机电一体化系统设计之建模与仿真
第五章-机电一体化系统的建模与仿真
机电一体化系统设计基础课程教学辅导第五章：机电一体化系统的建模与仿真一、教学建议●通过文字教材熟悉机电一体化系统的建模与仿真相关理论基础和方法；●录像教材第5讲讲述了典型机电一体化系统的建模与仿真，并通过第11讲课程实验：MATLAB/Simulink环境下的建模与仿真演示了系统建模与仿真的具体方法。
●流媒体课件也详细介绍了机电一体化系统的建模与仿真相关理论基础和方法；●由在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。
二、教学要求：熟悉机电一体化系统的建模方法1．系统模型系统模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们用以认识事物的一种手段或工具，系统模型一般包括物理模型、数学模型和描述模型三种类型。
物理模型就是根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型，其状态变量与原系统完全相同。
数学模型是一种用数学方程或信号流程图、结构图等来描述系统性能的模型，描述模型是一种抽象的，不能或很难用数学方法描述的，只能用自然语言或程序语言描述的系统模型。
2．系统仿真在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平，采用仿真技术可以省时省力省钱地达到上述目的。
仿真根据采用的模型可以分为：计算机仿真、半物理仿真、全物理仿真。
当仿真所采用的模型是物理模型时，称之为（全）物理仿真；是数学模型时，称之为数学仿真，由于数学仿真基本上是通过计算机来实现，所以数学仿真也称为计算机仿真；用已研制出来的系统中的实际部件或子系统代替部分数学模型所构成的仿真称为半物理仿真。
计算机仿真包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机，联系这三个要素则有三个基本活动：模型建立、仿真实验与结果分析。
3．机电一体化系统的数学模型机电一体化系统属多学科交叉领域，可通过仿真手段进行分析和设计，而机电一体化系统的计算机仿真是建立在其数学模型基础之上，因此需要首先用数学形式描述各类系统的运动规律，即建立它们的数学模型。
基于ADAMS与Simulink的机电一体化系统联合仿真
参 考 文 献
[1].魏玉东, 滚筒洗衣机动态性能研究[D], 2008, 天津大学. [2].黎海青，郭百巍，徐红.基于ADAMS与SIMULINK的舵机虚拟 样机建模和仿真[J]. 系统 仿真学报 [3].任远与白广忱, 基于ADAMS与Simulink的机电一体化系统联 合仿真[J]. 机电一体化, 2009(06): 第31-34页. [4]王晓东,毕开波,周须峰.基于ADAMS与SIMULINK 的协同仿真 技术及应用[J]. 计算机仿真, 2007, 24(4): 271-274. [5] 李增刚. ADAMS 入门详解与实例[M]. 北京: 国防工业出版社,
Step 1
构造ADAMS机械系统样 机模型
确定ADAMS输入和输出 Step 2
Step 3 控制系统建模
机电系统仿真分析 Step 4
STEP 1 构造ADAMS机械系统样机模型
熟悉模型
1
2
3
4
5
6
方向旋 转马达
方位减 速齿轮
方位固 定
天线支 撑杆
仰角轴 承
天线
1 1、方向旋转马达：马达通过旋转副同地面基础框架连接 2、方向减速齿轮：该齿轮通过旋转副同地面基础框架连接 3、方向圆盘：通过旋转副同地面基础框架连接 4、天线支撑杆：用一个固定副将天线支撑杆同方向圆盘相连接 5、仰角轴承：使用一个固定副将仰角轴承同天线支撑杆相连接 6、天线：天线通过旋转副同仰角轴承连接
接口文件的调用
在MATLAB中输 入”adams_sys”会产
生如下的窗口
控制系统建模操作
S-Function: 实现非线性 MSC.ADAMS 模型的
State-Space 是线性化的 MSC.ADAMS的模型。
机电一体化课程说明书
课前预习，课上听讲、记笔记，课后复习、浏览教学网站。
五、实践教学（含课程实验、课程论文、读书报告、文物考察、野外实习、写生等）
无
六、成绩考核
平时成绩
占总成绩10%。其中，作业质量和上课出席参与占10%。
期末成绩
占总成绩90%，闭卷（时间为120分钟，满分为100分）。
题目类型有名词解释、简答题、判断题、计算题(携带计算器)、填空题等。
第15周
§5.2.2电磁干扰的形式和途径
§5.2.3常用的干扰抑制技术
第16周
第六章机电一体化系统设计
§6.1概述
§6.2机电一体化的产品规划
§6.3机电一体化系统的概念设计
周一9、10节补课
§6.4机电一体化系统的详细设计
§6.5机电一体化系统的评价与决策
周三9、10节补课
教学方法
与手段
通过教材进行基本内容讲解，理论联系实际，并辅以多媒体辅助教学手段。
四、教学信息
教学目标
本课程旨在通过机电一体化系统设计的教与学，使学生掌握机电一体化技术基本知识和技能，掌握测系统分析和设计的基本方法，为进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。
教学进度
（以周为单位）
课堂讲授
实验、实习、作业、课外阅读及参考文献等
教学内容摘要
（章节名称、讲述的内容提要，课堂讨论的题目等）
三、教学资源
指定教材
《机电一体化技术》(第二版).孙卫青、李建勇主编,科学出版社,2010年.
参考文献
《机电一体化系统设计》，赵松年编著，机械工业出版社，2011年.
《机电一体化系统设计》，张建民编著，高等教育出版社，2009年.
《机电一体化系统设计》，姜培刚编著，机械工业出版社，2011年.
复杂机电系统的建模与仿真技术研究
复杂机电系统的建模与仿真技术研究现代机电技术越来越注重复杂系统的研究和开发，但是复杂系统往往由多个子系统的耦合构成，使得系统的设计、测试和优化等方面变得极为复杂和困难。
在这方面，建模和仿真技术的快速发展为复杂机电系统的研究提供了一种新的途径。
一、复杂机电系统的建模建模是复杂机电系统研究的重要基础，合理的建模可以快速的形成有效的仿真模型。
当然，建模的方法和技术是多种多样的，常见的有基于数学模型的建模方法，基于物理模型的建模方法和神经网络建模方法等等。
但是不管采用何种建模方法，建模效果好坏的关键在于模型的准确性和可靠性。
下面以数学模型为例，对复杂机电系统建模的几个关键点进行探讨。
1. 选择合适的建模工具选择合适的建模工具是建立复杂机电系统的数学模型的首要任务。
例如在机电一体化系统中因为涉及到多学科交叉，如电、机、液体等领域，因此在进行建模时需要采用比较通用的模型语言如Modelica或者MATLAB/Simulink等。
此外在涉及到特定领域，如风电系统、电力工程等，需要采用相应的软件，如ANSYS等。
当然，选择合适的建模工具不仅与领域有关，也需要考虑建模的复杂程度、重复利用性等因素。
2. 建立合理的变量模型建立复杂机电系统的数学模型，还需要考虑变量的建模。
系统中的变量包括输入、输出和控制变量等，它们具有不同的物理意义和参考系。
在模型建立过程中，需要建立一套合理的变量模型来表示系统的物理特征。
通常来说，在进行机电系统的变量建模时，需要将其分为机械、电气、液压和控制四个方面。
对于机械系统，常见的变量有位移、速度和加速度等。
对于电气系统，常见的变量有电流、电势和电磁力等。
液压系统中需要表达变量如液压油压力、流速等。
控制方面常用的变量如误差、控制量等。
理性建立合理的变量模型对模型的准确性和可靠性具有至关重要的意义。
3. 导出正确的物理方程机电的数学模型通常是由一系列的微分方程和代数方程组成的，因此构建数学模型的关键在于正确的表示物理方程。
机电一体化系统建模技术与仿真软件的研究与分析
392017年5月下 第10期 总第262期作者简介:韩召伟(1973—),男,山东济宁人,硕士,讲师,研究方向:机械制造方向。
由于我国市场竞争性越来越大,产品上市的周期正在逐渐缩短,在有限时间内研发出满足客户需要的、性能显著的机电产品可以说是各大厂家最终目标。
对此,电脑开始成为厂家研发中不可或缺的一项工具。
在计算机的帮助下进行机电一体化系统建模与仿真也就开始成为技术研究人员分析和探究的重要课题。
1 在电脑辅助下的机电一体化系统建模方式机电一体化系统其建模实际上就是物理对象的有效建模,再简单来说就是物理实体上的建模,把机电一体化的系统抽象成物理模型并在电脑中表达出来。
电脑中表达和描述的物理模型,一定要比较容易转变为数学描述,只有这样才可以把针对于物理模型方面的电脑仿真有效实现。
下面主要介绍几种国际中的物理模型方法。
1.1 方块图建模方块图来源于控制理论这一学科,能够对信号流的输出和输入进行有效建模。
它包含有很多基本型控制模块,例如积分、比例积分、微分、比例微分等等,根据线段再把这些模块相联系起来。
每一种模块都是由传递函数所构成的,其特点就是能够反馈模块与前馈模块对任意控制系统进行表达[1]。
1.2 系统图法系统图法其研究主要是以卡内基梅隆大学为主。
系统图描述的前提是线形图理论,系统图实际上就是系统能量流的拓扑构造线形图的一种表示形式,相关研究人员将方块图和线形图有效结合起来,使得系统图也能够对含有信号流的系统构造进行描述和表达,实现了系统图的描述方式。
系统图法跟键合图法相类似,都是通过运用一种在整个能量域中能够对系统行为加以建模的最少的通用原件对系统建模。
元件和元件之间用能量链的衔接来表达系统能量流的走向。
1.3 面向对象的建模这种建模方法主要是对象电子、机械等不同领域的对象分别建模。
并存在不同的数据库里不同目录当中。
这种建模法具有继承、层次化以及数据封袋等特点,能够有效减少失误、实现模型的再次使用。
基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究
基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究一、本文概述随着科技的不断进步和制造业的快速发展，机电一体化技术在现代工业生产中扮演着越来越重要的角色。
作为实现智能制造和高效生产的关键技术之一，机电一体化的建模与仿真技术对于提升产品质量、优化生产流程、降低生产成本具有重要意义。
本文旨在探讨基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术的研究现状与发展趋势，分析其在工业制造领域的应用及效果，并提出一些建议和思考。
本文将对机电一体化建模与仿真技术的基本概念进行阐述，明确其研究范围和应用领域。
通过对国内外相关文献的综述和分析，总结当前基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术的研究现状，包括建模方法、仿真技术、优化算法等方面的发展情况。
结合实际案例，探讨该技术在工业制造领域的应用实践，分析其对于提升产品质量、优化生产流程、降低生产成本的积极作用。
对基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术的发展趋势进行展望，提出一些建议和思考，以期为该领域的研究和实践提供参考和借鉴。
二、虚拟原型技术在机电一体化建模中的应用虚拟原型技术作为现代工程设计和分析的重要工具，其在机电一体化建模中发挥着不可或缺的作用。
虚拟原型技术的核心在于通过计算机软件创建出物理产品的数字孪生，从而能够在虚拟环境中进行产品设计、测试和优化，极大地提高了机电一体化系统的研发效率。
系统架构设计：虚拟原型技术允许工程师在初步设计阶段就对机电一体化的整体架构进行模拟。
通过构建虚拟原型，工程师可以评估不同设计方案的有效性和可行性，从而选择最优的系统架构。
组件集成与测试：虚拟原型技术允许将各种机械、电子和控制组件在虚拟环境中进行集成，并进行各种条件下的性能测试。
这种模拟测试可以预测实际系统中的潜在问题，并在真实制造之前进行改进。
动态行为模拟：通过虚拟原型技术，可以对机电一体化系统的动态行为进行详细模拟。
这包括机械运动、电气响应和控制逻辑等多个方面的交互作用。
通过动态模拟，可以预测系统在实际工作环境中的表现，并据此进行优化。
基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究
基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究随着科学技术的不断发展，机械工业生产逐渐朝着先进化、自动化的方向发展。
传统的设计方式已经很难当前的综合性需求，其弊端表现主要表现在以下几个方面：第一，领域的单向性发展。
第二，技术设计方式片面化。
第三，建模理念较为分散。
所以，本文针对以上情况，探讨基于虚拟原型的机电一体化建模与方针技术。
“机电一体化”就是将现有的工业机械制造设计与信息技术相结合，将信息数据分析过程融入到工艺之中，以实现生产的整体性与最优化。
传统的机械制造手段已经不能适应精益化的技术要求。
只有以“机械”为载体，以“信息分析”为核心的实际化格局才是生产所需要的。
一、虚拟原型技术与机电一体化（一）虚拟原型技术的基本原理虚拟原型技术是一种以“并行设计思想”为主导，以信息化手段为线索的设计方式。
与传统的科技理念相比，它的先进性体现在设计系统的形成与控制模块的多样化。
在其总体系的内部有不同类型的功能化子设计，计算机可以将各子系统进行连接，按照结构性的不同进行合理划分。
在规划的过程中，系统中心会形成动态的设计中心，并通过一定的关系式进行结合。
从构成要素上来看，模型的建立方式并不是独立而单一的，它主要根据不同类型的子系统形成模型联合端口，联合端口的组成部分主要包括：产品的性能、产品外观、仿真模型建立平台以及CAD方式的产品设计。
以上子系统在协作的基础上有着共同的目标，都是对电力进行控制，对整体结构进行优化。
虚拟模型的建立主要借助“仿真”与“建模”两个部分。
从建模的方法上看，它可以以计算机为基础进行资料整合，将各学科的有关知识都结合到一起，筛选出程序所需要的部分，以测试指标为依据，分析产品的实际性能与综合利益效率。
而从仿真的角度来讲，系统主要是在实际工况的环境下进行操作模拟，通过对数据和测评方式内容进行分析，并根据系统的要求决定是否升级或者优化。
最终在屏幕上将可视化结果表现出来。
另外，通过虚拟建模的操作，设计人员还可以在产品运行前对物质的综合性能进行研究，对不完善的方面进行改进，从而缩短了生产时间，提升了工作人员的办事效率，避免了操作阶段的失误情况发生。
机电一体化系统的建模与仿真技术研究
机电一体化系统的建模与仿真技术研究机电一体化系统是由机械、电子、控制、软件等多个领域组成的智能系统，在现代工业领域中得到了越来越广泛的应用。
机电一体化系统具有高度的智能化、机动化和自动化特点，使现代机械设备不断地朝着高速度、高精度、高质量和高效能的方向发展，成为生产力的重要支撑。
机电一体化系统的建模与仿真技术是现代化机械设计的重要手段之一，其目的是通过计算机仿真来验证机械系统的设计和功能，从而提高机械系统的可靠性和性能。
机电一体化系统的建模与仿真技术涉及到机械、电子、控制、软件等多个领域，需要采用多学科的知识和技术来解决问题。
机电一体化系统的建模方法主要有物理建模、系统建模和行为建模三种。
物理建模主要是通过解析方法或模型法来描述、建立机械系统的物理模型，即将系统模型化为组成其系统的基本部件，通过连接及约束关系组成完整的系统模型。
系统建模是将机械系统分解为各个部件，建立系统的框图，并通过框图来描述各个部件之间的关系和信号传递。
行为建模是通过对系统的运动规律、逻辑关系和控制策略等进行描述来建立系统的行为模型。
机电一体化系统的仿真方法主要有数学仿真、逻辑仿真和动态仿真三种。
数学仿真是运用计算机数值计算的方法，用算法对模型进行数学求解，从而得出系统的运行情况。
逻辑仿真是根据系统的逻辑关系和控制策略建立系统的逻辑模型，通过模拟系统的控制过程来验证系统的控制能力。
动态仿真是将机械系统的动态运动、工作过程进行全过程的仿真模拟，通过动态仿真来验证系统的性能。
在机电一体化系统的建模与仿真技术中，多学科的知识和技术是不可或缺的。
机械设计工程师需要在设计机械系统时掌握机械、材料、力学等相关知识，通过物理建模建立机械系统的物理模型，并通过计算机进行数学仿真和动态仿真。
电子工程师需要掌握电子、电路、信号等知识，通过逻辑建模建立系统的逻辑模型，并通过逻辑仿真验证系统的控制策略和控制能力。
控制工程师需要掌握控制算法、控制方法等知识，通过行为建模建立系统的行为模型，并通过数学仿真和动态仿真验证系统的运行效果。