Dymola+Abaqus | PID水温控制器案例详解

引言

Dymola，作为达索CATIA品牌的基于Modelica语言的多领域系统建模仿真工具，广泛应用于汽车、航空航天、能源等领域的功能验证与硬件在环仿真。Abaqus作为达索SIMULIA品牌提供的高级非线性有限元、多物理场统一模拟解决方案，与Dymola的联合使用，能呈现出系统级仿真解决方案的极致威力，特别适用于需要考虑实际结构变形、环境交互等复杂条件的控制系统开发。本文着重介绍利用Dymola与Abaqus联合仿真技术实现实时水温控制的过程及细节。

实现过程


1. 问题描述与建模思路


问题描述




在某系统中，冷水通过管道进入，并接受通过内部电热丝的加热，最终从接入加热电热丝的出口流出。这里，设计之初的冷水温度为30℃，目标是使流出水的最终温度提升并稳定在50℃。这项任务要求综合考虑流体动力学、热传递以及PID控制原理的实现，以实现水温的精确控制。

建模思路

整个系统设计围绕流体动力学、热物理性质和PID控制器三个核心模块进行联合仿真。所述流程如下：

1. 流体流动与内部传热：利用Abaqus/CFD求解器精确模拟流体在管道内的流动状态以及内部传热过程，准确掌握流体在各个阶段的温度变化情况；

2. 电热丝和温度传感器：通过Abaqus/Standard求解器模拟电热丝的自身热效应及其与温度传感器之间的交互作用，尤其是激发与感应热转换的问题；

3. 流体结构之间的传热：借助SIMULIA Cosimulation Engine (CSE)实现共轭热传输（CHT）模拟，精确计算流体与结构材料（如电热丝）之间的热交换过程；

4. PID逻辑控制：Dymola的FMI 2.0协议用于实现控制器与协同软件间的信息传输，控制器接收Abaqus中传递的温度数据，基于PID算法调整电热丝的功率输出，确保出口温度维持在目标值。

仿真实现

Dymola PID控制模型被构建以接收Abaqus系统中的实时温度数据，基于PID公式（比例、积分、微分环节）计算当前温度与目标温度之间的差异，调整电热丝的加热功率到合理值，完成水温的动态控制。在实际运行过程中，该PID控制体系能在接近15秒的时间内实现目标温度的精准稳定。

仿真结果与分析

仿真结果显示，水温控制系统在短时间内（约为15秒）便有效将出口处的水温提升并稳定在50℃，验证了系统设计的高效性与精确性。温度分布图直观展示了整个流体系统内温差的规律性变化，流入温度与出口温度呈现出显著差异。

出口温度曲线详细描绘了温度随时间的变化趋势，清晰反映出控制系统对目标温度的快速响应和稳定保持能力。电热丝发热曲线揭示了加热功率动态变化的规律，间接反映了系统调节机制的灵敏性和准确性。