Dymola+Abaqus | PID水温控制器案例详解

Dymola是达索CATIA品牌旗下基于Modelica语言的多领域系统建模仿真工具，广泛地应用于汽车、航空、航天、能源等行业系统的功能验证和硬件在环仿真；它非常丰富的多学科元件库为多领域的统一建模提供了很大的帮助；该平台具有直观的建模环境，支持与其他软件（如XFlow/Abaqus/Simpack/MATLAB等）的联合仿真，支持FMI协议和半实物仿真，还能够与d Space连接进行硬件在环实验；同时Dymola平台还具有3D动画功能，有通用的CAD模型接口。

Abaqus是达索SIMULIA品牌的高级非线性有限元、多物理场统一模拟旗舰产品，Dymola+Abaqus可以完成超级复杂的系统级仿真，比如考虑实际结构变形的Steward平台、柔性机器人控制、汽车ABS防抱死系统等，通过二者的联合仿真可以在更高级别上还原真实的物理世界。

下面的案例是关于如何利用Dymola+Abaqus联合仿真以实现水温控制，其实这种简单的温度或力的控制通过UAMP/VUAMP/UEL子程序也能做到，只是需要自己先写好PID控制代码，而通过Dymola Modelica标准库的调取，随便拖拽两下就能实现相同乃至更复杂的功能。

1. 问题描述

如下图，入口处冷水的初始温度为30℃，水流经过电热丝加热后，从出口流出的温度快速升至并维持在50℃，通过联合仿真模拟水温控制器对水流的加热控制过程。

水温控制器

2. 建模思路

这是一个流体-热-逻辑控制三者耦合问题，建模思路如下：

• 流体流动与内部传热用Abaqus/CFD求解器进行模拟；

• 电热丝和温度传感器的发热或自身传热用Abaqus/Standard求解器进行模拟；

• 流体-结构之间的传热通过SIMULIA Co-simulation Engine (CSE)进行共轭传热（Conjugate heat transfer，CHT）模拟；

• PID逻辑控制部分先通过Dymola的FMI 2.0协议输出用于调节水温的*.fmu文件，再利用CSE和Abaqus/Standard求解器进行通信完成协同仿真。

水温控制器系统模型数据传递关系

Dymola搭建的PID控制器如下图所示，它会读取Standard中温度传感器传来的当前温度并计算与目标温度之间的误差，经过PID算法决定电热丝的发热功率的大小，以达到使出口处水温升高并维持在50℃的目的。

Dymola PID控制模型

3. 仿真结果

流体-热-逻辑控制仿真结果表明，大约经过15s，水温控制器即可将出口处的水温升高并维持在50℃不变。

最终温度分布

水流升温过程 | 出口处升温曲线 | 电热丝发热曲线

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参考：

百度词条：西工大—达索Dymola创新中心 | Dymola平台介绍

3ds.com/3dexperience

SIMULIA Abaqus Documentation