基于ADAMS與Simulink的機電一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真

1、基于基于ADAMSADAMS與與SimulinkSimulinkJOSEAN 機電一體化機電一體化聯(lián)合仿真聯(lián)合仿真03-0510-2829-30機電一體化系統(tǒng)仿真分析簡介目錄Co-simulation of Mechatronics System Based on ADAMS and SimulinkADMAS/Control與與Simulink介紹介紹總結(jié)及參考文獻實例：雷達機構(gòu)的機電聯(lián)合仿真06-09Co-simulation of Mechatronics System Based on ADAMS and Simulink 機電一體化系統(tǒng)仿真分析簡介 隨著工程師對設(shè)計有著越來越高的要求

2、，在工程中純的隨著工程師對設(shè)計有著越來越高的要求，在工程中純的機械設(shè)計已經(jīng)無法滿足。機械設(shè)計已經(jīng)無法滿足。 虛擬樣機虛擬樣機(virtual prototyping) (virtual prototyping) 技術(shù)的技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在有的仿真平臺上不斷發(fā)展，目前在有的仿真平臺上( (如如ADAMS)ADAMS)機械工程師和機械工程師和控制工程師可以共享一個樣機模型。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，控制工程師可以共享一個樣機模型。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，這種方式具有十分明顯的優(yōu)越性。這種方式具有十分明顯的優(yōu)越性。引言引言機電一體化系統(tǒng)仿真分析簡介 機電聯(lián)合仿真建模機電聯(lián)合仿真建模指的是首先對系統(tǒng)的各物理對

3、象建模，指的是首先對系統(tǒng)的各物理對象建模，也就是將系統(tǒng)的各組成部分在計算機中用適當?shù)哪Ｐ捅磉_出來，也就是將系統(tǒng)的各組成部分在計算機中用適當?shù)哪Ｐ捅磉_出來，這種計算機中表達的這種計算機中表達的物理模型物理模型必須易于必須易于轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為為數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述(容易容易轉(zhuǎn)化為計算機可執(zhí)行的計算機碼轉(zhuǎn)化為計算機可執(zhí)行的計算機碼)，以實現(xiàn)物理模型的仿真計，以實現(xiàn)物理模型的仿真計算，然后借用軟件接口實現(xiàn)各模型之間的聯(lián)合仿真。算，然后借用軟件接口實現(xiàn)各模型之間的聯(lián)合仿真。 使用使用MSC.ADAMS仿真軟件，機械工程師和控制工程師仿真軟件，機械工程師和控制工程師可以共享同一個樣機模型，進行設(shè)計、調(diào)試和試驗?？梢?/p>

4、利可以共享同一個樣機模型，進行設(shè)計、調(diào)試和試驗?？梢岳锰摂M樣機對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行反復(fù)的聯(lián)合調(diào)試，直用虛擬樣機對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行反復(fù)的聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設(shè)計效果，然后進行物理樣機的建造和調(diào)試。到獲得滿意的設(shè)計效果，然后進行物理樣機的建造和調(diào)試。下圖說明了這個過程下圖說明了這個過程。 ADMAS/Control工具欄與Simulink簡介 ADAMS/Controls模塊和模塊和Simulink的聯(lián)合仿真為機械和控制的聯(lián)合仿真為機械和控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種全新的優(yōu)化設(shè)計全新的優(yōu)化設(shè)計平臺。平臺。 引言引言 ADAMS /Controls是ADAMS

5、其他模塊如ADAMS/ View, Car, solver等的插件模塊中的一個模塊，它可以為建立的模型添加控制系統(tǒng)。通過ADAMS/Controls 模塊，將機械系統(tǒng)仿真分析工具同控制設(shè)計仿真軟件MATLAB,EASY5，MATRIX等有機地連接起來，可以實現(xiàn)以下功能。 （1） 將復(fù)雜的控制系統(tǒng)添加到機械系統(tǒng)模型中，然后對機電一體化進行聯(lián)合分析。 （2） 直接利用ADAMS程序創(chuàng)建控制系統(tǒng)分析中的機械系統(tǒng)仿真模型，而不需要使用數(shù)學(xué)公式建模。 （3） 在ADAMS環(huán)境或控制應(yīng)用程序環(huán)境獲得機電聯(lián)合仿真結(jié)果。一、ADAMS /Controls模塊 ADAMS/Controls ADAMS/Cont

6、rols 的設(shè)計流程的設(shè)計流程 確定確定ADAMSADAMS的輸入和輸出變量，生成對象的輸入和輸出變量，生成對象/ /過程模型過程模型建立控制系統(tǒng)模塊建立控制系統(tǒng)模塊模型的仿真模型的仿真建立機械系統(tǒng)的建立機械系統(tǒng)的ADAMSADAMS模型模型 機電產(chǎn)品組成的機電產(chǎn)品組成的多域性多域性，決定了機電產(chǎn)品的仿真環(huán)境，決定了機電產(chǎn)品的仿真環(huán)境的的多功能性多功能性，即不但能仿真機械系統(tǒng)，而且能融合控制，即不但能仿真機械系統(tǒng)，而且能融合控制系統(tǒng)的仿真。系統(tǒng)的仿真。 Matlab 軟件具有強大的軟件具有強大的數(shù)值計算能力數(shù)值計算能力，它的，它的 Simulink 環(huán)境可以進行控制系統(tǒng)建模與仿真，而且與環(huán)境可

7、以進行控制系統(tǒng)建模與仿真，而且與MSC. ADAMS 的接口也比較完善。的接口也比較完善。 MATLAB是是MathWorks公司開發(fā)的軟件，具有很多工公司開發(fā)的軟件，具有很多工具箱，其中具箱，其中Simulink工具箱，可以應(yīng)用于對動態(tài)系統(tǒng)進工具箱，可以應(yīng)用于對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真和分析行仿真和分析,他可以處理的系統(tǒng)包括：他可以處理的系統(tǒng)包括： 1、 線性、非線性系統(tǒng)；線性、非線性系統(tǒng)； 2、 離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)； 3、 單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng) 二、二、 MATLAB/Simulink工具箱工具箱 雷達機構(gòu)的機電聯(lián)合仿真 以以雷達天線雷達天線

8、為研究對象，針對為研究對象，針對天線的天線的方位角控制方位角控制問題在問題在ADAMS和和Simulink的基礎(chǔ)上進行了機電一體化的基礎(chǔ)上進行了機電一體化仿真研究。仿真研究。構(gòu)造ADAMS機械系統(tǒng)樣機模型控制系統(tǒng)建模機電系統(tǒng)仿真分析雷達機構(gòu)的機電聯(lián)合仿真步驟雷達機構(gòu)的機電聯(lián)合仿真步驟確定ADAMS輸入和輸出構(gòu)造ADAMS機械系統(tǒng)樣機模型雷雷達達天天線線機械系機械系統(tǒng)樣統(tǒng)樣機模型機模型1熟悉模型1、方向旋轉(zhuǎn)馬達：馬達通過、方向旋轉(zhuǎn)馬達：馬達通過旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副同同地面基礎(chǔ)框架地面基礎(chǔ)框架連接連接2、方向減速齒輪：該齒輪通過、方向減速齒輪：該齒輪通過旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副同同地面基礎(chǔ)框架地面基礎(chǔ)框架連接連接3、

9、方向圓盤：通過、方向圓盤：通過旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副同同地面基礎(chǔ)框架地面基礎(chǔ)框架連接連接4、天線支撐桿：用一個、天線支撐桿：用一個固定副固定副將天線支撐桿同將天線支撐桿同方向圓盤方向圓盤相連接相連接5、仰角軸承：使用一個、仰角軸承：使用一個固定副固定副將仰角軸承同將仰角軸承同天線支撐桿天線支撐桿相連接相連接6、天線：天線通過、天線：天線通過旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)副同同仰角軸承仰角軸承連接連接MSC.ADAMSMSC.ADAMS模型的導(dǎo)入模型的導(dǎo)入1 1、打開、打開ADAMSADAMS。2 2、選擇文件輸入。、選擇文件輸入。3 3、選擇模型所在目錄，、選擇模型所在目錄， OKOK。4 4、在文件輸入窗口，擊右鍵，選、

10、在文件輸入窗口，擊右鍵，選擇擇“BrowseBrowse”，并選擇文件：并選擇文件：antenna.cmdantenna.cmd。樣機模型試運行 選擇靜態(tài)分析工具，確定作用力的平衡位置，以及雷達天線的靜態(tài)平衡位置設(shè)置時間和步長確定ADAMS輸入和輸出ADAMS機械機械系統(tǒng)系統(tǒng)Simulink控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)輸入=control_torque輸出=azimuth_position和rotor_velocity雷達天線的輸入和輸雷達天線的輸入和輸出出 在在 MSC. ADAMS 環(huán)境中定義雷達天線系統(tǒng)動力學(xué)模型的輸環(huán)境中定義雷達天線系統(tǒng)動力學(xué)模型的輸入和輸出變量，以在入和輸出變量，以在 MSC.

11、ADAMS 與與 Simulink 控制系統(tǒng)之間控制系統(tǒng)之間形成形成閉環(huán)回路閉環(huán)回路。 控制系統(tǒng)輸出控制系統(tǒng)輸入天線仰角的方位角變量天線仰角的方位角變量馬達轉(zhuǎn)速變量馬達轉(zhuǎn)速變量調(diào)用調(diào)用control模塊模塊控制力矩對話框控制力矩對話框確定輸入函數(shù)確定輸入函數(shù)確定輸出變量確定輸出變量 Adams和Simulink聯(lián)合仿真時, 路徑是很關(guān)鍵的，要設(shè)置二者有相同的工作目錄。 在建立adams與matlab的連接時，要導(dǎo)出adams模型，點擊controls/plant export命令，創(chuàng)建輸入輸出變量，并生成三個文件。定義定義ADAMS/Control模塊的輸入輸出變量模塊的輸入輸出變量定義輸入輸

12、出變量 完成以上過程，構(gòu)建的模型已經(jīng)成功的轉(zhuǎn)為完成以上過程，構(gòu)建的模型已經(jīng)成功的轉(zhuǎn)為MATLABMATLAB可以讀取的形式，可以讀取的形式，包括包括: :文件名文件名.adm .adm （ .adm文件為數(shù)據(jù)文件）文件名文件名.cmd .cmd （ .cmd文件為命令文件）文件名文件名.m .m （ .m文件保存輸入輸出信息）控制系統(tǒng)建模 本案例中采用本案例中采用PID算算法法（ PID是比例是比例(P)、積分、積分(I)、微分、微分(D)控制算法）控制算法）對對雷達天線的方位角進行控雷達天線的方位角進行控制。制。 控制系統(tǒng)建模的目的控制系統(tǒng)建模的目的是建立一個機械和控制一是建立一個機械和控制

13、一體化的樣機模型框圖中添加控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系體化的樣機模型框圖中添加控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模。統(tǒng)的建模。在MATLAB中輸入”adams_sys”會產(chǎn)生如下的窗口接口文件的調(diào)用接口文件的調(diào)用S-Function: 實現(xiàn)非線性MSC.ADAMS 模型的State-Space 是線性化的MSC.ADAMS的模型。控制系統(tǒng)建模操作控制系統(tǒng)建模操作Adams_sub模塊子系統(tǒng)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)構(gòu)建控制系統(tǒng)圖構(gòu)建控制系統(tǒng)圖 ADAMS接收來自Matlab的控制輸入信息，產(chǎn)生相應(yīng)的運動。同時，向Matlab的控制系統(tǒng)提供天線仰角的方位角azimuth_position和馬達轉(zhuǎn)速rotor_ve

14、locity的實時值。通過這種方式，機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。輸出文件my test動態(tài)顯示動態(tài)顯示機電系統(tǒng)仿真分析 所創(chuàng)建的機電聯(lián)合仿真模型在Simulink 環(huán)境下進行仿真，采用RungeKutta (龍格庫塔法)方法，仿真時間為 0.25s，步長為 0.001s，允許誤差使用默認值. 1） 在Simulink工具菜單欄，選擇Simulation菜單。 2） 在彈出的下一層菜單中，選擇Parameteres，顯示參數(shù)設(shè)置對話框。 3） 設(shè)置仿真時間，在Start Time欄，輸入0.0，設(shè)置開始時間。在End Time欄，輸入0.25，設(shè)置結(jié)束時間。 4） 在仿真類型的第一個選擇欄，

15、選擇variable step mode參數(shù)。第二個選擇欄，選擇ode45s參數(shù)。 5） 對于其他各項參數(shù)，取默認值。 6） 選擇OK按鈕，關(guān)閉Matlab仿真參數(shù)設(shè)置對話框。 仿真仿真 執(zhí)行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析執(zhí)行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析 設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)天線仰角方位角天線仰角方位角馬達速度馬達速度輸出聯(lián)合仿真結(jié)果輸出聯(lián)合仿真結(jié)果 完成仿真分析以后，完成仿真分析以后，ADAMS/View自自動關(guān)閉，打開控制系統(tǒng)輸出示波器，顯示動關(guān)閉，打開控制系統(tǒng)輸出示波器，顯示仿真結(jié)果。仿真結(jié)果。ADAMS后處理后處理 將仿真結(jié)果文將仿真結(jié)果文件件“my test”導(dǎo)導(dǎo)入入ADAMS 后處理后處理模塊，重新生成曲模塊，重新生成曲線。線。天線仰角方位角天線仰角方位角馬達速度馬達速度 總結(jié)及參考文獻結(jié)束語結(jié)束語 本研究實現(xiàn)了用虛擬樣機參與數(shù)學(xué)仿真的方法。首先，使用 ADAMS 和 SIMULINK 建立雷達天線的機械模型和控制模型，然后驗證了模型的正確性，最終將雷達天線虛擬樣機應(yīng)用到天線控制系統(tǒng)仿真中，實現(xiàn)了天線控制過程的數(shù)學(xué)閉環(huán)仿真。結(jié)果表明仿真模型具有較好的實用性。 參考文獻1.魏玉東, 滾筒洗衣機動態(tài)性能研究D, 2008, 天津大學(xué).2.黎海青，郭百巍，徐紅.基于ADAMS與SIMULINK的舵機虛擬樣機建模和仿真J. 系統(tǒng) 仿真學(xué)報3.任遠與白廣忱, 基于ADA