控制仿真ansys的案例
基于ANSYS的水冷電機控制器散熱仿真分析
摘 要：
電機控制器中的主要散熱器件有電容和IGBT等,其散熱性能直接關(guān)系到電機的輸出。以控制器中的8個電容及3個IGBT為主要熱源,采用有限元分析的穩(wěn)態(tài)熱模塊及流體模塊,分別對其進行溫度仿真分析,分析對比在使用水冷散熱前后主要發(fā)熱器件的散熱狀態(tài),得出水冷散熱的仿真效果比常態(tài)下的溫度降低約27℃,為實際產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)提供支撐。
關(guān)鍵詞：控制器;水冷;熱仿真;
0 引言
隨著電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展，控制器的尺寸隨著元器件的小型化逐漸減小，但元器件的熱功率密度越來越大，其運行時會產(chǎn)生大量的熱，為此研究主要元器件在狹窄結(jié)構(gòu)空間的散熱，保證其不超過耐熱極限[1,2]。水的比熱容是空氣的4倍，選用水冷板對其進行散熱處理，可以提高散熱效率[3,4]。以5.5 k W控制器為例，對其主要發(fā)熱器件電容及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型晶體管）進行熱仿真分析。
1 控制器的前處理
1.1 控制器結(jié)構(gòu)降階處理
對5.5 k W控制器進行3D建模，顯示控制器有1215個部件，控制器模型如圖1所示。若全部仿真會使模擬計算量和時間增加，一般需要進行模型降階處理[5]。
圖1 控制器模型
保留控制器的主要發(fā)熱器件為8個電容及3個IGBT，保留殼體及水冷板。將殼體外部的航空插頭、發(fā)熱不嚴重的電路板及控制器外殼的螺紋孔全部填補完整。將水冷板的殼體與水道使用布爾減的方法進行分離，防止后期網(wǎng)格劃分時，將殼體和水道劃為整體，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不合適，計算失敗。模型降階情況如圖2所示。
1.2 控制器網(wǎng)格設(shè)置
網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到計算的結(jié)果和計算時間的長短，所以在進行網(wǎng)格劃分的時候，優(yōu)先選擇曲面狀的物體進行網(wǎng)格劃分，這樣在網(wǎng)格劃分的時候就可以保證曲面的完整性。
展開 AnsysWB-新能源車載DCDC控制器模態(tài)仿真 ￥15
[圖片]
基于ANSYS的冷彎薄壁型鋼梁_位移控制仿真 ￥5
對于鋼梁的利用作動筒位移加載的研究，應(yīng)用ANSYS進行位移加載仿真。
有限元模型如下圖所示：
整體位移云圖
位移載荷曲線圖：
附件：命令流
今晚 | ANSYS官方永磁同步電機電機的降階模型抽取和矢量控制電路仿真直播
性能優(yōu)異的電機是電機及其控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，比如：
采用新型原材料和先進的磁路設(shè)計方法設(shè)計出高功率密度的電機，電機占用的幾何空間就越小，電機的有效材料的利用率就越高；
電機的效率越高，則可減小電機本體的發(fā)熱，提高電機的壽命，提高整個電機機電系統(tǒng)的效率；
齒槽轉(zhuǎn)矩越小的電機，將減少電機控制算法設(shè)計的難度，同時減小最終整個機電系統(tǒng)的NVH。
在電機型號確定后，性能優(yōu)異的電機控制器將最大限度地發(fā)揮電機的效能。比如：
相對SPWM，采用SVPWM調(diào)制方法可以減小逆變器的開關(guān)損耗、提高母線電壓利用率；
采用單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制方法（MTPA）,將在不增加逆變器容量的情況下，使電機輸出最大的轉(zhuǎn)矩。
ANSYS提供使用方便、高精度的電機本體及其控制系統(tǒng)開發(fā)仿真平臺。用戶先采用ANSYS有限元軟件，設(shè)計出性能優(yōu)異的電機本體，然后采用ANSYS特有的電機降階模型抽取方法，基于有限元精確仿真的結(jié)果，提取出高精度的電機ECE模型，無縫輸入到ANSYS系統(tǒng)仿真軟件，在系統(tǒng)仿真軟件中搭建矢量控制電路等控制電路，做到控制算法和系統(tǒng)與電機本體的最佳匹配，在開發(fā)初期就可以對電機本體和控制系統(tǒng)作出有效評估。
對于只設(shè)計電機控制系統(tǒng)的用戶，也可以向其電機供應(yīng)商索取與實際電機對應(yīng)高精度的電機ECE模型，進行控制算法的仿真和優(yōu)化。電機ECE模型只高精度體現(xiàn)電機外部特性，而不會泄露供應(yīng)商實際的電機設(shè)計參數(shù)，在有效保護各方知識產(chǎn)權(quán)的同時，又促進了電機設(shè)計生產(chǎn)廠家和控制器設(shè)計生產(chǎn)廠家的高效合作。
主要內(nèi)容綱要如下：
1. ANSYS電機本體及其控制系統(tǒng)仿真平臺介紹
2. ANSYS永磁同步電機電機的降階模型抽取方法
3.
展開 
ANSYS永磁同步電機電機的降階模型抽取和矢量控制電路仿真丨附招聘
在電機型號確定后，性能優(yōu)異的電機控制器將最大限度地發(fā)揮電機的效能。比如：
相對SPWM，采用SVPWM調(diào)制方法可以減小逆變器的開關(guān)損耗、提高母線電壓利用率；
采用單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制方法（MTPA）,將在不增加逆變器容量的情況下，使電機輸出最大的轉(zhuǎn)矩。
ANSYS提供使用方便、高精度的電機本體及其控制系統(tǒng)開發(fā)仿真平臺。用戶先采用ANSYS有限元軟件，設(shè)計出性能優(yōu)異的電機本體，然后采用ANSYS特有的電機降階模型抽取方法，基于有限元精確仿真的結(jié)果，提取出高精度的電機ECE模型，無縫輸入到ANSYS系統(tǒng)仿真軟件，在系統(tǒng)仿真軟件中搭建矢量控制電路等控制電路，做到控制算法和系統(tǒng)與電機本體的最佳匹配，在開發(fā)初期就可以對電機本體和控制系統(tǒng)作出有效評估。
對于只設(shè)計電機控制系統(tǒng)的用戶，也可以向其電機供應(yīng)商索取與實際電機對應(yīng)高精度的電機ECE模型，進行控制算法的仿真和優(yōu)化。電機ECE模型只高精度體現(xiàn)電機外部特性，而不會泄露供應(yīng)商實際的電機設(shè)計參數(shù)，在有效保護各方知識產(chǎn)權(quán)的同時，又促進了電機設(shè)計生產(chǎn)廠家和控制器設(shè)計生產(chǎn)廠家的高效合作。
主要內(nèi)容綱要如下：
1. ANSYS電機本體及其控制系統(tǒng)仿真平臺介紹
2. ANSYS永磁同步電機電機的降階模型抽取方法
3. ANSYS 結(jié)合電機本體高精度降階模型的矢量控制算法實現(xiàn)方法
報名方式
手機端請掃描二維碼報名
或者點擊進行報名：http://event.31huiyi.com/1727650456/index?
展開 永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真 附電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真下載
因此確定實際的控制周期為83.3μs，在PWM比較器的三角波的地點和頂點各對永磁電機進行一次控制。
因此確定整個系統(tǒng)仿真模型的仿真參數(shù)：
1 . 被控對象的仿真步長為100ns；
2 . PWM比較器的仿真步長為100ns；
3 . 控制器的仿真步長為83.3μs；
控制器仿真模型通過PWM比較器通過異步中斷的方式觸發(fā)運行。
永磁同步電機控制系統(tǒng)模型概述
為保證每個控制時刻電流采樣與PWM信號的同步，在模型搭建時可以采用Function Call子系統(tǒng)或者Enable子系統(tǒng)，如下圖所示，此時PMSM Controller的運行不與時間同步，而與PWM比較器輸出的trigger同步（圖中的from模塊的INT標識）
基于Function Call的PMSM控制器模型
PWM比較器產(chǎn)生控制器模型觸發(fā)信號
整個系統(tǒng)仿真模型建模完成后，點擊Simulink的左側(cè)模型的圖標，選擇Colors，查看Simulink模型中不同模塊的仿真速率。如下圖所示，其中紅色表示仿真步長為0.1μs。
展開 Ansys Workbench網(wǎng)格控制之——全局網(wǎng)格控制
Ansys Workbench網(wǎng)格控制之——全局網(wǎng)格控制
在使用ANSYS Workbench進行網(wǎng)格劃分時，全局網(wǎng)格控制可以使用默認的設(shè)置，但要進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，還需要用戶了解全局控制的常用設(shè)置，尤其是對于復(fù)雜的零部件。
網(wǎng)格全局控制的設(shè)置包含了7個組別，分別是Display（顯示）、Defaults（缺省設(shè)置）、Sizing（尺寸控制）、Quality（質(zhì)量控制）、Inflation（膨脹控制）、Advanced（高級控制）、Statistics（網(wǎng)格信息）等信息，如下圖所示。
全局網(wǎng)格設(shè)置
1 顯示組
顯示組可以用于直觀地顯示網(wǎng)格質(zhì)量，各選項的含義將在質(zhì)量組中詳解。
顯示組設(shè)置
網(wǎng)格質(zhì)量顯示
2 缺省設(shè)置組
缺省設(shè)置包括Physics Preference物理場選擇、Relevance關(guān)聯(lián)度、Element Midside Nodes網(wǎng)格中節(jié)點。
缺省設(shè)置組
2.1 Physics Preference物理環(huán)境選擇
劃分網(wǎng)格目標的物理環(huán)境包括結(jié)構(gòu)分析（Mechanical）、電磁分析（Electromagnetics）、流體分析（CFD）、顯示動力學分析（Explicit）等
物理場選擇
不同物理場下默認設(shè)置如下圖
不同的物理環(huán)境的默認設(shè)置
2.2 Relevance關(guān)聯(lián)度
Relevance數(shù)值越小網(wǎng)格越粗疏，即可拖到也可輸入值，從-100至100代表網(wǎng)格由疏到密。
雖然Relevance Center是在尺寸參數(shù)控制選項里設(shè)置的，但由于Relevance需要與其配合使用，故在此一起介紹。
展開 Ansys Workbench網(wǎng)格控制之——全局網(wǎng)格控制
寫在最后經(jīng)過嘔心瀝血的資料查詢與實踐應(yīng)用，筆者終于完成了《Ansys Workbench網(wǎng)格控制之——全局網(wǎng)格控制》，當然，對于各位大佬專家來說都是小兒科，但是只要能給剛?cè)腴T的工程師一點點幫助，我也感到無比榮幸。
由于本人水平實在有限，文中難免紕漏百出，歡迎指正，共同學習進步！！
Amesim仿真實例下載：流量控制閥的原理和Amesim仿真方法
當然，這里提到的二通流量控制閥只是流量控制閥的一種，這類閥還有許多其他形式，比如三通流量控制閥、定壓差閥后置型
（注：圖3所示為定壓差閥前置型）
等等。總體上來講，它們的
基本原理都是用定壓差元件確保節(jié)流口兩側(cè)壓差恒定
，因此本文主要介紹二通流量控制閥的仿真方法，拋磚引玉。大家在做仿真分析時，可以根據(jù)具體閥的形式和仿真需求靈活建模。
2
二通流量控制閥的仿真方法
2.1 仿真模型的建立
二通流量控制閥的Amesim仿真模型如圖4所示。關(guān)于該模型的元件子模型、參數(shù)等的詳細設(shè)置，本文不再做過多說明。
文末提供了仿真模型源文件的下載鏈接
，大家可以自行下載參考。
圖4 二通流量控制閥仿真模型圖
2.2 仿真結(jié)果分析
仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，盡管負載壓力呈正弦變化，但節(jié)流口兩側(cè)壓差保持恒定，基本維持在8.3 bar左右；通過閥的流量大小也不受負載壓力變化的影響，它僅由節(jié)流口的開口信號決定。
圖5 二通流量控制閥仿真結(jié)果曲線
改變仿真條件，保持節(jié)流口開口不變并逐漸增大出口壓力再次仿真（注：詳細仿真模型見模型文件FlowRegulator_2.ame，下載鏈接見文末），得到進出口壓差變化時二通流量控制閥對流量的調(diào)節(jié)過程，如圖6所示。可以看出，當進出口壓差從20 bar變化到180 bar時，定壓差閥芯位移有約0.4 mm的改變；同時，彈簧力大約增加2 N，節(jié)流口兩側(cè)壓差大約增加0.01 bar，流經(jīng)閥的流量也有相應(yīng)的改變。
展開 控制力矩陀螺數(shù)值仿真 ￥800
控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope，簡稱CMG）是一種通過旋轉(zhuǎn)陀螺輪產(chǎn)生力矩來控制航天器或飛行器方向的裝置。CMG基于陀螺定理，通過旋轉(zhuǎn)陀螺輪改變航天器的角動量，從而產(chǎn)生力矩。CMG通常由一組陀螺輪、電機或發(fā)動機以及相應(yīng)控制系統(tǒng)組成。在CMG工作過程中，陀螺輪以高速旋轉(zhuǎn)，其角動量的改變會引起陀螺效應(yīng)，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向垂直的力矩。通過對陀螺輪的旋轉(zhuǎn)速度和方向進行控制，可以產(chǎn)生所需的力矩，實現(xiàn)航天器或飛行器的方向控制。
本案例基于一陀螺模型，基于COMSOL軟件數(shù)值仿真得到陀螺控制力矩、速度和傾角位姿的變化，模型及仿真結(jié)果如下圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
展開 船舶航向控制器設(shè)計與仿真
引入微分控制，微分輸出只與航向偏差的變化速度有關(guān)，而與航向偏差的大小以及航向偏差是否存在與否無關(guān)。如果航向偏差為一固定值，不管多大，只要不變化，則輸出的變化一定為零，控制器沒有任何控制作用。微分時間越大，微分輸出維持的時間就越長，因此微分作用越強：反之則越弱。當微分時間為0時，就沒有微分控制作用了。微分控制作用的特點是：動作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質(zhì)；但是它不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，根本就沒有控制作用。
4 船舶航向控制器仿真
本設(shè)計所選舵機伺服機構(gòu)模數(shù)學型為G2(s)=1/1+3S；
所選船舶運動數(shù)學模型為G1(s)=0.09/s(1+41s)；
所選電羅經(jīng)的數(shù)學模型為H(s)=1。
不完全微分PID控制器的傳遞函數(shù)可表示為：
根據(jù)以上所選數(shù)學模型，在MATLAB上構(gòu)建船舶航向控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖1所示。
圖1 船舶航向控制系統(tǒng)的仿真模型
構(gòu)建好仿真模型后開始仿真分析確定航向控制器的關(guān)鍵參數(shù)。
5 航向控制器的關(guān)鍵參數(shù)整定
本設(shè)計采用的是衰減曲線法來整定PID參數(shù)。
為方便準確地整定PID參數(shù)，結(jié)合GUI對航向控制系統(tǒng)進行仿真分析。通過滑動條連續(xù)改變參數(shù)PID，采用衰減曲線法整定。
其整定步驟如下：
1)先令P=0、1=0、D=0。
2)逐漸增加P，使得過渡過程出現(xiàn)4:1振蕩。
3)記錄下此時的Ps和震蕩周期Ts。
4)計算出參數(shù)值P=Ps*1.25，Ti=0.3*Ts，Td=0.1*Ts，I=P/Ti，D=P*Td。
展開 
基于PLC的閥門生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析
相比于其他的編程工具（如Java、C++等），Simulink可通過繪制方框圖代替編寫程序，因此降低了開發(fā)難度；同時軟件會自動調(diào)整最大步長，以保證仿真精度，有利于提升仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度[8]。基于Simulink工具箱的系統(tǒng)模型構(gòu)建方式如下。
首先選擇用于構(gòu)建數(shù)學模型的傳遞函數(shù)。對于閥門生產(chǎn)線來說，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對簡單、產(chǎn)品種類較為單一，因此可以選擇低階傳遞函數(shù)，在滿足加工精度和制造效率的前提下，降低模型的開發(fā)難度。文章選用的一階傳遞函數(shù)為
這里以伺服電機為例，結(jié)合其技術(shù)參數(shù)，其傳遞函數(shù)為
其次是確定控制方式。文章選擇PID控制方式，控制器在接收輸入信號后，以比例形式反映偏差信號，保證了更加精確的識別偏差。并且在發(fā)現(xiàn)偏差后，分別通過積分處理（消除靜差）、微分處理（修正偏差），使被控對象的各個變量均在允許范圍內(nèi)[9]。以傳遞函數(shù)形式表示PID控制原理：
式中，G(s）為PID控制器的傳遞函數(shù)；K為比例系數(shù)，無量綱；T為積分時間常數(shù)；t為微分時間常數(shù)；s為PID控制器的響應(yīng)時間；e為自然常數(shù)。將伺服電機的真實參數(shù)帶到數(shù)學模型中，并使用Simulink工具箱繪制運行程序，設(shè)定采樣頻率為1 200 Hz，施加幅值為1 r/min的階躍信號，自動得出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。伺服電機系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 伺服電機系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖
4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果
伺服電機系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。
圖3 階躍響應(yīng)曲線
根據(jù)上圖可知，未施加PID控制的響應(yīng)曲線從系統(tǒng)開始運行到穩(wěn)態(tài)需要3.3 s；而施加了PID控制的響應(yīng)曲線從開始運行到穩(wěn)態(tài)則需要2.6 s，表現(xiàn)出更快的動態(tài)響應(yīng)特性。
展開 案例 | Ansys Icepak恒溫控制技術(shù)實例
8
總結(jié)
Ansys Icepak通過自身宏(Macro)的功能可以實現(xiàn)溫控效果，市售電子產(chǎn)品如筆記本等，都會在電路板的程序上加入溫控的代碼，一方面可實現(xiàn)較嚴苛器件溫度過載后的調(diào)控，另一方面可調(diào)適風扇的轉(zhuǎn)速，當熱能上升(通常是計算機運行了許多軟件而增加了CPU的負載)，可以調(diào)控風扇轉(zhuǎn)速增加，及我們俗稱的Fan Table，好的Fan Table可極有效的控制風扇運行及系統(tǒng)溫度調(diào)適。
通過本例說明，功率器件調(diào)適及風機運轉(zhuǎn)速度調(diào)適，皆可依據(jù)溫度變化進行控制。
文章來源：莎益博CAE仿真
船舶轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究
完成程序流程圖的搭建之后，把仿真的時間設(shè)定在1000s，點擊運行按鈕后觀察到示波器上給定值和控制值的對比。
4 結(jié)語
由仿真結(jié)果我們可以看到，在具有代表性的傳統(tǒng)控制方法，即PID的方法控制之下，整個系統(tǒng)再通過一個較長時間的調(diào)整之后也可以達到平衡的狀態(tài)。但是這個調(diào)整的時間過于的漫長，可得為700s左右，即整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間過長。為了減小系統(tǒng)的響應(yīng)時間，我們可以對PID調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)進行調(diào)節(jié)，但是事實證明，在調(diào)節(jié)比例參數(shù)的過程中又會造成系統(tǒng)的超調(diào)量過大，系統(tǒng)很難再第一時間達到穩(wěn)定的狀態(tài)。同時在對PID控制器內(nèi)部的三個參數(shù)的設(shè)定也是一個極為復(fù)雜且繁瑣的過程，在整個調(diào)試的過程中要通過多次的嘗試。其只有一個傳統(tǒng)的經(jīng)驗性的確定方法，無法得到一個合理的數(shù)學化的公式以便于用戶的設(shè)計。這些都是傳統(tǒng)的控制方法在船舶航向控制方面所有的天然的劣勢。
所以我們在接下來的工作中希望能夠更多地采集實船動態(tài)數(shù)據(jù)，進一步完善計算模型和參數(shù)，以期希望得到更加良好的控制效果和更加簡單的控制、調(diào)試方法。
本文來源于互聯(lián)網(wǎng)，天佑有限元本著傳播知識、有益學習和研究的目的進行的轉(zhuǎn)載，為網(wǎng)友免費提供，并已盡力標明作者與出處，如有著作權(quán)人或出版方提出異議，本站將立即刪除。如果您對文章轉(zhuǎn)載有任何疑問請告之我們，以便我們及時糾正。聯(lián)系方式：QQ785980159，郵箱785980159@qq.com
展開 精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制.pdf
精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制.pdf
