机械系统建模与仿真2hao

1、机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 主讲主讲 何亚银何亚银 2013.11.26 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 1. 课程目的 2. 机械系统建模与仿真基础知识 3. ADAMS软件操作初步 4. 虚拟样机几何建模 5. 约束机构 6. 施加载荷 7. ADAMS/View建模的相关技术 8. 样机仿真分析及调试 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 9. 仿真结果后处理 10.参数化建模与设计 11.样机的参数化分析 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 数学模型的定义数学模型的定义 数

2、学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一 个抽象的、简化的结构。个抽象的、简化的结构。 具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及 其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、 框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达 式。式。 数学模型的分类数学模型的分类 按照数学模型研究变量的特性按照数学模型研究变量的特性可以分为连续模型和离散模可以分为连续模型和离散模 型。线

3、性模型和非线性模型。单变量模型和多变量模型。型。线性模型和非线性模型。单变量模型和多变量模型。 静态模型和动态模型。静态模型和动态模型。 系统、模型与仿真系统、模型与仿真 模型：相似模型（缩比或者简化）；数学模型模型：相似模型（缩比或者简化）；数学模型 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 系统建模：系统建模：理论建模法（机理分析法）；实验建模法理论建模法（机理分析法）；实验建模法 理论建模理论建模是指对现实世界的一特定对象是指对现实世界的一特定对象, ,分析其内部机理，分析其内部机理， 依据力学、电磁学、热力学和化学等基本理论弄清其因果依据力学、电磁学、热力学和化学等

4、基本理论弄清其因果 关系关系, ,做出一些重要的简化和假设做出一些重要的简化和假设, ,运用适当的运用适当的数学工具数学工具得得 到描述事物特征的到描述事物特征的数学模型数学模型。 特点：特点：推导过程清晰，关系式得到了输入、输出和参数之推导过程清晰，关系式得到了输入、输出和参数之 间的关系；适应于结构和原理较简单的系统或者子系统；间的关系；适应于结构和原理较简单的系统或者子系统； 对于复杂的系统，由于做了较大简化，则结果往往与实测对于复杂的系统，由于做了较大简化，则结果往往与实测 结果差异较大。结果差异较大。 一般来说一般来说系统理论建模过程系统理论建模过程可用如下图所示可用如下图所示 实际

5、问题实际问题模型建立模型建立模型假设模型假设 模型应用模型应用 模型求解模型求解 模型分析模型分析模型评价模型评价 系统建模系统建模 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 q 机械平移系统 )()( )()( )()()()( 2 2 tx dt d Ctf tKxtf tx dt d mtftftf oC oK oKCi mm fi(t) K C xo(t) fi(t) xo(t) 00 fm(t) fK(t) 机械平移系统及其力学模型 fC(t) 静止（平衡）工作点作为 零点，以消除重力的影响 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 )()()

6、()( 2 2 tftKxtx dt d Ctx dt d m iooo 式中，m、C、K通常均为常数，故机械平移系 统可以由二阶常系数微分方程描述。 通常，微分方程的系数取决于系统的结构参数，通常，微分方程的系数取决于系统的结构参数， 而阶次等于系统中独立储能元件（惯性质量、而阶次等于系统中独立储能元件（惯性质量、 弹簧）的数量。弹簧）的数量。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 q 机械旋转系统 K i(t) o(t) 00 TK(t) TC(t) C 粘性液体 齿轮 J J 旋转体转动惯量；K 扭转刚度系数；C 粘性阻尼系数 柔性轴 机 械 系 统 建 模 与

7、仿 真 机械工程学院机械工程学院 )()()( )()( )()()( 2 2 tTtTt dt d J t dt d CtT ttKtT CKo oC oiK )()()()( 2 2 tKtKt dt d Ct dt d J iooo 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 dtti C tu dtti C ti dt d LtRitu o i )( 1 )( )( 1 )()()( q R-L-C无源电路网络 LR C ui(t)uo(t) i(t) R-L-C无源电路网络 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 一般R、L、C均为常数，上式为

8、二阶常系数微 分方程。 )()()()( 2 2 tututu dt d RCtu dt d LC iooo 若L=0，则系统简化为： )()()(tututu dt d RC ioo 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 )()()()( 2 2 tKtKt dt d Ct dt d J iooo )()()()( 2 2 tututu dt d RCtu dt d LC iooo )()()()( 2 2 tftKxtx dt d Ctx dt d m iooo 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 系统理论建模的方法和步骤系统理论建模的方法

9、和步骤 1、模型准备、模型准备 首先要了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必需的首先要了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必需的 信息，尽量弄清对象的特征。信息，尽量弄清对象的特征。 2、模型假设、模型假设 根据对象的特征和建模目的，对问题进行必要的、合理的根据对象的特征和建模目的，对问题进行必要的、合理的 简化，用精确的语言作出假设，是建模至关重要的一步。简化，用精确的语言作出假设，是建模至关重要的一步。 如果对问题的所有因素一概考虑，无疑是一种有勇气但方如果对问题的所有因素一概考虑，无疑是一种有勇气但方 法欠佳的行为，所以高超的建模者能充分发挥想象力、洞法欠佳的行为，所以高超的建模者能

10、充分发挥想象力、洞 察力和判断力，善于辨别主次，而且为了使处理方法简单，察力和判断力，善于辨别主次，而且为了使处理方法简单， 应尽量使问题应尽量使问题线性化线性化、均匀化。、均匀化。 1、模型准备、模型准备 首先要了解问题的实际背景，首先要了解问题的实际背景， 明确建模目的，搜集必需的信息，明确建模目的，搜集必需的信息， 尽量弄清对象的特征。尽量弄清对象的特征。 2、模型假设、模型假设 根据对象的特征和建模目的，根据对象的特征和建模目的， 对问题进行必要的、合理的简化，对问题进行必要的、合理的简化， 用精确的语言作出假设，是建模用精确的语言作出假设，是建模 至关重要的一步。如果对问题的至关重要

11、的一步。如果对问题的 所有因素一概考虑，无疑是一种所有因素一概考虑，无疑是一种 有勇气但方法欠佳的行为，所以有勇气但方法欠佳的行为，所以 高超的建模者能充分发挥想象力、高超的建模者能充分发挥想象力、 洞察力和判断力，善于辨别主次，洞察力和判断力，善于辨别主次， 而且为了使处理方法简单，应尽而且为了使处理方法简单，应尽 量使问题量使问题线性化线性化、均匀化。、均匀化。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3、模型构成、模型构成 根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规 律和适当的数学工具，构造各个量间的等式关系

12、或其它数律和适当的数学工具，构造各个量间的等式关系或其它数 学结构。学结构。(可以利用各种数学工具，如：图论、排队论、可以利用各种数学工具，如：图论、排队论、 线性规划、对策论等。线性规划、对策论等。)值得注意的是，建立数学模型是值得注意的是，建立数学模型是 为了让更多的人明了并能加以应用，因此工具愈简单愈有为了让更多的人明了并能加以应用，因此工具愈简单愈有 价值。价值。 4、模型求解、模型求解 可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值运可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值运 算等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术。算等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术

13、。 一道实际问题的解决往往需要纷繁的计算，许多时候还得一道实际问题的解决往往需要纷繁的计算，许多时候还得 将系统运行情况用计算机模拟出来，因此编程和熟悉将系统运行情况用计算机模拟出来，因此编程和熟悉 数学软件包能力便举足轻重。数学软件包能力便举足轻重。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 5、模型检验与修正、模型检验与修正 建立数学模型的目的是解决实际问题，因此必须把模型所建立数学模型的目的是解决实际问题，因此必须把模型所 得到的结果返回到实际问题，如果符合，说明模型是可用得到的结果返回到实际问题，如果符合，说明模型是可用 的。如果不符合，要重新检查建模的过程和基本假

14、设是否的。如果不符合，要重新检查建模的过程和基本假设是否 合理。合理。 6、模型分析、模型分析 对模型解答进行数学上的分析。对模型解答进行数学上的分析。横看成岭侧成峰，远近横看成岭侧成峰，远近 高低各不同，能否对模型结果作出细致精当的分析，决定高低各不同，能否对模型结果作出细致精当的分析，决定 了你的模型能否达到更高的档次。了你的模型能否达到更高的档次。还要记住，不论那种情还要记住，不论那种情 况都需进行误差分析，数据稳定性分析。况都需进行误差分析，数据稳定性分析。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 实验建模法实验建模法 定义：定义：当一时得不到事物准确的内在机理和

15、特征时，可以当一时得不到事物准确的内在机理和特征时，可以 通过实验测试的方法得到系统输入输出数据，再利用数理通过实验测试的方法得到系统输入输出数据，再利用数理 统计等理论和方法对测量得到的数据进行处理，从而得到统计等理论和方法对测量得到的数据进行处理，从而得到 系统的最终的数学模型。系统的最终的数学模型。 特点：特点：需要数据采集，记录设备；需要合适的激励信号；需要数据采集，记录设备；需要合适的激励信号； 所设计的实验要求简单、易行；得到的实验模型要能充分所设计的实验要求简单、易行；得到的实验模型要能充分 反映被测系统的动态特性。反映被测系统的动态特性。 通常，实验模型本身并不直接反映被测系统

16、的结构通常，实验模型本身并不直接反映被测系统的结构 和原理，然而却便于与实验结果对照，相对于理论建模法和原理，然而却便于与实验结果对照，相对于理论建模法 而言更加准确、可靠。而言更加准确、可靠。 实验建模实验建模何以在时域、频域和时频联合域中进行。何以在时域、频域和时频联合域中进行。 实验建模过程：实验建模过程：观测数据获取、数据检验、模型类型选择、观测数据获取、数据检验、模型类型选择、 模型参数辨识与估计、模型适用性检验等。模型参数辨识与估计、模型适用性检验等。 当一时得不到事物准确的内在当一时得不到事物准确的内在 机理和特征时，可以通过实验测机理和特征时，可以通过实验测 试的方法得到系统输

17、入输出数据，试的方法得到系统输入输出数据， 再利用数理统计等理论和方法对再利用数理统计等理论和方法对 测量得到的数据进行处理，从而测量得到的数据进行处理，从而 得到系统的最终的数学模型。得到系统的最终的数学模型。 特点：特点：需要数据采集，记录设需要数据采集，记录设 备；需要合适的激励信号；所设备；需要合适的激励信号；所设 计的实验要求简单、易行；得到计的实验要求简单、易行；得到 的实验模型要能充分反映被测系的实验模型要能充分反映被测系 统的动态特性。统的动态特性。 通常，实验模型本身并不通常，实验模型本身并不 直接反映被测系统的结构和原理，直接反映被测系统的结构和原理， 然而却便于与实验结果

18、对照，相然而却便于与实验结果对照，相 对于理论建模法而言更加准确、对于理论建模法而言更加准确、 可靠。可靠。 实验建模实验建模何以在时域、频域和何以在时域、频域和 时频联合域中进行。时频联合域中进行。 实验建模过程：实验建模过程：观测数据获取、观测数据获取、 数据检验、模型类型选择、模型数据检验、模型类型选择、模型 参数辨识与估计、模型适用性检参数辨识与估计、模型适用性检 验等。验等。 当一时得不到事物准确的内在当一时得不到事物准确的内在 机理和特征时，可以通过实验测机理和特征时，可以通过实验测 试的方法得到系统输入输出数据，试的方法得到系统输入输出数据， 再利用数理统计等理论和方法对再利用数

19、理统计等理论和方法对 测量得到的数据进行处理，从而测量得到的数据进行处理，从而 得到系统的最终的数学模型。得到系统的最终的数学模型。 特点：特点：需要数据采集，记录设需要数据采集，记录设 备；需要合适的激励信号；所设备；需要合适的激励信号；所设 计的实验要求简单、易行；得到计的实验要求简单、易行；得到 的实验模型要能充分反映被测系的实验模型要能充分反映被测系 统的动态特性。统的动态特性。 通常，实验模型本身并不通常，实验模型本身并不 直接反映被测系统的结构和原理，直接反映被测系统的结构和原理， 然而却便于与实验结果对照，相然而却便于与实验结果对照，相 对于理论建模法而言更加准确、对于理论建模法

20、而言更加准确、 可靠。可靠。 实验建模实验建模何以在时域、频域和何以在时域、频域和 时频联合域中进行。时频联合域中进行。 实验建模过程：实验建模过程：观测数据获取、观测数据获取、 数据检验、模型类型选择、模型数据检验、模型类型选择、模型 参数辨识与估计、模型适用性检参数辨识与估计、模型适用性检 验等。验等。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 仿真的定义仿真的定义 1961年，年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义，首次技术性定义 “仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本 质的实现质的实现”。 1

21、978年，年，Krn，“连续系统仿真连续系统仿真” “用能代表所研究的系统的模型作实验用能代表所研究的系统的模型作实验”。 1982年，年，Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充进一步将仿真的内涵加以扩充 “所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。 1984年，年，Oren给出了仿真的基本概念框架给出了仿真的基本概念框架 “建模实验分析建模实验分析”, “仿真是一种基于模型的活动仿真是一种基于模型的活动”。 1989年文传源又在年文传源又在“系统仿真在中国的发展系统仿真在中国的发展”一文中对一文中对 系统仿真的学科定义作了如下重要修订系统仿真

22、的学科定义作了如下重要修订：“系统仿真是建系统仿真是建 立在相似理论，控制理论、系统科学及计算机技术基础上立在相似理论，控制理论、系统科学及计算机技术基础上 的一门综合性和试验性学科的一门综合性和试验性学科”。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 系统、模型、仿真系统、模型、仿真 三者之间的关系三者之间的关系 系统是研究的对象系统是研究的对象 模型是系统的抽象模型是系统的抽象 仿真是对模型的实验仿真是对模型的实验 系系 统统 模模 型型计算机计算机 系统建模系统建模仿真实验仿真实验 仿真建模仿真建模 计算机仿真三要素及三个基本活动计算机仿真三要素及三个基本活动 机 械

23、 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 传统上系统建模属于系统辨识技术范畴，仿真技术则侧重传统上系统建模属于系统辨识技术范畴，仿真技术则侧重 于仿真建模，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法，于仿真建模，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法， 使其在计算机上得以实现。使其在计算机上得以实现。 至于仿真实验这一活动也往往只注重仿真程序的检验至于仿真实验这一活动也往往只注重仿真程序的检验 （Verification）。）。 至于如何将仿真实验的结果与实际系统的行为进行比较这至于如何将仿真实验的结果与实际系统的行为进行比较这 一根本问题（一根本问题（Validation）缺乏从方

24、法学的高度进行研究。）缺乏从方法学的高度进行研究。 现代仿真技术现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三 个方面，并将其统一到同一环境中。个方面，并将其统一到同一环境中。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 在在系统建模系统建模方面，除了传统的基于物理学、化学、生物学、方面，除了传统的基于物理学、化学、生物学、 社会学等的基本定律及系统辨识的方法外，社会学等的基本定律及系统辨识的方法外，现代仿真技术现代仿真技术 提出了用仿真的方法建立系统的数学模型。提出了用仿真的方法建立系统的数学模型。 例如，根据某系统在实验中得到的输

25、入输出数据，在计算例如，根据某系统在实验中得到的输入输出数据，在计算 机上进行仿真实验，确定模型的结构参数。机上进行仿真实验，确定模型的结构参数。基于模型库的基于模型库的 结构化建模，采用面向对象的建模方法，在类库的基础上结构化建模，采用面向对象的建模方法，在类库的基础上 实现模型的拼合和重用。实现模型的拼合和重用。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 在在仿真建模仿真建模方面，现代仿真技术采用模型与数据分离技术，即模型的方面，现代仿真技术采用模型与数据分离技术，即模型的 数据驱动。任何一个仿真问题可以分为两个方面，模型与实验，这一数据驱动。任何一个仿真问题可以分为两

26、个方面，模型与实验，这一 点，现代仿真技术与传统的仿真定义是一致的。区别在于现代仿真技点，现代仿真技术与传统的仿真定义是一致的。区别在于现代仿真技 术又将模型分为参数模型和参数值两部分。参数值属于实验内容之一。术又将模型分为参数模型和参数值两部分。参数值属于实验内容之一。 这样，模型参数与与其对应的参数模型分离开来。仿真实验时，只需这样，模型参数与与其对应的参数模型分离开来。仿真实验时，只需 对参数模型赋予具体的参数值，就得到了特定的模型，从而大大提高对参数模型赋予具体的参数值，就得到了特定的模型，从而大大提高 了仿真的效率和灵活性。了仿真的效率和灵活性。 在在仿真实验仿真实验方面，现代仿真技

27、术将仿真框架与仿真运行控制区分开来，方面，现代仿真技术将仿真框架与仿真运行控制区分开来， 一个实验框架定义一组条件，包括：模型参数、输入变量、观测变量、一个实验框架定义一组条件，包括：模型参数、输入变量、观测变量、 初始条件，终止条件、输出说明。前面已经对模型参数进行了说明，初始条件，终止条件、输出说明。前面已经对模型参数进行了说明， 除此之外，将输出函数的定义也与仿真模型分离开来。这样，当需要除此之外，将输出函数的定义也与仿真模型分离开来。这样，当需要 不同形式的输出时，不必重新修改仿真模型。不同形式的输出时，不必重新修改仿真模型。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学

28、院 系统仿真的目的系统仿真的目的及其在系统研究中的重要性在于优化设计。及其在系统研究中的重要性在于优化设计。 现代大型系统的规模和复杂性，要求在建立系统之前能够现代大型系统的规模和复杂性，要求在建立系统之前能够 预测系统的性能和参数，以便使所设计的系统达到最优指预测系统的性能和参数，以便使所设计的系统达到最优指 标。标。 l经济性。对于一个大型的系统，直接实验成本十分昂贵。经济性。对于一个大型的系统，直接实验成本十分昂贵。 采用仿真实验的方法仅需成本的采用仿真实验的方法仅需成本的1/5-1/10，而且设备可以，而且设备可以 重复使用。重复使用。 l安全性。对于某些系统，直接实验往往是危险的和不

29、允许安全性。对于某些系统，直接实验往往是危险的和不允许 的。的。 l预测。对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几预测。对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几 乎是不可能的，仿真则可以用于预测系统的特性和外部作乎是不可能的，仿真则可以用于预测系统的特性和外部作 用的影响，从而研究控制的策略。用的影响，从而研究控制的策略。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 仿真的分类仿真的分类 1、 根据模型的物理属性分类根据模型的物理属性分类 （三类）（三类） 物理仿真物理仿真 按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并

30、在物理 模型上进行实验的过程称为物理仿真。优点是：直观、形模型上进行实验的过程称为物理仿真。优点是：直观、形 象，也称为象，也称为“模拟模拟”。缺点是：模型改变困难，实验限制。缺点是：模型改变困难，实验限制 多，投资较大。多，投资较大。 数学仿真数学仿真 对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而 得系的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿得系的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿 真。真。 亦称为计算机仿真。优点是：方便、灵活、经济。亦称为计算机仿真。优点是：方便、灵活、经济。 缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模

31、型不易建立。缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 半实物仿真半实物仿真 即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。对即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。对 系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数 学模型，并在计算机上加以实现，对比较复杂的部分或对学模型，并在计算机上加以实现，对比较复杂的部分或对 规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难， 则采用物理模型或实物。仿真时将两者连接起来

32、完成整个则采用物理模型或实物。仿真时将两者连接起来完成整个 系统的实验系统的实验 。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 2、 根据仿真计算机类型分类（三类）根据仿真计算机类型分类（三类） 模拟计算机仿真模拟计算机仿真 模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是5060 年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以 实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟机仿真是一种并行实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟机仿真是一种并行 仿真，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。仿真，仿真时

33、，代表模型的各部件是并发执行的。 数字计算机仿真数字计算机仿真 将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来 得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。早期的数得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。早期的数 字计算机仿真则是一种字计算机仿真则是一种 串行仿真，因为计算机只有一个串行仿真，因为计算机只有一个 中央处理器（中央处理器（CPU），计算机指令只能逐条执行。），计算机指令只能逐条执行。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 数字模拟混合仿真数字模拟混合仿真 为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮

34、为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮 记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系 统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行， 另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模 /数和数数和数/模转换装置交换信息。模转换装置交换信息。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3、根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类、根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实际动态系统的时间基称为实际时钟，系统仿真时

35、模型所实际动态系统的时间基称为实际时钟，系统仿真时模型所 采用的时钟称为仿真时钟。根据实际时钟和仿真时钟之间采用的时钟称为仿真时钟。根据实际时钟和仿真时钟之间 的比例关系，可以分为的比例关系，可以分为 实时仿真实时仿真 即仿真时钟与实际时钟完全一致，模型仿真的速度与实际即仿真时钟与实际时钟完全一致，模型仿真的速度与实际 系统运行的速度相同，当被仿真的系统中存在物理模型或系统运行的速度相同，当被仿真的系统中存在物理模型或 实物时，必须进行实时仿真。实物时，必须进行实时仿真。 亚实时仿真亚实时仿真 即仿真时钟慢于实际时钟，模型仿真的速度慢于实际系统即仿真时钟慢于实际时钟，模型仿真的速度慢于实际系统

36、 运行的速度，也称为离线仿真。运行的速度，也称为离线仿真。 超实时仿真超实时仿真 即仿真时钟快于实际时钟，模型仿真的速度快于实际系统即仿真时钟快于实际时钟，模型仿真的速度快于实际系统 运行的速度运行的速度 。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 4、 根据系统模型的特性分类根据系统模型的特性分类 连续系统仿真连续系统仿真 连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，进一步可连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，进一步可 以分为以分为 集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述 分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述

37、分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述 离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴。离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴。 离散事件系统仿真离散事件系统仿真 离散事件系统是指在某些随机时间点上系统的状态发生变离散事件系统是指在某些随机时间点上系统的状态发生变 化的系统。离散事件系统与连续系统仿真的主要区别在于化的系统。离散事件系统与连续系统仿真的主要区别在于 状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称 为为“事件事件”，因而这类系统是由事件驱动的。，因而这类系统是由事件驱动的。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真

38、 机械工程学院机械工程学院 1、 仿真技术在系统设计中的应用仿真技术在系统设计中的应用 新系统设计新系统设计 提供了强有力的工具提供了强有力的工具 在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实 的基础在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行的基础在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行 优化设计。优化设计。 系统改造系统改造 涉及新的设备、部件或控制装置利用仿真技术涉及新的设备、部件或控制装置利用仿真技术 进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用 模型，避免由于新的子系统

39、的投入可能造成对原系统的破模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破 坏或影响，大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功坏或影响，大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功 率。率。 仿真技术的应用仿真技术的应用 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 在真实系统上进行试验往往存在以下问题在真实系统上进行试验往往存在以下问题 l在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；在真实系统上试验会破坏系统的正常运行； l难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条 件；件； l很难保证每次的操作条件相同，难对试验结果做出正确

40、的很难保证每次的操作条件相同，难对试验结果做出正确的 判断；判断； l无法复原；无法复原； l试验时间太长、费用太大或者有危险等试验时间太长、费用太大或者有危险等 而利用系统模型作仿真实验则可以避免这些问题的出现。而利用系统模型作仿真实验则可以避免这些问题的出现。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 2、 仿真在教育与训练中的应用仿真在教育与训练中的应用 利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现 所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控所模拟的对象行为，并产生与之适应的

41、环境，从而成为训练操纵、控 制或管理这类对象的人员的系统。三大类制或管理这类对象的人员的系统。三大类 载体操纵型载体操纵型 这是与运载工具有关的仿真系统，这是与运载工具有关的仿真系统， 航空、航天、航海、地面运载工航空、航天、航海、地面运载工 具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的。具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的。 过程控制型过程控制型 用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工厂、核电站、电力用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工厂、核电站、电力 网等网等 搏奕决策型搏奕决策型 企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员（火车调度、航空管制、企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员

42、（火车调度、航空管制、 港口管制、城市交通指挥等），港口管制、城市交通指挥等）， 军事指挥人员（空战、海战、电子军事指挥人员（空战、海战、电子 战等）。战等）。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3、仿真在产品开发及制造过程中的应用、仿真在产品开发及制造过程中的应用 虚拟制造（虚拟制造（Virtual Manufacturing） 是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过 程为对象的全方位的应用。程为对象的全方位的应用。 典型例子典型例子波音波音777 其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞其整

43、机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞 均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩年时间缩 短到短到5年。年。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 参考教材：参考教材： 温熙森温熙森.机械系统建模与动态分析机械系统建模与动态分析.北京：科学北京：科学 出版社，出版社，2004，8 齐欢齐欢,王小平王小平.系统建模与仿真系统建模与仿真.北京：清华大北京：清华大 学出版社，学出版社，2004，7 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 第第1 1章章 软件介绍软件介绍 1.1、ADAMS介绍 A

44、DAMS是英文Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems的缩写，是由美国MDI公司 （Mechanical Dynamics Inc.）开发的机械系统动力学自 动分析软件。 在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有 70%的市场份额，ADAMS拥有windows版和unix两个版本。 目前最高版本为ADAMS 2012。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚 体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建

45、立系统动力 学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分 析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软 件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检 测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用 该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和 动力学分析。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程 序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型 虚拟样机分析的二次开发工具平台。 ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领 域模块及工具

46、箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模 块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针 对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分 析。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 1.2 1.2 虚拟样机技术的起源及发展虚拟样机技术的起源及发展 虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这 项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统 的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环 境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精 化和优化系统的设计与过程。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 1.3、虚拟样机技术应用领域 虚拟样机技术已经广泛地应用

47、在各个领域里： 1、汽车制造业 2、工程机械 3、航天航空业 4、国防工业 5、通用机械制造业 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 汽车汽车 铁路车辆铁路车辆 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 飞机飞机 飞行器飞行器 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 机器人机器人 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 工程机械（重载）工程机械（重载） 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 多体动力学仿真的典型应用：汽车可操作性和乘多体动力学仿真的典型应用：汽车可操作性和乘 坐舒适性

48、仿真（坐舒适性仿真（1） 汽车汽车可操作性（可操作性（handling)仿真仿真是指利用整车动是指利用整车动 力学模型，当操作人员在采用各种不同驾驶方法力学模型，当操作人员在采用各种不同驾驶方法 的情况下，对车辆的的情况下，对车辆的侧倾稳定性侧倾稳定性进行仿真研究。进行仿真研究。 国际标准化组织已经制定了大量的相关标准，以用于汽国际标准化组织已经制定了大量的相关标准，以用于汽 车的可操作性测试，主要有：车的可操作性测试，主要有： （1 1）用于紧急换道驾驶测试的）用于紧急换道驾驶测试的ISO TR 3888 ISO TR 3888 标准；标准； （2 2）用于直线刹车测试的）用于直线刹车测试的

49、ISO 6957ISO 6957标准；标准； 以正弦曲线作为输入，对汽车以正弦曲线作为输入，对汽车瞬态瞬态开环响应进开环响应进 行测试的行测试的ISO TR 8725ISO TR 8725 标准；标准； （3 3） （4 4）ISO 4138ISO 4138标准、标准、ISO 7401ISO 7401标准、标准、ISO TC 108/253ISO TC 108/253 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 以汽车前、后悬架及以汽车前、后悬架及 转向机构为主的多体转向机构为主的多体 动力学模型动力学模型 多体动力学仿真的典型应用：汽车可操作性和乘多体动力学仿真的典型应用：

50、汽车可操作性和乘 坐舒适性坐舒适性 （2） 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 增加发动机、车身后的增加发动机、车身后的 整车多体动力学模型整车多体动力学模型 多体动力学仿真的典型应用：汽车可操作性和乘多体动力学仿真的典型应用：汽车可操作性和乘 坐舒适性坐舒适性 （3） 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 第第2章章 基本知识基本知识 1、自由度、自由度 机械系统的自由度是指机械系统中各零件相对于地 面所具有的独立运动的数量。欲使机构具有确定的 运动，则其原动件的数目必须等于该机构的自由度。 ADAMS中自由度（DOF）计算公式为 DOF=

51、其中n 系统的部件数目（包括地面）； 系统内各约束所限制的自由度数目。 i i n-1)-6(n i n 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 2、坐标系 ADAMS/View允许Cartesian（直角）、 Cylindrical（圆柱）、Spherical（球）三种坐 标系，默认情况下为直角坐标系。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ADAMS的坐标系：的坐标系： ADAMS在坐标系的运用上总共有三种形式: a全局坐标系 也就是绝对坐标系，固定在地面（Ground Part） 上，是ADAMS中所有零件的位置、方向、速度的度 量基准坐标系

52、。 b零件的局部坐标系 也称零件坐标系。在建立零件的同时产生，随零件 一起运动，它在全局坐标系中的位置和方向决定了 零件在全局坐标系中的位置和方向。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 c标记 可以把标记分为固定标记和 浮动标记两类。固定标记相 对零件静止，可用于定义零 件的形状、质心位置、作用 与约束的位置与方向等。浮 动标记相对零件运动，某些 情况下要借助浮动坐标系来 定义作用与约束。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 第第3章章 ADAMS基本操作基本操作 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3.1 ADAM

53、S软件包 ADAMS/View（基本环境） ADAMS/Solver（求解器） ADAMS/Postprocessor（后处理器） ADAMS/Car（轿车模块）、ADAMS/Rail（机车模 块）、ADAMS/Driver（驾驶员模块）、 ADAMS/Tire（轮胎模块）、ADAMS/Linear（线性 模块）、ADAMS/Flex（柔性模块）、 ADAMS/Controls（控制模块）、ADAMS/FEA（有限 元模块）、 ADAMS/Hydraulics（液压模块）、 ADAMS/Exchange（接口模块）、 Mechanism/Pro （与Pro/Engineer 的接口模块）、 A

54、DAMS/Animation（高速动画模块） 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ADAMS基本应用程序 ADAMS/ViewADAMS/SolverADAMS/PostProcessor 基本环境 求解器 后处理 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 /Driver /Hydraulics /Driveline /Control /Flex /Linear /Tire /Exchange /Rail /Car /Animation Mechanism /Pro ADAMS 附加程序模块附加程序模块 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程

55、学院机械工程学院 ADAMS/ViewADAMS/View： 可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟 样机。首先建立运动部件（或者从CAD软件中导 入）、用约束将它们连接、通过装配成为系统、利 用外力或运动将他们驱动。 ADAMS/View支持参数化建模，以便能很容易地 修改模型并用于实验研究。 用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可以 观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就像做 实际的物理试验一样。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ADAMS/Solver : 一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程 的，快速、稳定的数值分析工具。 提供一种用于解

56、算复杂机械系统复杂运动的数值 方法 。 可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的 多域问题进行分析。 支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、 准静力学、线性或非线性动力学分析。 使用稳定的建模方法可以对巨大的模型进行分析。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ADAMS/PostProcessor : 显示ADAMS仿真结果的可视化图形界面 。 提供了一个统一化的界面，以不同的方式回放仿 真的结果。为了能够反复使用，页面设置以及数 据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时 间也有利于整理标准化的报告格式。 可以方便地同时显示多次仿真的结果以便比较。 机 械 系

57、 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 ok 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3.2 3.2 ADAMS/VieADAMS/Vie w w建模仿真建模仿真 步骤步骤: : 复杂机器仿真时复杂机器仿真时 要循序渐进要循序渐进 完成几个零件的完成几个零件的 约束添加后就进约束添加后就进 行一次仿真行一次仿真 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 分析技巧：分析技巧： 采取渐进的，简单逐步发展到复杂的分析策略 不必过分追求构件几何形体的细节部分 先从分析线性（阻尼）开始 非线性（阻尼 ） 整个系统分解为若干子系统 ，先对子系统仿真分

58、析和试验 应该尽量减小系统的规模，仅考虑影响样机性能 的构件 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3.3 启动启动ADAMS/View程序程序 产生新的样机模型数据库 - Create a new model 重力的设置 ，单位系统 打开已经保存的数据库 - Open an existing database 输入ADAMS文件 - Import a file 退出ADAMS/View程序 - Exit 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 n启动时的启动时的ADAMS/ViewADAMS/View主窗口：主窗口： 视图方向视图方向 主工主工

59、具箱具箱 窗口名称栏窗口名称栏 菜单栏菜单栏 欢迎欢迎 窗口窗口 工作屏工作屏 幕区幕区 状态栏 快捷工快捷工 具栏具栏 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3.4 ADAMS/View程序屏幕程序屏幕 ADAMS/View主窗口部分功能如下： 1.主工具箱展示各种常用命令的快捷键； 2.命令菜单栏包括了ADAMS/View程序的全部 命令； 3.快捷工具栏设置了一些最基本的文件和编辑 命令的快捷按钮； 4.工作屏幕区显示样机模型的区域； 5.工作栅格在工作区显示栅格的目的是利于建 模； 6.状态栏显示操作过程中的各种信息和提示； 机 械 系 统 建 模 与 仿 真

60、机械工程学院机械工程学院 7.坐标窗口显示当前光标在三维坐标中的位置， 按F4键可以显示坐标窗口； 8.视图方向显示表示当前系统的地面坐标系方 向的三维坐标。 在View菜单中选择Toolbox and Toolbas项，显 示Tool settings对话框，可以设置打开或关闭主 工具箱、快捷工具栏和状态栏。 机 械 系 统 建 模 与 仿 真 机械工程学院机械工程学院 3.5 ADAMS/View命令的基本操作命令的基本操作 选择和输入ADAMS/View命令有五种常用的方法 1 、主工具箱 命令集有多个层次 2、菜单栏 3、弹出式菜单 屏幕上的各种对象，例如：构件、标记、约束、 运动、力