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  • modelica建模知识点V1.0

    2012-07-15 10:06:25
    modelica 建模知识点整理,主要包含了modelica2.2标准的知识点和部分modelica3.2标准的知识点.
  • 基于组件的建模可以直接通过拖曳组件的形式建模。子系统模型是由组件或其他子系统组成的模型。 model Gear_assembly //引用案例图标 extends Modelica.Icons.Example; //齿轮总成的案例 //下面是对组件实例...

    假设我们要建立一个齿轮总成的模型,示意简图如下:

    方法一:基于组件的建模

    基于组件的建模是直接通过拖曳组件并将组件连接起来设定相应的参数值即可。

    模型建立好后,切换至代码视图(自动生成代码)如下所示:

    model Gear_assembly
      extends Modelica.Icons.Example;
      Modelica.Blocks.Sources.Trapezoid trapezoid1(period = 0.8) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {-118, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Sources.Torque torque1 annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {-70, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia inertia1(J = 0.01) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {-30, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.ElastoBacklash elastoBacklash1(b = 0.00304617, c = 1000) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {10, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.IdealGear idealGear1(ratio = 4) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {44, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia inertia2(J = 0.02) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {82, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia inertia3(J = 0.1) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {118, 44}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Damper damper1(d = 2) annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {54, -4}, extent = {{10, -10}, {-10, 10}}, rotation = 0)));
      Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Fixed fixed1 annotation(
        Placement(visible = true, transformation(origin = {-70, -18}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0)));
    equation
      connect(idealGear1.support, damper1.flange_b) annotation(
        Line(points = {{44, 34}, {44, -4}}));
      connect(damper1.flange_a, torque1.support) annotation(
        Line(points = {{64, -4}, {-70, -4}, {-70, 34}}));
      connect(damper1.flange_b, inertia3.flange_b) annotation(
        Line(points = {{44, -4}, {128, -4}, {128, 44}}));
      connect(torque1.tau, trapezoid1.y) annotation(
        Line(points = {{-82, 44}, {-106, 44}}, color = {0, 0, 127}));
      connect(torque1.flange, inertia1.flange_a) annotation(
        Line(points = {{-60, 44}, {-40, 44}}));
      connect(torque1.support, fixed1.flange) annotation(
        Line(points = {{-70, 34}, {-70, -18}}));
      connect(inertia1.flange_b, elastoBacklash1.flange_a) annotation(
        Line(points = {{-20, 44}, {0, 44}}));
      connect(elastoBacklash1.flange_b, idealGear1.flange_a) annotation(
        Line(points = {{20, 44}, {34, 44}}));
      connect(inertia3.flange_a, inertia2.flange_b) annotation(
        Line(points = {{108, 44}, {92, 44}}));
      connect(inertia2.flange_a, idealGear1.flange_b) annotation(
        Line(points = {{72, 44}, {54, 44}, {54, 44}, {54, 44}}));
    end Gear_assembly;
    

    方法二:基于子系统的建模

    子系统模型是由组件或其他子系统组成的模型。为了避免冗余,我们可以将常用的子系统封装起来,方便日后建立模型的时候直接使用子系统进行建模。 

    在齿轮总成的案例中,我们可以将篮框部分封装成发动机子系统,步骤如下:

    step1:使用基于组件建模的方法,将子系统中该有的组件以及组件之间的连接关系做好。

    step2:将子系统和外部通信的接口添加到模型中,并和内部组件连接起来。

    step3:切换到代码视图中,将你需要设置初始参量的参量写在模型的最前面(可以设置默认值),这么做的目的是在后面你重用这个模型时,双击它能够直接显示输入参数页面。注意,代码不用手写,直接进入相应组件的代码视图中复制相应参数行即可。然后将子系统的内部组件的关键字设置为protected,和外界通信的接口和输入参数的关键字设置为public(可省略)。如果想要将子系统设置图标,可以继承发动机的图标。如图所示:

    参数代码的复制方法,以惯性元件的参数为例

    step4:最后我们建立齿轮总成的模型时,我们就可以将子系统直接拖到页面来建立,如下图所示。

     

    参考书籍:Modelica实例教程(作者:Dr.Michael M.Tiller,译者:谢东平)

    展开全文
  • 前四行为编译必须代码,余下是为了在modelica中输出图形化界面。方便与后面matlab生成图像比较。 需注意第四行路径与之前文档路径一致,否则会出现载入错误报错。 四个变量需要与mo文件中的变量一一对应名字不能...

    运行环境

    win10系统
    安装有jmodelica matlab的simulink

    步骤1:模型程序编写

    建立文档:SecondOrderSystemInitParams.mo
    记录文档所在路径:“C:\Users\U2016\Desktop\cps”
    内代码为:

    model SecondOrderSystemInitParams
      "A second order rotational system with initialization parameters"
      type Angle=Real(unit="rad");
      type AngularVelocity=Real(unit="rad/s");
      type Inertia=Real(unit="kg.m2");
      type Stiffness=Real(unit="N.m/rad");
      type Damping=Real(unit="N.m.s/rad");
      parameter Angle phi1_init = 0;
      parameter Angle phi2_init = 1;
      parameter AngularVelocity omega1_init = 0;
      parameter AngularVelocity omega2_init = 0;
      parameter Inertia J1=0.4 "Moment of inertia for inertia 1";
      parameter Inertia J2=1.0 "Moment of inertia for inertia 2";
      parameter Stiffness k1=11 "Spring constant for spring 1";
      parameter Stiffness k2=5 "Spring constant for spring 2";
      Damping d1=0.2 "Damping for damper 1";
      Damping d2=1 "Damping for damper 2";
      output Angle phi1 "Angle for inertia 1";
      output Angle phi2 "Angle for inertia 2";
      output AngularVelocity omega1 "Velocity of inertia 1";
      output AngularVelocity omega2 "Velocity of inertia 2";
    initial equation
      phi1 = phi1_init;
      phi2 = phi2_init;
      omega1 = omega1_init;
      omega2 = omega2_init;
    equation
      omega1 = der(phi1);
      omega2 = der(phi2);
      J1*der(omega1) = k1*(phi2-phi1)+d1*der(phi2-phi1);
      J2*der(omega2) = k1*(phi1-phi2)+d1*der(phi1-phi2)-k2*phi2-d2*der(phi2);
    end SecondOrderSystemInitParams;
    

    步骤二:模型在jmodelica下编译,运行

    打开ipython
    查看当前文件夹是否在安装文件夹下(可用ls命令查看),否则前两个模块载入可能出现问题。
    运行以下代码

    from pymodelica import compile_fmu 
    from pyfmi import load_fmu
    import matplotlib.pyplot as plt
    fmu_name = compile_fmu("SecondOrderSystemInitParams","C:\Users\U2016\Desktop\cps\SecondOrderSystemInitParams.mo")
    SecondOrderSystemInitParams= load_fmu(fmu_name)
    res = SecondOrderSystemInitParams.simulate(final_time=10)
    phi1 = res['phi1']  
    phi2 = res['phi2']
    omega1=res['omega1']
    omega2=res['omega2']
    t=res['time']
    plt.figure(1) 
    plt.plot(t, phi1,t,phi2,t,omega1,t,omega2) 
    plt.show()
    
    1. 前三行为载入编译,加载以及绘图模块,为系统自带,不需编写。
    2. 前四行为编译必须代码,余下是为了在modelica中输出图形化界面。方便与后面matlab生成图像比较。
    3. 需注意第四行路径与之前文档路径一致,否则会出现载入错误报错。
    4. 四个变量需要与mo文件中的变量一一对应名字不能错。
    5. 变量t为仿真时自动生成。

    如正确运行,将会得到弹窗为如下图片:
    在这里插入图片描述

    步骤三:模型导入simulink

    3.1

    查看ipython当前目录,会有SecondOrderSystemInitParams.fmu 文件,将其拷贝至matlab工作目录。
    (或更改matlab当前目录至该文件夹,方法同样是在matlab命令行中用ls命令)

    3.2

    进入simulink环境
    高版本可以直接点击一下,出现蓝点,键入fmu,就出现fmu import 模块,拖进来。(fmu 模块在库中路径为:Simulink Library /Simulink Extras/FMU Import)

    3.3

    双击fmu import 模块,选择文件,选复制进来的fmu文件。
    拖进来一个scope模块,连线如下:
    在这里插入图片描述

    3.4

    运行仿真,查看结果如下:
    在这里插入图片描述
    观察到有一些畸变,与medelica中直接输出不一样。考虑为默认的步长设置过宽,导致数值计算失准。

    3.5

    在simulink环境下,右键选择Model Configuration Parameters(或快捷键ctrl+E),修改步长为0.0001秒
    在这里插入图片描述

    3.6

    再次运行,查看scope结果如下:
    在这里插入图片描述
    图像平顺光滑。达到要求。

    参考

    mo文件代码来源

    注明

    mo文件编辑可以使用vs code,其中有modelica语言包

    展开全文
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    Modelica可以直接使用代码来实现模型的建立,这时只关注整个模型的原理关系的代码实现,不关注组件的可视化。以低通滤波RLC滤波器为例,电路示意图如下图所示,假设我们要去求解变量V、iL、iR以及iC,我们可以使用下面与电感、电容以及电阻有关的方程来求解。

    代码如下:

    model RLC1"A resistor-inductor-capacitor circuit model"
      type Voltage=Real(unit="V");
      type Current=Real(unit="A");
      type Resistance=Real(unit="Ohm");
      type Capacitance=Real(unit="F");
      type Inductance=Real(unit="H");
      parameter Voltage Vb=24 "Battery voltage";
      parameter Inductance L = 1;
      parameter Resistance R = 100;
      parameter Capacitance C = 1e-3;
      Voltage V;
      Current i_L;
      Current i_R;
      Current i_C;
      equation
      V = i_R*R;
      C*der(V) = i_C;
      L*der(i_L) = (Vb-V);
      i_L=i_R+i_C;
    end RLC1;

    代码解释如下:

    RLC1的仿真结果如下(仿真过程基本上等同于求解方程并获取其解的轨迹过程)

     参考书籍:Modelica实例教程(作者:Dr.Michael M.Tiller,译者:谢东平)

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    1、参考文献分析

    1、modelica建模并导入simulink观察(机械实例)
    2、FMI and TLM-Based Simulation and Co-simulation of External Models

    文献1实现了OpenModelica模型导入Simulink运行的基本过程,但是存在两个问题,即JModelica已经不再开源。
    在这里插入图片描述windows用户还需要安装jmodellica-SDK才行,而安装这个还要填各种表。
    在这里插入图片描述用linux的话还得安装很多环境
    在这里插入图片描述
    因此这两个问题导致文献1的方法后续基本难以执行。不过观察文献1的方法,最终导入simulink的是FMU文件,那么最终只需要将modelica模型转化为FMU文件即可,因此问题变为如何转化为FMU文件。

    文献2提到,可以用OpenModelica来生成FMU文件,可以采用命令行方法,也可以采用鼠标操作。因此文献1中问题解决。
    在这里插入图片描述

    2 、实际操作

    2.1 modelica代码(参考文献1)

    model SecondOrderSystemInitParams
      "A second order rotational system with initialization parameters"
      type Angle=Real(unit="rad");
      type AngularVelocity=Real(unit="rad/s");
      type Inertia=Real(unit="kg.m2");
      type Stiffness=Real(unit="N.m/rad");
      type Damping=Real(unit="N.m.s/rad");
      parameter Angle phi1_init = 0;
      parameter Angle phi2_init = 1;
      parameter AngularVelocity omega1_init = 0;
      parameter AngularVelocity omega2_init = 0;
      parameter Inertia J1=0.4 "Moment of inertia for inertia 1";
      parameter Inertia J2=1.0 "Moment of inertia for inertia 2";
      parameter Stiffness k1=11 "Spring constant for spring 1";
      parameter Stiffness k2=5 "Spring constant for spring 2";
      Damping d1=0.2 "Damping for damper 1";
      Damping d2=1 "Damping for damper 2";
      output Angle phi1 "Angle for inertia 1";
      output Angle phi2 "Angle for inertia 2";
      output AngularVelocity omega1 "Velocity of inertia 1";
      output AngularVelocity omega2 "Velocity of inertia 2";
    initial equation
      phi1 = phi1_init;
      phi2 = phi2_init;
      omega1 = omega1_init;
      omega2 = omega2_init;
    equation
      omega1 = der(phi1);
      omega2 = der(phi2);
      J1*der(omega1) = k1*(phi2-phi1)+d1*der(phi2-phi1);
      J2*der(omega2) = k1*(phi1-phi2)+d1*der(phi1-phi2)-k2*phi2-d2*der(phi2);
    end SecondOrderSystemInitParams;
    

    2.2 利用OpenModelica导出FMU文件

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    2.3 FMU文件导入simulink

    FMU Import在Simulink Extras的FMU Import位置
    在这里插入图片描述初次导入会有FMU模式选择,是做Co-simulation还是Model Exchange,暂时选择Model Exchange。
    在这里插入图片描述

    2.4 仿真对比

    FMU导入后能在simulink中运行,仿真曲线和在OpenModelica内仿真一致。
    在这里插入图片描述

    3、后记

    最近也是在了解Modelica的优势,以及如何与simulink联合仿真。Modelica的优势在于利用非因果律建模,相当于实际的物理系统。simulink相当于因果律建模,实际上还是要先对实际物理系统抽象一次。2008年以来推出的simscape是参照Modelica进行非因果律建模,但是并不是文本形式建模,需要通过ssc语言转换成模型才能用,还是比较折腾。
    后续考虑采用Modelica对模型建模,然后转化为FMU文件嵌入simulink中进行仿真。猜测到时候电机、电池等模型都用modelica写好,导入simulink后就全部为控制信号,不用考虑物理信号和控制信号转换的问题了。

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