基于20-sim软件的三维动画研究

西北师范大学 物理与电子工程学院毕 业 论 文 题 目：基于20-sim软件的三维动画研究学 院：物理与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 毕业年限： 2009届 学生姓名： 王留丹 学 号： 200572020230 指导教师： 摆玉龙 基于20-sim软件的三维动画研究学生姓名：王留丹 指导老师：摆玉龙学生届别：2009届 专业：电子信息工程 班级：电子（2）班 学号：200572020230摘要本文通过对机电一体化设计软件20-sim的学习，首先简要介绍了荷兰Twente大学控制工程系研发的20-sim的功能和特点，并以20-sim三维动画制作为主要学习研究对象，深入理解，分析其实例仿真结果，与其他软件（AutoCAD）具体说明进行比较，进一步研究，突出其特点，最后以ComplexRobot动态特性仿真实例说明了20-sim软件为控制系统的建模与仿真提供了新的思路。关键词：20-sim 三维动画 建模与仿真AbstractIn this thesis，a brief introduction of the Netherlands Twente University of Control Engineering is given，Mechatronics R & D design software 20-sim of the functions and features，and 20-sim animation three-dimensional object as the main study，a comparison with other software，highlighting its characteristics，and finally dynamic simulation to ComplexRobot illustrated 20-sim software for control system modeling and simulation to provide a new way of thinking。Key words: 20-sim Three-dimensional animation Modeling and Simulation目录第一章引言4第二章20-sim软件的功能和特点5第三章20-sim的工作环境6第四章20-sim的模型输入84.1 方程组模型输入方式84.2 其他建模方式104.2.1键合图114.2.2图标式原理图124.2.3信号124.2.4状态空间134.2.5系统13第五章20-sim三维动画介绍155.1 20-sim三维动画的基本介绍155.2 20-sim三维动画的操作过程和特点15第六章20-sim与Auto-CAD软件间的比较256.1 AUTO-CAD软件介绍256.2 20-sim软件和AutoCAD软件综述28第七章 仿真实例29第八章 结论35第九章 致谢36第十章 参考文献37第一章 引言如今科学技术迅猛发展，对电子产品的实用性和效率性的要求也逐渐提高，所以在核心的技术中有一个很好的控制系统就显得很重要，而在控制系统中就需要好的反馈系统，于是一个能满足需要的模拟软件是必须的，下面我就20-sim这个模拟与仿真软件进行了详细的研究与设计运用，并主要以20-sim软件的3D功能进行介绍。20-sim是一种可以运行在Windows和Sun-Unix操作系统下的一体化建模仿真平台。建模的平台是一种通用键合图自动仿真软件 20-sim。20-sim 是由荷兰的 Twente 大学的控制实验室所开发的一个主要面向机电系统设计的一体化建模仿真平台，其前身是TUTSIM。20-sim提供了一个交互式的、面向对象的建模、仿真平台，除了允许以键合图的形式输入模型之外，还支持以电路系统及机械系统图标方式直接建模. 在仿真器中可以设置子模型的实际参数、选择绘图变量、选择积分方法、设定仿真初始条件和仿真运行方式等，给出直观清晰的仿真结果.除此外，20-sim还支持方块图、图标、方程形式的建模。其方程是用内建的SIDOPS+ 仿真语言表示。用户可以用上述 4 种方式之一或其混合形式来表示模型。用所见即所得的方式把定义好的模型从模型库拖放到模型图形编辑器中，即可建立起系统模型。20-sim拥有一个门类齐全的模型库，提供了大量预先定义好的模型，分为键合图、图标、信号和系统四个部分。这些模型可以作为建立新系统的子模型，用户可以在库中不断地定义新的子模型来增加系统的功能。本文将介绍20-sim的功能、特点和使用，重点是介绍其软件在动画方面为控制系统的建模与仿真提供了极大的方便。第二章20-sim软件的功能和特点20-sim是运行在Windows95/98/NT平台上的面向对象的建模和仿真软件包。它能对电气系统、机械系统、液压系统以及它们的混合系统进行仿真。1. 图形建模：通过鼠标的拖拽将子模型组合成大的模型；2. 多层建模：20-sim允许无限制的子模型嵌套；3. 支持多种建模形式：20-sim支持图标图形、方块图、键合图和方程组等建模方式；4. 20-sim提供了6种先进的积分算法来保证仿真的精确性和快速性；5. 20-sim支持线性、非线性、连续、离散系统以及各种混合系统；6. 内嵌编译器使得仿真速度更快；7. 3D动画功能：仿真结果能通过动画的形式输出；8. 20-sim能将自己生成的模型转化成C代码输出，便于和别的程序接口；9. 20-sim能将自己生成的模型转化成S-Functions,便于和Matlab接口。第三章20-sim的工作环境20-sim不仅可以在2D环境下工作，还可以在3D环境下工作，即可以进行动画设计。下图为20-sim在2D环境下的工作环境： 图3.1.1 图3.1.2 20-sim编辑窗口一 图3.1.3 20-sim编辑窗口二第四章20-sim的模型输入模型的最低层次是元件子模型。20-sim的模型库中提供了大量预先定义好的子模型,形成可重用的模型库,这些子模型可以作为建立新模型的构件。用户可以在库中不断地增加新的子模型来增加系统的功能。模型输入方式：下图为一个简单的由弹簧、阻尼和质量组成的悬挂系统。图4.1建模实例由图4.1我们可以得到系统的描述方程组：Fm = - mg - Fs - FdV = 1/mFm dtFs = K x = K vdtFd = f v4.1 方程组模型输入方式 20-sim提供了一种叫做SIDOPS+的特殊语言来书写方程。这种语言和数学方程的形式非常相似而且很容易掌握。SIDOPS+语言有它完整的规范，包括100多个保留字、数据类型定义、操作符、流程控制、常用函数和特殊函数。特别是一些与仿真有关的函数是非常高效的，往往是用通用算法语言需要大段程序才能完成的功能。如积分函数，它提供的原型是：int(expressioninitial)其中expression为需要积分的表达式，initial为积分初值。需要特别指出的是SIDOPS+表达式中的基本单元是向量和矩阵，单个数值看作元素为1的矩阵。这一点跟Matlab语言是一致的，而与常规算法语言是不同的，这也决定了用SIDOPS+语言书写模型的巨大优势。方程模型，是最低水平的模型层次（子），它适合进入各种线性和非线性方程组。下面是20-sim书写的图4.1所示系统的方程式模型：ParametersReal m = 1; /massReal g = 9.8; /gravityReal K = 1; /spring constantReal f = 1; /friction parameterVariablesReal v; /velocityReal interesting x; /positionReal Fm; /net-force applied to the massReal Fs; /spring forceReal Fd; /damper forceEquationsFm = - m * g Fs Fd;V = (1/m) * int(Fm,0);X = int(v,0);Fs = K * x;Fd = f * v4.2 其他建模方式20-sim除了作为基础的方程式建模方式以外，还有键合图、方块图、图标图形、状态空间等方式，对于一个实际的系统，用单一的一种方式往往是不够的。往往需要综合应用多种建模方法。下面分别介绍各种建模方式。20-sim强大的功能是建立在它精心编制的子模型库的基础之上的。如图4.2.1所示，20-sim的子模型库是用Windows Explorer以按功能分层的文件夹管理的，双击鼠标可以展开文件夹直至找到最终的子模块。用鼠标托至图形编辑区即可。20-sim的顶级模块分为5类：图4.2.1模块库4.2.1键合图键合图模型可单机（主要模式） ，或形成一个子。键合图模型，适合相当理想的物理模拟系统，因为它们表现出一个明确的相似性与组件的物理系统。键合图是一种基于功率流图形化表达的系统动力学仿真方法。 它借助能量守衡原理统一描述各种能量域中的能量变换之间的关系。 键合图理论将描述系统的各种物理参量统一地归纳成四种广义变量:势变量（e）、流变量（f）、变位变量（q）、动量变量（p）。其中势、流为功率变量，变位变量及动量变量为能量变量。这四种动态变量高度概括了各种能量域内普遍存在的物理量，在具体的能量域内（如：机械能、电能、热能、光能等）必然存在相应的物理量与这四种动态变量相对应。 图4.2.2状态四边形能用键合图建模是本软件的特色，也最为成熟。键合图模块组下共包括46种基本的键合图子模块，用这些子模块可以构造出用键合图描述的系统模型。用键合图建模时，你不用自己考虑因果关系，系统会自动判别。下图为键合图的一个模型实例。图4.2.3键合图模型4.2.2图标式原理图图标模型，可以独立（主要模式） ，或形成一个子。标志图表模型，适合相当理想的物理模拟系统。用图标式子模块建模是20-sim的一大特色，它允许用户直接从库中拖出实际系统中应用的元件的图标，连接构成系统模型。如从液压库中拖出液压缸、单向阀等直接构成系统。这种建模方法非常直观。实际上，这些图标的背后往往是用方程或者键合图组合而成。遗憾的是，目前所涉及的系统还不全（不包含气动系统），而且库中的模块还很不完整，无法单纯用它构造完整的模型。但它确实提供了一中方便的接口，也为用户的二次开发提供了途径。4.2.3信号与键合图组不同，在本组中提供的模块为信号模块，而非功率模块。本组中包括的模块是最多的，分类也比较细。包括线性块、非线性块、连续控制器块、离散控制器块、逻辑功能块、信号源块等。用方块图表示的图4.1系统模型见图4.2.3图中由1个信号块、1个衰减块、2个积分块和2个增益块组成。双击这些块，可以输入或者修改参数。信号流图，是一种表示线性方程组中变量间关系的一种图示法。当将信号流图法应用于控制系统时，首先必须将线性微分方程变换为以s为变量的代数方程。信号流图是由网络组成的，网络中各节点用定向支线段连接。每一个节点表示一个系统变量，而每两节点之间的联结支路相当于信号乘法器。应当指出，信号只能单向流通。信号流的方向由支路上的箭头表示，而乘法因子则标在支路线上。1/kKK kk+-图4.2.4方块图4.2.4状态空间状态空间模块组是提供一些比较新的建模方法，但是，这些模块还不是很完善，公司也还处于进一步开发中。分析这些模块，对于深入理解现代控制理论很有帮助。4.2.5系统系统模块组中存有23个特殊的模块，它们的主要作用是连接用不同描述形式表示的模型。比如连接用键合图与方块图组成的混合模型。系统方块图，是系统中每个元件的功能和信号流号的图解表示。方块图表明了系统中各种元件间的相互关系。方块图优于纯抽象的数学表达式，因为它能够清楚地表明实际系统中的信号流动情况。前面提到信号流与功率流是不同的概念。连接功率口和信号口，就要用到本组中提供的势传感器或者流传感器。具体来说，系统组中提供的模块有以下一些功能：提供不同类型系统的连接通口（电气系统、机械系统、液压系统、气动系统、磁系统、热系统）；从功率口提取信号（势传感、流传感器等）；功率流的汇集与分流；信号流的合成与分解。灵活应用这些模块，将为模型的建立与简化提供方便。第五章20-sim三维动画介绍5.1 20-sim三维动画的基本介绍20-sim除了提供一般软件都具有的仿真曲线的动态输出以外，还提供了以三维动画形式输出仿真结果的方法。通过这种方式，使得仿真结果更加可视化，下面介绍20-sim的三维动画技术。20-sim的三维动画是建立在微软的Direct3D技术之上的，因此，它会自动使用计算机所具备的三维硬件特性，计算机的图像处理能力越强，20-sim的动画效果越好。20-sim提供了一个3D Animation窗口进行动画设计。在此窗口中，可以通过键盘的方向键和功能键方便地移动、缩放、旋转动画实体。双击此窗口可以打开一个三维属性窗口，在它提供的对象树中编辑动画实体。20-sim所谓的对象概念广泛，包括光源（为动画实体照明）、照相机（照相机的视角范围即为动画显示范围）、基本形体（如线段、长方体、球体、锥体、柱体等）。利用这些基本形体可以构造比较复杂的动画画面。各种基本形体分别有各自的属性，动画的实现主要就是靠将动态数据赋给形体的属性，从而改变形体的位置，形状，颜色等。5.2 20-sim三维动画的操作过程和特点1）从工具菜单中选择工具箱的动画和三维动画命令。图5.2.1三维动画启动窗口2）在启动窗口上单击鼠标右键在弹出菜单上选择3D性能图5.2.2三维动画属性窗口三维动画属性窗口显示一些默认对象中的对象树在窗口左侧(如上图所示)： （1）参照系：顶端参照系。所有对象的定义都是对这一框架。（2）默认灯光和相机：默认灯光和相机的定义都对这一框架（同样的位置和方向）的顶端参照系。根据两个灯和五台照相机的标准可以启动一个新的动画，可以删除或修改这些灯和照相机或添加新灯光和相机。所有的物体在三维动画是指对默认灯光和相机框架。这帧恰逢顶端参照系。当启动了一个三维动画五台相机可显示几种意见来源这一框架。 两个摄像头，显示默认的灯光和相机内的某个位置的x = 5 ，为Y = 5和Z = 10 。该相机指出，起源中心的框架，相机将会继续保持原来的位置，透视相机不需要看来源，但仍保留其原有的方向，其立场将发生变化。图1（3）景观：景观框架（同样的位置和方向）的顶端参照系。可以添加自己物体的景观框架。3）添加对象当相机处在一个很好的位置的时候，很容易添加对象。（1）从工具菜单中选择的三维动画命令，现在我们有了一个新的默认相机。 打开三维动画属性窗口， 在三维动画属性窗口中，从对象选择树框架，从菜单中选择编辑，插入对象和球形.（2）改变球的属性 Color Scaling ValuesRed = 1.0 X = 0.5Green = 0.0 Y = 0.5Blue = 0.0 Z = 0.5（3）关闭属性窗口，并设置的位置和方向等于： Position Orientation (Bryant)X-position = Sineoutput X = 0.0Y-position = 0.0 Y = 0.0Z-position = 0.0 Z = 0.0（4）关闭三维动画属性窗口并返回到20-sim仿真器。选择Run,从仿真菜单将会看到移动领域.图2移动领域沿X -轴（5）打开三维动画属性窗口（双击鼠标在动画窗口）和选择的对象树的风景画面。从菜单中选择编辑，插入对象和立方体。从对象树中选择立方体，并改变其属性。 Color Scaling Values Position Orientation (Bryant)Red = 0.0 X = 0.5 X-position = 0.0 X = 0.0Green = 1.0 Y = 0.5 Y-position = 2.0 Y = 0.0Blue = 0.0 Z = 0.5 Z-position = -0.25 Z = Triangleoutput像现在的立方体添加一条线，设置线条粗细为0.1 ，圆圈元素为15并且改变其属性：Color Start Position End PositionRed = 1.0 X-position = 0.0 X = SineoutputGreen = 1.0 Y-position = 1.0 Y = 1.0Blue = 1.0 Z-position = 0.0 Z = Cosineoutput添加物体后如下图：图3三个移动的物体4）添加对象三维动画的所有的物体都可以由顶端参照系来界定。物体移动相对顶端参考框架，但有一个固定的位置和方向。通过改变参考框架的属性值，可又下图的效果： 图45）一般性质（1）开关相机在三维动画属性窗口选择地球参考框架，并插入一个相机对象。转到LookAt属性选项卡，并停用启用LookAt立场。关闭相机属性窗口，点击OK按钮。改变相机名称进入地球相机并改变其属性，如下：Position Orientation (Bryant)X-position = 0.0 X = 0.0Y-position = 0.0 Y = SineargZ-position = 0.0 Z = 0.0运行仿真，将会看到月亮跟踪地球的场景。 点鼠标进入三维动画窗口和鼠标右键菜单中选择回放实时:图5重放仿真点击播放按钮。尝试相机间的转换，点击下一步相机按钮（2）背景颜色在三维动画属性窗口中，从菜单中选择属性和一般属性。 把背景颜色改为白色并运行仿真（3）渲染20-sim支持几种形式渲染：线框，亮灯平面，平面和高洛德。使用线框渲染，使物体的所有面有很多线连接起来。下面例子显示，用丝框架来模拟茶壶。线框渲染是成本最少的计算形式的渲染。图1使用亮灯平面着色，对象的所有面显示都是使用相同的颜色。下面的例子显示，茶壶提供亮灯平面与遮荫。亮灯的平面着色是最便宜的计算形式的阴影。 图2使用平面着色，每一个物体的每一面灯光效果是统一。下面的例子显示，茶壶使平板阴影。物体上的每一个多边形是清晰可见的。 图3下面的例子表明高洛德着色使物体的表面出现弯曲和顺滑。 图4第六章20-sim与Auto-CAD软件间的比较6.1 AUTO-CAD软件介绍AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD可以绘制任意二维和三维图形，并且同传统的手工绘图相比，用AutoCAD绘图速度更快、精度更高、而且便于个性，它已经在航空航天、造船、建筑、机械、电子、化工、美工、轻纺等很多领域得到了广泛应用，并取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。 图6.1.1AutoCAD的用户界面 AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320200到20481024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD普及创造了条件。AutoCAD主要特点和优点： 1. AutoCAD更趋于Windows的风格； 2. 既可以交互式绘图，也可以实现自动绘图(编程方式)； 3. 具有开放的体系结构，易于二次开发； 4. 可通过标准的或专用的数据格式与其他CAD/CAM系统进行数据交换； 5. 新增了多个辅助设计工具； 6. 增强了三维绘图、实体造型和显示功能； 7. 网络功能强大。图6.1.2锁钩二维图图6.1.3连接头模型立体图图6.1.4轴承座立体模型6.2 20-sim软件和AutoCAD软件综述通过上述研究，我们可以得出结论：基于对20-sim和AutoCAD的系统分析和认真研究，二者各有其优缺点，且各个软件所适用的范围也有所不同。AutoCAD软件既可以用于二维设计又可以用于各种三维设计，但是20-sim软件引进了新的设计方式，如键合图、图标式原理图等。为更加方便的分析控制理论等工程提供了捷径，其动画分析和仿真功能更是其突出的一个优点，是分析控制工程等方向的理想软件。第七章 仿真实例下面以ComplexRobot动态特性仿真实例来说明20-sim软件在控制系统的建模与仿真方面的作用。图是ComplexRobot在20-sim 3D Animation环境中设计的效果图。1.本例子描述了集装箱起重机的起升机构，用来设计先进的悬挂控制器。启动Crane.exp，可以看到一个三维动画的起重机，起重机模型是一个复杂的模型，从仿真菜单选择Brute Force命令，当运行完成后，结果将显示在绘图窗口。选择仿真菜单中的重播-三维动画命令，则动画将会显示在实时，即帧不能计算在特定时间，将跳过。图7.1三维动画的起重机2.启动仿真器,看到一个三维动画的机器,运行过程与例1一样。图7.2.1Wafer Stage 三维动画动画将会显示在实时，即帧，不能在特定的时间进行计算，将跳过主图显示了Chuck相对于基座的位置，下图是Wafer