基于Modelica的农机性能设计方法研究

罗 川

(山东科技大学，山东 青岛 266000)

0 引言

伴随着社会经济的发展，设备健康管理越来越受到人们的重视，除制造行业之外，中国作为农业大国，农用设备方面的健康管理更是吸引了大量学者进行研究，如何通过信息技术工具减少农用设备故障尤其是大规模农业生产过程中使用的设备的故障，保证设备的稳定运行，提高设备的可靠性成为现阶段研究的重点。本文首先介绍农用机械设备性能测试的现状及存在的问题，其次，综述了软件科学在设备健康管理方面产生的作用，并提出了一种基于Modelica虚拟模型设备性能测试方法，最后以设备性能稳定性仿真为例证明了该方法的可行性和准确性。

1 农机产品性能设计概述

农机产品在农业生产中起着重要作用，其设备运行的稳定性和可靠性直接影响到操作人员的人身安全和生产成本。因此在农机投产前，要对农机性能进行全方面计算和测试，以保证在农业生产活动中设备的可靠性，现阶段大多数研究多集中在单一领域内基于有限元分析软件的单一部件性能测试和基于装配仿真软件的装配流程分析，如肖辉等利用ANSYS对起重机臂进行模态分析，以找出其在机械结构设计、振动源布局等因素的计算依据[1]。白克等针对电动农机的行进系统，采用PID方法对电动农机调速系统的鲁棒性、适应性进行测试[2]。王娜等在农机底盘结构零部件产品的设计效率和质量方面进行研究，提出了基于SolidWorks对农机底盘结构零部件产品的参数进行优化与设计[3]。

2 Modelica建模方法介绍

Modelica是一种在C语言的基础上，进行模块化和简化的计算机仿真建模语言，通常包括基于Modelica语言的文本编码形式建模方法和借助与其相匹配的图形化软件进行拖拽式建模的两种方法。“类”(class)是构成Modelica模型的基本单元，包括了变量、方程和成员三种，其中，变量表示类的基本属性，方程定义类的行为，成员通常由建模中特定的关键字进行修饰，常用的有“class”表示通用类、“model”表示陈述式模型、“connector”表示组件之间的连接接口、“record”表示数据结构、“block”表示兼容于框图的因果建模、“type”表示类型别名、“function”表示通过算法实现过程式建模。Modelica建模语言具有以下几大特点[4]。

(1)面向对象建模。面向对象建模是指以物理实体为设计描述的对象，根据Modelica提供的具有实际物理意义属性的组件，利用“连接”特性，将其进行耦合建模，简化了建模过程的复杂性，强调了陈述式建模和模型的重复性。

(2)非因果式建模。非因果建模语言表明用户可以使用数学方程的形式进行建立任何物理现象或者物理对象的数学模型，基于数学方程的建模优点在于结构的仿真模型系统与实际物理系统一样真实直观。

(3)陈述式建模。陈述式建模是指根据实际系统的物理拓扑关系进行构建仿真模型，物理模型对应一个组件，组件之间的连接对应着物理模型之间的逻辑关系。因此，该方法能够很好地保持实际系统的层次结构，也更有利于复杂物理模型的构建。

(4)多领域统一建模。Modelica语言的突出特征之一就是多领域统一建模，通过对物理系统的方程描述，采用面向对象的陈述式非因果方法进行建模可以实现多物理量、多领域的模型之间的耦合和共融。

(5)连续离散混合建模。由于物理系统的特性是随时间的变化而改变的，Modelica能基于质量守恒、能量守恒、动量守恒等守恒方程和物理定率，采用微分、代数等数学形式来描述物理系统的连续或者离散的混合行为。

3 基于Modelica的农机机械优化设计方法

Modelica在多领域建模方面有巨大的优势，但其也是通过对设备进行子系统划分，分别建设其子系统模型，最后通过软件接口将各子系统进行连接和耦合，实现对机器设备的整机多领域多物理量的建模和仿真。

本文重点考虑的是农机机械系统设计过程中各配件之间的相互作用对部件性能产生的影响，因此选用农机设备的机械系统为重点研究对象，对其进行建模和仿真分析。

以农机在工作过程中的机械系统为例，利用Modelica语言对其物理属性和运行过程属性进行测定。

本次建模的对象主要考虑机械系统工作过程中工件的阻尼、振动和位移变化，建模对象如图1所示，inertia表示为部件的物理结构，damper表示运动过程中的阻尼，spring表示部件连接之间的弹性联系，sensor为测量器，在仿真过程中进行数据提取。本文借助的仿真实验平台是苏州同元软控有限公司开发的Mworks sylorer,在建模语言编译窗口对各变量、参数和方程进行声明，最后声明整个系统的作用方程。

第一步：定义模型(Model machine system)；

第二步：定义变量类型如Type angle=real；

第三步：声明已知参数如parameter Inertia J1=0.4；

第四步：声明初始变量如phi1 = 0;

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

第六步：程序结束如End machine system。

模型编写完毕后，对该模型仿真参数进行设置，仿真时长设置为8 s，仿真步长设置为500，算法选择Dassl默认算法，误差范围设置为0.000 1。通过对参数不断调试，保证系统性能最佳，仿真结果前后对比如图2所示。

4 结语

计算机信息技术的发展为农机设备的设计研发提供了新的思路，本文借助Modelica语言，对农机设备的机械系统在设计初期的性能测试、环境测试提供了参考，能极大地提升农用设备在投产后的稳定性和可靠性，保障农机使用者的人身安全，提高农业生产活动的效率。

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