机电系统仿真技术.
微机电系统器件设计模型仿真及实验验证
微机电系统器件设计模型仿真及实验验证微机电系统（MEMS）技术是一种集成了机械、光学、电子和计算机技术的新型技术，逐渐应用于各个领域，包括医疗、通信、能源等。
在MEMS器件设计中，模型仿真和实验验证是非常重要的步骤，可以验证器件设计的可行性和性能表现，优化设计方案，提高研发效率。
本文将介绍MEMS器件设计模型仿真及实验验证的流程和方法，并探讨其在实际应用中的意义。
首先，MEMS器件设计的模型仿真是一种基于计算机模型的仿真技术，通过建立数学模型和使用相应的软件工具，对器件的结构和性能进行预测和分析。
常用的仿真软件包括ANSYS、COMSOL等。
模型仿真可以帮助设计人员快速建立和修改器件结构，优化材料选择和几何参数，预测器件的力学、光学、热学等性能指标。
仿真结果可以减少研发时间和成本，提高设计的准确性和可靠性。
其次，实验验证是将设计的MEMS器件制作成实际样品，并通过实验测试来验证器件的性能和功能。
实验验证可以分为两个阶段：样品制作和测试验证。
样品制作包括器件工艺流程的设计与实施，包括光刻、湿法腐蚀、离子刻蚀等工序。
测试验证包括对器件性能的定量测量和质量评估，例如使用扫描电子显微镜（SEM）观察器件结构的形貌和表面粗糙度，使用光学显微镜观察器件是否工作正常，使用激光干涉仪测试其位移或力学性能等。
在实际应用中，MEMS器件设计模型仿真和实验验证具有重要的意义。
首先，通过仿真可以提前预测器件的性能和功能，避免不必要的实验测试，减少研发时间和成本。
其次，仿真可以进行多次参数优化和设计方案的比较，最终选定性能最佳的器件方案。
而实验验证可以验证仿真结果的准确度和可靠性，确保器件在实际制造和使用过程中的性能符合设计要求。
此外，实验验证还可以发现和解决仿真无法考虑到的一些问题，如器件工艺可行性、制造工艺的复杂度等。
当然，MEMS器件设计模型仿真和实验验证也面临一些挑战。
首先，MEMS器件设计的模型仿真在建模过程中需要准确的物理特性参数和材料参数，而这些参数通常需要进行实验测试，并可能受到误差的影响。
机电系统设计与仿真-系统数值仿真方法
（2）龙格-库塔（Runge-Kutta）法
基本思想是：在泰勒展开法中，泰勒展开式中 f(t,y) 的高 阶导数项的引入可提高数值积分精度。但 f(t,y) 的高阶导数难以 求解，可用函数值 f(t,y) 的线性组合来近似 f(t,y) 的高阶导数， 既可避免计算高阶导数，又可提高数值计算精度。
其中tk满足：a 出发点即为离散化，微分方程方程和时间区 间的离散化。
1、差商法
由初始值向后进行递推求解，求得数值序列。
2、泰勒展开法
当项数n=1时，即与差商法的结果相同。
3、数值积分法 （1）欧拉法 递推求解方法，简单、计算量小、需时少，属于单步法， 自启动法。具有一阶精度，精度较差。
机械振动系统数学模型 对于单自由度振动系统,动力学方程 ¨x+f(.x,x)=P(t) (1) 式中¨x、.x———位移x对时间的二阶和一阶导数; f(.x,x)、P(t)———单位质量物体上作用的恢复力和阻尼力的 合力与合外力。 取x1=x,x2=.x,则式(1)为 .x1=x2 (2) .x2=-f(x1,x2)+P(t) (3) 式(2)和式(3)组成状态方程。可调用相应的微分方程解题器 (Solver)进行时域仿真,并由数值结果以绘图命令plot绘出状态 变量随时间的变化曲线和相平面上的相轨迹。 对于多自由度线性振动系统,其动力学方程是以矩阵方程的形 式表达的。
（一）数值求解的基本概念
一阶常微分方程求解的初值问题
y(t ) f (t , y ) y(t0 ) y0 求该方程的解函数y(t)的数值解，即求函数y(t)在时间区间[a， b]上离散时间点tk（k=0，1，2，… ，N）处的近似值y0， y1，… ，yN，即 yk y(tk ), k 0,1, 2, , N
机电一体化系统仿真实验报告
机电一体化系统仿真实验报告一、实验目标本实验的目标是通过仿真模拟机电一体化系统，验证系统的工作原理和性能参数，探究机电一体化系统在不同工况下的响应特性。
二、实验原理机电一体化系统是由机械部分和电气部分组成的，其中机械部分包括传动装置、力传感器和负载，电气部分包括控制器和电机。
在机电一体化系统中，电机通过控制器产生驱动信号，控制负载的转动。
力传感器用于测量负载的转动产生的力，并反馈给控制器。
三、实验步骤1.搭建仿真模型：根据实验要求，选择合适的仿真软件，搭建机电一体化系统的仿真模型。
通过连接电机、控制器、传动装置、力传感器和负载，构建完整的系统。
2.设置参数：根据实验设定的工况，设置系统的参数。
包括电机的转速、传动装置的传动比、负载的转动惯量和滑动摩擦系数等。
3.运行仿真：对系统进行仿真运行，记录电机的转速、负载的转动惯量、力传感器的输出力以及电机的功率消耗等参数。
4.分析结果：根据仿真结果，分析系统在不同工况下的响应特性。
可以通过绘制曲线图或制作动画来观察系统的运动轨迹和力的变化情况。
五、实验结果与讨论根据实验设置的参数，在不同转速和负载惯量下进行了多组仿真实验，并记录了系统的各项参数。
1.转速与力的关系：随着电机转速的增加，负载的输出力也随之增加，但是增幅逐渐减小。
当转速达到一定值后，输出力和转速的关系呈现饱和状态。
2.负载惯量与转速的关系：在给定转速范围内，随着负载惯量的增加，电机的转速逐渐降低。
这是因为负载惯量增加会增加系统的惯性，降低了电机的响应速度。
3.功率消耗的变化：随着转速和负载惯量的增加，电机的功率消耗呈现增加的趋势。
这是因为转速和负载惯量的增加会增加电机的负载，使其需要输出更大的功率来维持转速。
四、实验总结通过此次实验，我们深入了解了机电一体化系统的工作原理和性能特点。
在不同工况下，电机的转速、负载的力输出、功率消耗等参数都有相应的变化。
通过仿真实验，我们可以准确地预测系统在不同工况下的性能表现，为设计和优化机电一体化系统提供了依据。
机电工程中的虚拟仿真技术应用
机电工程中的虚拟仿真技术应用在机电工程中，虚拟仿真技术的应用越来越广泛，它不仅提供了全新的设计思路和工程解决方案，同时也大大降低了工程实施的风险和成本。
本文将从虚拟仿真技术的定义、应用领域以及优势等方面展开讨论。
首先，虚拟仿真技术是指将实际的物理系统建模并模拟出来，通过计算机技术呈现出来，从而实现对系统行为的分析和评估。
在机电工程中，虚拟仿真技术可以应用于多个领域，如机械设计、电气设计、建筑设计等。
比如，在机械设计中，可以使用虚拟仿真技术对机械结构进行优化，预测其性能并提前发现问题，从而避免设计缺陷导致的问题。
其次，虚拟仿真技术在机电工程中的优势不言而喻。
首先，虚拟仿真技术能够提供更加直观、全面的信息展示，通过模型的移动、拆装等操作，使设计师能够更好地理解和分析机械、电气系统的运行原理。
其次，虚拟仿真技术能够提供更加准确、可靠的仿真结果，通过对各种工况的模拟，设计师可以评估不同方案的性能，并选择最优解。
此外，虚拟仿真技术还能够提高工程实施的效率和安全性。
在施工阶段，通过虚拟仿真技术可以模拟出施工过程中可能出现的问题，并进行预防和控制。
在设备运行阶段，虚拟仿真技术可以预测设备的故障，及时采取维修措施，避免设备停机时间过长和生产损失。
虚拟仿真技术的应用还可以扩展到项目管理和教育培训等领域。
在项目管理中，通过虚拟仿真技术可以模拟出项目的整个生命周期，并进行优化和控制，从而提高项目的成功率和效率。
在教育培训中，虚拟仿真技术可以提供更加直观、实战性强的教学环境，帮助学生更好地理解机电工程的原理和应用。
当然，虚拟仿真技术的应用也面临一些挑战。
首先，虚拟仿真技术的成本较高，需要配备高性能的计算机和专业的软件。
其次，虚拟仿真技术的结果和实际情况可能存在一定的差距，需要结合实际情况进行修正。
此外，虚拟仿真技术的应用还需要相关专业人员进行操作和分析，对技术人员的需求较高。
综上所述，虚拟仿真技术在机电工程中的应用具有广阔的前景和重要的意义。
机电系统仿真
1、分析机械传动系统的阻尼、刚度对系统性能的影响。
阻尼对系统性能的影响①阻尼力包括静摩擦力、库伦摩擦和粘滞摩擦阻力。
②摩擦力对快速响应产生不利影响。
③随静摩擦力的增大，系统的回程误差增大。
④库伦摩擦相当于系统负载。
⑤动静摩擦变化过大易引起低速爬行。
⑥粘性摩擦系数要影响系统相对阻尼比的大小，影响系统稳定性。
刚度比对系统性能的影响①失动量：系统的刚度越大，因静摩擦力的作用而产生的传动部件的变形小，系统的失动量也越小。
②固有频率：系统的刚度越大，固有频率越高。
可以避开控制系统或者驱动系统的频带，避免产生共振。
③稳定性：刚度对系统的开环稳定性没有影响，而对闭环系统的稳定性有很大影响，提高系统的刚度可以增加闭环系统的稳定性。
2、分析饱和非线性和间隙非线性环节对系统产生的影响。
饱和非线性对系统产生的影响：①在大信号作用下饱和特性使系统开环增益下降，对动态响应的平稳性有利。
②如果饱和点过低，则在提高系统稳定性的同时，将使系统的快速性和稳态跟踪精度有所下降。
③带饱和的控制系统，一般在大起始偏离下总是具有收敛的性质，系统最终可能稳定，最坏的情况就是自振，使系统丧失闭环控制作用，而不会造成愈偏愈大的不稳定状态。
间隙非线性系统对系统的影响：①间隙特性类似于线性系统的滞后环节，但不完全等价，一般会使系统的稳态误差增大，动态性能变差，振荡↑，稳定性↓。
②由于闭环校正的作用，间隙较小时只会引起滞后，对输出精度影响不大。
③当间隙增大到一定数值后，间隙特性不但影响输出精度还会影响系统稳定性。
3、分析比较采用LTI和Simulink工具在进行系统分析和设计中的优缺点，在实际分析中应如何正确使用二者。
采用LTI分析比较方便，符合古典控制理论设计方法的习惯，它主要采用频率特性方法对系统进行分析和设计，只适用于线性系统的分析。
Simulink仿真方法从时域仿真的角度对系统进行分析，其特点是直观，并且可以记录和显示中间结果，对非线性环节的分析、扰动的分析更加方便。
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。
机电一体化系统仿真实践报告
机电一体化系统仿真实践报告概述本报告旨在介绍机电一体化系统仿真实践的过程和结果。
通过仿真实践，我们探索了机电一体化系统在实际应用中的性能和稳定性。
本实践的目的是验证设计与理论模型的正确性，并解决系统中可能出现的问题。
实验设备与方法设备我们使用了一台具备机械和电子部分的机电一体化系统作为实验设备。
该系统包括传感器、执行器、电路控制板以及相应的软件。
方法我们采用了仿真软件进行机电一体化系统的仿真实践。
在仿真实践的过程中，我们选择了一些常见的操作条件和控制策略，以测试系统的性能。
我们记录了系统的输入和输出数据，并进行分析。
实践过程我们按照以下步骤进行了机电一体化系统的仿真实践：1. 设计系统的理论模型。
2. 运行仿真软件，导入系统的模型和初始参数。
3. 设置操作条件和控制策略。
4. 运行仿真并记录系统的输入和输出数据。
5. 分析数据并评估系统的性能和稳定性。
实践结果与分析通过仿真实践，我们获得了机电一体化系统在不同操作条件和控制策略下的性能数据。
根据数据分析，我们得出以下结论：1. 系统在某些操作条件下表现良好，但在其他条件下性能有所下降。
2. 控制策略的选择对系统性能有重要影响。
3. 在实际应用中，需要进一步优化系统的设计和控制策略，以提高性能和稳定性。
结论通过机电一体化系统的仿真实践，我们验证了系统的设计与理论模型的正确性，并对系统的性能和稳定性进行了评估。
我们还得出了一些有关操作条件和控制策略的结论，并提出了优化系统的建议。
这些结果对于实际应用中的机电一体化系统设计与优化具有重要的参考价值。
---以上是机电一体化系统仿真实践报告的概述和主要内容。
如需进一步了解实验结果和分析，请参阅完整的报告。
机电系统的模拟仿真与分析
机电系统的模拟仿真与分析电子与电气工程是现代科技领域中至关重要的学科之一。
随着科技的不断发展，机电系统的模拟仿真与分析在电子与电气工程中扮演着重要的角色。
本文将探讨机电系统的模拟仿真与分析的意义、方法以及应用。
一、机电系统的模拟仿真与分析的意义机电系统是由电气设备和机械设备组成的复杂系统，广泛应用于各个领域，如工业制造、交通运输、能源等。
通过对机电系统进行模拟仿真与分析，可以帮助工程师更好地理解系统的运行原理和性能特点，提前发现潜在问题，优化设计方案，提高系统的可靠性和效率。
二、机电系统的模拟仿真与分析的方法1. 建立数学模型：首先，需要对机电系统进行建模，将其抽象成数学方程或模型。
这一步骤需要对系统的结构、参数、工作原理等进行深入的了解和分析。
常用的建模方法包括等效电路法、微分方程法、状态空间法等。
2. 选择仿真工具：在建立数学模型之后，需要选择合适的仿真工具进行仿真分析。
目前市场上有很多专业的仿真软件，如MATLAB、Simulink、ANSYS等。
这些软件提供了丰富的模型库和仿真工具，能够辅助工程师进行系统的仿真分析。
3. 进行仿真实验：通过仿真软件，可以对机电系统进行各种仿真实验。
例如，可以模拟不同工况下系统的运行情况，分析系统的响应特性、能耗、稳定性等。
仿真实验可以帮助工程师更好地理解系统的性能，并进行参数优化和设计改进。
4. 分析仿真结果：在进行仿真实验后，需要对仿真结果进行分析和评估。
通过对仿真结果的分析，可以了解系统的优势和不足之处，找出问题所在，并提出改进措施。
这一步骤需要运用工程知识和经验，结合仿真结果进行综合分析。
三、机电系统的模拟仿真与分析的应用机电系统的模拟仿真与分析在实际工程中有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 工业制造：在工业制造领域，机电系统的模拟仿真与分析可以帮助工程师优化生产线的布局和运行参数，提高生产效率和产品质量。
通过仿真实验，可以模拟不同工况下的生产线运行情况，分析瓶颈和优化方案，提高生产线的整体性能。
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机电系统仿真技术
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例1.4.2 用简短命令计算并绘制在0x6范围内 的sin(2x)、sinx2、sin2x。
x=linspace(0,6)
y1=sin(2*x),y2=sin(x.^2),y3=(sin(x)).^2;
plot(x,y1,x, y2,x, y3)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
• 社会化的运行带来的好处：合理利用可以 节约大量的时间
• 为什么相同的时间别人比自己做出了更多 的事情：硕士论文调查结果
• 面向对象的思想带来巨大的好处 • 紧密结合科学的前沿 • From BBS:博士论文=Matlab+word
机电系统仿真技术
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1.2 Matlab的版本演化
• Matlab 1.0 • Pc matlab->matlab 386 • Matlab3.5+simulink • Matlab 4.0：simlink内嵌:1993年 • Matlab 5.0 :全面的面向对象：1995年 • Matlab 5.1~5.3：1997年 • Matlab 6.0:2000.10 • Matlab 6.5：购并了MATRIXx：2002.8 • Matlab 7.0:2004年
• 动态系统进行建模、仿真和分析的 软件包
机电系统仿真技术
哈尔滨理工大学机械动力工程学院机电系
韩桂华
电话： 15004609919 邮箱：641544105@
课程内容简介
• 9-1.Matlab简介，绘制图形，M文件编制 • 9-2.Simulink基础 • 9-3.Simulink子系统创建与封装 • 9-4.基于Matlab控制系统数学建模 • 9-5.电液伺服系统仿真 • 9-6.模糊控制基础 • 9-7.系统辨识 • 9-8.实验 • 9-9.总结、作业
例1.4.1 用一个简单命令求解线性系统
3x1+ x2 - x3 = 3.6
对于线性系统有
x1+2x2+4x3 = 2.1
Ax=b
-x1+4x2+5x3 = -1.4
A=[3 1 -1;1 2 4;-1 4 5];b=[3.6;2.1;-1.4];
x=A\b
x=
1.4818
-0.4606
0.3848
• MATLAB名字是由Matrix和Laboratory两 个词的前三个字母组合而成的,矩阵实验 室的意思
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➢它将一个优秀软件的易用性与可靠性、 通用性与专业性 、一般目的的应用与高 深的科学技术应用有机的相结合
➢MATLAB是一种直译式的高级语言，比 其它程序设计语言容易
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机电系统仿真技术
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参考书目： 1.MATLAB/Simulink与液压控制系统仿真
2. MATLAB/Simulink与控制系统仿真
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9-1.内容
• Matlab简介 • 绘制图形 • M文件编制
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Matlab的学习方法
• 必须做大量练习，熟悉其中的函数 • 联系和自己相关的课题，深刻体会 • 多看帮助文件，一本好的参考书 • 会提问题，寻求大家的帮助 • 记住：Matlab可以做很多事情
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学会Matlab将改变你的一生
网络对你的改变将远远的超过 一台独立的计算机
OK, Now begin……
第一讲 MATLAB简介
> • 概述 > • MATLAB基本使用
一、概述
• matlab语言是由美国的Clever Moler博 士于1980年开发的
• 设计者的初衷是为解决“线性代数”课 程的矩阵运算问题
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➢MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和 C语言与汇编语言的关系一样
计算机语言的发展
数值运算
管理、可视化
智能化 解析运算
标志着计算机语言向“智能化”方向发 展，被称为第四代编程语言。
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1.1 学习Matlab的基本原因
• 不希望学生在编程上化太多时间，课程目 的不是学习编程
2
184
1.5 MATLAB语言的功能：
• 强大的数值（矩阵）运算功能 • 广泛的符号运算功能 • 高级与低级兼备的图形功能（计算结果的
可视化功能） • 可靠的容错功能 • 应用灵活的兼容与接口功能 • 信息量丰富的联机检索功能
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1.5.1矩阵运算功能 MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功
能，是基于矩阵运算的处理工具。
变量 矩阵，运算 矩阵的运算 例如 C = A + B ，A,B,C都是矩阵,是矩
阵的加运算
即使一个常数，Y=5，MATLAB也看做
是一个11的矩阵
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1.5.2符号运算功能
• 符号运算即用字符串进行数学分析 • 允许变量不赋值而参与运算 • 用于解代数方程、微积分、复合导数、积
-0.4
-0.6
-0.8-10123
4
5
6
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例1.4.3 用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形
1
0.5
0
-0.5
-1 4
2
MATLAB语言的功能：0 -2
-4 -5
1
0.5
0
-0.5
-1 4 2 0
机电系-2统-仿4 真-5技术 0
4
3
2
1
0
-1
-2
5
-3
-4
-4
-2
0
5 0
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1.3 MATLAB特点
• 高度适应性、开放性：MATLAB的工具箱可以 任意增减，任何人可以自己生成MATLAB工具 箱
• 可扩充性： MATLAB的函数大多为ASCII文件 ，可以直接编辑、修改
• 基于矩阵运算的工作平台。多版本： windows/unix/dos/Macintosh
• 极多的工具箱。
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1.4 Matlab能做什么
• 工业研究与开发 • 数值分析和科学计算方面的教学与研究 • 数学教学，特别是线性代数 • 电子学、控制理论和物理学等工程和科学
学科方面的教学与研究 • 经济学、化学和生物学等计算问题的所有
其他领域中的教学与研究
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分、二重积分、有理函数、微分方程、泰 乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号 解
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1.5.3丰富的绘图功能与计算结果的 可视化
• 具有高层绘图功能——两维、三维绘图 • 具有底层绘图功能——句柄绘图 • 使用plot函数可随时将计算结果可视化
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1.5.4图形化程序编制功能