5.22014.6.85 定稿装订，毕业答辩 2014.6.82014.6.20基于 Modelica 动态组件下的液压传动系统仿真摘要：统一建模语言 Modelica 具有与领域无关的通用模型描述能力，所以基于Modelica 的建模方法能够实现复杂系统的不同领域子系统模型件的无缝集成。本设计结合液压传动的基本原理和 Modelica 语言，运用建模软件 OpenModelica，通过拖拉基本组件的方式完成对泵水系统的物理建模，同时进行仿真，实现

4、对泵水系统内部参数的分析与控制，提供了从可视化建模、仿真到结果参数分析的完整功能。关键字：OpenModelica，液压传动，控制系统，模拟仿真 The Hydramlic Transmission System Based On The Dynamic Component Of ModelicaAbstract：The unified modeling language Modelica has the described fuction of universal model that dosent releat to the fileds . So the modeling method

5、based on Modelica can get the seamless integration of different fileds subsystem of complex systems. This project completes the modeling of pumping system combined fundamental of dydraulic transmission system to the Modelica language by the modeling software OpenModelica.In order to analyze and cont

6、rol the parameter of pumping system I simulate the model. It provides from the visualization modeling, simulation results of parametric analysis to full functionality. Keyword: OpenModelica, Hydramlic transmission system, The control system,SimulationI目 录1 前言 .11.1 Modelica 语言的背景与历史 .11.2 国内 Modelic

7、a 语言研究状况 .21.3 Modelica 应用情况 .31.4 液压传动系统的发展状况 .31.5 控制系统的发展状况 .41.6 液压传动与控制系统研究的目的与意义 .52 Modelica 语言及机电传动控制电路原理简介 .72.1Modelica 语言模型要素 .72.1.1 类与组件 .72.1.2 方程与算法 .72.1.3 变型机制 .82.1.4 连接机制 .92.2 Modelica 语言主要特点 .102.3 电动机的启动电路 .122.3.1 直接启动控制电路原理 .122.3.2 电动机的正反转控制电路原理 .132.3.3 液压传动的基本原理 .153 Model

8、ica 建模功能简介 .173.1 Modelica 建模窗口介绍 .173.1.1 主窗口 .173.1.2 模型编辑窗口 .183.1.3 组件浏览器 .183.1.4 模型列表 .183.1.5 组件浏览器 .193.1.6 输出栏 .203.1.7 错误列表 .203.1.8 查找结果 .203.1.9 命令窗口 .21II3.2 基本建模步骤 .213.2.1 启动建模环境 .223.2.2 加载模型库 .233.2.3 创建模型库 .253.2.4 创建模型 .253.2.5 编译求解模型 .274 运用 OpenModelica 对液压传动控制系统的模拟仿真 .294.1 电动机

9、的启动控制电路的仿真 .314.1.1 在 OpenModelica 模型库中查找所需组件 .314.1.2 简单液压泵模型的制作 .314.1.3 仿真求解模型分析变量曲线以及仿真动画 .334.2 电动机控制液压泵的往复运动 .354.2.1 在 OpenModelica 模型库中查找组件并连接电路图 .354.2.2 仿真求解并进行变量曲线分析 .37结 论 .39参考文献 .40致 谢 .411 1 前言1.1 Modelica 语言的背景与历史Modelica 建模语言由瑞典 Linkping 的非赢利组织 Modelica 协会开发，是一种适用于大规模复杂异构物理系统，建模的面向对

10、象语言，可以免费使用。统一建模语言具有领域无关的通用模型描述能力，由于采用统一的模型描述的形式，因此基于统一建模语言的方法能够实现复杂系统的不同领域子系统模型间的无缝集成。有关系统统一建模语言的研究最早源于 Elmqvist 博士论文，随后许多学者对此展开研究，结合面线对象设计思想，引入“ 类” 的概念对物理系统“方程”进行封转与扩展，从而奠定了该领域面向对象统一建模思想的理论基础。随着面向对象建模语言的研究的不断深入，多种建模语言并从导致模型定义与转换的混乱。为此，欧洲仿真协会 EUROSIM 于 1996 年组织了瑞典等 6 个国家建模与仿真领域的 14 位专家，针对多领域武力统一建模技术

11、展开研究，提出通过国际开放合作，研究设计下一代多领域统一建模语言 Modelica，2000 年成立非盈利的国际仿真组织Modelica 协会。又该协会每隔一年办组织一次 Modelica 学术会议，交流和探讨 Modelica 语言相关理论、系统开发及应用等方面的研究进展，基于 Modelica 的领域知识模型库建设与维护。每两个月定期召开一次设计会议，讨论 Modelica 的扩展与完善。从 1997 年 9 月 Modelica 语言 1.0 版本开始，商业应用 ;2002 年 3 月推出了新的 2.0版，增加了组件数组、枚举类型、状态选择控制、改进的初始化、增强的函数、记录类型、迭代器

12、、外部功能函数、外部对象、图形显示标记等数据类型或功能fgl。为不断推进 Modelica 语言及其应用软件的发展， Modelica 协会定期每年召开学术会议，探讨过去一年中 Modeica 语言在工业上的应用、Modelica 相关软件开发，并提供免费开放的领域库。最近一次是 2005 年 3 月 7-8 号在德国汉堡一哈尔堡的汉堡工业大学召开的第四次 Modelica 国际学术会议f。此外， Modelica 协会还每两个月定期召开一次设计会议(Design Meeting)，讨论多领域统一建模语言 Modelica 的改进，交流最新进展。所有这些措施，使得 Modelica 语言的发展

13、非常迅速，目前最新版本已到 3.1 版。经过广泛的国际合作，基于 Modelica 语言的模型库积累迅猛增长，并2 以公开发布 13 个免费共享模型库和 6 个付费的专业领域模型库，其模型库已覆盖汽车动力学、系统动力学。燃料电池、热动力、模糊控制等许多工程领域等。任何研究人员都可以在 Modelica 协会的网站（www.modelica.org）下载这些共享资源，利用这些资源用户可以迅速地构建自己的仿真应用。 Modelica 目前已经开始应用于电动汽车系统、机一电一液一控耦合合系统、化学反应过程系统、热动力学系统、汽车动力系硬件在环控制、电力电子系统、离散事件系统等系统或过程的建模与仿真。

14、1.2 国内 Modelica 语言研究状况国内高校和研究所对基十 Modelica 统一建模语言的多领域统一建模的研究还主要处在利用 Modelica 建模仿真工具 Dymola 软件进行建模及性能仿真。上海交通大学机械与动力工程学院利用 Modelica/Dymola 做了很多的研究工作，借助十 Modelica编制燃气涡轮、双轴燃气轮机的仿真模型，建立了可扩展的燃气涡轮程序库，并利用该程序库与其它模型库结合，搭建单轴燃气涡轮发动机模型，得到合理的仿真结果;在开关磁阻电机、同步电机和热机的分析应用方面，也做了大量的研究工作。华北工学院采用 Modelica 建立了发动机部件模型库，通过连接

15、模型库中的部件，建立了单缸发动机模型、四缸汽油机模型，并进行了发动机性能仿真fsl。河海大学常州校区机电学院在柔性结构快速定位过程中容易产生长时间的瞬态振动fu 影响定位速度和精确度的研究课题上应用 Modelica 对柔性结构振动控制进行仿真，取得了很好的效果北京化工大学与北京石油化工学院开发了针对基十 Modelica 语言规范 1.4 开发了语言的解释器，能处理稳态过程，集成了稳定的数值求解系统和微分代数方程预处理器，形成一个 Modelica 开发环境的原型 f431。在统一建模语言建模仿真语言平台的开发上做了很多有意义的研究与探索。同时，华中科技大学 CAD 中心与苏州同元软控信息技

16、术有限公司从 2000 年开始研究基于 Modelica 的多领域建模与仿真技术，经过长期的潜心研发，开发了拥有完全自主知识产权的基于 Modelica 复杂工程系统建模、仿真与优化一体化的计算平台 Mworks，在国内和亚太地区处于领先地位。3 1.3 Modelica 应用情况基于 Modelica 的多领域统一建模方法为复杂机电产品设计、分析与优化奠定了基础，目前在欧洲、美国、加拿大、中国、日本等国家和地区研究发展迅猛，市场上已有成熟的软件工具，其典型的代表国内的 Mworks 和国外的 Dymola。基于 Modelica 语言的建模仿真技术已在汽车、动力、电力、污水处理等国内外行业的

17、仿真中得到了广泛应用，福特、丰田、宝马、德国航空航天中心等均已开始采用 Modelica 语言进行多领域系统的工程化仿真应用。由欧洲仿真协会 EUROSIM 牵头，Dassault 负责组织，联合奔驰、宝马、西门子。ABB 等国际知名公司，全面启动了欧洲最大的资源库计划，共同构建基于 Modelica 的欧洲模型库EUROSYSLIB。国内也开始在航天、航空、汽车、能源等行业广泛应用基于Modelica 多领域建模和仿真技术，在中国大飞机项目、汽车整车建模与分析等应用中取得了良好的效果。1.4 液压传动系统的发展状况液压传动是根据17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术

18、，1795 年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905 年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920 年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵 ,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁 尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际

19、研究;1910 年对液力传动 (液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941-1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会” 。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。4 液压技术主要是由武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的。随着控制理论的出现和控制系统的发展，液压技术与电子技术的结合日臻完善，电液控制系统具有高响应、高精度、高功率-质量比和大功率的特点，从而广泛运用于武器和各工业部门

20、及技术领域。1.5 控制系统的发展状况随着生产的不断发展,现代机电传动要求实现局部或全部的自动控制.随着电机及各种自动控制器件的发展,机电传动控制系统也正在不断创新与发展.它主要经历了如下四个阶段。 。继电器-接触器自动控制系统，这是借助继电器接、触器按钮行程开关等电器元件组成的控制系统，能实现对控制对象的启动停车及有级调速等控制，这是属于有触电的逻辑控制系统。它的结构简单价格低廉维修方便,广泛地应用在机床和其他机械设备上.但他的控制速度慢、控制精度差、灵活性差、可靠性不高。20 世纪 40-50 年代的交磁放大机-电动机控制系统，从断续控制发展到了连续控制，系统可随时检查控制对象的工作状态，

21、能对控制对象进行自动调整，他的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制系统，并简化了控制系统，生产效率也提高了，但系统存在体积大、响应慢、旋转噪音大等缺点。20 世纪 60 年代晶闸管-直流电动机无极调速系统。晶闸管具有功效大、体积小、效率高、动态响应快、控制方便等优点，并正在向大容量方向发展。继晶闸管出现后，又陆续出现了具有可控制的全控型器件和功率集成电路，例如可关断晶体管（GTO ） 、大功率晶体管在（GTR） 、电力场磁效应晶体管（P-MOSFET） 、复合电力半导体件（IGBT、MCT）等。尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的应用更是广泛。由于逆变技术的出现和高压大功率晶体管的问世，20 世纪 80 年代以来，交流电动机无极调速系统有了迅速的发展。由于交流电动机无电刷和换向器，脚趾交流电动机易于维护，且寿命长，因此，交流调速系统有很好的发展前途，至今用大功率晶体管逆变技术和脉宽调制技术（PWM） 、改变交流电的频率等实现电动机无极调速系统，在工业上正在得到广泛的应用。目前以出现了多种以微机为核心的数字变频器调速系统，它使交流电动机的控制变得更简单，可靠性更高，拖动系统的性能更好，为机电传动与控制开辟了新途径。