复杂机电系统及仿真研究

摘要：建立一个典型复杂机电系统，将键合图与模块理论相结合，建立一个开放性的机动系统模块库。所建立的模型仿真与实测数据一致。

关键词：机电系统 仿真

Abstract: This thesis has established an open electro mechanical system module library by uniting the theories of bond graph and modularization. And based on it a typical complex electromechanical system .Simulation results of the global mathematical model closely verge on experimental result.

Key words: electromechanical system Simulation

中图分类号：TU85文献标识码： A 文章编号：

在复杂机电一体化系统开发中,跨学科的系统建模方法、多领域模型的协同仿真和多学科协同开发的过程管理技术是目前亟待解决的关键技术,可以对机电一体化系统的设计和开发提供强有力的支持,目前已经成为该领域的研究重点。近年来，复杂产品虚拟样机技术随着计算机技术的发展而迅速发展，以计算机虚拟模型仿真代替传统的实物样机实验，使得由机、电、液等多领域部分集成的复杂机电产品设计开发过程大为简化，缩短了产品开发周期，减少了产品开发费用和成本，也优化了产品品质。复杂机电系统是一种“复合化系统”，由多学科(机械、电子、液压等)技术相渗透、融合而成。由于标准化、模块化在机械、电子等领域的应用，因此机电系统具有3个重要的性质，即系统、模块、接闻。将这3个性质运用于系统建模，即为模块化建模的基本思路:将系统按照一定规则划分为通用性较强的模块，并建立开放式的模块库;各模块单独建立各自的数学模型，与其物理模型一起存入模块库中以备调用;通过接口确立各模块交界而的参数使系统整体的数字求解及仿真得以实现。对于同类系统，个别系统=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)，在对其建立数学模型时，通用模块可直接调用，只需对专用模块进行处理并加入模块库中，这样，极大的方便了系统物理模型的自动拼装和系统数学模型的自动集成。

在对系统进行建模和仿真的过程中，采用键合图作为建模工具，因为键合图以统一的形式来处理不同能量范畴的系统，极大的方便了模块间的接口统一;键图模型通过一些规范化的处理可以得到标准的状态空间方程，因此，依据文献所提供的思路，编写程序，由计算机自动生成系统的数学模型。

以典型复杂机电系统一与笔大型钢厂的轧机为例，模块划分是对大系统进行分析与综合的途径。由于复杂机电系统往往是机、电、液等多能量范畴的组合，其模块的合理划分是一个较复杂的设计分析过程。模块划分太细，虽可带来较好的直观性和可移植性，但模块综合过程困难，计算量相对增加。反之，模块划分过粗，虽然模块综合过程简单，但容易导致不可移植模块的产生。在模块划分的过程中，一般遵循以下原则(1)独立原则。独立原则包括单独试验和独立流通。单独试验指模块的功能和性能可以被单独试验。独立流通是指模块可以作为“黑箱”供使用者使用。对要划分的模块要在功能上、结构上尽可能做到独立化，这样的模块易于拼装搭配，便于移植到不同的研究对象中。(2)典型部件原则。以结构相对独立的部件作为模块化单元，便于模块的互换，对结构复杂的部件可进一步细化将部件中的某些组件模块化。基础件若结构简单，功能独立，应作为单独的模块单元考虑。 依照划分原则分析轧机后，建立的轧机模块划分小意图，如图所示。

对模块描述和数学模型自动生成。首先是物理模型模块化，依据模块划分原则，将所研究的轧机系统划分为15个模块， 值得注意的是，绝大多数模块在与其他模块联接时，其接曰功率流向和因果关系是不确定的，因此，需要将有不同接口功率流向和因果关系的模块分别制作并存入模型库，以保证各模块联接时接口的正确。基于键合图的模型自动生成分为自动数值建模和自动符号建模。出于研究的需要，本文采用自动符号建模。自动符号建模的过程包括建立系统的功率键合图，确定键合图的功率流向及因果关系，依据“标准规则”拟定系统初始方程并整理得到标准的状态空间方程。国内的一些学者对自动符号建模的关键问题也进行了研究。以MATLAIB语言为工具，实现了系统数学模型的自动生成，并解决了模块间的参数调用。

模块的集成和仿真， 由各模块功能描述，再根据各模块之间的藕合关系，即接口位置、因果关系的非矛盾性等，得出描述整系统动态结构的功率拓扑建图，如图下所小。图中虚线框表明也可把数个模块合并为一个模块，对于非常复杂的大系统这种合并可以减少模块集成过程中的计算量。

模块数学模型的集成在模块数学模型的建立过程中，各模块的输入Ui是有待确定的。整系统的数学模型集成，就是将各模块的输入确定下来。按此过程，确定各模块的输入Ui后，即可对整个系统进行数值求解及仿真。

数值求解和仿真的过程，由于各模块固有频率相差很大，采用各模块分步长求解，目一相邻模块i, j之间计算步长hj,满足:

T=nihi=njhj式中t——仿真时间ni,nj——各模块总迭代次数

各模块每一步计算完成后，根据ui的表达式求出ui各分量的值并储存以备调用。如此处理既保证了各模块的运算精度，又加快了运算速度。 图一和图二是部分仿真结果和实测对比，其要工况参数是:带速1184m/ min，液压源给定轧制压力初值4. SMN，平整率1 %，前张力50kN，后力70kN_带厚I .5mm,带宽1500mm.

图一：轧机下工作辊垂振冲击速度时域响应

由图一可知，仿真结果与实测结果比较一致，证明用该建模方法对系统进行分析是可靠的。

图二：轧机下工作辊垂振冲击速度频域响应

结论：1)运用模块化理论建立了一个复杂机电系统的全局藕合动力学模型并对其进行了仿真，经实验证是正确的。 ( 2)根据实际系统建立了一个开放式的模块库，制作了一批通用性较强的模块，可以通过模块的拆卸和拼装构成不同类型的轧机。 ( 3)利用键图建模的特点，采用了模型自动生成技术，无论是模块的数学模型，还是模块间藕合参数的确定，编写程序均由计算机自动完成。使复杂机电系统的建模和仿真变得容易和可行。

参考文献：

[1]姜慧，徐燕申.机械产品模块化设计总体规划方法的研究[J].机械设计.1999. (12)

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[4]D.C.卡诺普，R.C.；罗森堡系统动力学—应用键合图方法[M].北京：机械工业出版社，1985.

作者简介：查俊杰（1991--），男，江苏镇江人，南京工业大学机械与动力工程学院,过程装备与控制工程专业2009级本科生