机电系统建模与仿真ch1

1、第一章 绪论1.1 机电系统概述1.1.1 机电一体化技术产生的背景 机械技术向自动化、智能化发展的产物 电子技术向机械工业领域的渗透1.1.2 机电一体化的基本概念 机电一体化的定义：机电一体化技术和产品 机电一体化系统的基本要素：机械本体、测试传感、驱动、执行机构、控制及信息处理、能源第一章 绪论机电系统概述 机电一体化系统与人体的对比 机电一体化的相关技术：机械、计算机及信息处理、系统技术、自动控制、传感与检测、伺服驱动 机电一体化的技术优势 机电一体化的技术优势机电一体化的技术优势v 提高精度；提高精度；v 增强功能；增强功能；v 提高生产效率，降低成本；提高生产效率，降低成本；v 节

2、约能源、降低能耗；节约能源、降低能耗；v 提高安全性、可靠性；提高安全性、可靠性；v 改善操作性和使用性；改善操作性和使用性；v 减轻劳动强度；减轻劳动强度；v 简化结构、减轻质量；简化结构、减轻质量；v 降低成本；降低成本；v 增强柔性；增强柔性；第一章 绪论机电系统概述 典型的机电系统：工业机 器人的关节伺服传动系统； 基本的机电控制问题 位置和速度的动态控制第一章 绪论机电系统概述 典型的机电系统： 数控机床；点位 控制、直线运动 控制、连续路径 (轮廓)控制第一章 绪论机电系统概述 典型机电系统：自动化制造单元；顺序控制问题第一章 绪论机电系统概述 典型机电系统：柔性制造单元；具有生产

3、规划和调度能力第一章 绪论机电系统概述 典型机电系统：无人工厂第一章 绪论建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用 1.2 建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用1.2.1 机电系统开发的技术路线 拟定目标及初步技术规范、可行性分析、初步设计（总体方案设计）、总体方案的评价与评审、理论分析（建模、仿真、模拟试验）、详细设计（样机设计）、详细设计方案的评价与评审、试制样机、样机试验测试、技术鉴定理论分析的主要目的：理论分析的主要目的：v 通过建立系统的数学模型和仿真分析通过建立系统的数学模型和仿真分析等方法来设计和优化系统的结构；等方法来设计和优化系统的结构；v 确定系统的运动参数和动力参数；确定

4、系统的运动参数和动力参数；v 设计控制系统并分析系统的控制性能、设计控制系统并分析系统的控制性能、对系统的功能进行模拟和检验；对系统的功能进行模拟和检验；v 为系统的详细设计提供依据，避免设为系统的详细设计提供依据，避免设计的盲目性，确保系统的研发质量。计的盲目性，确保系统的研发质量。第一章 绪论建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用1.2.2 仿真在机电系统设计中的作用 仿真的定义 仿真是利用物理或数学模型来类比模仿现实过程，以寻求过程和规律。它的基础是相似现象，即几何相似性和物理相似性。 仿真的类型： 物理仿真基于物理模型的仿真 数学仿真基于数学模型的仿真 半物理仿真一部分数学模型、一部分

5、物理模型 关于数学模型 数学模型的目的和作用：在系统的最初设计阶段或投入制造之前对其动态特性进行预测，这种预测以数值模拟数值模拟或称仿真仿真的方式进行，其依据是基于系统动力学特性的数学描述，也就是数学模型数学模型。数学模型是设计工具。 建立模型的途径：数理方法、试验建模、假设检验 数理方法：分析系统结构原理，定义系统变量将物理定律应用于系统各组成元件，并进行综合得到描述输入-输出关系的（微分）方程式模型验证（实验验证）第一章 绪论建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用第一章 绪论建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用半物理仿真之硬件在回路仿真半物理仿真之软件在回路仿真半物理仿真之人在回路仿真第

6、一章 绪论建模及仿真在机电系统设计与开发中的作用 机电系统仿真的任务： 在理论分析阶段通过对系统运行状态的模拟来分析和验证设计方案的正确性和合理性。 在样机制作阶段和试验阶段，检验控制模型的优劣。 对于仿真的要求：简单性与精确性的矛盾，分析成本与模型有效性的矛盾；数学模型是对于实际物理系统的近似数学描述，而非物理系统本身，重要的是数学模型要能够满足设计需要满足设计需要。 机电系统仿真的具体内容：v 机械运动状态仿真，包括机械运动学仿真和动力学仿真；v 测试及信号处理系统的仿真，包括对传感器及信号处理系统性能的仿真和测试方案对系统性能影响的仿真分析；v 伺服驱动系统的仿真，主要是伺服驱动系统动力

7、学特性仿真；v 控制系统仿真，包括控制器设计和控制性能仿真；v 系统综合性能仿真。 建立模型的途径：建立模型的途径：v 对内部结构清楚的系统（白箱），可以利用已知的基本规律，推导出系统的数学模型。v 对内部结构不清楚或不是很清楚的系统（黑箱），如果允许进行实验性观测，可以先猜想系统的模型，然后通过试验验证对模型进行修正。v 对内部结构不清楚或不是很清楚，但又不允许直接试验观测的系统，则可以通过数据收集和归纳统计的方法来假设模型。第一章 绪论机电系统常用的计算机仿真软件 机电系统常用的计算机仿真软件包括：v 计算机辅助设计软件(CAD)v 计算机辅助工程分析软件(CAE)v 虚拟样机技术(VPT

8、)v 科学计算与控制软件(SC) 机电系统常用的计算机仿真软件包括：v 计算机辅助设计软件(CAD) 实现工程图绘制(AutoCAD)和3D建模（PRO/E、UG、solidworks、Inventer、I-DEAS）v 计算机辅助工程分析软件(CAE) 主要应用有限元分析法来实现结构强度、刚度、动力学、热力学、电磁学等方面的分析软件（ANSYS、PATRAN）v 虚拟样机技术(VPT) CAE的分支，但它是在系统层面，主要实现系统的运动学、动力学的分析计算。（ADAMS、SimPACK）v 科学计算与控制软件(SC) 数学求解及信号处理及控制系统设计及仿真。（Matlab、Matrix-X、

9、Maple）第一章 绪论机电系统常用的计算机仿真软件1.3 机电系统常用的计算机仿真软件 Pro/Engineer：零件三维模型、机械装配，同时配备有有限元和运动学分析模块 ANSYS：基于有限元方法的力学分析 ADAMS：Automatic Dynamic Analysis of Mec-hanical System机械系统动力学分析 MATLAB：Matrix LaboratoryPro/Engineer：零件三维模型、机械装配，同时配备有有限元和运动学分析模块 具体：v 运动输入；v 关节运动分析；v 静力学分析；v 机械运动学与机械动力学分析；v 设计位置和装配位置；v 多种形式输出；

10、v 预测工程和工程判断准则。ANSYS软件：v 结构静力分析；v 结构动力学分析；v 结构非线性分析；v 动力学分析；v 热分析；v 电磁场分析；v 流体动力学分析；v 声场分析；v 压电分析ADAMS机械系统动力学软件： 是目前世界上最有权威、使用最广泛的机械系统动力学仿真软件。可自动生成包括机-电-液在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能够为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计，到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果和强大的图形动画显示能力。 可方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。软件协作仿真技术 前面各种软件都是某方向的专用软件，共同特点是某一方面的功能强大，其他方面逊色。如ADAMS在静力学、动力学和运动学功能非常强，而在三维建模、有限元分析、科学计算与控制方面相对逊色。MATLAB在科学计算与控制方面权威，但在三维建模、有限元分析方面差；v PRO/E wildfire与软件ANSYS协作仿真 v PRO/E与ADAMS软件的协作仿