機電系統(tǒng)建模與仿真-1概述

第1章緒論,1.1機電系統(tǒng)概述1.1.1機電一體化技術(shù)產(chǎn)生的背景機械技術(shù)向自動化、智能化發(fā)展的產(chǎn)物電子技術(shù)向機械工業(yè)領(lǐng)域的滲透1.1.2機電一體化的基本概念機電一體化的定義，機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品Mechatronics=Mechanics+Electronics機械電子學(xué)=機械學(xué)+電子學(xué),從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，機電一體化技術(shù)是將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。機電一體化系統(tǒng)的基本要素：機械本體、測試傳感、驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)、控制及信息處理、能源,機電系統(tǒng)：機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)，特別是與微處理器或微機有機結(jié)合，從而賦予新的功能和性能的一種新產(chǎn)品。,應(yīng)用機械工程和電子工程相結(jié)合的這些技術(shù)的機械電子裝置（產(chǎn)品），典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CADCAM系統(tǒng)等。,2.機電系統(tǒng),在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引入微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱（運用機電一體化技術(shù)的系統(tǒng)）特點：是機械工程、電子學(xué)和智能控制算法在產(chǎn)品設(shè)計和制造中的協(xié)同整合。,2.1機電系統(tǒng)的特點,兩個系統(tǒng)論物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。物理系統(tǒng)包括各種驅(qū)動裝置、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器；控制系統(tǒng)包括軟、硬件。三環(huán)論,2.2基本組成要素,典型的機電系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。,3.機電系統(tǒng)實例,機電一體化系統(tǒng)與人體的對比機電一體化的相關(guān)技術(shù)：機械、計算機及信息處理、系統(tǒng)技術(shù)、自動控制、傳感與檢測、伺服驅(qū)動機電一體化的技術(shù)優(yōu)勢,典型的機電系統(tǒng)：工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)伺服傳動系統(tǒng)；基本的機電控制問題位置和速度的動態(tài)控制。,串聯(lián)機器人,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),移動關(guān)節(jié),工業(yè)機械手末端執(zhí)行器（1）機械夾持器,（2）特種末端執(zhí)行器,真空吸附手,電磁吸附手,靈巧手,平臺式并聯(lián)機器人,6分支示意圖,并聯(lián)機構(gòu)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1-3為轉(zhuǎn)動副，關(guān)節(jié)4-6為移動副，關(guān)節(jié)7-9為球面副。,虎克鉸,球面關(guān)節(jié),典型的機電系統(tǒng)：數(shù)控機床；點位控制、直線運動控制、連續(xù)路徑(輪廓)控制,典型機電系統(tǒng)：自動化制造單元；順序控制問題,典型機電系統(tǒng)：柔性制造單元；具有生產(chǎn)規(guī)劃和調(diào)度能力,典型機電系統(tǒng)：無人工廠,4.1機電系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線擬定目標(biāo)及初步技術(shù)規(guī)范、可行性分析、初步設(shè)計（總體方案設(shè)計）、總體方案的評價與評審、理論分析（建模、仿真、模擬試驗）、詳細(xì)設(shè)計（樣機設(shè)計）、詳細(xì)設(shè)計方案的評價與評審、試制樣機、樣機試驗測試、技術(shù)鑒定,4仿真在機電系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)中的作用,4.2仿真在機電系統(tǒng)設(shè)計中的作用仿真的定義仿真是指對現(xiàn)實系統(tǒng)某一層次抽象屬性的模仿。其基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。,計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。,系統(tǒng)開發(fā)的需要；經(jīng)濟上的考慮；安全上的考慮；時間上的考慮；仿真模型具有易操作、易理解的特點，使用它便于多方案分析比較。,為什么要用仿真模型？,例1電視機抗跌落分析,MATLAB的計算結(jié)果,為設(shè)計工程師提供結(jié)構(gòu)改進(jìn)及包裝設(shè)計的理論依據(jù),例2、氣囊彈射速度確定（1997年，美國）原來220英里/小時，在加拿大一年統(tǒng)計：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美國眾議院通過，調(diào)整到180英里/小時。據(jù)計算，正規(guī)的安全氣囊必須在發(fā)生汽車碰撞后的0.01秒內(nèi)微處理器開始工作，0.03秒內(nèi)點火裝置啟動，0.05秒內(nèi)高壓氣體進(jìn)入氣囊，0.08秒內(nèi)氣囊向外膨脹，0.11秒內(nèi)氣囊完全脹大，此刻之后，駕車者才會撞上氣囊。例3、美國三種典型導(dǎo)彈研制過程仿真技術(shù)的作用,例4世貿(mào)大廈倒塌的結(jié)構(gòu)問題,例5ADAMS/CAR中建立的整車模型,仿真的類型：物理仿真基于物理模型的仿真數(shù)學(xué)仿真基于數(shù)學(xué)模型的仿真半物理仿真一部分?jǐn)?shù)學(xué)模型、一部分物理模型,半物理仿真之硬件在回路仿真半物理仿真之軟件在回路仿真半物理仿真之人在回路仿真,機電系統(tǒng)仿真的任務(wù)在理論分析階段通過對系統(tǒng)運行狀態(tài)的模擬來分析和驗證設(shè)計方案的正確性和合理性。在樣機制作階段和試驗階段，檢驗控制模型的優(yōu)劣。對于仿真的要求：簡單性與精確性的矛盾，分析成本與模型有效性的矛盾；數(shù)學(xué)模型是對于實際物理系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)描述，而非物理系統(tǒng)本身，重要的是數(shù)學(xué)模型要能夠滿足設(shè)計需要。,數(shù)學(xué)模型在系統(tǒng)最初設(shè)計階段或投入制造前對其動態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測，這種預(yù)測以數(shù)值模擬或稱仿真方式進(jìn)行，其依據(jù)是基于系統(tǒng)動力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述，也就是數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是設(shè)計工具。,5系統(tǒng)建模,以相似理論、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)以數(shù)學(xué)、計算機、物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用共性或?qū)Ｓ弥渭夹g(shù)，建立系統(tǒng)模型對研究對象（系統(tǒng)）進(jìn)行抽象、映射、描述和實驗、分析、評估的一門多學(xué)科的綜合性、交叉性學(xué)科,系統(tǒng)模型,非線性,線性,連續(xù),離散,混合,單變量,多變量,定常,時變,建立模型的方法：數(shù)理方法（白箱）、試驗建模（白、灰、黑箱）、假設(shè)檢驗,按照系統(tǒng)論的觀點，實際系統(tǒng)可在某種級（水平）上被分解，因此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以有不同的描述級（水平）：性狀描述級性狀描述級或稱為行為描述級（行為水平）。在此級上描述系統(tǒng)是將系統(tǒng)堪稱黑箱，并施加輸入信號，同時測得輸出響應(yīng)，結(jié)果是得出一個輸入-輸出對：(，)及其關(guān)系Rs=(，)：,。狀態(tài)描述級在狀態(tài)結(jié)構(gòu)級（狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平）上，系統(tǒng)模型不僅能反映輸入-輸出關(guān)系，而且應(yīng)能反映出系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，以及狀態(tài)與輸入、輸出間的關(guān)系。即不僅定義了系統(tǒng)的輸入與輸出，而且定義了系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)集及狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。白箱,復(fù)合結(jié)構(gòu)級系統(tǒng)一般由若干個分系統(tǒng)組成，對每個分系統(tǒng)都給出行為級描述，被視為系統(tǒng)的一個“部件”。這些部件有其本身的輸入、輸出變量，以及部件間的連接關(guān)系和接口。據(jù)此可建立系統(tǒng)在復(fù)合結(jié)構(gòu)級（分解結(jié)構(gòu)級）上的數(shù)學(xué)模型?；蚁溥@種復(fù)合結(jié)構(gòu)級描述是復(fù)雜系統(tǒng)和大系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)。5.1數(shù)理方法分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，定義系統(tǒng)變量將物理定律應(yīng)用于系統(tǒng)各組成元件，并進(jìn)行綜合得到描述輸入-輸出關(guān)系的（微分）方程式模型驗證（實驗驗證）。,5.2系統(tǒng)（實驗）辨識建模1962年，Zadeh給出系統(tǒng)辨識定義，如下：在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從一組給定的模型類中，確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型。系統(tǒng)辨識三要素：輸入輸出數(shù)據(jù)-辨識的基礎(chǔ)；模型類-尋找模型的范圍；等價準(zhǔn)則-辨識的優(yōu)化目標(biāo)。注：系統(tǒng)辨識與系統(tǒng)分析是互逆的兩種技術(shù)手段。,最小二乘法分析模型參數(shù)輸入-輸出數(shù)據(jù)精確已知時確定模型參數(shù)的方法數(shù)據(jù)精確已知是指測得的系統(tǒng)輸入-輸出數(shù)據(jù)是精確的，沒有被“噪聲”污染。最小二乘法估計模型參數(shù)的方法考慮測量不精確或者環(huán)境對過程的隨機干擾，實際量測到的輸出為：其中：為測量噪聲引起的隨機變量參數(shù)估計的任務(wù)：通過輸入、輸出數(shù)據(jù)確定參數(shù),6機電系統(tǒng)常用的計算機仿真軟件Pro/Engineer：零件三維模型、機械裝配，同時配備有有限元和運動學(xué)分析模塊ANSYS：基于有限元方法的力學(xué)分析ADAMS：AutomaticDynamicAnalysisofMec-hanicalSyst