工業(yè)機器人仿真模擬技術

工業(yè)機器人仿真模擬技術第一頁，共68頁。仿真基本概念

1虛擬樣機技術

2仿真軟件介紹

3仿真實例分析

4仿真基本概念

1第二頁，共68頁。1.仿真的定義采用項目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉化為它們對目標的影響，該影響是在項目整體的層次上表示的。目標模型???項目整體未知量仿真第三頁，共68頁。2.系統(tǒng)由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干要素結合在一起，形成的具有特定功能和運動規(guī)律的有機整體。整體性相關性目的性第四頁，共68頁。2.系統(tǒng)按運動性、確定性、連續(xù)性、方程類型和參數(shù)類型可分為五種。a.靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)b.確定系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)c.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)相對不變，動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)可變。確定系統(tǒng)每個連續(xù)狀態(tài)唯一確定，隨機系統(tǒng)每個狀態(tài)隨機。連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化連續(xù)，離散系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化成間斷或突然改變。第五頁，共68頁。2.系統(tǒng)d.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)是滿足疊加性和均勻性的系統(tǒng)e.定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)標量參數(shù)、時間函數(shù)第六頁，共68頁。3.系統(tǒng)仿真通過系統(tǒng)模型的試驗研究一個已經存在的或正在研究設計中的系統(tǒng)。建模仿真模型建立仿真實驗第七頁，共68頁。3.系統(tǒng)仿真a.組成系統(tǒng)的實體對象：電阻R，電感L，電容C，電源e。b.屬性：與實體對應的有效特性，如R,L,C,e.c.活動：系統(tǒng)內對象隨時間推移產生的狀態(tài)變化。如生熱隨時間的變化。第八頁，共68頁。4.仿真技術特點⑴對系統(tǒng)問題求數(shù)值解。⑵一種人為的試驗手段。⑶較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。⑷我國學者認為：系統(tǒng)仿真就是在計算機上或（和）實體上建立系統(tǒng)的有效模型（數(shù)字的、物理效應的、數(shù)字物理效應混合的模型），并在模型上進行系統(tǒng)試驗。第九頁，共68頁。5.仿真技術作用⑴實驗、系統(tǒng)收集和積累信息的過程。⑵解決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。⑶復雜的大系統(tǒng)若干簡單的子系統(tǒng)。⑷產生新思想、新策略，暴露出隱藏問題。第十頁，共68頁。6.系統(tǒng)仿真的一般過程與步驟a.分塊建立子系統(tǒng)的模型。b.根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，將子系統(tǒng)的模型進一步集成為全系統(tǒng)的仿真實驗模型。a.設計流程，選定待測量變量和相應的測量點，以及適合的測量儀表。b.進行仿真實驗并記錄結果。a.處理實驗數(shù)據(jù).b.若未達到預期,則重新查找原因，再進行試驗。第十一頁，共68頁。7.仿真vs動畫仿真動畫a.動態(tài)圖像b.無法反應出不確定性對系統(tǒng)目標的影響。c.可以與物理定律無關。a.反應不確定性對系統(tǒng)目標的影響b.本質是數(shù)學計算。a.仿真動畫是根據(jù)系統(tǒng)的特征進行仿真并記錄為影響的過程。第十二頁，共68頁。仿真基本概念

1虛擬樣機技術

2仿真軟件介紹

3仿真實例分析

4虛擬樣機技術

2第十三頁，共68頁。1.基本概念虛擬樣機（VirtualPrototyping，簡稱VP）是面向系統(tǒng)級設計、應用于基于仿真設計過程的技術。第十四頁，共68頁。2.對制造業(yè)的影響虛擬樣機技術是一種概念新穎、方法先進的設計技術，它改變了傳統(tǒng)的設計理念，對制造業(yè)產生了深遠的影響。用戶需求和市場分析方案設計技術設計物理樣機運行試驗詳細設計批量生產YN用戶需求和市場分析方案設計CAD/CAM/CAE模型虛擬樣機仿真測試分析評估N優(yōu)化設計技術設計物理樣機運行試驗詳細設計批量生產Y第十五頁，共68頁。3.核心技術第十六頁，共68頁。*SOLIDWORKSSolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。建模流程第十七頁，共68頁。4.建模數(shù)學基礎第十八頁，共68頁。4.1微分方程最基本、最重要的數(shù)學模型反映元部件或系統(tǒng)動態(tài)運行的規(guī)律解析法一般步驟：a.確定系統(tǒng)或元部件的輸入、輸出變量。b.根據(jù)物理和化學定律列出系統(tǒng)或元部件的原始方程式，按

照工作條件忽略一些次要因素。c.找出原始方程式中間變量與其它因素的關系式。d.消去原始方程式的中間變量，得到一個關于輸入、輸出的

微分方程式。e.進行標準化處理，將輸出各項放在等號左端，輸入各

項放在等號右端，并且按照微分方程的階次降冪排列，同

時將各系數(shù)化為具有一定物理意義的形式。第十九頁，共68頁。u（t）RLCi(t)uc(t)例1已知如圖所示的RLC電路系統(tǒng)，其中u(t)為輸入量，uc(t)為輸出量，要求建立該系統(tǒng)的微分方程模型。根據(jù)電路的基本定律，可以列寫出如式（1）的微分方程組，這是該電路系統(tǒng)的原始微分方程。（1）

第二十頁，共68頁。將原始微分方程合并為高階微分方程:（2）

（3）

一般情況下，系統(tǒng)的微分方程可以表示如下：其中u(t)是輸入量，y(t)是輸出量，且有

第二十一頁，共68頁。4.2.1傳遞函數(shù)的定義對于一個線性定常系統(tǒng)，在初始條件為零時，系統(tǒng)輸出信號的拉氏變換與輸入信號的拉氏變換之比稱為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。表示為：4.2.2傳遞函數(shù)的求取按照傳遞函數(shù)的定義，利用系統(tǒng)的微分方程進行相應的拉氏變換，即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。4.2傳遞函數(shù)二、虛擬樣機技術第二十二頁，共68頁。例2

對于例2.1中RLC電路，已知它的高階微分模型如式(2)所示，設初始條件為零，兩邊取拉普拉斯變換得進一步求得相應的傳遞函數(shù)為一般情況下式(3)所示的系統(tǒng)為零初始條件，對它的兩邊取拉普拉斯變換得：二、虛擬樣機技術第二十三頁，共68頁。4.2.3傳遞函數(shù)的性質(2)傳遞函數(shù)只表明輸入變量與輸出變量之間的動態(tài)關系，不能夠反映出系統(tǒng)內部的信息。(3)傳遞函數(shù)只能直接反映系統(tǒng)在零初始狀態(tài)下的動態(tài)特性。(1)傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)或元部件動態(tài)特性的一種

數(shù)學模型，在形式上與系統(tǒng)的微分方程一一對應。

若將s看成為微分算符，即

二、虛擬樣機技術第二十四頁，共68頁。(4)傳遞函數(shù)完全由系統(tǒng)的結構、參數(shù)確定，而與輸入信號的

形式無關，它反映了系統(tǒng)本身的動態(tài)特點。(5)同一個系統(tǒng)，傳遞函數(shù)具有相同的分母多項式，所不同

的是分子多項式。(6)實際系統(tǒng)中，傳遞函數(shù)的分母多項式階次n總是大于分子

多項式階次m。(7)傳遞函數(shù)是一種數(shù)學抽象，無法直接由它看出實際系統(tǒng)的

物理構造，物理性質不同的系統(tǒng)，完全可以有相同的傳遞

函數(shù)表示。二、虛擬樣機技術4.2.3傳遞函數(shù)的性質第二十五頁，共68頁。(8)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等于系統(tǒng)的單位脈沖響應的拉普拉斯變換；設g(t)表示系統(tǒng)的單位脈沖響應，即當系統(tǒng)的輸入為單位脈沖函數(shù)δ(t)時、系統(tǒng)的輸出為g(t)，根據(jù)傳遞函數(shù)的定義，顯然有：(9)當系統(tǒng)中包含有純延時環(huán)節(jié)時，傳遞函數(shù)具有如下的形式：其中，G0(s)表示通常的有理傳遞函數(shù)，T表示純時延的大小。（根據(jù)拉式變換的延時特性）二、虛擬樣機技術4.2.3傳遞函數(shù)的性質第二十六頁，共68頁。例3

系統(tǒng)的微分方程為則該系統(tǒng)包含了純時延環(huán)節(jié)，T表示延時的大小，兩邊取拉普拉斯變換得進一步得到傳遞函數(shù)二、虛擬樣機技術第二十七頁，共68頁。二、虛擬樣機技術為了描述一個連續(xù)系統(tǒng)內部的特性及其運動規(guī)律，通常采用“狀態(tài)”的概念。動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是指能夠完全刻畫系統(tǒng)行為的最小的一組變量。每個方程只包含一個變量的一階導數(shù)，方程的個數(shù)便等于未知變量的個數(shù)，這些未知變量也被稱為狀態(tài)變量。4.3狀態(tài)方程第二十八頁，共68頁。狀態(tài)方程引入了系統(tǒng)的內部變量——狀態(tài)變量，因而狀態(tài)方程描述了系統(tǒng)的內部特性，也被稱為系統(tǒng)的內部模型。例1中，選i(t)和uc(t)為狀態(tài)變量，可以求得如下的一階微分方程組形式的數(shù)學模型—即狀態(tài)方程形式的數(shù)學模型。（4）

二、虛擬樣機技術4.3狀態(tài)方程第二十九頁，共68頁。本例中的輸出為若令（5）

二、虛擬樣機技術4.3狀態(tài)方程第三十頁，共68頁。則式（4），式（5）可以寫成標準形式的狀態(tài)方程（6）

二、虛擬樣機技術4.3狀態(tài)方程第三十一頁，共68頁。建立系統(tǒng)狀態(tài)方程模型的一般步驟為：二、虛擬樣機技術4.3狀態(tài)方程第三十二頁，共68頁。狀態(tài)向量的元素是一組獨立的狀態(tài)變量。對于一個系統(tǒng)，其狀態(tài)向量的選擇不是唯一的。

例如，若原來選擇的系統(tǒng)的狀態(tài)向量為x，它滿足式（6）所示的狀態(tài)方程，那么若選擇其中P為n×n階非奇異矩陣，則也可以作為系統(tǒng)的狀態(tài)向量。顯然，的分量是x(t)的分量的線性組合。容易求得關于的狀態(tài)方程為狀態(tài)方程具備下列性質：二、虛擬樣機技術4.3狀態(tài)方程第三十三頁，共68頁。輸出方程為其中二、虛擬樣機技術第三十四頁，共68頁。4.4.1結構圖的組成符號、名稱及功能系統(tǒng)結構圖的組成符號主要有以下4種：信號線：帶箭頭的線段表示系統(tǒng)中信號的流通方向，并標明信號對應的變量。引出點：表示信號從該點取出，從同一信號線上取出的信號，其大小、性質完全相同。比較點：表示兩個或兩個以上的信號在該點進行疊加。方框：表示輸入、輸出信號之間的動態(tài)傳遞關系。二、虛擬樣機技術4.4結構圖第三十五頁，共68頁。列出系統(tǒng)中各元部件的微分方程，確定輸入、輸出變量。以典型環(huán)節(jié)或典型環(huán)節(jié)的組合來取代系統(tǒng)中的具體元部件，將各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)填入方框中，標出信號及其流向。按系統(tǒng)中信號的流向，把代表各環(huán)節(jié)的方框連接起來，即構成系統(tǒng)的結構圖。方框圖中給出了信息傳遞的方向，又標出了輸入、輸出的定量關系。G(s)H(s)R(s)-Y(s)二、虛擬樣機技術4.4.2結構圖的繪制步驟第三十六頁，共68頁。直觀容易由各環(huán)節(jié)模型求出整個系統(tǒng)的模型或傳遞函數(shù)。簡化從原始微分方程到標準微分方程之間的變換。整理后得到從而得到整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

4.4.2結構圖的主要特點如由上圖易得G(s)H(s)R(s)-Y(s)二、虛擬樣機技術第三十七頁，共68頁。例2.4仍以例2.1中圖2-6所示的RLC系統(tǒng)為例，其中u(t)為輸入，uc(t)為輸出。要求用結構圖的方法求出從u(t)到uc(t)的傳遞函數(shù)。在例2.1中已經列出了該電路的原始微分方程為對上式取拉普拉斯變換并加以整理得二、虛擬樣機技術第三十八頁，共68頁。根據(jù)上式可以畫出系統(tǒng)的結構圖如下。Uc(s)Ls+RCsU(s)I(s)-對照圖反饋控制系統(tǒng)的典型結構圖，得則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為二、虛擬樣機技術第三十九頁，共68頁。仿真基本概念

1虛擬樣機技術

2仿真軟件介紹

3仿真實例分析

4仿真軟件介紹

3第四十頁，共68頁。MATLABADAMSANSYS第四十一頁，共68頁。1.MATLABMATLAB和Mathematica、Maple并稱為當今世界三大數(shù)學軟件。⑴編程效率高⑵擴充能力強⑶使用方便、上手快捷⑷語句簡單、內涵豐富⑸高效的運算能力⑹方便的繪圖功能⑺豐富的應用功能第四十二頁，共68頁。1.MATLAB命令窗口文件目錄內存工作區(qū)過去命令窗口第四十三頁，共68頁。三、仿真軟件介紹第四十四頁，共68頁。MATLABADAMSANSYS第四十五頁，共68頁。2.ADAMS由美國機械動力公司開發(fā)的一種虛擬樣機分析軟件，用于機械系統(tǒng)動力學自動分析。⑴可利用多種庫建立機械系統(tǒng)的三維參數(shù)化模型。⑵可進行機械系統(tǒng)多種分析。⑶具有先進的數(shù)值分析技術和強大的求解器。⑷具有組裝、分析和動態(tài)顯示模型變化的能力。⑸具有強大的函數(shù)庫，可供用戶自定義。⑹具有開放式結構，可允許用戶集成自己的子程序。⑺可自動輸出多種數(shù)據(jù)曲線，并仿真。⑻可預測機械系統(tǒng)特征，計算有限元的輸入載荷。⑼可支持同大多數(shù)相關軟件包之間的雙向通訊。第四十六頁，共68頁。三、仿真軟件介紹第四十七頁，共68頁。MATLABADAMSANSYS第四十八頁，共68頁。3.ANSYSANSYS是美國ANSYS公司研制的一種大型通用有限元分析（FEA）軟件⑴能夠實現(xiàn)電子設備的互聯(lián)⑵能夠仿真各種類型的結構材料⑶能夠簡化復雜的流體動力學工程問題⑷能夠實現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)和嵌入式軟件開發(fā)第四十九頁，共68頁。三、仿真軟件介紹第五十頁，共68頁。仿真基本概念

1虛擬樣機技術

2仿真軟件介紹

3仿真實例分析

4仿真實例分析

4第五十一頁，共68頁。四、仿真實例分析1.整體流程第五十二頁，共68頁。四、仿真實例分析2.Solidworks建模機械手整體結構整體結構的軸測圖1234第五十三頁，共68頁。四、仿真實例分析2.Solidworks建模末端執(zhí)行器整體效果圖豎直滑臺水平滑臺第五十四頁，共68頁。四、仿真