基于Modelica_MWroks的船舶电站控制系统建模与仿真研究.pdf
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1、T/技术专栏基于Modelica/MWroks的船舶电站控制系统建模与仿真研究陆锡江,安丽,李咏桐*(1.工业和信息化部电子第五研究所,广州510 6 10;2.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程研究中心,广州510 6 10;3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广州510 6 10)摘要:本文以船舶电站控制系统为研究对象,基于多领域统一建模Modelica/Mworks仿真验证平台搭建了船舶电站控制系统的仿真模型,得到了船舶电站控制系统中的同步发电机组的励磁电压,同步发电机输出电压,同步发电机转速和发电机组有功功率等重要曲线参数,为船舶电站控制系统的研究提供了模型基础。
2、关键词:Modelica/MWroks;船舶电站;建模;仿真中图分类号:TP206.1文献标识码:A文章编号:10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 0 7 1-0 8Marine Power Station Control System Based on Modelica/MWrocks Modelingand Simulation ResearchLU Xi-jiang,LI Yong-tong,An Li(1.Fifth Institute of Electronics of the Ministry of Industry and Information Techno
3、logy,Guangzhou 510610;2.National Joint Engineering Research Center of Reliability Test and Analysis for Electronic InformationProducts,Guangzhou 510610;3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information ProductsReliability Technology,Guangzhou 510610)Abstract:This paper takes the marine
4、 power station control system as the research object,builds thesimulation model of the marine power station control system based on the multi-domain unified modelingModelica/MWorks simulation and verification platform,and obtains the important curve parameters ofthe marine power station control syst
5、em,such as the excitation voltage of the synchronous generatorunit,the output voltage of the synchronous generator,the speed of the synchronous generator and theactive power of the generator unit,which provides a model basis for the research of the marine powerstation control system.Keywords:modelic
6、a/MWroks;marine power station;modeling;simulation引言21世纪以来,随着我国船舶工业的发展,在船舶行业也取得很多的成果,并且我国船舶产量位居前列。但是由于船舶智能化,自动化方面的研究起步比较晚,一些关键的技术还没有掌握。欧美一些西方国家很早开始研究船舶技术,在电站监控系统等方面取得了许多成果,像西门子的未来者电站管理系统,STL的ISC系统等等,这些年随着我国的科研工作者不断研究,一些关键的技术取得了突破,也获得了很多的成果,但是在船舶电站自动化控制方面,我国还是有所欠缺,一些核心的设备仍需要从国外进口,所以我们仍然需要大力发展船舶电站控制相关技
7、术,加强我国船舶核心技术研究,以此来增强我国海上国防实力,所以对舰船电站控制系统方面的研究是十分必要的。本文通过研究船舶电站控制系统的数学模型,并在国产化多领域统一建模Modelica/Mworks仿真验证平台2023年6 月/June 2023 71技术专栏 TechnicalColumn进行船舶电站控制系统的仿真建模,相对于Matlab仿真平台,Mworks.Sysplorer更适合于工程应用,它具备多工程领域的系统和仿真能力,广泛应用于航天、船舶车辆等行业,本文的舰船电站控制模型就是基于Mworks.Sysplorer平台进行建模和仿真,以此验证船舶电站控制系统的一系列功能。1Mwork
8、s仿真验证平台1.1Mworks.Sysplorer简介MWorks.Sysplorer是面向多领域工业产品的系统级综合设计与仿真验证平台。基于国际多领域统一建模规范Modelica,提供了可视化建模、仿真建模、仿真计算到结果分析的完整功能,Sysplorer支持工业设计知识的模型化表达和模块化封装,支持基于物理拓扑的快速系统模型集成与设计验证,支持多方案优选及设计参数优化,以知识可重用、系统可重构方式,为工业企业的设计知识积累与产品创新设计提供了有效的技术支撑,对及早发现产品设计缺陷、快速验证设计方案、全面优化产品性能等具有重要价值。Mworks.Sysplorer仿真平台示意图如图1。1.
9、2Mworks.Sysplorer主要功能及特点1.2.1多领域统一建模与一致表达基于多领域统一建模语言Modelica,M W o r k s.Sysplorer支持组合不同领域的工程构件形成多领域仿真模型,通过基于方程的建模支持模型复用,更加贴近系统工程实际,从而实现:1)统一标准:统一的模型表达标准,支持无缝的模型集成;2)统一模型:统一的全系统模型,为多专业设计协同奠定了基础;3)统一平台:支持系统级、子系统级与部件级多层次统一设计验证。行业模型库车辆航空基础模型库电磁流体业机械液压控制田模型管理能源航天模型标定模型加密物理建模试验设计数字仪表编评分析综合优化Fython脚本SDK刚柔
10、梯合动画展示仿真求解结果分析定扩展?c/C+FortranFMI规范simulinkAMESimAdamsLabVIEWCAE款件接口SimulinkFEM款件CAD款件接口Pro/EngineerSolidworksCATIAUG*外部楼口语言接口Modelica规范Sysplarer功能模块系统综合设计与仿真验证平台MWorks.Sysplorer图1Mworks.Sysplorer仿真平台示意图72环境技术/Environmental TechnologyT/技术专栏避免采用传统的基于接口的单专业软件联合仿真模式带来的弊端:1)软件种类繁多,需要对应软件提供相关接口,不便于应用;2)分散
11、于各软件平台中的异构模型难以体系化管理;3)对复杂的多领域耦合系统求解效率1.2.2完备的结果后处理分析MWorks.Sysplorer提供完备的结果处理分析工具,主要包括:曲线显示与运算、三维几何动画、数字化动态仪表、结果报表生成、参数分析工具、参数标定与分析、多学科优化。1.2.3便捷的可视化建模环境MWorks.Sysplorer提供多文档多视图的建模环境,能够方便地快捷进行可视化建模,其主要功能包括:代码助手、自动查错与规范性检查;灵活的插件机制,方便系统扩展;物理单位的自动推导与检查;不同粒度的模型加密保护;交互式查看与监视变量选择;参数、数据的导人导出;优越的模型编译与求解性能;完
12、善的用户管理功能。1.3Modlica概述随着工业产品的自动化与智能化发展,多领域耦合已成为当前工业产品的一个显著特点,多专业设计协同与模型集成已成为工业产品系统设计的必需技术。Modelica是在此背景下推出的一种多领域统一建模语言。Modelica语言继承了先前多种领域建模语言的优点,融合了Java语言的面向对象机制与Matlab的数组表达机制,是一种面向设计工程师的业务描述语言,能够有力地支撑基于模型的系统工程应用。1.3.1面向对象建模Modlica制以类为中心组织和封装数据,强调陈述式描述和模型的重用,通过面向对象的方法定义组件与接口,并支持采用分层机制、组件连接机制和继承机制,实现
13、了模型基于模块化、层次化的设计、开发和应用,可以使使得开发的模型具有扩展性,便于用户的使用、修改和完善。1.3.2多领域统一建模Modlica可基于能量守恒的原理,可以让不同专业所组成的大型系统模型在同一软件工具下进行构建和分析,避免不同分系统、不同专业之间不同类型模型的复杂解耦,有效的克服了基于接口的多领域技术所引起的解耦困难、操作复杂的问题,进而改善模型的求解性和准确性,如图2 所示。1.3.3工程应用基于Modelica对多领域物理系统统一建模的支持,借助系统数字化设计与验证平台MWorks.Sysplorer可应ElectricalControllerCircuitDC电机伺服系统Co
14、ntrolfeedback1step1RotationalMechanicsElectricRotationalMechanicsresistor1inductor1PIEMF1signalVoltage1PI1ground1图2 DC电机伺服系统+eiinertia1idealGear1inertia2spring1speedSensortinertia32023年6 月/June 202373技术专栏TechnicalColumn用于许多领域。1)飞机系统仿真分析(航空领域应用Modlica建模仿真):围绕飞机早期论证与方案设计,采用Sysplorer平台建立飞机级系统模型:主要对飞机的航
15、电系统、燃油系统、电气系统、液压系统、飞控系统、和起落架系统建立仿真模型。2)三相异步电动机仿真分析(机电行业应用Modlica建模仿真)由于磁材料饱和、磁滞、涡流和导电材料趋肤效应等影响,三相异步电机在起动过程中的动态特性很复杂。采用Sysplorer电磁计算模型库,在现有电机模型基础上,进一步考虑铁磁材料饱和、磁滞、涡流影响和导电材料趋肤效应,以及温度影响,扩展系统功能,实现电机驱动系统的自顶向下的设计,以便实时观测到电机起动到平稳运行过程中的相电流、相电压、电磁转矩等特性参数,并且可以计算出电机的功率因数、效率等参数,为产品的性能分析和方案改进提供可靠依据。2基于Mworks的船舶电站控
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