工業(yè)系統(tǒng)建模與仿真基于Modelica與Sysplorer復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)建模仿真綜合案例

——四旋翼無人機(jī)案例曲明成計(jì)算學(xué)部工業(yè)軟件中心/哈工大重慶研究院無人裝備中心qumingcheng@目錄1.

系統(tǒng)建模仿真流程簡介2.四旋翼無人機(jī)對(duì)象簡介3.系統(tǒng)建模與優(yōu)化4.系統(tǒng)集成及調(diào)試5.結(jié)果分析1系統(tǒng)建模仿真流程為什么需要仿真?數(shù)字化建模與仿真技術(shù)能夠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少產(chǎn)品開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間。理論分析試制試驗(yàn)系統(tǒng)理論分析系統(tǒng)仿真物理試驗(yàn)可操縱性差難以觀測(cè)試驗(yàn)成本高危險(xiǎn)性較高試驗(yàn)要求高......可操縱性強(qiáng)可觀測(cè)性經(jīng)濟(jì)性好可預(yù)測(cè)性擴(kuò)大試驗(yàn)范圍......1系統(tǒng)建模仿真流程為什么需要系統(tǒng)仿真?分解與對(duì)應(yīng)的專業(yè)建模工具航空產(chǎn)品系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜性變化趨勢(shì)不同行業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜度與研制周期的變化系統(tǒng)規(guī)模/復(fù)雜性增加引起基于模型設(shè)計(jì)方法的變化早期的飛機(jī)可將其歸類為“ComplicatedSystem“，即可以進(jìn)行分解的復(fù)雜系統(tǒng)，一般的研制過程將飛機(jī)分解為各個(gè)系統(tǒng)，即在滿足總體要求與指標(biāo)的前提下，分別對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)，最后再進(jìn)行集成。1系統(tǒng)建模仿真流程如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真?使用MBSE方法和Modelica技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，從而支撐現(xiàn)代復(fù)雜工程研究考慮飛機(jī)系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)部的深度交聯(lián)，航空產(chǎn)品從一個(gè)“ComplicatedSystem”逐漸向“ComplexSystem

”轉(zhuǎn)變，即由可分解的復(fù)雜系統(tǒng)向不可分解的復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。航空產(chǎn)品系統(tǒng)之間的深度交聯(lián)基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）V流程1.1系統(tǒng)建模仿真流程簡介建模手段：可視化建模方式文本建模方式目錄1.

系統(tǒng)建模仿真流程簡介2.四旋翼無人機(jī)對(duì)象簡介3.系統(tǒng)建模與優(yōu)化4.系統(tǒng)集成及調(diào)試5.結(jié)果分析2.1四旋翼無人機(jī)飛行原理需求階段本體組成機(jī)架、電機(jī)、飛控板、螺旋槳、電池、遙控器等目標(biāo)：構(gòu)建一套四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，并能夠控制無人機(jī)飛行路徑和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)原理系統(tǒng)分析2.2四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)分析需求階段系統(tǒng)分析-自頂向下系統(tǒng)原理2.2四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)分析需求階段需求分解-自頂向下模型庫架構(gòu)系統(tǒng)組成序號(hào)模型名稱模型描述子模型庫存放內(nèi)容說明1Examples示例模型庫存放不同飛行軌跡的四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)模型2PathPlanning路徑模型存放路徑規(guī)劃模型3Mechanics機(jī)械多體庫存放四旋翼無人機(jī)機(jī)械本體各組件模型4Blocks控制系統(tǒng)存放四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)各組件模型5Electricals電氣庫存放四旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)電路和控制器模型6GroundModel地面模型存放地面接觸模型7Sensors傳感器庫存放位置、速度、角度等傳感器模型8Utilities輔助模型庫存放輔助函數(shù)和圖標(biāo)目錄1.

系統(tǒng)建模仿真流程簡介2.四旋翼無人機(jī)對(duì)象簡介3.系統(tǒng)建模與優(yōu)化4.系統(tǒng)集成及調(diào)試5.結(jié)果分析3.1系統(tǒng)建模建模階段模型篩選機(jī)械相關(guān)模型：Modelica.Mechanics傳感相關(guān)模型：Modelica.Mechanics電氣相關(guān)模型：Modelica.Electrical控制相關(guān)模型：Modelica.Blocks信號(hào)相關(guān)模型：Modelica.Blocks所有模型組件均可使用Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫3.1系統(tǒng)建模建模階段模型建模-一般流程3.1機(jī)械多體部分建模旋翼機(jī)體旋翼臂轉(zhuǎn)動(dòng)副3.1機(jī)械多體部分建模旋翼機(jī)體旋翼臂轉(zhuǎn)動(dòng)副3.1機(jī)械多體部分建模旋翼機(jī)體旋翼臂轉(zhuǎn)動(dòng)副

3.1機(jī)械多體部分建模四旋翼多體地面點(diǎn)面接觸模型升力剛體之間發(fā)生接觸碰撞必然滿足以下三個(gè)條件：（1）剛體之間不產(chǎn)生明顯穿透；（2）剛體之間能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力；（3）剛體之間不傳遞法向拉力。接觸彈力接觸阻尼摩擦力穿透深度3.1機(jī)械多體部分建模四旋翼多體地面點(diǎn)面接觸模型升力3.1機(jī)械多體部分建模四旋翼多體地面點(diǎn)面接觸模型升力3.1機(jī)械多體部分建模四旋翼多體地面點(diǎn)面接觸模型升力3.1機(jī)械多體部分建模四旋翼多體地面點(diǎn)面接觸模型升力3.2PID控制建模PoweredbyMWORKS10模型建模-PID控制器理論分析模型開發(fā)測(cè)例搭建圖標(biāo)繪制模型驗(yàn)證3.2PID控制建模3.2PID控制建模輸入：給定軌跡位置

位置反饋

姿態(tài)角反饋輸出：四個(gè)旋翼速度內(nèi)環(huán)：姿態(tài)環(huán)外環(huán)：位置環(huán)3.3傳感模塊建模3.4軌跡規(guī)劃模塊建模(爬升軌跡)3.4軌跡規(guī)劃模塊建模(螺旋上升)3.4軌跡規(guī)劃模塊建模（八字軌跡）3.4軌跡規(guī)劃模塊建模（阿基米德螺旋軌跡）3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.1理論分析（需求分析）目標(biāo)：構(gòu)建永磁直流電機(jī)系統(tǒng)，通過仿真分析電機(jī)動(dòng)態(tài)特性本體組成電機(jī)線圈（電樞繞組）、換向器、轉(zhuǎn)子、電刷、定子磁鐵等永磁直流電機(jī)原理示意圖系統(tǒng)分析ve：勵(lì)磁電壓φ：勵(lì)磁磁通Le：勵(lì)磁電感Ie：勵(lì)磁電流E：感應(yīng)電壓ω：角速度Te：電磁轉(zhuǎn)矩K：折算系數(shù)原理分析原理公式理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.2模型庫設(shè)計(jì)模型篩選及模型庫架構(gòu)設(shè)計(jì)可用模型庫：機(jī)械相關(guān)模型：Modelica.Mechanics電氣相關(guān)模型：Modelica.Electrical模型庫架構(gòu)待開發(fā)模型：氣隙模型建模手段：可視化建模方式文本建模方式理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3

氣隙模型開發(fā)接口定義-connector接口定義方式：1.直接引用標(biāo)準(zhǔn)庫接口2.文本建模類型名稱描述電學(xué)接口PositivePin電學(xué)正極電學(xué)接口NegativePin電學(xué)負(fù)極機(jī)械接口Flange_a一維轉(zhuǎn)動(dòng)接口機(jī)械接口Flange_b一維轉(zhuǎn)動(dòng)接口表1模型接口永磁直流電機(jī)模型屬于電學(xué)、機(jī)械耦合領(lǐng)域，因此該模型需要選擇電學(xué)、機(jī)械兩個(gè)領(lǐng)域的接口。理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3氣隙模型開發(fā)接口實(shí)例化：根據(jù)分析結(jié)果實(shí)例化需要的接口模型電樞繞組接口勵(lì)磁繞組接口轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接口定子傳動(dòng)接口modelAirGapDC"直流電機(jī)氣隙模型"

Interfaces.PositivePinpin_ap

"電樞繞組正極"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"勵(lì)磁繞組正極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"電樞繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"勵(lì)磁繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子傳動(dòng)接口"annotation(...);endAirGapDC;理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3氣隙模型開發(fā)ve：勵(lì)磁電壓φ：勵(lì)磁磁通Le：勵(lì)磁電感Ie：勵(lì)磁電流E：感應(yīng)電壓ω：角速度Te：電磁轉(zhuǎn)矩K：折算系數(shù)參數(shù)定義modelAirGapDC"直流電機(jī)氣隙模型"

parameter

Modelica.SIunits.InductanceLe=1"勵(lì)磁電感";

parameter

Real

TurnsRatio=1"電樞繞組折算到勵(lì)磁繞組的折算系數(shù)";

Interfaces.PositivePinpin_ap

"電樞繞組正極"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"勵(lì)磁繞組正極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"電樞繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"勵(lì)磁繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子傳動(dòng)接口"annotation(...);endAirGapDC;理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3氣隙模型開發(fā)ve：勵(lì)磁電壓φ：勵(lì)磁磁通Le：勵(lì)磁電感Ie：勵(lì)磁電流E：感應(yīng)電壓ω：角速度Te：電磁轉(zhuǎn)矩K：折算系數(shù)變量定義modelAirGapDC"直流電機(jī)氣隙模型"

parameter

Modelica.SIunits.InductanceLe=1"勵(lì)磁電感";

parameter

Real

TurnsRatio=1"電樞繞組折算到勵(lì)磁繞組的折算系數(shù)";

Modelica.SIunits.Voltageve"勵(lì)磁繞組壓降";

Modelica.SIunits.Currentie"勵(lì)磁電流";

Modelica.SIunits.Voltageva"電樞電壓";

Modelica.SIunits.Currentia"電樞電流";

Modelica.SIunits.AngularVelocityw"角速度";

Modelica.SIunits.MagneticFluxpsi_e"勵(lì)磁磁鏈";

Modelica.SIunits.Torquetau_electrical"轉(zhuǎn)矩";

Interfaces.PositivePinpin_ap

"電樞繞組正極"annotation(...);

Interfaces.PositivePinpin_ep

"勵(lì)磁繞組正極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_an

"電樞繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.NegativePinpin_en

"勵(lì)磁繞組負(fù)極"annotation(...);

Interfaces.Flange_aflange_a"轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子傳動(dòng)接口"annotation(...);endAirGapDC;理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3氣隙模型開發(fā)行為描述modelAirGapDC"直流電機(jī)氣隙模型"

......equation//勵(lì)磁繞組電壓vei=der(psi_e);psi_e=Le*ie;//電樞電壓

vai=TurnsRatio*psi_e*w;//電磁力矩

tau_electrical=TurnsRatio*psi_e*ia;

//機(jī)械接口

w=der(flange_a.phi)-der(support.phi);flange_a.tau=-tau_electrical;support.tau=tau_electrical;//電樞電極

va=pin_ap.v-pin_an.v;ia=+pin_ap.i;ia=-pin_an.i;//勵(lì)磁電極

ve=pin_ep.v-pin_en.v;ie=+pin_ep.i;ie=-pin_en.i;endAirGapDC;ve：勵(lì)磁電壓φ：勵(lì)磁磁通Le：勵(lì)磁電感Ie：勵(lì)磁電流E：感應(yīng)電壓ω：角速度Te：電磁轉(zhuǎn)矩K：折算系數(shù)理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.3氣隙模型開發(fā)圖標(biāo)繪制理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.4電機(jī)本體搭建根據(jù)物理拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行永磁直流電機(jī)搭建理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.4電機(jī)本體搭建模型封裝-傳遞參數(shù)參數(shù)定義參數(shù)傳遞理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.4電機(jī)本體搭建圖標(biāo)繪制理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.5電機(jī)模型優(yōu)化理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試多處使用標(biāo)準(zhǔn)單位，引用路徑太長，且標(biāo)準(zhǔn)庫切換路徑如何快速適配單位？packageMotors"電機(jī)庫"

importSI=Modelica.SIunits;endMotors;modelDCPM"永磁直流電機(jī)"

parameter

SI.VoltageVaNominal=100"額定電樞電壓"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

parameter

SI.CurrentIaNominal=100"額定電樞電流"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

parameter

SI.AngularVelocityrpmNominal(displayUnit="rpm")=149.225651045515"額定轉(zhuǎn)速"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

parameterSI.ResistanceRa=0.05"電樞電阻"

annotation(Dialog(group="標(biāo)稱電阻及電感"));

parameter

SI.InductanceLa=0.0015"電樞電感"

annotation(Dialog(group="標(biāo)稱電阻及電感"));

parameter

RealTurnsRatio=(VaNominal-Ra*IaNominal)/(rpmNominal*Le*IeNominal)"電機(jī)常數(shù)";

parameter

SI.InertiaJ_Rotor=0.15"轉(zhuǎn)子主動(dòng)慣量"

annotation(Dialog(group="傳動(dòng)參數(shù)"));

parameter

SI.InertiaJ_Stator=J_Rotor"定子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量"

annotation(Dialog(group="傳動(dòng)參數(shù)"));protected

finalparameterSI.InductanceLe=1"勵(lì)磁電感"

annotation(Dialog(group="勵(lì)磁"));

constant

SI.CurrentIeNominal=1"等效勵(lì)磁電流";public......equation......

endDCPM;3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.5電機(jī)模型優(yōu)化理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試對(duì)于直流電機(jī)通用的接口和方程，如何做成通用模板？modelEletric_Interface"直流氣隙模型接口模板"

SI.Voltageve"勵(lì)磁繞組壓降";

SI.Currentie"勵(lì)磁電流";

SI.Voltageva"電樞電壓";

SI.Currentia"電樞電流";

PositivePinpin_ap

"電樞繞組正極"annotation(...);

PositivePinpin_ep

"勵(lì)磁繞組正極"annotation(...);

NegativePinpin_an

"電樞繞組負(fù)極"annotation(...);

NegativePinpin_en

"勵(lì)磁繞組負(fù)極"annotation(...);equation

//電樞電極

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

//勵(lì)磁電極

ve=pin_ep.v-pin_en.v;ie=+pin_ep.i;ie=-pin_en.i;endEletric_Interface;modelAirGapDC_Optimistic"直流電機(jī)氣隙優(yōu)化模型"

extends

Motors.Interfaces.Eletric_Interface;

parameter

SI.InductanceLe=1"";

parameter

RealTurnsRatio=1"電樞繞組折算到勵(lì)磁繞組的折算系數(shù)";

SI.AngularVelocityw"角速度";

SI.MagneticFluxpsi_e"勵(lì)磁磁鏈";

SI.Torquetau_electrical"轉(zhuǎn)矩";

Interfaces.Flange_aflange_a

"轉(zhuǎn)子傳動(dòng)接口"annotation(...);

Interfaces.Flange_bsupport"定子傳動(dòng)接口"annotation(...);

annotation(...);equation

//勵(lì)磁繞組電壓

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

//電樞電壓

va=TurnsRatio*psi_e*w;

//電磁力矩

tau_electrical=TurnsRatio*psi_e*ia;//機(jī)械接口

w=der(flange_a.phi)-der(support.phi);flange_a.tau=-tau_electrical;support.tau=tau_electrical;endAirGapDC_Optimistic;3.5永磁直流電機(jī)建模3.5.5電機(jī)模型優(yōu)化理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試電機(jī)定子是否固定，如何用一個(gè)模型表達(dá),并且做成一個(gè)通用模板？partialmodelPartialBasicMachine"電機(jī)的通用機(jī)械模型"

parameter

SI.InertiaJ_Rotor=0.15"轉(zhuǎn)子主動(dòng)慣量";

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

annotation(Evaluate=true);

parameterSI.InertiaJ_Stator=J_Rotor"定子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量"

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永磁直流電機(jī)建模3.5.5電機(jī)模型優(yōu)化理論分析原型開發(fā)模型優(yōu)化模型測(cè)試參數(shù)框設(shè)計(jì)modelDCPM_Optimistic"永磁直流電機(jī)優(yōu)化模型"extendsMotors.Machines.BasicModels.PartialBasicMachine;

parameterSI.VoltageVaNominal=100"額定電樞電壓"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

parameterSI.CurrentIaNominal=100"額定電樞電流"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

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

"額定轉(zhuǎn)速"

annotation(Dialog(group="額定參數(shù)"));

parameter

SI.ResistanceRa=0.05"電樞電阻"

annotation(Dialog(group="標(biāo)稱電阻及電感"));

parameter

SI.Inductan