機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真-1概述

第1章緒論,1.1機(jī)電系統(tǒng)概述1.1.1機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)生的背景機(jī)械技術(shù)向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的產(chǎn)物電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的滲透1.1.2機(jī)電一體化的基本概念機(jī)電一體化的定義，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品Mechatronics=Mechanics+Electronics機(jī)械電子學(xué)=機(jī)械學(xué)+電子學(xué),從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)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(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門(mén)新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本要素：機(jī)械本體、測(cè)試傳感、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制及信息處理、能源,機(jī)電系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)，特別是與微處理器或微機(jī)有機(jī)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(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置（產(chǎn)品），典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車(chē)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(jī)電系統(tǒng),在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引入微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱（運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)的系統(tǒng)）特點(diǎn)：是機(jī)械工程、電子學(xué)和智能控制算法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的協(xié)同整合。,2.1機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn),兩個(gè)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(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)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(jī)電系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。,3.機(jī)電系統(tǒng)實(shí)例,機(jī)電一體化系統(tǒng)與人體的對(duì)比機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)：機(jī)械、計(jì)算機(jī)及信息處理、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感與檢測(cè)、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)電一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì),典型的機(jī)電系統(tǒng)：工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)；基本的機(jī)電控制問(wèn)題位置和速度的動(dòng)態(tài)控制。,串聯(lián)機(jī)器人,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),移動(dòng)關(guān)節(jié),工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器（1）機(jī)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(tái)式并聯(lián)機(jī)器人,6分支示意圖,并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1-3為轉(zhuǎn)動(dòng)副，關(guān)節(jié)4-6為移動(dòng)副，關(guān)節(jié)7-9為球面副。,虎克鉸,球面關(guān)節(jié),典型的機(jī)電系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床；點(diǎn)位控制、直線運(yùn)動(dòng)控制、連續(xù)路徑(輪廓)控制,典型機(jī)電系統(tǒng)：自動(dòng)化制造單元；順序控制問(wèn)題,典型機(jī)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(jī)電系統(tǒng)：無(wú)人工廠,4.1機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)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(jì)（總體方案設(shè)計(jì)）、總體方案的評(píng)價(jià)與評(píng)審、理論分析（建模、仿真、模擬試驗(yàn)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（樣機(jī)設(shè)計(jì)）、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與評(píng)審、試制樣機(jī)、樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試、技術(shù)鑒定,4仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中的作用,4.2仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用仿真的定義仿真是指對(duì)現(xiàn)實(shí)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(lái)類(lèi)比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。,計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要；經(jīng)濟(jì)上的考慮；安全上的考慮；時(shí)間上的考慮；仿真模型具有易操作、易理解的特點(diǎn)，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(jī)抗跌落分析,MATLAB的計(jì)算結(jié)果,為設(shè)計(jì)工程師提供結(jié)構(gòu)改進(jìn)及包裝設(shè)計(jì)的理論依據(jù),例2、氣囊彈射速度確定（1997年，美國(guó)）原來(lái)220英里/小時(shí)，在加拿大一年統(tǒng)計(jì)：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美國(guó)眾議院通過(guò)，調(diào)整到180英里/小時(shí)。據(jù)計(jì)算，正規(guī)的安全氣囊必須在發(fā)生汽車(chē)碰撞后的0.01秒內(nèi)微處理器開(kāi)始工作，0.03秒內(nèi)點(diǎn)火裝置啟動(dòng)，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(chē)者才會(huì)撞上氣囊。例3、美國(guó)三種典型導(dǎo)彈研制過(guò)程仿真技術(shù)的作用,例4世貿(mào)大廈倒塌的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,例5ADAMS/CAR中建立的整車(chē)模型,仿真的類(lèi)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(jī)電系統(tǒng)仿真的任務(wù)在理論分析階段通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬來(lái)分析和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和合理性。在樣機(jī)制作階段和試驗(yàn)階段，檢驗(yàn)控制模型的優(yōu)劣。對(duì)于仿真的要求：簡(jiǎn)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(duì)于實(shí)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(jì)需要。,數(shù)學(xué)模型在系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)階段或投入制造前對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，這種預(yù)測(cè)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(dòng)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(jì)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(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)以數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、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(duì)研究對(duì)象（系統(tǒng)）進(jìn)行抽象、映射、描述和實(shí)驗(yàn)、分析、評(píng)估的一門(mén)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(shí)變,建立模型的方法：數(shù)理方法（白箱）、試驗(yàn)建模（白、灰、黑箱）、假設(shè)檢驗(yàn),按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)可在某種級(jí)（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(jí)（水平）：性狀描述級(jí)性狀描述級(jí)或稱為行為描述級(jí)（行為水平）。在此級(jí)上描述系統(tǒng)是將系統(tǒng)堪稱黑箱，并施加輸入信號(hào)，同時(shí)測(cè)得輸出響應(yīng)，結(jié)果是得出一個(gè)輸入-輸出對(duì)：(，)及其關(guān)系Rs=(，)：,。狀態(tài)描述級(jí)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)級(jí)（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(jí)系統(tǒng)一般由若干個(gè)分系統(tǒng)組成，對(duì)每個(gè)分系統(tǒng)都給出行為級(jí)描述，被視為系統(tǒng)的一個(gè)“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(jí)（分解結(jié)構(gòu)級(jí)）上的數(shù)學(xué)模型?；蚁溥@種復(fù)合結(jié)構(gòu)級(jí)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(yàn)證（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。,5.2系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)）辨識(shí)建模1962年，Zadeh給出系統(tǒng)辨識(shí)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(lèi)中，確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型。系統(tǒng)辨識(shí)三要素：輸入輸出數(shù)據(jù)-辨識(shí)的基礎(chǔ)；模型類(lèi)-尋找模型的范圍；等價(jià)準(zhǔn)則-辨識(shí)的優(yōu)化目標(biāo)。注：系統(tǒng)辨識(shí)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(shí)確定模型參數(shù)的方法數(shù)據(jù)精確已知是指測(cè)得的系統(tǒng)輸入-輸出數(shù)據(jù)是精確的，沒(méi)有被“噪聲”污染。最小二乘法估計(jì)模型參數(shù)的方法考慮測(cè)量不精確或者環(huán)境對(duì)過(guò)程的隨機(jī)干擾，實(shí)際量測(cè)到的輸出為：其中：為測(cè)量噪聲引起的隨機(jī)變量參數(shù)估計(jì)的任務(wù)：通過(guò)輸入、輸出數(shù)據(jù)確定參數(shù),6機(jī)電系統(tǒng)常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件Pro/Engineer：零件三維模型、機(jī)械裝配，同時(shí)配備有有限元和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊ANSYS：基于有限元方法的力學(xué)分析ADAMS：AutomaticDynamicAnalysisofMec-hanicalSyst