机电系统与仿真概述.ppt

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1、机电系统动态仿真,天津工业大学机电系主讲教师:刘 欣 2011年2月,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MATLAB语言的基本知识，结合所学课程机械控制工程和机电传动控制基础，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能，为今后从事科学研究打下较好的基础。,课程任务,学时安排与考试形式总学时：30（其中上机学时10）考试方式：笔试70%+上课10%+上机 10%+作业10%,机电系统相关技术与仿真技术概述MATLAB语言基础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SIMULINK仿真基础机电

2、系统动态仿真实例,教学内容,参考书目,机电系统动态仿真机械工业出版社 2005 刘白雁系统仿真技术 北京航空航天大学出版社 2006 彭晓源机电系统仿真与设计 哈尔滨工程大学出版社 2006 张立勋等基于MATLAB/simulink的系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2002 薛定宇 控制系统MATLAB计算及仿真国防工业出版社，2004 黄忠霖系统仿真技术与应用清华大学出版社，2002年 薛定宇等,第一讲 机电系统与仿真概述,Mechatronics=Mechanics+Electronics 机械电子学=机械学+电子学,从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术、微电子技术、信息技术

3、、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。,1.机电一体化技术,1.1 共性关键技术,1.精密机械技术 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。,2.信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，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 自动控制技术范围很广，机电系统设计在基本控制理论指导下，对具体控

4、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、使之具有一定的状态和性能的系统。,4.检测传感技术 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部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，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件是传感器。,5.伺服驱动技术 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连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动

5、。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 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有机联系问题，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，系统也很难正常运行。,1.2 机电一体化技术的特色,机电一体化技术与传统机电技术的区别：传统机电技术的操作控制主要通过具有电磁特性的各种电器来实现，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系；机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设

6、计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。机电一体化技术与并行工程的区别：机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机地结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。,机电一体化技术与自动控制技术的区别：自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件应用自控原理和方法，对机电一体化装置

7、进行系统分析和性能测算。机电一体化技术与计算机应用技术的区别：机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中的一部分，它还可以在办公、管理及图像处理等方面得到广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。,1.3 机电一体化的发展状况,1).20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”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，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2).70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”计算机技术、控制

8、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。,mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20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。3).90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”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。,1.4 机电一体化的发展趋势(7),智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要

9、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、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。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、系列化带来的好处可以肯定，模块化将给机电一体化企业带来美

10、好的前程。,网络化：20世纪90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，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。微型化：微型化兴起于20世纪80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（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm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、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

11、，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。,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，报废后能回收利用。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，研制各种机电一体化产品。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。,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，

12、从而赋予新的功能和性能的一种新产品。,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(系统)有：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、CADCAM系统等。,2.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）特点：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协同整合。,2.1 机电系统的特点,两个系统论 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；控制系统包括软、硬件。三环论,2.2 基本组成要素

13、,五块论,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、传感测试部分、控制及信息处理部分。,3.机电系统实例,4.仿真在机电系统设计中的作用,仿真的定义 仿真是指对现实系统某一层次抽象属性的模仿。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，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。,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，并能够建立系统的数学模型，便可以使用计算机对于系统进行仿真与分析。,1、模型的

14、定义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定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。2、模型的分类（1）物理模型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：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。,4.1 仿真模型,（2）数学模型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。是根据现实系统的数学关系构造的。（3）仿真模型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。,4.2 计算机仿真,计算机仿真的定义 计算机仿真也称计算机模拟，是利用

15、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。利用计算机高速而精确的计算能力、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维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。,计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。计算机仿真程序可以重复利用，方便对系统的修改，代价小；通过不断的进行仿真修改可以深化对系统的认识，进而对系统采取相应的控制策略；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。,计算机仿真三要素（1）系统

16、：研究的对象（2）模型：系统的抽象（3）计算机：工具与手段,计算机仿真内容及基本步骤 包括三个基本的内容：建模 仿真实验 结果分析,4.3 仿真的分类,按系统数学模型描述方法分1、定量仿真：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。如：动力学系统、电路系统等连续系统的数学模型主要是基于微分方程描述，仿真模型采用不同的离散算法；在时间点上离散的系统，如采样系统直接采用差分方程描述，输入输出参数也是定量的。2、定性仿真：仿真系统中的模型采用定性描述，在本质上是一种非数值化得建模仿真方法。模型及输入输出信息、行为表示与分析均采用一种模糊、不确

17、定性的、非量化的表示。源于对复杂系统的仿真研究，因为系统过于复杂，建模知识不完备，无法构造系统的精确定量模型；但它能处理多种形式的信息，有推理和学习的能力，能初步模仿人类思维方式。如模糊建模方法、图像建模方法等。,按仿真时钟与墙钟时间的比例关系分1、实时仿真：仿真时钟推进时间与墙钟推进时间完全一致，两者比例因子等于1；2、欠实时仿真：仿真时钟推进时间比墙钟推进时间慢，一致，两者比例因子小于1；3、超实时仿真：仿真时钟推进时间比墙钟推进时间快，两者比例因子大于1。,按计算机类型分1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。利用各种具有数学模型特征的典型电路，组成各种典型的基本运算部

18、件，它们连接起来可以进行复杂的数学运算。模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“模拟运算放大器”为主要部件所构成。50年代描述连续物理系统的动态过程比较自然逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低。,2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。是用0和1断续变化的电脉冲数码串表示系统的状态及数值，并进行数字式运算。60年代数字仿真的计算与仿真的精度较高，但没有专用的仿真软件支持，需要设计人员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真

19、。充分利用了模拟仿真的连续信号处理功能以及数字部件的迭代、逻辑运算和复杂函数生成功能。4、现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。,4.4 仿真技术的应用,1、航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以等。电站操作人员培训模拟系统。,3、原子能工业模拟核反应堆核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域医学社会学宏观经济与

20、商业策略的研究,4.5 仿真技术的意义,1、经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/101/5，而且设备可以重复使用。2、安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。,3、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接

21、实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。,4.6 仿真技术的发展趋势,1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少。4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。,4.7 机电系统动态仿真,科学技术的快速发展对机电

22、系统的性能分析与设计提出了越来越高的要求。建立机电系统模型和对机电系统进行仿真与设计，对于系统的设计与开发具有极其重要的作用。仿真的任务：在理论分析阶段，通过机电系统的计算机仿真验证理论分析结果的正确性；对系统的运动状态给出直观的模拟结果，是帮助设计人员分析和检查设计结果的正确性和合理性的最有效的手段，是机电系统设计过程中不可缺少的内容和环节。,仿真的内容,机构运动状态的仿真：机构运动学仿真和动力学仿真测试及信号处理系统的仿真：对传感器及信号处理系统性能的仿真；测试方案对系统性能影响的仿真分析伺服驱动系统的仿真：伺服驱动系统的动力学特性分析控制系统的仿真：控制器的设计及控制性能仿真系统综合性能

23、的仿真：对整个系统从输入到输出之间各个环节性能综合仿真分析；分析各环节之间的相互影响和耦合特性；外部扰动对系统性能的影响；对系统综合动、静性能作出评价。,4.8 计算机仿真软件,仿真软件的发展1、程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。2、程序软件包阶段 出现了“应用子程序库”。3、交互式语言阶段（仿真语言）仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。4、模型化图形组态阶段符合设计人员对基于模型图形化的描述。,机电系统常用的几种仿真软件1、结构的设计与仿真软件：

24、Solidworks;Autodesk Inventor;Pro/Engineer;Unigraphics;ADAMS;ANSYS等2、信号处理及控制系统的仿真软件：PSPICE;ORCAD;Protel;MATLAB等,主要介绍MATLAB软件在机电系统建模、仿真分析中的应用,MATLAB：具有强大的数值计算和图形可视化功能，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。SIMULINK是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。,本章小结,仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。MATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。,