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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)備健康管理越來(lái)越受到人們的重視，除制造行業(yè)之外，中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(guò)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(guò)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(cè)試的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)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(cè)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(duì)農(nóng)機(jī)性能進(jìn)行全方面計(jì)算和測(cè)試，以保證在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)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(cè)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(duì)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(dòng)源布局等因素的計(jì)算依據(jù)[1]。白克等針對(duì)電動(dòng)農(nóng)機(jī)的行進(jìn)系統(tǒng)，采用PID方法對(duì)電動(dòng)農(nóng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性、適應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試[2]。王娜等在農(nóng)機(jī)底盤(pán)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(duì)農(nóng)機(jī)底盤(pán)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(yǔ)言的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化和簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)仿真建模語(yǔ)言，通常包括基于Modelica語(yǔ)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(lèi)”(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(lèi)的基本屬性，方程定義類(lèi)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(lèi)、“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(lèi)型別名、“function”表示通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程式建模。Modelica建模語(yǔ)言具有以下幾大特點(diǎn)[4]。

(1)面向?qū)ο蠼?。面向?qū)ο蠼Ｊ侵敢晕锢韺?shí)體為設(shè)計(jì)描述的對(duì)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(jiǎn)化了建模過(guò)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(yǔ)言表明用戶(hù)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(duì)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(duì)應(yīng)一個(gè)組件，組件之間的連接對(duì)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(yǔ)言的突出特征之一就是多領(lǐng)域統(tǒng)一建模，通過(guò)對(duì)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?？梢詫?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(shí)間的變化而改變的，Modelica能基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)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(lái)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(shì)，但其也是通過(guò)對(duì)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(guò)軟件接口將各子系統(tǒng)進(jìn)行連接和耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程中各配件之間的相互作用對(duì)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(duì)象，對(duì)其進(jìn)行建模和仿真分析。

以農(nóng)機(jī)在工作過(guò)程中的機(jī)械系統(tǒng)為例，利用Modelica語(yǔ)言對(duì)其物理屬性和運(yùn)行過(guò)程屬性進(jìn)行測(cè)定。

本次建模的對(duì)象主要考慮機(jī)械系統(tǒng)工作過(guò)程中工件的阻尼、振動(dòng)和位移變化，建模對(duì)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(dòng)過(guò)程中的阻尼，spring表示部件連接之間的彈性聯(lián)系，sensor為測(cè)量器，在仿真過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。本文借助的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是蘇州同元軟控有限公司開(kāi)發(fā)的Mworks sylorer,在建模語(yǔ)言編譯窗口對(duì)各變量、參數(shù)和方程進(jìn)行聲明，最后聲明整個(gè)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(lèi)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(xiě)完畢后，對(duì)該模型仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為8 s，仿真步長(zhǎng)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(guò)對(duì)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(duì)比如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

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(yǔ)言，對(duì)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(cè)試、環(huán)境測(cè)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(dòng)的效率。

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