几种仿真实例浅析

系统仿真

李国立

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几种仿真实例浅析

摘要：仿真软件是一种专门用于仿真的计算机软件，它的发展与仿真应用、算法、计算机和建模等技术的发展相辅相成。仿真软件的应用对于复杂工程问题的解决起了很大的作用。本文通过几个仿真实例的简单介绍来说明不同仿真软件在各不同领域的应用。

1基于ADAMS的挖掘机液压系统仿真技术

1.1软件介绍

ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)即机械系统动力学自动分析。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。A DAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

1.2实例简介

1.2.1液压系统建模

挖掘机液压系统每个执行元件都是由相应的液压油路驱动,并通过对液压系统进行控制实现各种动作。其基本液压原理图如下所示。

图1 基本液压原理图

在图1中有6个液压元件(X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3),组成3个液压容腔(V1,V2,V3)。液压回路的动态模型可以由3个封闭容腔的压力和流量方程表示。分别列出各个封闭容腔的压力和流量方程。对应数学模型,在ADAMS/SOLVER[2]中定义相应的状态变量,建立状态方程组构成ADAMS中的液压系统仿真模型,并采用适合求解刚性系统的GSTIFF积分算法,可以减少液压系统仿真中遇到的病态问题。

1.2.2机械系统模型与液压系统模型参数关联

DAMS提供了动力学方程和运动学方程的自动数值求解方法,能对多刚体系统进行动力学和运动学分析。在ADAMS中建立挖掘机的机构模型,计算出不同姿态和挖掘负载下等效到液压缸活塞上的质量、负载、位移和速度等,将这些参数作为液压系统m、FL、x1、x。1的输入,就可以精确模拟挖掘机姿态及负载状态参数变化对液压系统性能的影响。挖掘机液压系统模型与机械系统模型的参数关联耦合关系如图2所示。

图2 液压系统模型与机械系统模型的参数关联

1.3仿真分析

挖掘机液压系统的响应会受到机械、控制、摩擦等多种因素的影响,此例给出了加载和空载两种情况进行仿真计算的实例,并与试验结果进行了对比分析。

1.3.1加载情况下系统的输出响应

在加载的情况下对模型进行仿真和试验验证,关键是保证两者的输入相同。图3为全功率控制方式下,模型仿真结果与试验数据的对比。由图3可以看出,模型仿真结果曲线中,在泵的压力超过起调压力(13.7 MPa)后,泵的排量开始随负载的增加而减小,当系统压力达到安全阀设定压力21 MPa时,系统溢流,泵的排量降到最小,仿真曲线与试验结果数据基本上是吻合的。

图3全功率控制方式下仿真结果与实验曲线比较

1.3.2空载情况下系统的输出响应

空载情况下进行仿真分析就是不考虑铲斗土壤挖掘阻力。此例在此以斗杆回路为例,给出系统的仿真输出响应与试验结果对比,如图4所示。从图4可以看出,在相同的挖掘机初始姿态下,对于相同的阀芯位移输入,模型中斗杆回路的速度、位移动力学响应和液压系统的压力状态响应与试验数据基本上是相符的。

图4 斗杆回路响应图

1.4结论

研究了在动力学分析软件ADAMS中对挖掘机液压系统进行仿真研究的方法,克服了传统液压系统仿真中无法与挖掘机动力学模型关联而造成模型不准确的缺点。在对挖掘机液压系统进行建模技术研究的基础上,实现了与机械系统模型的关联集成。在对模型进行仿真分析的同时进行了试验验证,通过对各种工况

下仿真与试验数据的对比,验证了液压系统模型在当前的技术状况下能够很好地模拟实际系统的性能,在允许的误差范围内达到了一定的精确性。可以用于研究液压系统、机械系统等参数改变对系统性能的影响,用于挖掘机系统设计、系统优化和方案论证。

2基于MatLab/Simulink的GPS系统仿真

2.1软件介绍

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

2.2 实例简介

快速可靠的GPS系统仿真可对双频GPS接收机的设计、接受算法的研究提供有效的帮助。此例分析了GPS系统的各个环节，在MatLab/Simulink环境下给出了完整的GPS系统仿真平台，并在此平台上实现了无码、半无码接收技术下GPS L2载波相位跟着的仿真，结果表明该仿真平台有效可靠。

2.2.1 GPS系统的仿真框架与构成

GPS系统采用扩频调制，各卫星通过不同的扩频码加以区分。仿真系统的整体框架如图5所示。

图5 GPS仿真框架

该仿真平台以Matlab/Simulink仿真软件为基础，不同的GPS接收算法可以再改平台上方便、快速的进行仿真、验证，并通过DSP Builder、RTW或其他第三方软件转化为硬件代码，从而加速了产品的开发、测试周期。

2.2.2 GPS信源的仿真

用于GPS信号扩频的伪随机序列有三种，即C/A码、P码和W码。分别写出其各自所对应的多项式。

2.2.3 GPS信道的仿真

2.2.4 GPS接收机的仿真

2.3 MatLab/Simulink仿真

2.3.1 基带等效仿真模型

GPS L1、L2两路信号的载波分别为1575.42MHZ、1227.6MHZ,无法在MatLab/Simulink平台下直接进行频带仿真，一般采用基带等效模型，将频带通信系统转化为等效的基带通信系统进行仿真。

2.3.2 GPS系统仿真的实现

本GPS系统的仿真主要涉及到如下工具箱和模块库：通信、信号处理、射频以及Altera提供的DSP Builder等。这些工具箱提供了常见通信模块的低通等效模型，RF工具箱/模块库更提供了物理域的仿真模块，用户可以通过Touchstone 或AMP格式的文件用实际射频器件的参数进行系统的仿真。DSP Builder则将Simulink的FPGA设计有效的加以整合，构建了简单完整的算法到硬件是实现的转化平台。所有可变的系统参数写在一m文件中以便于调试。

GPS信源、信道部分的仿真框图如图6，接收机的部分仿真框图如图7。其中射频前端采用了Simulink中RF模块库的物理原件，如图8。

图6 GPS信源、信道仿真图

图7 GPS接收机的部分仿真框图

图8 GPS接收机射频前端

至此构建了GPS接收机模拟数据生成的实验平台，后续处理取决于具体的处理算法。

2.3.3 GPS仿真系统结果与分析

基于上述GPS系统仿真模型，可以得到若干模拟结果，图9给出了信源端导航数据在不同扩频码调制下的时域波形。基带调制后的L1、L2信号功率主要集中在10.23MHz内，而L1信号在1.023MHz内还叠加了C/'A码调制信号的功率，与理论结果相符。

平方环法进行L2载波相位跟踪，经过PLL锁定后得到的相位差为1rad，与理论结果相符。

2.4 结论

基于MatLab/Simulink仿真模型，能够反映GPS系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为GPS接收机的设计和研究提供了强有力的工具。

3 Proteus 软件在自动控制系统仿真中的应用

3.1 软件介绍

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

3.2实例简介

基于Proteus 强大的微处理器仿真功能和丰富的元件仿真模型，提出了新的用于自动控制系统的仿真方法。此例中使用常用的AT89C52 芯片作为微处理器，再加上外围电路设计了PID 控制电路仿真原理图，用 C 语言编程后进行了详尽的系统仿真试验，可以直观地观测到系统仿真的控制效果。

3.2.1 Proteus仿真设计

3.2.1.1Proteus仿真模块的介绍

Proteus 软件的ISIS 工具是用于编辑电路原理图和电路仿真，它除了包括大量常用的分立元件和集成块元件外，还包括许多类型的微控制器及其外围接口器件的仿真元件，此外还包含全面的Laplace 转换模块。在这里的例程中主要使用到MCS-51 系列的AT89C52芯片，AD 和DA 转换芯片，逻辑门电路芯片，运算放大器芯片，Laplace 转换模块以及一些分立元件。

3.2.1.2 仿真结构框图

图9 数字PID 控制框图

图10 ISIS 软件编辑的仿真原理图

3.3.1.3 微控制器程序设计

定时器中断处理程序中先完成反馈信号采集和数字化，再对误差进行PID 计算，再将输出的数字信号通过DA 转换输出。这部分程序是整个程序设计的主要部分，而其中的核心所在即是PID 输出计算的编程，下面给出了位置式PID 控制算法程序流程图。在仿真过程中，还可以根据实际要求，对PID 输出值进行限幅处理。

图11 位置式PID 控制算法程序流程图

3.3.1.4 元件属性设置

原理图中各个元件都有其具体的属性设置，大多按缺省设置即可，这里影响仿真的设置主要是CPU 属性设置和Laplace 模块属性设置。原理图中使用的是常用的一阶低通Laplace 模型，可以通过修改其静态放大系数和时间常数来观测不同的仿真结果。

3.3.2 仿真与分析

完成上面仿真原理图和程序设计后，用软件进行仿真分析。下面两图分别是不同的PID参数所进行的仿真结果。

3.3.4 结论

Proteus 软件强大的微处理器仿真功能和丰富的元件仿真模型为自动控制系统提供了新的仿真平台，不再是传统方框图式的仿真，而是直接与微处理器编程及控制电路仿真结合起来，既可以完成控制电路的软硬件仿真，又完成了系统的控制效果仿真。使用这种仿真方法可以大大提高设计各种数字控制器的效率，对于自动控制系统的教学演示和实际设计都具有很大的辅助作用。

4薄壁零件冲压成型过程仿真分析

4.1软件介绍

ANSYS/LS-DYNA将显式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序强大的前后处理结合起来，用LS-DNAY的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题。

4.2实例简介

4.2.1 建立仿真计算模型

对于薄壁零件冲压成型过程仿真包括通过三维几何造型软件建立几何模型和建立能够进行有限元仿真的分析模型来那个方面的工作。

1.磨具设计

磨具总体设计结构草图

2.三维造型及网格划分

此例中只对摩擦系数对褶皱的影响进行定性分析，不需要很高的分析精度，而且模型的边界形状非常不规则，故此例中的模型选择SOLID164单元进行自由网格划分，如下图所示。

网格划分

3.材料性能参数

4.2.2冲件工艺分析

在薄壁零件冲压成形仿真的过程中除考虑摩擦系数的影响之外，还需要考虑凹模的运动和压边力的变化情况，以及凸模的约束情况。在ANSYS/LS-DNAY 仿真过程中，应根据各种加载、约束条件进行参数设置，使仿真过程尽可能符合生产实际情况。

4.3 ANSYS/LS-ANDY仿真结果

仿真以ANSYS/LS-ANDY为平台，只改变静、动摩擦系数而不改变其它条件的情况下惊醒，分别采用了四组不同的静、动摩擦系数。仿真结果通过等效应力云图来表示，从图中可以看到摩擦系数对褶皱多少的影响。

4.4 结论

此例了讨论薄壁零件冲压成形过程中摩擦系数与褶皱之间的关系，并得到仿真等效应力云图。由以上所做的工作可以看出，随着静、动摩擦系数的增加，褶皱黑明显减少。

5 基于Vega的导弹防御仿真系统研究

研究导弹的防御系统，为精确打击目标，提高定位跟踪精度，以建立某导弹防御系统的工作过程仿真系统，提出了基于Vega的虚拟仿真实现方案，旨在为同类系统的作战效能评估和部署决策提供可靠地信息指挥平台

5.1软件介绍

Vega是MultiGen-Paradigm公司最主要的工业软件环境，用于实时视觉模拟、虚拟现实和普通视觉应用。Vega将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供便捷的创建、编辑和驱动工具。

5.2 实例简介

5.2.1 仿真系统原理

利用计算机顶的软硬件环境进行作战仿真试验，整个系统的开发包括四个主要环节：

1）仿真战情想定；

2）导弹攻防对抗过程的建模与仿真；

3）仿真模型驱动与控制；

4）仿真过程数据分析系统效能评估。

5.2.2 仿真系统设计

1.仿真战情描述

2.仿真模型建立

a)目标数学模型的建立

b)仿真实体模型的建立

5.2.3 关键技术分析

1 基于Vega的应用程序框架

2 弹道路径生成。

生成方式：1 由Lynx提供的图形界面工具——path tool

2 通过Vega API函数来定义和设置运动路经

3 相交及碰撞效果处理：在Vega 中，碰撞检测和相交测试一般通过vgGetIsectResult或vgGetIsectResultD这两个函数获得，它们都可以获取相交测试结果，区别在于记录的结果的精度不同，一般情况下前者即可。

5.3 仿真结果分析

完成仿真实体的建模和模型驱动以及相关仿真效果的处理后，就可以通过三维场景的显示，直观的反映导弹防御系统的工作过程。实验结果表明，基于Vega 的仿真系统能正确的模拟实现工作情况，方案切实可行，仿真数据基本符合实际情况，下面给出部分仿真结果。

5.4 结论

此例以对导弹防御系统的工作过程的仿真模型为例，分析了在VC的开发环境下利用Vega API函数进行视镜仿真程序设计的重要步骤和程序流程，并重点讨论了开发过程中的几个关键问题和相应的解决方案，对同类系统的研究也具有参考价值。