機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真ch1

機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真ch1第一頁(yè)，共25頁(yè)。機(jī)電一體化系統(tǒng)與人體的對(duì)比機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)：機(jī)械、計(jì)算機(jī)及信息處理、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感與檢測(cè)、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)第二頁(yè)，共25頁(yè)。機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)提高精度；增強(qiáng)功能；提高生產(chǎn)效率，降低成本；節(jié)約能源、降低能耗；提高安全性、可靠性；改善操作性和使用性；減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量；降低成本；增強(qiáng)柔性；第三頁(yè)，共25頁(yè)。典型的機(jī)電系統(tǒng)：工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)；

基本的機(jī)電控制問(wèn)題——

位置和速度的動(dòng)態(tài)控制第四頁(yè)，共25頁(yè)。典型的機(jī)電系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床；點(diǎn)位

控制、直線運(yùn)動(dòng)

控制、連續(xù)路徑

(輪廓)控制第五頁(yè)，共25頁(yè)。典型機(jī)電系統(tǒng)：自動(dòng)化制造單元；順序控制問(wèn)題第六頁(yè)，共25頁(yè)。典型機(jī)電系統(tǒng)：柔性制造單元；具有生產(chǎn)規(guī)劃和調(diào)度能力第七頁(yè)，共25頁(yè)。典型機(jī)電系統(tǒng)：無(wú)人工廠第八頁(yè)，共25頁(yè)。1.2建模及仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中的作用1.2.1機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線擬定目標(biāo)及初步技術(shù)規(guī)范、可行性分析、初步設(shè)計(jì)（總體方案設(shè)計(jì)）、總體方案的評(píng)價(jià)與評(píng)審、理論分析（建模、仿真、模擬試驗(yàn)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（樣機(jī)設(shè)計(jì)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與評(píng)審、試制樣機(jī)、樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試、技術(shù)鑒定第九頁(yè)，共25頁(yè)。理論分析的主要目的：通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真分析等方法來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；確定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)；設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并分析系統(tǒng)的控制性能、對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行模擬和檢驗(yàn)；為系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免設(shè)計(jì)的盲目性，確保系統(tǒng)的研發(fā)質(zhì)量。第十頁(yè)，共25頁(yè)。1.2.2仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用仿真的定義仿真是利用物理或數(shù)學(xué)模型來(lái)類(lèi)比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求過(guò)程和規(guī)律。它的基礎(chǔ)是相似現(xiàn)象，即幾何相似性和物理相似性。第十一頁(yè)，共25頁(yè)。仿真的類(lèi)型：物理仿真——基于物理模型的仿真數(shù)學(xué)仿真——基于數(shù)學(xué)模型的仿真半物理仿真——一部分?jǐn)?shù)學(xué)模型、一部分物理模型第十二頁(yè)，共25頁(yè)。關(guān)于數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的目的和作用：在系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)階段或投入制造之前對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，這種預(yù)測(cè)以數(shù)值模擬或稱(chēng)仿真的方式進(jìn)行，其依據(jù)是基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述，也就是數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)工具。建立模型的途徑：數(shù)理方法、試驗(yàn)建模、假設(shè)檢驗(yàn)數(shù)理方法：分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，定義系統(tǒng)變量→將物理定律應(yīng)用于系統(tǒng)各組成元件，并進(jìn)行綜合得到描述輸入-輸出關(guān)系的（微分）方程式→模型驗(yàn)證（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）第十三頁(yè)，共25頁(yè)。半物理仿真之硬件在回路仿真半物理仿真之軟件在回路仿真半物理仿真之人在回路仿真第十四頁(yè)，共25頁(yè)。機(jī)電系統(tǒng)仿真的任務(wù)：在理論分析階段通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬來(lái)分析和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和合理性。在樣機(jī)制作階段和試驗(yàn)階段，檢驗(yàn)控制模型的優(yōu)劣。

對(duì)于仿真的要求：簡(jiǎn)單性與精確性的矛盾，分析成本與模型有效性的矛盾；數(shù)學(xué)模型是對(duì)于實(shí)際物理系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)描述，而非物理系統(tǒng)本身，重要的是數(shù)學(xué)模型要能夠滿足設(shè)計(jì)需要。第十五頁(yè)，共25頁(yè)。機(jī)電系統(tǒng)仿真的具體內(nèi)容：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真；測(cè)試及信號(hào)處理系統(tǒng)的仿真，包括對(duì)傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng)性能的仿真和測(cè)試方案對(duì)系統(tǒng)性能影響的仿真分析；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真，主要是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性仿真；控制系統(tǒng)仿真，包括控制器設(shè)計(jì)和控制性能仿真；系統(tǒng)綜合性能仿真。第十六頁(yè)，共25頁(yè)。建立模型的途徑：

對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)清楚的系統(tǒng)（白箱），可以利用已知的基本規(guī)律，推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚或不是很清楚的系統(tǒng)（黑箱），如果允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性觀測(cè)，可以先猜想系統(tǒng)的模型，然后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)模型進(jìn)行修正。對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚或不是很清楚，但又不允許直接試驗(yàn)觀測(cè)的系統(tǒng)，則可以通過(guò)數(shù)據(jù)收集和歸納統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)假設(shè)模型。第十七頁(yè)，共25頁(yè)。

機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件包括：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(CAD)計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件(CAE)虛擬樣機(jī)技術(shù)(VPT)科學(xué)計(jì)算與控制軟件(SC)第十八頁(yè)，共25頁(yè)。

機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件包括：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(CAD)實(shí)現(xiàn)工程圖繪制(AutoCAD)和3D建模（PRO/E、UG、solidworks、Inventer、I-DEAS）計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件(CAE)主要應(yīng)用有限元分析法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等方面的分析軟件（ANSYS、PATRAN）虛擬樣機(jī)技術(shù)(VPT)CAE的分支，但它是在系統(tǒng)層面，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析計(jì)算。（ADAMS、SimPACK）科學(xué)計(jì)算與控制軟件(SC)數(shù)學(xué)求解及信號(hào)處理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真。（Matlab、Matrix-X、Maple）第十九頁(yè)，共25頁(yè)。1.3機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件Pro/Engineer：零件三維模型、機(jī)械裝配，同時(shí)配備有有限元和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊ANSYS：基于有限元方法的力學(xué)分析ADAMS：AutomaticDynamicAnalysisofMec-hanicalSystem機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析MATLAB：MatrixLaboratory第二十頁(yè)，共25頁(yè)。Pro/Engineer：零件三維模型、機(jī)械裝配，同時(shí)配備有有限元和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊具體：運(yùn)動(dòng)輸入；關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析；靜力學(xué)分析；機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析；設(shè)計(jì)位置和裝配位置；多種形式輸出；預(yù)測(cè)工程和工程判斷準(zhǔn)則。第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。ANSYS軟件：結(jié)構(gòu)靜力分析；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)非線性分析；動(dòng)力學(xué)分析；熱分析；電磁場(chǎng)分析；流體動(dòng)力學(xué)分析；聲場(chǎng)分析；壓電分析第二十二頁(yè)，共25頁(yè)。ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件：是目前世界上最有權(quán)威、使用最廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件?？勺詣?dòng)生成包括機(jī)-電-液在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能夠?yàn)橛脩籼峁漠a(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)，到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果和強(qiáng)大的圖形動(dòng)畫(huà)顯示能力。可方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。第二十三頁(yè)，共25頁(yè)。軟件協(xié)作仿真技術(shù)前面各種軟件都是某方向的專(zhuān)用軟件，共同特點(diǎn)是某一方面的功能強(qiáng)大，其他方面遜色。如ADAMS在靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)功能非常強(qiáng)，而在三維建模、有限元分析、科學(xué)計(jì)算與控制方面相對(duì)遜色。MATLAB在科學(xué)