第1讲 机电系统与仿真概述39

1、 通过本课程的学习，使学生初步了解机电系统相通过本课程的学习，使学生初步了解机电系统相关技术以及仿真建模方法；掌握当前流行的演算式关技术以及仿真建模方法；掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学课程语言的基本知识，结合所学课程机械控机械控制工程制工程和和机电传动控制基础机电传动控制基础，学会运用程序，学会运用程序和建模语言进行机电系统仿真和辅助设计的基本技和建模语言进行机电系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。能，为今后从事科学研究打下较好的基础。课程任务课程任务学时安排与考试形式学时安排与考试形式机电系统相关技术与仿真技术概述机电系统相关技术与仿真技

2、术概述MATLAB语言基础语言基础系统数学模型的建立与仿真的数值积分方法系统数学模型的建立与仿真的数值积分方法运用仿真工具对系统进行数学描述建模和分析运用仿真工具对系统进行数学描述建模和分析SIMULINK仿真基础仿真基础机电系统动态仿真实例机电系统动态仿真实例教学内容教学内容n机电系统动态仿真机电系统动态仿真机械工业出版社机械工业出版社 2005 刘白雁刘白雁n系统仿真技术系统仿真技术 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 2006 彭晓源彭晓源n机电系统仿真与设计机电系统仿真与设计 哈尔滨工程大学出版社哈尔滨工程大学出版社 2006 张立勋等张立勋等n基于基于MATLAB/simu

3、link的系统仿真技术与应用的系统仿真技术与应用 清华大学出版清华大学出版社社 2002 薛定宇薛定宇 n控制系统控制系统MATLAB计算及仿真计算及仿真国防工业出版社，国防工业出版社，2004 黄忠霖黄忠霖n系统仿真技术与应用系统仿真技术与应用清华大学出版社，清华大学出版社，2002年年 薛定宇等薛定宇等n Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械电子学机械电子学=机械学机械学+电子学电子学n从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术 、微电、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地子技术、信息技术

4、、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。1.1. 机电一体化技术机电一体化技术 1). 精密机械技术精密机械技术 与传统的机械产品的区别：机械结与传统的机械产品的区别：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。度更大、动态性能更好。信息处理技术信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、信息处理技术包括

5、信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机计算机，因此计，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。算机的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。 3).自动控制技术自动控制技术 自动控制技术范围很广，机电系统设自动控制技术范围很广，机电系统设计在基本计在基本控制理论控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真和现场调试，最后使研制的系统计；对

6、设计后的系统进行仿真和现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成可靠地投入运行。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。态和性能的系统。 4).检测传感技术检测传感技术 传感与检测装置是系统的感受器官，传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关

7、键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是件是传感器传感器。 5).伺服驱动技术伺服驱动技术 伺服驱动包括电动、气动、液压等各伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，连接，控制它们的运动，带动工作机械带动工作机械作回转、直线以及其他作回转、直线以及其他各种复杂的运动。各种复杂的运动。 驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路。驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路。6).系统总体技术系统总体技术

8、是一种从整体目标出发，用系统的是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局角度，把功能和技术方案组成方案组进行分析、评观点和全局角度，把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的优化问题和组成要素之间的有机联系有机联系问题，即使各个组成要素问题，即使各个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也很难正常运行。很难正常运行。2. 机电一体化的发展状况机电一体化的发展状况1). 20世纪世纪60年代前为第

9、一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段”n工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2). 70年代到年代到80年代为第二阶段，年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段” n计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。奠定了技术基础。nmechatron

10、ics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认。机电一体化技年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认。机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。产品给以很大的关注和支持。3). 90年代后期开始为第三阶段，年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段智能化阶段”n光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新一体化

11、中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电分支。对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。n智能化智能化：智能化是：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。在控世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、生理学和混沌动力学新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断生理学和混沌动力学新思想、新方法，模拟人类智能，使它具

12、有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。主要推理、逻辑思维和自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。主要体现在诊断过程的智能化，人机接口的智能化，加工过程的智能化。体现在诊断过程的智能化，人机接口的智能化，加工过程的智能化。n模块化模块化：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口的机电一体化产品单元是一项十标准机械接口、电气接口、动力接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。需要制定各项标准，以便各部件、单元分复杂但又是非常重要的事。需要制定各项标准，以便各部

13、件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，很难制定国际或国内这方面的标准，的匹配和接口。由于利益冲突，很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。从电气产品的标准化、系列化但可以通过组建一些大企业逐渐形成。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。带来的好处可以肯定，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。n网络化网络化：20世纪世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，

14、很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。n微型化微型化：微型化兴起于：微型化兴起于20世纪世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），），泛指几何尺寸不超过泛指几何尺寸不超过1cm

15、的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小微机电一体化产品体积小 、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。光刻技术和蚀刻技术两类。n绿色化绿色化：机电一体化产品的绿色化是指，使用时不污染生态环境，：机电一体化产品的绿色化是指，使用时不污染生

16、态环境，报废后能回收利用。报废后能回收利用。n人格化人格化：机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化：机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能 情情感感 人性显得越来越重要，另一层是模仿生物机理，研制各种机电人性显得越来越重要，另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。一体化产品。n系统化系统化：系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开：系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和放式和模式化的总线结

17、构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能大大加强。通信功能大大加强。n机电系统：机械系统与微电子系统，特别是与微处理机电系统：机械系统与微电子系统，特别是与微处理器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性能的一种器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性能的一种新产品。新产品。 n 应用机械工程和电子工程相结合的这些技术的机械电子装置应用机械工程和电子工程相结合的这些技术的机械电子装置（产品），典型的机电一体化产品（产品），典型的机电一体化产品(系统系统)有：有： 数控机床、机器人、汽车

18、电子化产品、智能化仪器仪表、电子排数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、版印刷系统、CADCAM系统等。系统等。1.2 机电系统机电系统在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称（运用机电一体化技术的系统）成系统的总称（运用机电一体化技术的系统）n 特点特点：是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和：是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和制造中的制造中的协同整合协同整合。 1.

19、机电系统的特点机电系统的特点n两个系统论两个系统论 物理系统和控制系统。物理系统和控制系统。 物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器；控制系物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器；控制系统包括软、硬件。统包括软、硬件。机电一体化软件机械学电子学2. 基本组成要素基本组成要素五块论五块论动力部分控制器检测部分执行机构机械本体(a)动力控制检测动作构造(b)n典型的机电系统应包含以下几个基本要素：典型的机电系统应包含以下几个基本要素： 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。部分、控制及信息处理部分。1.3 机电系统

20、实例机电系统实例仿真的定义仿真的定义n 仿真是指对现实系统某一层次仿真是指对现实系统某一层次抽象属性抽象属性的模仿。其基本思的模仿。其基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理相似性原理。 在工程技术界，系统仿真是指通过系统模型的试验间接的获在工程技术界，系统仿真是指通过系统模型的试验间接的获取原形的规律性认识。取原形的规律性认识。 计算机与信息处理技术的发展给系统的仿真技术带来了惊人的计算机与信息处理技术的发展给系统的仿真技术带来了惊人的变

21、化。只要设计者能够全面了解了系统所处的环境及系统中的对变化。只要设计者能够全面了解了系统所处的环境及系统中的对象，并能够建立象，并能够建立系统的数学模型系统的数学模型，便可以使用，便可以使用计算机对于系统进计算机对于系统进行仿真与分析行仿真与分析。1)、模型的定义、模型的定义n模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种对系统的特征与变化规律的一种定量抽象定量抽象，是人们认识事物的，是人们认识事物的一种手段或工具。一种手段或工具。2)、模型的分类、模型的分类a. 物理模型物理模型n是一类具有某种实物物理

22、特征的模型，是不以人的意志为转移是一类具有某种实物物理特征的模型，是不以人的意志为转移的客观存在的实体，是根据现实系统的物理性质构造的。如：的客观存在的实体，是根据现实系统的物理性质构造的。如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。1. 仿真模型仿真模型b. 数学模型数学模型n是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。是根据现实系统的现原型的功能或结构特征。是根据现实系统的数学关系数学关系构造的。构造的。c.仿真模型仿真模型n指根据系统的数学模型，用仿真语言转

23、化为计算机可以指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的数字模型。实施的数字模型。计算机仿真计算机仿真2. 计算机仿真计算机仿真计算机仿真的定义计算机仿真的定义n 计算机仿真计算机仿真也称计算机模拟，是利用计算机对研究系统也称计算机模拟，是利用计算机对研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者，进行动态的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者，进行动态性能的比较，利用建立的模型对系统进行研究和分析，并将性能的比较，利用建立的模型对系统进行研究和分析，并将系统过程演练出来。系统过程演练出来。n 利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理利用计算机高速而精确的计算能力、

24、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。术。 计算机仿真是基于所建立的计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型系统仿真模型，利用，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。计算机对系统进行分析与研究的方法。n计算机仿真程序可以重复利用，方便对系统的修改，代价小；计算机仿真程序可以重复利用，方便对系统的修改，代价小；n通过不断的进行仿真修改可以深化对系统的认识，进而对系统通过不断的进行仿真修改可以深化对系统的认识，进而

25、对系统采取相应的控制策略；采取相应的控制策略；n利用计算机仿真，会更接近实际系统的工作状态，可以实现机利用计算机仿真，会更接近实际系统的工作状态，可以实现机电产品的快速开发。电产品的快速开发。 （1）系统：研究的对象）系统：研究的对象 （2）模型：系统的抽象）模型：系统的抽象 （3）计算机：工具与手段）计算机：工具与手段系统模型计算机建立仿真模型建立数学模型仿真实验结果分析图1 .1 计 算机仿真三要素关系图计算机仿真内容及基本步骤计算机仿真内容及基本步骤 包括三个基本的内容：建模包括三个基本的内容：建模 仿真实验仿真实验 结果分析结果分析问题的阐述设置目标建立模型仿真实验设计编程序验证正确与否确认运行分析输出结果是是否否图1 .2 计 算机仿真程序流程仿真系统中的模型均为基于一定机理和算法建立起来仿真系统中的模型均为基于一定机理和算法建立起来的确定性模型，其输出输入参数也是用数值表示，是定量的。