基于ADAMS与Simulink的机电一体化系统联合仿真

1、基于基于ADAMSADAMS与与SimulinkSimulinkJOSEAN 机电一体化机电一体化联合仿真联合仿真03-0510-2829-30机电一体化系统仿真分析简介目录Co-simulation of Mechatronics System Based on ADAMS and SimulinkADMAS/Control与与Simulink介绍介绍总结及参考文献实例：雷达机构的机电联合仿真06-09Co-simulation of Mechatronics System Based on ADAMS and Simulink 机电一体化系统仿真分析简介 随着工程师对设计有着越来越高的要求

2、，在工程中纯的随着工程师对设计有着越来越高的要求，在工程中纯的机械设计已经无法满足。机械设计已经无法满足。 虚拟样机虚拟样机(virtual prototyping) (virtual prototyping) 技术的技术的不断发展，目前在有的仿真平台上不断发展，目前在有的仿真平台上( (如如ADAMS)ADAMS)机械工程师和机械工程师和控制工程师可以共享一个样机模型。与传统设计方法相比，控制工程师可以共享一个样机模型。与传统设计方法相比，这种方式具有十分明显的优越性。这种方式具有十分明显的优越性。引言引言机电一体化系统仿真分析简介 机电联合仿真建模机电联合仿真建模指的是首先对系统的各物理对

3、象建模，指的是首先对系统的各物理对象建模，也就是将系统的各组成部分在计算机中用适当的模型表达出来，也就是将系统的各组成部分在计算机中用适当的模型表达出来，这种计算机中表达的这种计算机中表达的物理模型物理模型必须易于必须易于转化转化为为数学描述数学描述(容易容易转化为计算机可执行的计算机码转化为计算机可执行的计算机码)，以实现物理模型的仿真计，以实现物理模型的仿真计算，然后借用软件接口实现各模型之间的联合仿真。算，然后借用软件接口实现各模型之间的联合仿真。 使用使用MSC.ADAMS仿真软件，机械工程师和控制工程师仿真软件，机械工程师和控制工程师可以共享同一个样机模型，进行设计、调试和试验。可以

4、利可以共享同一个样机模型，进行设计、调试和试验。可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。下图说明了这个过程下图说明了这个过程。 ADMAS/Control工具栏与Simulink简介 ADAMS/Controls模块和模块和Simulink的联合仿真为机械和控制的联合仿真为机械和控制系统的联合仿真提供了一种系统的联合仿真提供了一种全新的优化设计全新的优化设计平台。平台。 引言引言 ADAMS /Controls是ADAMS

5、其他模块如ADAMS/ View, Car, solver等的插件模块中的一个模块，它可以为建立的模型添加控制系统。通过ADAMS/Controls 模块，将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件MATLAB,EASY5，MATRIX等有机地连接起来，可以实现以下功能。 （1） 将复杂的控制系统添加到机械系统模型中，然后对机电一体化进行联合分析。 （2） 直接利用ADAMS程序创建控制系统分析中的机械系统仿真模型，而不需要使用数学公式建模。 （3） 在ADAMS环境或控制应用程序环境获得机电联合仿真结果。一、ADAMS /Controls模块 ADAMS/Controls ADAMS/Cont

6、rols 的设计流程的设计流程 确定确定ADAMSADAMS的输入和输出变量，生成对象的输入和输出变量，生成对象/ /过程模型过程模型建立控制系统模块建立控制系统模块模型的仿真模型的仿真建立机械系统的建立机械系统的ADAMSADAMS模型模型 机电产品组成的机电产品组成的多域性多域性，决定了机电产品的仿真环境，决定了机电产品的仿真环境的的多功能性多功能性，即不但能仿真机械系统，而且能融合控制，即不但能仿真机械系统，而且能融合控制系统的仿真。系统的仿真。 Matlab 软件具有强大的软件具有强大的数值计算能力数值计算能力，它的，它的 Simulink 环境可以进行控制系统建模与仿真，而且与环境可

7、以进行控制系统建模与仿真，而且与MSC. ADAMS 的接口也比较完善。的接口也比较完善。 MATLAB是是MathWorks公司开发的软件，具有很多工公司开发的软件，具有很多工具箱，其中具箱，其中Simulink工具箱，可以应用于对动态系统进工具箱，可以应用于对动态系统进行仿真和分析行仿真和分析,他可以处理的系统包括：他可以处理的系统包括： 1、 线性、非线性系统；线性、非线性系统； 2、 离散、连续及混合系统；离散、连续及混合系统； 3、 单任务、多任务离散事件系统单任务、多任务离散事件系统 二、二、 MATLAB/Simulink工具箱工具箱 雷达机构的机电联合仿真 以以雷达天线雷达天线

8、为研究对象，针对为研究对象，针对天线的天线的方位角控制方位角控制问题在问题在ADAMS和和Simulink的基础上进行了机电一体化的基础上进行了机电一体化仿真研究。仿真研究。构造ADAMS机械系统样机模型控制系统建模机电系统仿真分析雷达机构的机电联合仿真步骤雷达机构的机电联合仿真步骤确定ADAMS输入和输出构造ADAMS机械系统样机模型雷雷达达天天线线机械系机械系统样统样机模型机模型1熟悉模型1、方向旋转马达：马达通过、方向旋转马达：马达通过旋转副旋转副同同地面基础框架地面基础框架连接连接2、方向减速齿轮：该齿轮通过、方向减速齿轮：该齿轮通过旋转副旋转副同同地面基础框架地面基础框架连接连接3、

9、方向圆盘：通过、方向圆盘：通过旋转副旋转副同同地面基础框架地面基础框架连接连接4、天线支撑杆：用一个、天线支撑杆：用一个固定副固定副将天线支撑杆同将天线支撑杆同方向圆盘方向圆盘相连接相连接5、仰角轴承：使用一个、仰角轴承：使用一个固定副固定副将仰角轴承同将仰角轴承同天线支撑杆天线支撑杆相连接相连接6、天线：天线通过、天线：天线通过旋转副旋转副同同仰角轴承仰角轴承连接连接MSC.ADAMSMSC.ADAMS模型的导入模型的导入1 1、打开、打开ADAMSADAMS。2 2、选择文件输入。、选择文件输入。3 3、选择模型所在目录，、选择模型所在目录， OKOK。4 4、在文件输入窗口，击右键，选、

10、在文件输入窗口，击右键，选择择“BrowseBrowse”，并选择文件：并选择文件：antenna.cmdantenna.cmd。样机模型试运行 选择静态分析工具，确定作用力的平衡位置，以及雷达天线的静态平衡位置设置时间和步长确定ADAMS输入和输出ADAMS机械机械系统系统Simulink控制系统控制系统输入=control_torque输出=azimuth_position和rotor_velocity雷达天线的输入和输雷达天线的输入和输出出 在在 MSC. ADAMS 环境中定义雷达天线系统动力学模型的输环境中定义雷达天线系统动力学模型的输入和输出变量，以在入和输出变量，以在 MSC.

11、ADAMS 与与 Simulink 控制系统之间控制系统之间形成形成闭环回路闭环回路。 控制系统输出控制系统输入天线仰角的方位角变量天线仰角的方位角变量马达转速变量马达转速变量调用调用control模块模块控制力矩对话框控制力矩对话框确定输入函数确定输入函数确定输出变量确定输出变量 Adams和Simulink联合仿真时, 路径是很关键的，要设置二者有相同的工作目录。 在建立adams与matlab的连接时，要导出adams模型，点击controls/plant export命令，创建输入输出变量，并生成三个文件。定义定义ADAMS/Control模块的输入输出变量模块的输入输出变量定义输入输

12、出变量 完成以上过程，构建的模型已经成功的转为完成以上过程，构建的模型已经成功的转为MATLABMATLAB可以读取的形式，可以读取的形式，包括包括: :文件名文件名.adm .adm （ .adm文件为数据文件）文件名文件名.cmd .cmd （ .cmd文件为命令文件）文件名文件名.m .m （ .m文件保存输入输出信息）控制系统建模 本案例中采用本案例中采用PID算算法法（ PID是比例是比例(P)、积分、积分(I)、微分、微分(D)控制算法）控制算法）对对雷达天线的方位角进行控雷达天线的方位角进行控制。制。 控制系统建模的目的控制系统建模的目的是建立一个机械和控制一是建立一个机械和控制

13、一体化的样机模型框图中添加控制系统，实现控制系体化的样机模型框图中添加控制系统，实现控制系统的建模。统的建模。在MATLAB中输入”adams_sys”会产生如下的窗口接口文件的调用接口文件的调用S-Function: 实现非线性MSC.ADAMS 模型的State-Space 是线性化的MSC.ADAMS的模型。控制系统建模操作控制系统建模操作Adams_sub模块子系统设置仿真参数设置仿真参数构建控制系统图构建控制系统图 ADAMS接收来自Matlab的控制输入信息，产生相应的运动。同时，向Matlab的控制系统提供天线仰角的方位角azimuth_position和马达转速rotor_ve

14、locity的实时值。通过这种方式，机械系统和控制系统实现闭环控制。输出文件my test动态显示动态显示机电系统仿真分析 所创建的机电联合仿真模型在Simulink 环境下进行仿真，采用RungeKutta (龙格库塔法)方法，仿真时间为 0.25s，步长为 0.001s，允许误差使用默认值. 1） 在Simulink工具菜单栏，选择Simulation菜单。 2） 在弹出的下一层菜单中，选择Parameteres，显示参数设置对话框。 3） 设置仿真时间，在Start Time栏，输入0.0，设置开始时间。在End Time栏，输入0.25，设置结束时间。 4） 在仿真类型的第一个选择栏，

15、选择variable step mode参数。第二个选择栏，选择ode45s参数。 5） 对于其他各项参数，取默认值。 6） 选择OK按钮，关闭Matlab仿真参数设置对话框。 仿真仿真 执行机电系统联合仿真分析执行机电系统联合仿真分析 设置仿真参数设置仿真参数天线仰角方位角天线仰角方位角马达速度马达速度输出联合仿真结果输出联合仿真结果 完成仿真分析以后，完成仿真分析以后，ADAMS/View自自动关闭，打开控制系统输出示波器，显示动关闭，打开控制系统输出示波器，显示仿真结果。仿真结果。ADAMS后处理后处理 将仿真结果文将仿真结果文件件“my test”导导入入ADAMS 后处理后处理模块，重新生成曲模块，重新生成曲线。线。天线仰角方位角天线仰角方位角马达速度马达速度 总结及参考文献结束语结束语 本研究实现了用虚拟样机参与数学仿真的方法。首先，使用 ADAMS 和 SIMULINK 建立雷达天线的机械模型和控制模型，然后验证了模型的正确性，最终将雷达天线虚拟样机应用到天线控制系统仿真中，实现了天线控制过程的数学闭环仿真。结果表明仿真模型具有较好的实用性。 参考文献1.魏玉东, 滚筒洗衣机动态性能研究D, 2008, 天津大学.2.黎海青，郭百巍，徐红.基于ADAMS与SIMULINK的舵机虚拟样机建模和仿真J. 系统 仿真学报3.任远与白广忱, 基于ADA