工业机器人仿真模拟技术

工业机器人仿真模拟技术第一页，共68页。仿真基本概念

1虚拟样机技术

2仿真软件介绍

3仿真实例分析

4仿真基本概念

1第二页，共68页。1.仿真的定义采用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。目标模型???项目整体未知量仿真第三页，共68页。2.系统由相互联系、相互制约、相互依存的若干要素结合在一起，形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。整体性相关性目的性第四页，共68页。2.系统按运动性、确定性、连续性、方程类型和参数类型可分为五种。a.静态系统和动态系统b.确定系统和随机系统c.连续系统和离散系统静态系统相对不变，动态系统状态可变。确定系统每个连续状态唯一确定，随机系统每个状态随机。连续系统状态随时间变化连续，离散系统状态随时间变化成间断或突然改变。第五页，共68页。2.系统d.线性系统和非线性系统线性系统是满足叠加性和均匀性的系统e.定常系统和时变系统标量参数、时间函数第六页，共68页。3.系统仿真通过系统模型的试验研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统。建模仿真模型建立仿真实验第七页，共68页。3.系统仿真a.组成系统的实体对象：电阻R，电感L，电容C，电源e。b.属性：与实体对应的有效特性，如R,L,C,e.c.活动：系统内对象随时间推移产生的状态变化。如生热随时间的变化。第八页，共68页。4.仿真技术特点⑴对系统问题求数值解。⑵一种人为的试验手段。⑶较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。⑷我国学者认为：系统仿真就是在计算机上或（和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的、数字物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。第九页，共68页。5.仿真技术作用⑴实验、系统收集和积累信息的过程。⑵解决预测、分析和评价等系统问题。⑶复杂的大系统若干简单的子系统。⑷产生新思想、新策略，暴露出隐藏问题。第十页，共68页。6.系统仿真的一般过程与步骤a.分块建立子系统的模型。b.根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。a.设计流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。b.进行仿真实验并记录结果。a.处理实验数据.b.若未达到预期,则重新查找原因，再进行试验。第十一页，共68页。7.仿真vs动画仿真动画a.动态图像b.无法反应出不确定性对系统目标的影响。c.可以与物理定律无关。a.反应不确定性对系统目标的影响b.本质是数学计算。a.仿真动画是根据系统的特征进行仿真并记录为影响的过程。第十二页，共68页。仿真基本概念

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4虚拟样机技术

2第十三页，共68页。1.基本概念虚拟样机（VirtualPrototyping，简称VP）是面向系统级设计、应用于基于仿真设计过程的技术。第十四页，共68页。2.对制造业的影响虚拟样机技术是一种概念新颖、方法先进的设计技术，它改变了传统的设计理念，对制造业产生了深远的影响。用户需求和市场分析方案设计技术设计物理样机运行试验详细设计批量生产YN用户需求和市场分析方案设计CAD/CAM/CAE模型虚拟样机仿真测试分析评估N优化设计技术设计物理样机运行试验详细设计批量生产Y第十五页，共68页。3.核心技术第十六页，共68页。*SOLIDWORKSSolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。建模流程第十七页，共68页。4.建模数学基础第十八页，共68页。4.1微分方程最基本、最重要的数学模型反映元部件或系统动态运行的规律解析法一般步骤：a.确定系统或元部件的输入、输出变量。b.根据物理和化学定律列出系统或元部件的原始方程式，按

照工作条件忽略一些次要因素。c.找出原始方程式中间变量与其它因素的关系式。d.消去原始方程式的中间变量，得到一个关于输入、输出的

微分方程式。e.进行标准化处理，将输出各项放在等号左端，输入各

项放在等号右端，并且按照微分方程的阶次降幂排列，同

时将各系数化为具有一定物理意义的形式。第十九页，共68页。u（t）RLCi(t)uc(t)例1已知如图所示的RLC电路系统，其中u(t)为输入量，uc(t)为输出量，要求建立该系统的微分方程模型。根据电路的基本定律，可以列写出如式（1）的微分方程组，这是该电路系统的原始微分方程。（1）

第二十页，共68页。将原始微分方程合并为高阶微分方程:（2）

（3）

一般情况下，系统的微分方程可以表示如下：其中u(t)是输入量，y(t)是输出量，且有

第二十一页，共68页。4.2.1传递函数的定义对于一个线性定常系统，在初始条件为零时，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为该系统的传递函数。表示为：4.2.2传递函数的求取按照传递函数的定义，利用系统的微分方程进行相应的拉氏变换，即可得到系统的传递函数。4.2传递函数二、虚拟样机技术第二十二页，共68页。例2

对于例2.1中RLC电路，已知它的高阶微分模型如式(2)所示，设初始条件为零，两边取拉普拉斯变换得进一步求得相应的传递函数为一般情况下式(3)所示的系统为零初始条件，对它的两边取拉普拉斯变换得：二、虚拟样机技术第二十三页，共68页。4.2.3传递函数的性质(2)传递函数只表明输入变量与输出变量之间的动态关系，不能够反映出系统内部的信息。(3)传递函数只能直接反映系统在零初始状态下的动态特性。(1)传递函数是描述线性系统或元部件动态特性的一种

数学模型，在形式上与系统的微分方程一一对应。

若将s看成为微分算符，即

二、虚拟样机技术第二十四页，共68页。(4)传递函数完全由系统的结构、参数确定，而与输入信号的

形式无关，它反映了系统本身的动态特点。(5)同一个系统，传递函数具有相同的分母多项式，所不同

的是分子多项式。(6)实际系统中，传递函数的分母多项式阶次n总是大于分子

多项式阶次m。(7)传递函数是一种数学抽象，无法直接由它看出实际系统的

物理构造，物理性质不同的系统，完全可以有相同的传递

函数表示。二、虚拟样机技术4.2.3传递函数的性质第二十五页，共68页。(8)系统的传递函数等于系统的单位脉冲响应的拉普拉斯变换；设g(t)表示系统的单位脉冲响应，即当系统的输入为单位脉冲函数δ(t)时、系统的输出为g(t)，根据传递函数的定义，显然有：(9)当系统中包含有纯延时环节时，传递函数具有如下的形式：其中，G0(s)表示通常的有理传递函数，T表示纯时延的大小。（根据拉式变换的延时特性）二、虚拟样机技术4.2.3传递函数的性质第二十六页，共68页。例3

系统的微分方程为则该系统包含了纯时延环节，T表示延时的大小，两边取拉普拉斯变换得进一步得到传递函数二、虚拟样机技术第二十七页，共68页。二、虚拟样机技术为了描述一个连续系统内部的特性及其运动规律，通常采用“状态”的概念。动态系统的状态是指能够完全刻画系统行为的最小的一组变量。每个方程只包含一个变量的一阶导数，方程的个数便等于未知变量的个数，这些未知变量也被称为状态变量。4.3状态方程第二十八页，共68页。状态方程引入了系统的内部变量——状态变量，因而状态方程描述了系统的内部特性，也被称为系统的内部模型。例1中，选i(t)和uc(t)为状态变量，可以求得如下的一阶微分方程组形式的数学模型—即状态方程形式的数学模型。（4）

二、虚拟样机技术4.3状态方程第二十九页，共68页。本例中的输出为若令（5）

二、虚拟样机技术4.3状态方程第三十页，共68页。则式（4），式（5）可以写成标准形式的状态方程（6）

二、虚拟样机技术4.3状态方程第三十一页，共68页。建立系统状态方程模型的一般步骤为：二、虚拟样机技术4.3状态方程第三十二页，共68页。状态向量的元素是一组独立的状态变量。对于一个系统，其状态向量的选择不是唯一的。

例如，若原来选择的系统的状态向量为x，它满足式（6）所示的状态方程，那么若选择其中P为n×n阶非奇异矩阵，则也可以作为系统的状态向量。显然，的分量是x(t)的分量的线性组合。容易求得关于的状态方程为状态方程具备下列性质：二、虚拟样机技术4.3状态方程第三十三页，共68页。输出方程为其中二、虚拟样机技术第三十四页，共68页。4.4.1结构图的组成符号、名称及功能系统结构图的组成符号主要有以下4种：信号线：带箭头的线段表示系统中信号的流通方向，并标明信号对应的变量。引出点：表示信号从该点取出，从同一信号线上取出的信号，其大小、性质完全相同。比较点：表示两个或两个以上的信号在该点进行叠加。方框：表示输入、输出信号之间的动态传递关系。二、虚拟样机技术4.4结构图第三十五页，共68页。列出系统中各元部件的微分方程，确定输入、输出变量。以典型环节或典型环节的组合来取代系统中的具体元部件，将各环节的传递函数填入方框中，标出信号及其流向。按系统中信号的流向，把代表各环节的方框连接起来，即构成系统的结构图。方框图中给出了信息传递的方向，又标出了输入、输出的定量关系。G(s)H(s)R(s)-Y(s)二、虚拟样机技术4.4.2结构图的绘制步骤第三十六页，共68页。直观容易由各环节模型求出整个系统的模型或传递函数。简化从原始微分方程到标准微分方程之间的变换。整理后得到从而得到整个闭环系统的传递函数为

4.4.2结构图的主要特点如由上图易得G(s)H(s)R(s)-Y(s)二、虚拟样机技术第三十七页，共68页。例2.4仍以例2.1中图2-6所示的RLC系统为例，其中u(t)为输入，uc(t)为输出。要求用结构图的方法求出从u(t)到uc(t)的传递函数。在例2.1中已经列出了该电路的原始微分方程为对上式取拉普拉斯变换并加以整理得二、虚拟样机技术第三十八页，共68页。根据上式可以画出系统的结构图如下。Uc(s)Ls+RCsU(s)I(s)-对照图反馈控制系统的典型结构图，得则系统的传递函数为二、虚拟样机技术第三十九页，共68页。仿真基本概念

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3第四十页，共68页。MATLABADAMSANSYS第四十一页，共68页。1.MATLABMATLAB和Mathematica、Maple并称为当今世界三大数学软件。⑴编程效率高⑵扩充能力强⑶使用方便、上手快捷⑷语句简单、内涵丰富⑸高效的运算能力⑹方便的绘图功能⑺丰富的应用功能第四十二页，共68页。1.MATLAB命令窗口文件目录内存工作区过去命令窗口第四十三页，共68页。三、仿真软件介绍第四十四页，共68页。MATLABADAMSANSYS第四十五页，共68页。2.ADAMS由美国机械动力公司开发的一种虚拟样机分析软件，用于机械系统动力学自动分析。⑴可利用多种库建立机械系统的三维参数化模型。⑵可进行机械系统多种分析。⑶具有先进的数值分析技术和强大的求解器。⑷具有组装、分析和动态显示模型变化的能力。⑸具有强大的函数库，可供用户自定义。⑹具有开放式结构，可允许用户集成自己的子程序。⑺可自动输出多种数据曲线，并仿真。⑻可预测机械系统特征，计算有限元的输入载荷。⑼可支持同大多数相关软件包之间的双向通讯。第四十六页，共68页。三、仿真软件介绍第四十七页，共68页。MATLABADAMSANSYS第四十八页，共68页。3.ANSYSANSYS是美国ANSYS公司研制的一种大型通用有限元分析（FEA）软件⑴能够实现电子设备的互联⑵能够仿真各种类型的结构材料⑶能够简化复杂的流体动力学工程问题⑷能够实现基于模型的系统和嵌入式软件开发第四十九页，共68页。三、仿真软件介绍第五十页，共68页。仿真基本概念

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4第五十一页，共68页。四、仿真实例分析1.整体流程第五十二页，共68页。四、仿真实例分析2.Solidworks建模机械手整体结构整体结构的轴测图1234第五十三页，共68页。四、仿真实例分析2.Solidworks建模末端执行器整体效果图竖直滑台水平滑台第五十四页，共68页。四、仿真