基于Modelica动态组件下的机电传动系统

基于Modelica动态组件下的机电传动系统摘要：本文主要研究了机电传动系统的四连杆机构。在Modelica语言下运用Mworks软件为建模平台，建立模型。通过建模仿真，我们可以通过动画直观的看到四连杆机构的运动情况，还可以通过图线详细的分析电机启动时的转速、转矩以及稳定运转时的时间、转速函数曲线，还可以分析每个转动关节的角度时间函数，从而进行参数化分析。关键字：Mworks，Modelica，机电传动，模拟仿真 The electrical drive system of Modelica based on the dynamic componentAbstract：This paper mainly studies four connecting rod mechanism of electromechanical transmission system. In Modelica language using the Mworks software for modeling platform model.Through simulation, we can visually see the animation motion of four bar linkage mechanism, but also through starting analysis of motor diagram detailed when the speed, torque and stable operation time, speed curve, also can analyze the angle function of time each rotary joint, thereby conducting parametric analysis.Keywords:Mworks, Modelica,mechanical and electrical transmission, simulation目 录1前言11.1 机电传动系统11.2控制系统11.3机电传动与控制系统研究的目的与意义32机电传动控制原理简介52.1电路控制系统52.2电动机的启动电路52.2.1直接启动控制电路原理52.2.2电动机的正反转控制电路原理72.2.3四杆机构的原理93 Modelica语言103.1Modelica语言的发展103.2Modelica语言模型要素123.3Modelica语言主要特点153.4 Mworks163.4.1功能与特征173.4.2应用领域183.4.3 MWorks建模窗口介绍183.5基本建模步骤233.5.1 启动建模环境243.5.2加载模型库243.5.3创建模型库263.5.4创建模型263.5.5编译求解模型284运用Mworks对机电传动控制系统的模拟仿真304.1 电动机的启动控制电路的仿真324.1.1 在Mworks模型库中查找所需组件324.1.2简单接触器模型的制作334.1.3简单四连杆机构模型的制作344.1.4仿真求解模型分析变量曲线以及仿真动画364.2电动机控制四杆机构的正反转394.2.1在Mworks模型库中查找组件并连接电路图394.2.2仿真求解并进行变量曲线分析40结 论43参考文献44致 谢45II太原工业学院毕业设计1前言1.1 机电传动系统机电传动的发展是随着电机的发展而发展的。20世纪以前，电机的发展处于初级阶段，经历了又诞生到在工业上的初步应用，各种电机初步定型，电机理论和电机设计计算方法的简历和发展的过程。20世纪是自动化发展的时代，对电机也提出了越来越高的要求，是电机向性能良好、运行可靠、质量小、体积小的发展方向。随着自动控制系统的发展及广泛的应用，出现了多种高可靠性、高精度、快速性能好的控制电机。目前动力电机正在向大型、巨型化发展，儿专用电机正在向着高精度、长寿命、微型化发展。由于各类电机已成为各种机电系统中的极为重要的元件，因此，机电传动将发展成为把电子学，电机学和控制理论结合在一起的新兴学科。电动机的问世使电力拖动代替了蒸汽或水气的拖动。机电传动的发展大体经历了成组拖动、单电机拖动和多电机拖动的三个阶段。所谓成组拖动是指一台电动机经天轴（或地轴）由皮带传动来的驱动一组生产机械的拖动方式。这种拖动方式的传动路线长、生产效率低、结构复杂，一旦电动机发生故障，将造成成组生产机械的停车，现在已被淘汰。生产机械中广泛采用的单电机拖动，即一台电动机拖动一台生产机械，较成组拖动前进了一步，他是和用于中小型机械，但生产机械的运动部件较多时，机械传动机构仍十分复杂。自20世纪30年代起，广泛采取了多电机拖动方式，即一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门的电机拖动方式，这样生产机械的结构就大为简化了。例如龙门刨床的刨台，左右垂直刀架，衡量及其夹紧机构均分别由一台电动机拖动。在生产机械中也有一个运动部件采用多电机拖动的方式。这种多点击拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而求控制灵活，为生产机械的自动化提供了有力的条件。1.2控制系统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，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。随着数控技术和微计算机的发展，出现了具有运算功能和较大功率输出能力的可编程控制器（PLC），用它可替代大量的继电器，是硬件软件化。它实际上是一台按开关量输入的工业控制用的微型计算机。用它来替代继电接触器控制系统，提高了系统的可靠性和柔性，是控制技术产生了一个飞跃。20世纪90年代的大型PLC正向着高速度、多功能、适应多极分布控制系统的方向发展，同时微型PLC已发展成不仅具有开关型逻辑控制，定时/计数，逻辑运算功能，还具有处理模拟量的I/O,数字运算功能，通信功能，可构成分布式控制系统的控制器，因此，它的应用越来越普遍，越来越广泛。它已是机电传动与控制的重要器件。随着微电子技术与计算机技术的不断发展，机电传动与控制正向着计算机控制的生产过程自动化方向前进。它经历硬件数控（NC）计算机数控（CNC）柔性制造单元，即加工中心(FMC) 柔性制造系统(FMS)计算机集成制造系统(CIMS)的过程。20世纪80年代末出现的有数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线柔性制造系统，它是机械制造的自动化车间和自动化工厂的重要组成部分与基础。21世纪，将是计算机集成制造系统的时代。利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计和制造过程的一体化，使产品构思、设计、装配、试验和质量管理全过程实现自动化，是当今世界机电一体化发展的新趋势。1.3机电传动与控制系统研究的目的与意义在现代化生产中，生产机械的先进性和电气自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化机械设备和生产系统不再是传统的单传机械系统，而是机电一体化的综合系统，电气传动与控制系统已成为现代化机械的重要组成部分。因此，从广义上讲，机电传动与控制就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；具体的讲，就是以电动机为原动机驱动生产机械，将电能转换为机械能，实现生产机械的启动、停止及调速。满足各种生产工艺过程的要求，实现生产过程中的自动化。因此，机电传动与控制既包含了拖动生产机械的电动机，又包含了控制电动机的一整套控制系统。现代化生产要求有高的生产自动化程度，高的加工效率，大的工艺范围，能加速产品更新换代和开发数字化、自动化、智能化的机电一体化的产品，这无疑对机电传动与控制系统提出了越来越多的要求。而今特别突出的电子、航空、航天及汽车工业等高新技术工业的发展，都依赖于机械工业制造技术，以及由“重大长厚”型转向“轻小短薄”型的工艺设备的发展，而每一次新技术的出现，都是同新型的加工方法、加工手段和测量控制技术的出现密切相关的。目前，我国正在加速制造技术领域的发展，引进国外先进技术，吸收新技术成果，并正在加快单机自动化、局部生产过程自动化、成产线自动化和全厂综合自动化的步伐。这些都离不开机电传动与控制。随着计算机技术的、微电子技术、自动控制理论、精密测量技术的发展，随着电机及电器制造业及各种自动化元件的发展，机电传动与控制正在不断创造与发展。目前直流或交流无级调速控制系统代替了结构复杂、笨重的变速箱系统，简化了生产机械的结构，使生产机械向性能优良、运行可靠、质量小、体积小、自动化的发展方向。近20年来各种机电一体化产品，如数控机车、工业机器人、电力机车、静电复印机、电动汽车、及电动机磁盘光盘驱动器等都是现代化生产机械自动化的成果，可见机电传动与控制在整个生产机械中占有极其重要的地位。为了培养新世纪机电一体化的复合型实用人才，必须掌握机电传动与控制的理论和方法。452机电传动控制原理简介机电传动是以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称。机电传动系统包括电路控制系统、电动机、机械运动部件。绝大多数的生产机械必须有电动机拖动，而且还需要控制设备将它们组合成控制线路，用以实现生产机械的自动控制。2.1电路控制系统用继电器、接触器等有触点电器组成的控制电路，称为继电器-接触器控制电路。它的主要特点是操作简单、直观形象、抗干扰能力强，并可以进行远距离控制。在生产机械的电气自动化控制系统中，需要应用多种电器元件按一定的要求和方法联系起来，才能实现电器的自动控制。电路控制系统包括主电路、控制电路、辅助电路。主电路即为被控电路，控制电路主要实现对主电路的控制，以实现电动机的各种动作，辅助电路主要是对主电路进行保护、报警等。本次设计的控制电路主要实现的功能是电动机的启动，电动机的正反转，下面将介绍电动机的启动电路和正反转电路。2.2电动机的启动电路2.2.1直接启动控制电路原理（1）对于小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接启动。图2.1 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2.1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2.1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（K1.6-2.5）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2.1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电动机的正反转控制电路原理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。控制线路可以在图2.2所示的控制电路的基础上再增加一条电动机的反转控制电路如图2.2所示。图2.2 采用两个按钮 异步电动机正反转控制电路图2.2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 采用复合按钮图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。本次设计拟采用直流电机，顾不需要控制三相电源，只需要能控制两相电源即可。2.2.3四杆机构的原理四杆机构按有无曲柄、摇杆，分为以下三种基本形式。曲柄摇杆机构：两连架杆之一为曲柄，另一个是摇杆。双曲柄机构：两连架杆均为曲柄。双摇杆机构：两连架杆均为摇杆。判定方法：杆长之和条件：最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和。满足杆长之和条件：若最短杆为机架则为双曲柄机构;若最短杆的相邻干为机架则为曲柄摇杆机构；若最短杆的相对杆为机架则为双摇杆机构。不满足杆长条件之和：无论以那个杆做机架均为双摇杆机构3 Modelica语言 3.1Modelica语言的发展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、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（）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。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。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。3.2Modelica语言模型要素类与组件: Modelica是一门面向对象的语言，与其它面向对象的语言一样，Modelica也有类和对象的概念。类是Modelica的基本单位，所有模型都在Modelica以类的形式存在。类分为一般类与受限类，一般类以关键字class修饰，受限类有包package、模型model,记录record、类型type、连接器connector、块block不I I数学函数function七种，分别有不同的约束与限制。它们分别对应不同的语义功能单兀，这样便十组织和理解模型。类中可包含变量、算法、方程和局部类。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。public和protected关键字指明变量的继承属性，只有public组件才可以被继承。类的对象或实例被称为组件。组件可分为内置类型和自定义类型。内置类型Modelica语言所定义的四种类型，实型、整型、字符串型和布尔型。自定义类型是用户自己定义的类型。模型定义可以嵌套，即模型内部还可以定义子模型，我们称这种嵌套模型为复合类型，复合类型的对象被称为复合组件。组件可变型，通过修改类的属性描述不同对象的性质。类型的重用是面向对象语言的重要特性。Modelica语言通过继承机制实现类型的重用和扩充。Modelica使用extends子句表示类的继承关系，声明extends子句的类是继承关系中的子类，关键字extends后面声明的该类所继承的父类，表示将父类中所有public组件以及父类中声明的所有方程和算法引入到当前的子类中。方程与算法：方程是Modelica语言的核心。Modelica模型的方程可在模型中直接声明或者由父类继承Ifu来，也可以通过连接机制生成方程。方程具有陈述式非因果特性，求解的方向不受限制，因fu比赋值语句更大的灵活性和更强的功能。算法也是表达变量之间约束关系的重要形式。与方程不同的是，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变量赋值给左边的变量。Modelica使用不同操作符表示方程与算法，方程使用“=操作符，算法使用“:=操作符。方程与算法表示不同的约束关系，例如方程:R*1=v它可等价为以下二种可能的算法形式:i:=v/RR:=v/iv:=R*i这表明方程可以依据数据环境的需要用十求解不同的变量，方程的这一特性大大提升了Modelica模型的重用性。方程的求解方向最终由数值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，这极大地减轻了建模工作量，尤其是对复杂系统建模，同时也可以避免因公式的转化推导Ifu引起的错误。虽然方程在描述物理系统上拥有诸多优点，但方程并不适十表示因果模型，如过程式算法。算法可以通过改变算法的声明顺序描述不同的仿真过程，Ifu方程由十其非因果特性，无论怎样改变方程组的声明顺序都不会影响到最后的仿真结果。变型机制：模型的可重用性是提高建模效率的关键。Modelica语言提供的变型机制使得类的重用变得十分容易。变型是指在定义新类型或者声明组件时修改后继类成员的缺省值或属性值。变型机制可分为组件变型与类变型两种。下面是一个变型例子:model Space class Point2D Real x=0; Real y=0; end 2DPoint; Point2D pl(x=l,y=2),p2(x=3,y=4);end Space;模型Space声明了类Point2D, Point2D定义了属性x和Y，表示平面上的坐标点。Point2D同时也定义了类的缺省值是(0 0)，用户声明类的实例并通过组件变型修改类的缺省值。Space声明了Point2D类型的两个点，坐标分别为(1, 2)和(3 4)。已声明的类可以通过继承扩充，并通过类变型指定扩充之后的新类型的默认值。如下例:class Point3D extends point2D (x=3,y=4); Real z=_5;end Point3D;Point2D通过继承扩充为Point3D，并b通过类变型指定扩充之后的新类型的默认Point3D模型的默认值是(3, 4, 5)。连接机制：Modelica将模型与外界的通信接口定义为连接器，并用一种称作连接类(connector)的特殊类来描述。连接表示了器件之间的相互联系，连接器包含连接中需要描述的各种物理量，如电子器件中需要电压与电流量，驱动兀件中需角度与扭矩值。下面给出的一个连接器类Pin定义的是电路兀件的接口，它包含两个变量，电压v为势变量，电流i为流变量。connector Pin Real v;flow Realend Pin;图3.1是三个Pin实例组件之间的连接及其Modelica连接语句。connect(cl,c2);connect(cl,c3);图3.1 PIN连接图如连接connect(cl, c2), c1与c2都是属十类型Pin的连接器，两个pin连接起来可生成以下两个方程：CI.V=C2.VC1.1+c2.i=0第一个方程表明在连接点两端电压值相等，第二个方程根据Kirchhoff电流定律，表明在一个节点，电流流入量与流出量总和为O。连接类中定义的变量被划分为两种类型:流变量与势变量。流变量是一种“穿过(through)型变量，表示某种能量流，如电流、力、力矩等，用关键字flow限定。势变量是一种“跨越(across)型变量，如电压、位移、角度等。两个相同类型的连接器可以关联到一起构成一个连接，在模型示意图中连接对应着组件之间的连线。连接本质上也是通过方程来表达变量之间的祸合关系，因Ifu在模型编译时，连接会转化为方程。连接中的势变量祸合关系转化为“等值”形式的方程，即两个势变量的值相等，流变量祸合关系转化为“和零，形式的方程，即两个流变量的和为0 。通过连接机制，用户可以通过组合装配组件构建模型。这样极大提高建模的效率，并降低了建模的难度。3.3Modelica语言主要特点Modelica基于非因果建模的思想，采用数学方程（组）和面向对象结构来促进模型知识的重用，是一种面向对象的结构化数学建模语言，支持类、继承、方程、组件、连接器和连接。它采用基于广义基尔霍夫定律的连接机制进行统一建模，可以满足多领域要求，例如机电模型（机器人、汽车和航空应用中的机电系统包含机械、电子、液压和控制子系统）、过程应用、电力发电和输送等。Modelica模型的数学描述是微分、代数和离散方程（组），相关的Modelica工具能够决定如何自动求解方程变量，因而无需手工处理。对具有超过10万个方程的大规模模型，可以使用专门的算法进行有效处理。Modelica语言主要有以下四点优点：（1）.基于方程的非因果建模非因果建建模是一种陈述式建模方式，意味着基于方程而不基于赋值语句。方程不管哪个变量是输入（已知）、哪个变量是输出（未知）；对于赋值语句，赋值符号左边总是输出，右边总是输入。基于方程的模型其因果特性是不明确的，只有在方程系统求解时才确定变量的因果关系。非因果建模适于表达复杂系统的物理结构，基于方程的Modelica模型也比传统的包含赋值语句的模型具有更强的复用性。（2）多领域建模Modelica能够描述电气、机械、热力学、液压、生物、控制等多领域模型或组件，已有大量可复用的领域库。（3）面向对象建模Modelica具有面向对象语言特征：类、泛型（C+模板）、子类型，允许组件复用和模型进化。Modelica提供良好的软组件模型，通过组件（借口）相互连接，快速搭建复杂物理系统。（4）连续离散混合建模Modelica支持连续离散混合建模，可建模仿真变量值只在某个时间点发生变化（电源开/关）、变量的变化不连续的（离合器分离/结合）、尽管不是瞬态变化但变化时间区间小（阀门开/关）等情况。3.4 MworksMWorks是新一代多领域工程系统建模、仿真、分析与优化通用CAE平台，基于多领域统一建模规范Modelica，提供了从可视化建模、仿真计算到结果分析的完整功能，支持多学科多目标优化、硬件在环(Hardware-In-the-Loop, HIL)仿真以及与其他工具的联合仿真。利用现有大量可重用的Modelica领域库，MWorks可以广泛地满足机械、电子、控制、液压、气压、热力学、电磁等专业，以及航空、航天、车辆、船舶、能源等行业的知识积累。3.4.1功能与特征建模仿真与设计优化需求。MWorks作为多领域工程系统研发平台，能够使不同的领域专家与企业工程师在统一的开发环境中对复杂工程系统进行多领域协同开发、试验和分析。(1). 多工程领域的系统建模MWorks具备多工程领域的系统建模和仿真能力，能够在同一个模型中融合相互作用的多个工程领域的子模型，构建描述一致的系统级模型，适应于机械、电子、控制、液压、气压、热力学、电磁等众多工程领域。(2). 多文档多视图建模环境MWorks提供多文档多视图的建模环境，支持同时打开多个文档，编辑和浏览多个不同模型。每个文档具有模型文本、模型图标、组件连接图、信息说明等多个视图，支持多种形式的模型浏览与编辑。(3). 多种形式建模支持MWorks支持组件拖放式、文本编辑式与类型向导式等多种建模方式，提供代码框架、编码助手、语法高亮、代码折叠、代码规整、连接合法性自动检查、模板式参数编辑、模型逐级展开和回退等辅助建模功能。(4). 可定制的模型库MWorks提供丰富的领域模型库，并具备开放的模型库定制功能，以满足不同的建模需求，便于模型资源的重用。用户可以通过定制配置文件或动态加载需要的模型库，可以自由增删或更改模型库中的元件。(5). 物理单位推导与检查MWorks全面支持SI国际单位制，提供可靠的单位推导与检查功能。根据模型方程进行单位推导，并自动检测单位不匹配的错误。支持计算单位与显示单位的分离，提供显示单位的定制与扩展功能。(6). 仿真代码自动生成MWorks通过模型编译生成模型方程系统，通过模型推导与符号简化生成模型求解序列，基于标准C语言，自动生成模型仿真代码；通过对仿真代码的编译，进而生成可独立运行的参数化仿真分析程序。(7). 结果分析与后处理MWorks提供结果数据的曲线显示和3D动画显示功能，支持不同仿真实例的结果比较。提供丰富的曲线运算与操作功能、动画控制与视图操作功能，支持曲线显示自变量的定制选择。(8). 硬件在环仿真MWorks提供硬件在环仿真功能，通过内嵌通讯模块的实时信号采集与输出，支持软件模型与实物设备的联合仿真。通过输出模型仿真C代码到dSPACE、xPC等硬件设备，支持实时硬件在环仿真。3.4.2应用领域MWorks平台提供的基础元器件模型库覆盖了机械、电子、控制、液压、气压、热力学、电磁等学科领域，并通过了实验验证。通过基础元器件的组合，用户能够方便快捷的构建高置信度的产品模型，从而有效提高产品设计质量，缩短开发周期，降低研发成本。3.4.3 MWorks建模窗口介绍1.主窗口Modelica有两个工作界面：建模环境和后处理器，启动时缺省处于建模环境。启动建模环境主窗口如图3.2： 图3.2 建模环境窗口布局建模环境包括以下组成部分：标题栏、主菜单和工具栏，位于建模主窗口的上部。模型浏览器、组件浏览器和组件列表，位于建模窗口左侧；模型编辑窗口，紧邻模型浏览器和组件浏览器，占据建模主窗口中大部分区域；输出栏、错误列表、查找结果、命令窗口，位于编辑窗口下部；状态栏，位于建模主窗口下部；当然，也可以根据需要通过“视图工具栏”菜单来决定显示哪些工具栏或子窗口缺省全部显示。2.模型编辑与窗口模型编辑窗口是建模环境的主要工作区域，在其中建立、编辑或查看模型。 编辑窗口与模型浏览器和组件浏览器有密切的关联。用户可以使用拖放方式从模型浏览器中拖动模型到编辑窗口建立组件，组件浏览器中实时显示编辑窗口中当前主模型的相关信息，例如主模型中声明的组件、连接方程等。模型编辑窗口有五种不同的显示模式，分别对应于：文本视图。图标视图、组件视图、说明视图和应用视图。编辑窗口只显示一个模型对应的上述五种视图中的一种。Modelica启动时模型编辑窗口缺省显示组件视图。模型编辑窗口的底部有五个标签如图3.3所示，可以轻松实现不同视图之间的切换。图3.3 模型编辑窗口当然，用户还可以通过视图工具栏上的视图按钮或视图菜单下对应的视图菜单实现视图切换。3.模型浏览器模型浏览器缺省位于建模主窗口的左侧，以树状形式显示当前已加载模型的层次结构，包括模型库和用户自定义模型。模型浏览器包括三部分：搜索框、浏览区和标签。搜索框提供模型查找功能。在其中键入要查找的模型名，然后单击左侧的箭头按钮随后在浏览区树形结构中自顶向下地查找包含输入名字的模型。若找到匹配的模型，则将模型名背景置为灰色以标记匹配。继续点击该按钮，则从当前位置继续向下查找。搜索框会自动记录先前输入的名字，单击搜索框右端的下拉小箭头会显示查找记录列表，选择“Clear List”可清除查找记录。浏览区以树形结构层次化地显示了模型的组织结构。缺省时只显示公有（public）模型，不显示保护（protected）模型。要显示保护模型需要修改模型库面板的选项。标签位于模型浏览器的底部，用以控制模型浏览器和模型列表之间的切换（如图3.4所示）。图3.4 模型浏览器4.模型列表模型列表位于建模主窗口的左侧，缺省时被模型浏览器遮挡。模型列表面板以大图标的形式显示某个模型中的嵌套型列表。（1）工具栏返回到上一次显示的模型并列出其中的嵌套模型。前进到下一个显示的模型并列出其中的嵌套模型。显示上一层模型，列表区显示与当前选中模型的父模型同级模型。显示子模型，列表区显示当前选中模型的子模型。（2）基本操作单击模型图标：选中模型，模型小图标变为深蓝色。双击模型图标：选中的模型中不含嵌套模型（模型对应模型浏览器中的叶子节点），则在编辑窗口打开模型，同时更新组建列表内容，建模窗口显示小图标对应的模型全名。若选中模型中包含嵌套模型（对应模型浏览器中的顶层或中间节点），则在模型列表中显示该模型的子模型列表，而不打开模型。拖动模型创建组件：单击节点选中模型，保持鼠标左键按下，拖动模型到图标视图或组件视图，作为组件插入到当前模型。5.组件浏览器模型浏览器以树形结构显示当前已加载模型的层次结构，组件浏览器则以树形结构显示了某个已打开模型中的组件层次结构。组件浏览器中继承元素的名字被明亮灰色填充的矩形框包围。组件列表的内容与模型编辑窗口紧密关联，总是显示模型编辑窗口中当前主模型的组件列表。在编辑窗口中选中组件，则组件列表中对应的组件名称会被浅灰色填充的矩形框包围。组件列表中，单击节点则选中组件，组件名称被蓝色填充的矩形框包围。双击节点则在编辑窗口当前活动窗口中显示组件对应的模型。若组件包含子组件，则同时展开该组件的下一级组建，但不递归展开。先选中组件，然后右击鼠标，在弹出的上下文菜单中选中选择“显示组件”也可以实现与双击组件节点相同的操作。6.输出栏输出栏缺省位于建模主窗口底部，用来输出一些用户操作过程信息，包括模型加载、检查 、编译、保存等操作相关的信息。输出栏的底部有四个面板切换标签（如图3.5），用于显示或隐藏输出栏、错误列表、查找结果和命令窗口。缺省时错误列表、查找结果和命令窗口被输出栏遮挡。 图3.5 切换面板标签在输出栏中右击鼠标会弹出上下文菜单，提供对输出栏内容的复制、清空、选择、保存等操作。7.错误列表错误列表输出了模型编辑、检查以及编译过程中发现的错误或警告信息。缺省时显示错误类型（Error或Warning）、错误编号、错误描述，错误对应的文本行号以及发生错误的文件等信息。要改变错误列表中的显示信息，可修改错误列表面板选定配置文件，可设置错误类型、错误编号、错误行号、错误列号以及错误所在文件等信息的现实与隐藏。双击错误列表的错误记录，鼠标光标焦点会定位至模型编辑窗口文本视图中错误对应的行号，并且编辑窗口书签栏的改行位置会出现一个标签。先单击选中错误，然后右击鼠标，在弹出的上下文菜单中选择“转到错误行”也可以实现同鼠标双击错误一样的错误定位功能。8.查找结果查找结果窗口按行输出模型查找得到的结果信息，包括模型名字、模型所属的模型全名（父模型），以及模型说明（注释）。查找模型功能可由“文件查找模型”菜单或模型浏览器上下文菜单“查找模型”实现。查找结果窗口中，鼠标双击查找结果模型所在行，模型浏览器会自动定位置结果模型，并且以灰色填充的矩形框包围模型名称。在查找结果窗口中右击鼠标，根据结果模型类型的不同（模型或组件），在弹出的上下文菜单中选择“打开模型”可在编辑窗口中打开模型或组件对应的模型。9.命令窗口命令窗口支持运行脚本文件和查看脚本执行结果，由两部分组成：命令显示窗口和命令输出栏。（1）命令显示窗口按顺序记录命令执行记录，包括脚本命令及执行返回结果。在窗口中右击鼠标会弹出上下文菜单，提供对窗口内容的复制、清空、选择、保存等操作。（2）命令输出栏接受键入的脚本命令，按Enter键之后立即执行命令，执行结果输出到命令显示窗口。命令输出栏也接受脚本文件（实为文本文件，后缀一般为.mos、py）。将脚本文件从操作系统的资源管理器中直接拖入到窗口，松开鼠标后即可执行。脚本文件的执行结果按顺序输出到命令显示窗口。通过“仿真运行脚本”菜单也可以运行脚本文件。将鼠标光标焦点置于命令输入栏，按下键盘方向键，则回退至上一次执行的命令（显示在输入栏），按Enter键将执行该命令。按方向键，则前进至下一条命令。3.5基本建模步骤本节介绍利用Modelica创建一个模型库的基本流程。建模过程中涉及到的操作在此简单介绍。概括地讲，创建一个模型一般需要以下步骤：（1） 启动建模环境。（2） 加载模型相关的模型库。（3） 创建一个模型包用于管理创建的模型。（4） 创建具体的模型。（5） 设置模型参数。（6） 检查模型语法及语义的正确性。（7） 编译模型，生成对应的求解器，为求解模型做准备。（8） 调用求解器进行模型仿真。3.5.1 启动建模环境有以下三种方式可以启动，进入建模环境：（1） 双击桌面上的MworksStudio快捷方式（2） 在Windos开始程序子菜单中选择“MworksStudio”。（3） 在Mworks安装目录下，双击MworksStudio快捷方式。软件打开如下图3.6：图3.6 建模窗口在Mworks启动时的建模环境界面。缺省时，Mworks自动创建了一个空的模型Model1作为当前活动模型，其中没有声明任何内容。3.5.2加载模型库Mworks启动时，模型浏览器中缺省显示Modelica模型库及其使用说明ModelicaReference。通过“工具设置MedelicaPath”菜单可以修改启动时缺省显示的模型库。如图3.7所示，即使某个模型库当前没有加载，其节点前面的小方框也呈现勾选状态。 图3.7 Modelica模型版本将鼠标悬停于模型浏览器中模型库名称上，会弹出动态提示工具，提示模型库没有加载（如图3.8所示）。图3.8 Modelica模型库的加载使用鼠标双击模型库Modelica，系统会自动加载，并在模型编辑窗口中打开模型库中的顶层模型，并将加载相关的提示信息显示于输出栏中。选择“文件加载模型库”或模型浏览器上下文菜单“加载模型库”菜单也可实现加载模型库。模型浏览器已树形形式显示了已经加载的模型库的组织结构。单击模型浏览器下方“模型列表”按钮切换