基于Modelica的農(nóng)機(jī)性能設(shè)計(jì)方法研究

羅 川

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266000)

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)備健康管理越來越受到人們的重視，除制造行業(yè)之外，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)用設(shè)備方面的健康管理更是吸引了大量學(xué)者進(jìn)行研究，如何通過信息技術(shù)工具減少農(nóng)用設(shè)備故障尤其是大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的設(shè)備的故障，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的可靠性成為現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。本文首先介紹農(nóng)用機(jī)械設(shè)備性能測試的現(xiàn)狀及存在的問題，其次，綜述了軟件科學(xué)在設(shè)備健康管理方面產(chǎn)生的作用，并提出了一種基于Modelica虛擬模型設(shè)備性能測試方法，最后以設(shè)備性能穩(wěn)定性仿真為例證明了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)概述

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用，其設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到操作人員的人身安全和生產(chǎn)成本。因此在農(nóng)機(jī)投產(chǎn)前，要對農(nóng)機(jī)性能進(jìn)行全方面計(jì)算和測試，以保證在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中設(shè)備的可靠性，現(xiàn)階段大多數(shù)研究多集中在單一領(lǐng)域內(nèi)基于有限元分析軟件的單一部件性能測試和基于裝配仿真軟件的裝配流程分析，如肖輝等利用ANSYS對起重機(jī)臂進(jìn)行模態(tài)分析，以找出其在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動源布局等因素的計(jì)算依據(jù)[1]。白克等針對電動農(nóng)機(jī)的行進(jìn)系統(tǒng)，采用PID方法對電動農(nóng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性、適應(yīng)性進(jìn)行測試[2]。王娜等在農(nóng)機(jī)底盤結(jié)構(gòu)零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量方面進(jìn)行研究，提出了基于SolidWorks對農(nóng)機(jī)底盤結(jié)構(gòu)零部件產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)[3]。

2 Modelica建模方法介紹

Modelica是一種在C語言的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化和簡化的計(jì)算機(jī)仿真建模語言，通常包括基于Modelica語言的文本編碼形式建模方法和借助與其相匹配的圖形化軟件進(jìn)行拖拽式建模的兩種方法。“類”(class)是構(gòu)成Modelica模型的基本單元，包括了變量、方程和成員三種，其中，變量表示類的基本屬性，方程定義類的行為，成員通常由建模中特定的關(guān)鍵字進(jìn)行修飾，常用的有“class”表示通用類、“model”表示陳述式模型、“connector”表示組件之間的連接接口、“record”表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、“block”表示兼容于框圖的因果建模、“type”表示類型別名、“function”表示通過算法實(shí)現(xiàn)過程式建模。Modelica建模語言具有以下幾大特點(diǎn)[4]。

(1)面向?qū)ο蠼！Ｃ嫦驅(qū)ο蠼Ｊ侵敢晕锢韺?shí)體為設(shè)計(jì)描述的對象，根據(jù)Modelica提供的具有實(shí)際物理意義屬性的組件，利用“連接”特性，將其進(jìn)行耦合建模，簡化了建模過程的復(fù)雜性，強(qiáng)調(diào)了陳述式建模和模型的重復(fù)性。

(2)非因果式建模。非因果建模語言表明用戶可以使用數(shù)學(xué)方程的形式進(jìn)行建立任何物理現(xiàn)象或者物理對象的數(shù)學(xué)模型，基于數(shù)學(xué)方程的建模優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的仿真模型系統(tǒng)與實(shí)際物理系統(tǒng)一樣真實(shí)直觀。

(3)陳述式建模。陳述式建模是指根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的物理拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行構(gòu)建仿真模型，物理模型對應(yīng)一個組件，組件之間的連接對應(yīng)著物理模型之間的邏輯關(guān)系。因此，該方法能夠很好地保持實(shí)際系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也更有利于復(fù)雜物理模型的構(gòu)建。

(4)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模。Modelica語言的突出特征之一就是多領(lǐng)域統(tǒng)一建模，通過對物理系統(tǒng)的方程描述，采用面向?qū)ο蟮年愂鍪椒且蚬椒ㄟM(jìn)行建模可以實(shí)現(xiàn)多物理量、多領(lǐng)域的模型之間的耦合和共融。

(5)連續(xù)離散混合建模。由于物理系統(tǒng)的特性是隨時間的變化而改變的，Modelica能基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒等守恒方程和物理定率，采用微分、代數(shù)等數(shù)學(xué)形式來描述物理系統(tǒng)的連續(xù)或者離散的混合行為。

3 基于Modelica的農(nóng)機(jī)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

Modelica在多領(lǐng)域建模方面有巨大的優(yōu)勢，但其也是通過對設(shè)備進(jìn)行子系統(tǒng)劃分，分別建設(shè)其子系統(tǒng)模型，最后通過軟件接口將各子系統(tǒng)進(jìn)行連接和耦合，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器設(shè)備的整機(jī)多領(lǐng)域多物理量的建模和仿真。

本文重點(diǎn)考慮的是農(nóng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中各配件之間的相互作用對部件性能產(chǎn)生的影響，因此選用農(nóng)機(jī)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)為重點(diǎn)研究對象，對其進(jìn)行建模和仿真分析。

以農(nóng)機(jī)在工作過程中的機(jī)械系統(tǒng)為例，利用Modelica語言對其物理屬性和運(yùn)行過程屬性進(jìn)行測定。

本次建模的對象主要考慮機(jī)械系統(tǒng)工作過程中工件的阻尼、振動和位移變化，建模對象如圖1所示，inertia表示為部件的物理結(jié)構(gòu)，damper表示運(yùn)動過程中的阻尼，spring表示部件連接之間的彈性聯(lián)系，sensor為測量器，在仿真過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。本文借助的仿真實(shí)驗(yàn)平臺是蘇州同元軟控有限公司開發(fā)的Mworks sylorer,在建模語言編譯窗口對各變量、參數(shù)和方程進(jìn)行聲明，最后聲明整個系統(tǒng)的作用方程。

第一步：定義模型(Model machine system)；

第二步：定義變量類型如Type angle=real；

第三步：聲明已知參數(shù)如parameter Inertia J1=0.4；

第四步：聲明初始變量如phi1 = 0;

第五步：定義方程如J1*der(omega1) = k1*(phi2-phi1)+d1*der(phi2-phi1);

第六步：程序結(jié)束如End machine system。

模型編寫完畢后，對該模型仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真時長設(shè)置為8 s，仿真步長設(shè)置為500，算法選擇Dassl默認(rèn)算法，誤差范圍設(shè)置為0.000 1。通過對參數(shù)不斷調(diào)試，保證系統(tǒng)性能最佳，仿真結(jié)果前后對比如圖2所示。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了新的思路，本文借助Modelica語言，對農(nóng)機(jī)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期的性能測試、環(huán)境測試提供了參考，能極大地提升農(nóng)用設(shè)備在投產(chǎn)后的穩(wěn)定性和可靠性，保障農(nóng)機(jī)使用者的人身安全，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的效率。

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