系统仿真-第9讲-系统建模.ppt
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1、1,机械工程学院2011级硕士研究生,系统仿真课程 System Simulation,计时鸣2011年12月,2,第九讲Simscape语言,3,9.1 Simscape简介,Simscape是mathworks公司在MATLAB和Simulink基础上针对多域物理系统仿真推出的可视化仿真工具,使用者可以在集成了多领域物理仿真工具的单一环境下进行设计和仿真工作。Simscape建模比使用抽象的数学模型建模更为直观和方便,并按照能量传递的原则构成物理元件之间的连接,因此称Simscape是物理系统建模与仿真工具。,4,Simscape使用跨越型变量和通过型变量表达物理模型的外部特性。跨越型变量
2、以并联的形式表征元件两连接端之间的物理量(例如电压),通过型变量则以串联的形式表征元件两连接端之间的物理量(例如电流)。,5,9.2 SimMechanics仿真程序举例,作为一个实例,在Matlab运行窗口中,运行mech_conveyor命令,可以在Simulink设计窗口中打开mech_conveyor.mdl仿真程序,点击工具栏中的三角形符号按钮可以运行该程序。,6,刚体模块,转动关节模块,机器环境模块,静止点 模块,角度驱动模块,角度传感器模块,电气控制,7,8,转动关节,平移关节,9,刚体模块,静止点模块,10,角度或位移传感器,11,4,1,2,3,Pusher,12,9.3 S
3、imElectronics仿真程序举例,作为一个实例,在Matlab的Demos窗口中,运行Controlled DC Motor例子,可以在Simulink设计窗口中打开elec_controlled_dcmotor.mdl 仿真程序,点击工具栏中的三角形符号按钮可以运行该程序。,13,14,elec_controlled_dcmotor,15,第九讲基于SimMechanics的机械系统建模与仿真,16,9.1 SimMechanics简介,SimMechanics是以牛顿力学为基础的机械建模和工程设计的动态系统仿真工具,使用Simulink交互式框图设计界面,具有交互仿真能力。SimMe
4、chanics提供了大量真实物理元件模型来表述被仿真的系统,例如刚体、关节、驱动器和传感器等,为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段。应用SimMechanics建立的模型可以与传统的Simulink模型相融合。,17,9.1.1 SimMechanics的特点,1)提供三维刚体机械系统的建模环境,具有多种连接和约束形式,提供多种本地坐标系统,可以通过SolidWorks转换器定义机械模型,可进行系统的运动学以及正向、逆向动力学分析。2)允许机械模块与其它类型模块结合使用,可在Simulink中建立高精度、非线性模型以支持控制系统的开发和测试,提供平衡点和线性化工具以支持控
5、制系统设计。3)使用Virtual Reality Toolbox或Matlab图形(Handle Graphics)支持机械系统可视化及动画显示。,18,9.1.2 SimMechanics的功能,1在Simulink环境中进行动力学和运动学分析 SimMechanics使用Simulink交互式框图设计界面建立机械多体动力学系统模型,可方便地修改系统的物理参数,包括位置、方位角和运动参数等,使用变步长积分法获得较高的仿真计算精度。SimMechanics提供了如下动力学仿真与分析算法:,19,1)正向动力学分析算法,用于求解机械系统在给定激励下的响应;2)逆向动力学分析算法,用于求解机械系
6、统在给定运动结果时所需的力和力矩;3)运动学分析算法,用于在给定约束条件下求解系统的位移、速度和加速度,并做一致性检查;4)线性化分析算法,用于可解系统在指定小扰动或初始状态下的线性化模型,分析系统的响应特性;5)平衡点分析算法,用于确定系统稳态平衡点,以供系统分析和线性化使用。,20,2提供典型机械系统模型1)具有质量的刚体单元;2)平移和旋转关节单元;3)向机械系统提供力和力矩作用的驱动器单元,可接受Simulink模型的信号;4)测量机械系统运动物理量的传感器单元,可向Simulink模型输出信号;5)航空器件空气动力学模块,例如副翼和方向舵;6)车辆主动悬架系统,例如防侧翻机械装置和控
7、制器;7)可用于飞行器和地面车辆的轮胎。,21,3机械系统动画显示SimMechanics可使用Virtual Reality工具箱或是Matlab图形功能生成系统三维动画,Matlab图形方式提供基本的动画显示,Virtual Reality工具箱则可提供更加高级、真实的动画,两者都可以用于显示机械系统的数值分析结果。,22,4定义刚体、关节、约束和坐标系统SimMechanics支持任意数量的刚体建模,刚体需进行质量和坐标系定义,并通过关节与其它刚体相连,可在运动刚体上添加相应的运动约束。约束通过Simulink信号来限定刚体运动,并可以时间函数的形式驱动刚体运动。SimMechanics
8、提供了多种方式定义坐标系统、约束和驱动条件。包括:1)在刚体上连接多个本地坐标,用于施加作用条件和测量物理量;2)通过添加用户订制的模块来扩展关节库;3)在SimMechanics模块中使用Matlab表达式和Simulink工具。,23,5驱动器和传感器 Simulink和SimMechanics模块之间的联系是通过驱动器和传感器模块建立的,驱动器使用Simulink信号来指定刚体或关节上的力和运动。包括:1)指定刚体或关节的运动参数,如按某种时间函数变化的位移、速度或加速度;2)指定并施加在刚体或关节上的力和力矩;3)计算系统的初始状态(位移和速度),用于动力学仿真;传感器用来检测刚体和关
9、节的运动参数,并以Simulink信号的形式输出,可在Simulink示波器模块中显示系统的位移、速度和加速度,监视系统中的作用力。,24,6代码生成 使用Real-Time Workshop工具可以对SimMechanics模型进行自动代码生成,利用生成的代码可实现以下功能:1)建立与SimMechanics模型相对应的可执行文件,这些可执行文件可以集成到C程序和其它Matlab程序中使用;2)可将SimMechanics模型代码下载到实时的处理器中进行硬件在路仿真;3)对C代码进行编译,以提高模型的运算速度。,25,7利用SolidWorks将CAD组件导入SimMechanicsSimM
10、echanics具有可将SolidWorks中的CAD组件自动转换为SimMechanics模型的转换器。只要将SolidWorks中的CAD组件另存为SimMechanics中的XML文件,即可完成模型的转换。,26,9.2 SimMechanics的主要操作方法,9.2.1 SimMechanics的启动,打开Simulink交互式框图设计窗口,1)单击Matlab软件左下角的Start按钮;2)单击弹出菜单Simulink子目录SimMechanicsblock library按钮;3)单击模块库窗口弹出菜单FileNewModel按钮,打开Simulink交互式框图设计窗口。,27,9
11、.2.2 打开SimMechanics模型文件,打开已存在的SimMechanics模型文件的主要方法为:1)在MATLAB命令窗口中直接键入模型文件名(不需要加扩展名.mdl);2)在MATLAB的菜单中选择FileOpen打开Open窗口,选择文件类型为扩展名.mdl,选择对应文件打开。,28,9.2.3 保存SimMechanics模型,保存SimMechanics模型文件的主要方法为:1)在Simulink设计窗口菜单中选择FileSave as,在Save as窗口选择文件类型*.mdl,填入适当的文件名称,按保存按钮即可;2)不更改已存在的SimMechanics模型文件名称而保存
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