仿真在机械运动系统中的应用.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：仿真在机械运动系统中的应用1．摘要1．1背景与目的电路仿真和控制算法仿真已经广泛应用于变频器开发过程当中但是负载特性描述的比较简单通常为一般的恒定转矩负载但是实际应用中机械负载的状况要复杂很多为了准确评估变频器在不同工作条件下的性能本研究报告的目的在于研究Saber中关于机械仿真的基本原理和方法以及在公司变频器开发中的应用实现通过仿真模拟不同负载条件下变频器工作状况为性能优化提供参考。2关键词KCLKVL对偶力转矩位移角速度2．机械仿真的基本原理Saber是一种基于KCL定理和KVL定理进行仿真的仿真器除了可以分析电路以外它还可以对于流体机械运动进行分析其中对于机械物体运动的分析可以被应用在变频器负载特性的分析当中。简单说明如下。2．1机械与电的对偶关系机械系统与电路分析的对象一样可以分为支路和节点一个器件两个端点之间是一个支路而几个器件的连接点就是一个节点。两个节电之间的物理量之差被称为“AcrossVariable”而穿过一个支路的物理量被称作“ThroughVariable”。对于电路仿真而言“AcrossVariable”是某个节点的电压“ThroughVariable”是某个支路的电流而机械系统仿真中“AcrossVariable”是节点的位移（或者转动角度角速度）“ThroughVariable”是支路的力(或者转矩)。他们同样都满足KCL与KVL定理具有物理意义上的对偶关系。简单说明如下。对于图中的节点有如下公式：I1+I2+I3=0其中In为流过各个支路的电流。（这里有一个参考方向问题决定该物理量的符号后同）图一电路的KCL定理对于机械系统的KCL定理则表示如下。对于图中的节点有如下公式：f1+f2+f3=0其中fn应该为来自各个方向的作用力这个定理的基本含义就是作用于某个点上面的各个方向力量之和为零。具体到这个例子当中f1表示物体的重力f2表示绳子的拉力二者之差f3在物体上面产生加速度。电路的KVL定理如图三：对于图中所示的闭合回路有如下公式：V1-V2-V3=0即各个支路端电压之和为零。机械运动的KVL定理如图四对于图中所示的一个闭合回路有如下公式：lp1+lp2+lp3=0其中lpn表示各个支路两端的相对位移。对于旋转机械运动系统也有同样的等式不过对象由力和位移对应为转矩和角度。3．常用模型以及基本仿真方法Saber中提供的机械运动模型可以分为两大类平移运动和转动。它们的差别主要在于变量类型的不同转动系统的模型中变量是转矩角度角速度角加速度；平移系统的模型变量是力位移速度加速度。等等但是他们之间有很强的对偶特性这部分主要以一些简单例子说明SABER中机械仿真的基本思路。并尽量应用和电路仿真对偶的方法进行讲解。3．1源电路仿真中由电压源和电流源描述各种激励对于于机械系统中对偶的源如下：电路电压源电流源平移系统力源位移源转动系统转矩源角度源这些源有各种不同形式：恒定脉冲正弦斜坡等等其中最常用的是平移系统中的力源和转动系统中的转矩源举例说明如图五在图五上面的图形中左边表示一个重力作用于一个物体的情况右边表示一个转矩作用于一个转动惯量的情况。他们分别满足以下的公式：加速度＝力/质量角加速度＝转矩/转动惯量而仿真输出的结果分别是节点的位移速度和转动角度角速度如图六图六3．2负载电路仿真中电阻电容电感以及各种半导体器件都可以被视为电路当中的负载他们对于作用在上面的电压和电流有不同响应从而导致电路中这些物理量产生变化。同样的道理机械运动系统的仿真中也有各种各样的负载状况例如风机负载恒转矩负载摩擦粘滞等他们对于不同的转矩（或者力）和角速度角度（或者位移）也产生不同响应当然也包括前面提到的转动惯量。Saber提供了常用的负载模型我们只需要输入一些常用参数就可以得到他们的仿真结果。以图七为例：图七左图中显示一个风机负载而右图显示一个摩擦性负载通过定义他们的参数可以得到他们对于在相同输入转矩和转动惯量情况下的运动状况。图八中仿真结果显示了风机负