基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的異步電機(jī)建模及仿真說(shuō)明書(shū)帶開(kāi)題,基于,統(tǒng)一,建模,語(yǔ)言,異步電機(jī),仿真,說(shuō)明書(shū),仿單,開(kāi)題
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容、要求
現(xiàn)代產(chǎn)品多由機(jī)電液控多領(lǐng)域組件混合而成，因此多領(lǐng)域、多學(xué)科的交叉融合已成為現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。Modelica模型是面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)模型，基于物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)表示的內(nèi)在一致性，它支持在一個(gè)模型中包含來(lái)自多個(gè)領(lǐng)域的模型組件，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模和仿真。異步電機(jī)建模與仿真對(duì)其設(shè)計(jì)優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。基于仿真對(duì)異步電機(jī)性能進(jìn)行綜合分析可很大程度上提高電機(jī)的設(shè)計(jì)效率和可靠性,從而獲得最佳性能參數(shù)。該課題基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言在Dymola軟件環(huán)境下構(gòu)建異步電機(jī)模型，在對(duì)模型進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)獲取較優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。具體要求如下：
1、 調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有仿真建模語(yǔ)言進(jìn)行比較研究；
2、 熟悉Modelica語(yǔ)言以及Dymola仿真平臺(tái)；
3、 基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica構(gòu)建異步電機(jī)模型；
4、 對(duì)異步電機(jī)模型進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)獲取較優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作
畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作包括：
1、完成二萬(wàn)字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個(gè)單詞的英文摘要；
2、獨(dú)立完成與課題相關(guān)，不少于四萬(wàn)字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3、在熟悉Modelica語(yǔ)言以及Dymola仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建異步電機(jī)模型，對(duì)異步電機(jī)模型進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)電機(jī)參數(shù)獲取較優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
4、完成繪圖工作量折合A0圖紙1張以上，其中必須包含兩張A3以上的計(jì)算機(jī)繪圖圖紙。
三、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] Fritzson P. Principles of object-oriented modeling and simulation with Modelica 2.1[M]. New York: IEEE Press, 2003
[2] Modelica Group .Modelica Language Specification[Z], version 2.2.
[3] Modelica WWW Site [EB/OL]. http://www.modelica.org
[4] 陳曉波, 熊光楞, 郭斌, 等. 基于HLA 的多領(lǐng)域建模研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2003, 15(11): 1537~1542
[5] 熊光楞. 協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004
[6] 趙建軍,丁建完, 周凡利, 陳立平. Modelica語(yǔ)言及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機(jī)理[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006,18(2): 570-573.
[7] Dynasim AB. User’s Manual Dymola 6 Additions, 2006
[8] 楊世文, 蘇鐵熊, 李炯. 基于Modelica 語(yǔ)言的面向?qū)ο蟮陌l(fā)動(dòng)機(jī)建模與仿真[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2004, (2): 39~42
[9] 吳民峰. 多領(lǐng)域建模仿真平臺(tái)中語(yǔ)義分析關(guān)鍵機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2006
[10] 劉敏. 基于Modelica的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2005
四、試驗(yàn)、測(cè)試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計(jì)算機(jī)一臺(tái)
多領(lǐng)域建模仿真求解軟件（Dymola）
任務(wù)下達(dá)時(shí)間：
2008年 11 月 21 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始與完成時(shí)間：
2009年3月9日至 2009年 6 月 29 日
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組織實(shí)施單位：
教研室主任意見(jiàn)：
簽字 2008 年 11 月 19 日
院領(lǐng)導(dǎo)小組意見(jiàn)：
簽字 2008 年 11 月 20 日
基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的異步電機(jī)建模及仿真
摘 要
現(xiàn)代產(chǎn)品多由機(jī)電液控多領(lǐng)域組件混合而成，因此多領(lǐng)域、多學(xué)科的交叉融合已成為現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。Modelica模型是面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)模型，基于物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)表示的內(nèi)在一致性，它支持在一個(gè)模型中包含來(lái)自多個(gè)領(lǐng)域的模型組件，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模和仿真。
在本論文中，我們通過(guò)分析異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，利用Modelica語(yǔ)言和Dymola仿真平臺(tái)建立異步電機(jī)的仿真模型來(lái)分析測(cè)試電機(jī)的相關(guān)特性。該論文主要包含以下的幾個(gè)主要部分：首先概述了當(dāng)今多領(lǐng)域建模仿真的發(fā)展?fàn)顩r。其次，分析了有關(guān)電路設(shè)計(jì)和仿真的一些有關(guān)軟件和平臺(tái)，以及Modelica語(yǔ)言和Dymola仿真平臺(tái)。接著，研究了異步電機(jī)的工作原理以及他它的主要組成部分。最后，講述如何利用Modelica語(yǔ)言和Dymola仿真平臺(tái)建立異步電機(jī)的仿真模型，以及對(duì)他們進(jìn)行分析測(cè)試。
本論文對(duì)課題的設(shè)計(jì)方法以及所利用的理論知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)多領(lǐng)域建模語(yǔ)言Modelica以及仿真平臺(tái)Dymola系統(tǒng)進(jìn)行了初步的介紹。
關(guān)鍵字：異步電機(jī)建模仿真；異步電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；Modelica； Dymola系統(tǒng)
Abstract
Contemporary products controlled by the hydraulic components of a mixture in various fields, so in many areas, multi-disciplinary integration of the cross has become a modern digital design and manufacturing technology trends. Modelica object-oriented model is a mathematical model, based on the physical system of the internal consistency of mathematics, said that it supported a model in many areas included in the model from components, to achieve more than the area of modeling and simulation.
In this paper, we analyze the structure of induction motor and the working principle, the use of Modelica and Dymola language induction motor simulation platform is built to analyze the simulation model to test the electrical characteristics of the relevant.
In this paper, the paper contains the following main parts: the first provides an overview of today's multi-field development of modeling and simulation. Secondly, an analysis of the circuit design and simulation of some of the software and platform, as well as the Modelica language and Dymola simulation platform. Then, to study the working principle of induction motors as well as his major component of it. Finally, about how to use Modelica and Dymola simulation platform language to establish the simulation model of induction motors, as well as an analysis of their test.
In this paper, the design method of the subject and the use of the theoretical knowledge explained in detail, and multi-domain modeling language Modelica and Dymola simulation system platform for the initial introduction.
Key words: Modeling and Simulation of induction motor, induction motor dynamic response, Modelica, The Dymola system
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 課題來(lái)源 1
1.2 研究背景 1
1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的發(fā)展概況 3
1.3.1硬件描繪語(yǔ)言VHDL 3
1.3.2MATLAB系統(tǒng) 4
1.4 Modelica語(yǔ)言的介紹 5
1.4.1Modelica發(fā)展的歷史 5
1.4.2Modelica的主要特征 6
1.4.3Modelica的主要功能 6
1.5 課題研究的目的與意義 9
1.6 課題主要內(nèi)容 10
2 異步電機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu) 10
2.1 三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 10
2.1.1定子部分 11
2.1.2轉(zhuǎn)子部分 12
2.1.3其他部分 14
2.2 三相異步電機(jī)工作原理 14
2.2.1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 14
2.2.2三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理 16
2.2.3轉(zhuǎn)差率 18
2.2.4主要系列 18
3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21
3.1 Dymola/Modelica 21
3.2 可行性分析 22
3.3在Dymola環(huán)境下采用Modelica語(yǔ)言建立物理元件模型 22
4 仿真結(jié)果與分析 32
4.1 仿真結(jié)果 32
4.2 異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的分析 33
4.3 結(jié)論 38
5 總結(jié)與展望 38
5.1 總結(jié) 38
5.2 展望 39
謝 辭 40
參考文獻(xiàn) 41
41
1 緒 論
1.1 課題來(lái)源
該課題來(lái)源于桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的科研項(xiàng)目,項(xiàng)目主要研究面向?qū)ο蟮亩囝I(lǐng)域建模語(yǔ)言Modelica的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)主要是研究Modelica對(duì)異步電機(jī)的建模及應(yīng)用。
1.2 研究背景
隨著時(shí)代和科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日益成為各行業(yè)不可缺少的手段和技術(shù)?？v觀系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的歷史可知，仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展密切聯(lián)系的。正是控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為仿真技術(shù)提供了強(qiáng)有力的手段和工具。由于在計(jì)算機(jī)上建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)這個(gè)模型是十分經(jīng)濟(jì)、方便和靈活的，因而計(jì)算機(jī)仿真在仿真中越來(lái)越占有重要的地位。
50年代末期到60年代，由于洲際導(dǎo)彈和宇宙飛船的姿態(tài)及軌道控制動(dòng)力學(xué)的研究，促進(jìn)了混合仿真技術(shù)的發(fā)展，1958年第一臺(tái)混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于洲際導(dǎo)彈的仿真。1964年生產(chǎn)出第一臺(tái)商用混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。60年代，阿波羅登月計(jì)劃的成功及核電站的廣泛使用進(jìn)一步促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。70年代開(kāi)始，仿真技術(shù)被應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等非工程系統(tǒng)的研究，開(kāi)拓了仿真技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。
仿真技術(shù)現(xiàn)在已成為系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計(jì)及人員訓(xùn)練不可缺少的重要手段，它給工程界及企業(yè)界帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。使用仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及訓(xùn)練過(guò)程中的安全性，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，由于不可能直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真技術(shù)更顯出它的重要性。
現(xiàn)代仿真系統(tǒng)的總體要求如下：
(1)減少模型開(kāi)發(fā)時(shí)間，即從重視編程轉(zhuǎn)向重視建模，包括研究結(jié)構(gòu)化建模的環(huán)境與工具，建立模型庫(kù)及模型開(kāi)發(fā)的專家系統(tǒng)等等。
(2)改進(jìn)精度，包括改進(jìn)模型建立的精度及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的精度，比如研究模型結(jié)構(gòu)特征化的新方法——模式識(shí)別法及人工智能法、連續(xù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值解法、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方法等等。
(3)改進(jìn)通信，包括人與人之間的通信及人與計(jì)算機(jī)之間的通信，比如研究模型的統(tǒng)一描述形式，圖形輸入與動(dòng)畫(huà)輸出，仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)、分析等。
仿真實(shí)驗(yàn)要使得模型能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這部分工作要由仿真軟件來(lái)完成。仿真軟件是一類面向仿真用途的專用軟件，它的特點(diǎn)是面向問(wèn)題、面向用戶，其功能可概括為：
(1)模型描述的規(guī)范及處理；
(2)仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行與控制；
(3)數(shù)據(jù)與結(jié)果的分析、顯示及文檔化；
(4)對(duì)模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?shù)據(jù)、圖形或知識(shí)的存儲(chǔ)、檢索與管理。
根據(jù)上述功能的實(shí)現(xiàn)情況，可以將仿真軟件分為程序包[具有(2)、(3)、(4)中一種或兩種功能]、仿真語(yǔ)言〔具有(1)、(2)、(3)功能]和一體化仿真環(huán)境[具有(1)一(4)全部功能的一體化軟件系統(tǒng)]。從目前看，仿真語(yǔ)言仍是仿真軟件的主體。
從軟件發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看，最初出現(xiàn)的是一些功能簡(jiǎn)單的程序包，以后為便于仿真用戶使用，開(kāi)發(fā)了許多仿真語(yǔ)言，同時(shí)研制成為了滿足這些要求，提出了一下下幾點(diǎn)。改善建模環(huán)境改善建模環(huán)境包括下述內(nèi)容。
(1)模塊化、結(jié)構(gòu)他建模技術(shù)
所謂結(jié)構(gòu)化建模技術(shù)是指；根據(jù)不同實(shí)際系統(tǒng)的組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，抽象出它們的基本成分及組合關(guān)系；確定各種基本成分及其連接的描述形式并開(kāi)發(fā)一種非過(guò)程編程語(yǔ)言(模型描述語(yǔ)言)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同建立相應(yīng)的模型庫(kù)并使它與模型實(shí)驗(yàn)?zāi)?
塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。采用這種技術(shù)不僅能使仿真軟件直接面向領(lǐng)域工程師，而且能大大縮短建模時(shí)間。
(2)圖形建模技術(shù)
利用鼠標(biāo)器在計(jì)算機(jī)屏幕上將模型庫(kù)中已有的系統(tǒng)元件拼合成系統(tǒng)的橫型。在20世紀(jì)90年代以前，應(yīng)用于特定領(lǐng)域的建模仿真軟件在其取得成功的同時(shí)，伴隨著新產(chǎn)品、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，離復(fù)雜產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)要求之間的差距也越來(lái)越大，具體表現(xiàn)在：
（1）對(duì)多領(lǐng)域建模支持不足：ADAMS,SIMPACK、Spice、VHDL-AMS、Flowmaster
等在其特定專業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械、電子或液壓等，功能相當(dāng)完善，但對(duì)于來(lái)自其它領(lǐng)域的組件描述能力有限，對(duì)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的支持不足。
（2）通用仿真系統(tǒng)如Simulink、ACSL等，有時(shí)需要對(duì)模型方程作手工推導(dǎo)和分解，然后建立對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)分解和變型的模型。建立的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)際的物理模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，因而不適合于物理建模(physical modeling)。
（3）和傳統(tǒng)的面向計(jì)算的建模方法不同，第一代面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)建模語(yǔ)言和仿真系統(tǒng)(ObjectMath,Dymola,Omola,NMF,gPROMS,Allan,Smile等)采用了面向?qū)ο蠛突诜匠痰慕７椒ǎ朔艘郧懊嫦蜻^(guò)程的建模仿真語(yǔ)言的限制，但諸多語(yǔ)言本身又產(chǎn)生了兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。
為此，來(lái)自不同領(lǐng)域的專家學(xué)者，在歸納和統(tǒng)一以前的多種面向?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)建模語(yǔ)言基礎(chǔ)上，于1997年提出了一種新的多領(lǐng)域統(tǒng)一物理建模語(yǔ)言Modelica。
目前，國(guó)內(nèi)高校和研究所對(duì)基于Modelica統(tǒng)一建模語(yǔ)言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的研究還主要局限于基于Dymola軟件的應(yīng)用，如上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院借助于Dymola對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、同步電機(jī)和熱機(jī)的分析應(yīng)用，華北工學(xué)院對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)箱的建模分析以及河海大學(xué)常州校區(qū)機(jī)電學(xué)院在柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制上應(yīng)用Modelica語(yǔ)言進(jìn)行的建模分析等等，而對(duì)Modelica統(tǒng)一建模語(yǔ)言本身的研究及其軟件支撐平臺(tái)的開(kāi)發(fā)幾乎是空白。第二章一體化仿真環(huán)境 一體化仿真環(huán)境是先進(jìn)仿真技術(shù)的主要內(nèi)容，也是這些技術(shù)的綜合實(shí)現(xiàn)。它涉及到許多新的有關(guān)系統(tǒng)仿真的概念，如仿真的基本攝念框架，仿真——基于模型的活動(dòng)，仿真操作系統(tǒng)等。本章將從仿真語(yǔ)言及其存在的問(wèn)題出發(fā)，從而引進(jìn)傷真的基本概念框架及一體化仿真環(huán)境，最后再?gòu)姆抡娌僮飨到y(tǒng)的角度對(duì)一體化仿真環(huán)境作進(jìn)一步討論。仿真語(yǔ)言及其存在的問(wèn)題仿真實(shí)驗(yàn)要使得模型能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這部分工作要由仿真軟件來(lái)完成。仿真軟件是一類面向仿真用途的專用軟件，它的特點(diǎn)是面向問(wèn)題、面向用戶，其功能可概括為：
(1)模型描述的規(guī)范及處理。
(2)仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行與控制。
(3)數(shù)據(jù)與結(jié)果的分析、顯示及文檔化。
(4)對(duì)模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?shù)據(jù)、圖形或知識(shí)的存儲(chǔ)、檢索與管理。
根據(jù)上述功能的實(shí)現(xiàn)情況，可以將仿真軟件分為程序包[具有(2)、(3)、(4)中一種或兩種功能]、仿真語(yǔ)言〔具有(1)、(2)、(3)功能]和一體化仿真環(huán)境[具有(1)一(4)全部功能的一體化軟件系統(tǒng)]。從目前看，仿真語(yǔ)言仍是仿真軟件的主體。
1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的發(fā)展概況
如今，對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)與仿真軟件很多，這里主要介紹硬件描繪語(yǔ)言VHDL，電路圖電路板設(shè)計(jì)軟件PROTEL，以及 MATLAB系統(tǒng)。
1.3.1硬件描繪語(yǔ)言VHDL
在現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域,硬件描述語(yǔ)言(Hardware Description Language ,縮寫(xiě)為HDL) 因其“代碼復(fù)用”(Code Reuse) 遠(yuǎn)高于圖形化輸入方法的“代碼復(fù)用”,并且解決了用電路原理圖在設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)時(shí)的諸多不便,所以成為了電子工程領(lǐng)域主要的設(shè)計(jì)工具。VHDL語(yǔ)言作為可編程邏輯器件的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言描述能力強(qiáng), 覆蓋面廣, 抽象能力強(qiáng), 應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
VHDL的英文全寫(xiě)是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language.翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言 。但是，由于它在一定程度上滿足了當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)需求，于是他在1987年成為ANSI/IEEE的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE STD 1076-1987）。1993年更進(jìn)一步修訂，變得更加完備，成為ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多數(shù)的CAD廠商出品的EDA軟件都兼容了這種標(biāo)準(zhǔn)。
VHDL作為IEEE(美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)) 標(biāo)準(zhǔn),近十多年來(lái)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,隨著IEEE 對(duì)VHDL 的修訂與擴(kuò)充,VHDL 已經(jīng)具備描述模擬和數(shù)?；旌想娐方Y(jié)構(gòu)與行為的能力。然而,VHDL 仿真器仍以事件驅(qū)動(dòng)為核心,也就是說(shuō),仿真是按事件發(fā)生的順序進(jìn)行的。因此,在應(yīng)用VHDL 對(duì)模擬電路進(jìn)行建模與仿真分析時(shí),還存在著許多限制。
VHDL語(yǔ)言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力, 可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級(jí)電路, 其高層次的行為描述可以與低層次的RTL 描述和結(jié)構(gòu)描述混合使用; 設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)從文本編輯、功能仿真、邏輯綜合、布局布線、時(shí)序仿真到編程下載整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程,大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度, 提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量, 減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用“自頂向下(top to down) ”的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)的基本步驟如下:
(1) 分析系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進(jìn)行系統(tǒng)劃分,確定各個(gè)模塊的接口和功能;
(2) 編寫(xiě)程序,輸入VHDL 代碼;
(3) 將其編譯成標(biāo)準(zhǔn)的VHDL 文件;
(4) VHDL 源代碼進(jìn)行綜合優(yōu)化處理;
(5) 配置,即加載設(shè)計(jì)規(guī)定的編程數(shù)據(jù)到指定型號(hào)的芯片中;
(6) 下載,并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
1.3.2MATLAB系統(tǒng)
在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的過(guò)程中，往往需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，傳統(tǒng)的紙筆和計(jì)算器已根本不能滿足海量計(jì)算的要求，一些技術(shù)人員嘗試用Basic , Fortran以及C語(yǔ)言編制程序來(lái)減輕工作量，但編制程序不僅需要掌握所用語(yǔ)言的語(yǔ)法，還需要對(duì)有關(guān)算法進(jìn)行深入的分析，這對(duì)大多數(shù)科技工作者來(lái)說(shuō)有一定的難度。當(dāng)用C或Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)程序時(shí)，尤其當(dāng)涉及到矩陣運(yùn)算和畫(huà)圖時(shí)，編程會(huì)很麻煩，往往一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題就要編寫(xiě)很長(zhǎng)的代碼，鍵入和調(diào)試程序都非常困難。
為了滿足用戶對(duì)工程數(shù)學(xué)計(jì)算的要求，一些軟件公司相繼推出了一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，如MATLAB, Xmath Mathernatica Maple等，其中Mathworks公司推出的MATLAB以其強(qiáng)大的功能和易用性受到越來(lái)越多的科技工作者的歡迎。
MATLAB起初是作為矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)提供給UNPACK和EISPACK矩陣軟件包的接口(UNPACK是解線性方程的Fortran程序庫(kù)，EISPACK是解特征值問(wèn)題的Fortran程序庫(kù))。80年代初期，Cleve Moler, John Little采用C語(yǔ)言編寫(xiě)MATLAB的核心，合作開(kāi)發(fā)了MATLAB第二代專業(yè)版。不久，他們成立了Mathworks公司，并將MATLAB正式推向市場(chǎng)。與Basic Fortran C語(yǔ)言比較，MATLAB的語(yǔ)法規(guī)則更為簡(jiǎn)單，編程特點(diǎn)更貼近人的思維方式，用MATLAB寫(xiě)程序有如在便箋上列公式和求解，因而MATLAB被稱為“科學(xué)便箋式”的科學(xué)工程計(jì)算語(yǔ)言。
MATLAB 是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級(jí)語(yǔ)言,主要由MATLAB主開(kāi)發(fā)環(huán)境、擴(kuò)展MATLAB 功能的工具箱、Simulink仿真環(huán)境和第三方開(kāi)發(fā)的輔助工具等內(nèi)容組成。 它可靠的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語(yǔ)言、強(qiáng)大的圖形功能以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱是MATLAB 區(qū)別于其它科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。 MATLAB相對(duì)于其他應(yīng)用軟件有以下的優(yōu)勢(shì)：
（1）語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書(shū)寫(xiě)形式自由，利用其豐富的庫(kù)面數(shù)避開(kāi)鉸雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫(xiě)，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。
（2）運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用c語(yǔ)言編寫(xiě)的，MATLAB提供了和c語(yǔ)言幾乎—樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。
（3）MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?
（4）語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。
（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。
（6）MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。而且還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。
Simulink是MATLAB軟件包中最重要的功能模塊之一，是一個(gè)結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和仿真工具。它以MAlUlB的核心數(shù)學(xué)、圖形和語(yǔ)言為基礎(chǔ)，可以讓用戶毫不費(fèi)力地完成從算法開(kāi)發(fā)、仿真或者模型驗(yàn)證的全過(guò)程，而不需要傳遞數(shù)據(jù)、重寫(xiě)代碼或改變軟件環(huán)境，是交互式，模塊化的建模和仿真的動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)，在電子領(lǐng)域，通常利用 Simulink建立電子裝置的簡(jiǎn)化模型并連接成系統(tǒng)，即可直接進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和仿真。 Simulink對(duì)C語(yǔ)言代碼提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式圖形環(huán)境下，也可以工作在MATLAB指令語(yǔ)言模式的批處理模式下。
使用MATLAB的優(yōu)勢(shì)：其數(shù)據(jù)處理十分有效，精細(xì)，運(yùn)行速度較快；數(shù)據(jù)的格式兼容性非常好便于數(shù)據(jù)的后處理與分析，尤其是控制特性的研究分析。
1.4 Modelica語(yǔ)言的介紹
1.4.1Modelica發(fā)展的歷史
Modelica由位于瑞典Link?ping的非贏利組織Modelica協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)，可以免費(fèi)使用。它是一種為支持有效的模型庫(kù)開(kāi)發(fā)和模型交換而設(shè)計(jì)的，建立在非因果模型之上、支持?jǐn)?shù)學(xué)方程和模型知識(shí)重用的，用于大型、復(fù)雜、多種成分組成的物理系統(tǒng)建模的現(xiàn)代面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。它適合于多領(lǐng)域建模，例如機(jī)器人，包含機(jī)械、電子、水力、控制子系統(tǒng)的汽車、宇航應(yīng)用，面向（化工）過(guò)程的應(yīng)用及電力系統(tǒng)發(fā)配電等中的機(jī)電模型。Modelica中的模型是用微分、代數(shù)和離散方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的。無(wú)需人工求解特定的變量。Modelica工具將有足夠的信息來(lái)自動(dòng)決定求解的事，可用專門的算法使對(duì)具有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)方程的大型模型的處理成為可能。Modelica適合并用于半實(shí)物仿真和嵌入式控制系統(tǒng)。
多領(lǐng)域建模(multi-domain modeling)是將機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動(dòng)、軟件等不同學(xué)科領(lǐng)域的模型“組裝”成為一個(gè)更大的仿真模型，以用于仿真運(yùn)行。多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從單一領(lǐng)域獨(dú)立建模到多領(lǐng)域統(tǒng)一建模、連續(xù)域或離散域分散建模到連續(xù)離散混合建模、面向過(guò)程建模到面向?qū)ο蠼５陌l(fā)展階段。
Modelica 是歐洲仿真界在統(tǒng)一和歸納先前多種物理建模語(yǔ)言的基礎(chǔ)上, 為解決復(fù)雜多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與仿真問(wèn)題, 提出的一種面向?qū)ο蟮?、基于方程的、陳述式建模語(yǔ)言。 目前基于Modelica的具有從建模到仿真直至后處理完整功能的軟件只有2個(gè)：瑞典Dynasim AB公司的Dymola和瑞典PELAB實(shí)驗(yàn)室的MathModelica。Dymola基本上實(shí)現(xiàn)了Modelica 2.0版，提供了從可視化建模、自動(dòng)求解到曲線和動(dòng)畫(huà)后處理的完整功能。
1.4.2Modelica的主要特征
Modelica作為新一代面向?qū)ο蟮?、基于方程的、多領(lǐng)域復(fù)雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模語(yǔ)言，其顯著的四個(gè)特征是：
（1）面向?qū)ο蠼?。采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，類（class）封裝了模型系統(tǒng)的狀態(tài)和行為，模型知識(shí)通過(guò)繼承實(shí)現(xiàn)重用和進(jìn)化。
（2）多領(lǐng)域建模?；趯?shí)際物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的內(nèi)在一致性，Modelica能夠?qū)ΠC(jī)、電、液、控等多個(gè)領(lǐng)域組件在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模。
（3）陳述式物理建模。采用方程描述模型及連接，實(shí)現(xiàn)非因果建模，可用于物理建模。
（4）離散混合建模。Modelica采用同步的微分、代數(shù)和離散方程描述混合系統(tǒng)。
Modelica采用了無(wú)因果的建模思想,用更加自然的語(yǔ)法和語(yǔ)義來(lái)表述模型,非常適合于物理系統(tǒng)的建模。它語(yǔ)法簡(jiǎn)單、層次清晰,可以按照系統(tǒng)真實(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)連接各個(gè)組件,而且可處理混雜系統(tǒng)。由于其接口設(shè)計(jì)巧妙,可以用于多領(lǐng)域建模(multi domain) 和多范式建模(multi for2malism) ,真正做到“通用建?！?。Modelica 語(yǔ)言與Java 等通用語(yǔ)言有很多相似之處, 完全由類( class) 組成。
1.4.3Modelica的主要功能
根據(jù)Modelica模型文本特點(diǎn)，把握面向用戶進(jìn)行建模的宗旨，把多領(lǐng)域模型建模系統(tǒng)主要分為三大模塊：領(lǐng)域庫(kù)模塊、文本建模模塊和圖形建模模塊。領(lǐng)域庫(kù)模塊的主要功能是形象化顯示Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模型，方便用戶在圖形建模過(guò)程中通過(guò)拖放式操作進(jìn)行重用，另外它還能夠顯示當(dāng)前模型的層次化信息，反映模型的部件和繼承結(jié)構(gòu)；文本建模模塊是整個(gè)建模系統(tǒng)的核心，能夠讓用戶對(duì)模型文本信息進(jìn)行方便有效的操作和維護(hù)，這里的文本信息分為當(dāng)前模型的Modelica文本信息和注釋信息；有效的操作和維護(hù)，這里的文本信息分為當(dāng)前模型的Modelica文本信息和注釋信息；圖形建模模塊是用戶進(jìn)行多領(lǐng)域系統(tǒng)建模最直接方便的途徑，能夠以圖形的方式快速準(zhǔn)確的顯示模型的層次化建模信息，并對(duì)圖形信息進(jìn)行各種操作和維護(hù)，而且對(duì)建模環(huán)境的視圖信息進(jìn)行縮放、移動(dòng)等操作，方便用戶在最優(yōu)的方式下進(jìn)行建模工作，圖形建模模塊包括兩個(gè)方面：圖表組件系統(tǒng)和圖標(biāo)組件系統(tǒng)，圖表組件系統(tǒng)顯示模型建前模型功能或者外形信息，不反映組件和繼承信息信息。通過(guò)以上分析，整個(gè)基于Modelica模型建模系統(tǒng)具備以下功能：