（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机的机器人控制仿真软件系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 机器人动力学仿真是机器人研究领域的重要课题，开发高效的仿真软件对机 器人理论研究和工程应用都是十分重要的。为了全面的了解机器人性能，应将 动力学系统和控制系统结合在一起进行仿真，现在能进行这样仿真的机器人仿 真软件还不成熟。国际著名机械动力学仿真软件a d a m s 可以将机械系统和控 制系统结合在一起进行仿真，但直接应用于机器人仿真则还不能胜任，且接口 相对繁琐。因此，在a d a m s 现有功能的基础上进一步开发一套机器人控制仿 真软件系统，即可减少开发代价又可保证软件系统的质量。 本文根据软件工程的原理，详细分析了机器人的特点，利用a d p 州s 和 m a t l a b 己有的接口，加强和扩充a d a m s 仿真控制系统功能，进一步简化操 作步骤，分别在a d a m s 和m a t l a b 软件中增加一个机器人控制仿真模块，开 发了机器人控制仿真系统。该软件系统具有下面几个特点：首先，本软件系统 实现了流程的自动化，对用户屏蔽了数据接口，专用数据接口文件在m a t l a b 和a d a m s 之间可以自动传输；其次，本软件系统实现了控制电机的自动生成， 并突破了a d p d 以s 只能仿真理想电机的局限，用户只需选择控制方式即可。第 三，在m a t l a b s 玎汛i i i n k 中增加了独立的r o b o t 控制模块，用户可以使用 所提供的基本模块构建复杂的机器人控制系统。最后，本软件系统简化了系统 配置，实现参数配置的自动化，用户操作步骤少。文中通过个平面两臂柔性 关节机器人的仿真实例详细介绍了本软件的使用，仿真结果说明本软件系统运 算稳定、适应范围广，能大大提高机器入动力学效率。 关键词：机器人：仿真：控制，虚拟样机；a d a m s 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d y n a m i c s j m u l a t i o no f r o b o t m a n i p u l a t o r si s a ni m p o r t a n t t o p i ci nt h es t u d yo f r o b o t si ti so f g r e a tv a l u e t od e v e l o ph i g he m c i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fr o b o t st h ed y n a m i cs i m u j a t i o na n dc o n t r o is i m u i a t i o ns h o u i db e i n t e g r a t e di no r d e rt og e tm e w h o l ep e r f o r m a n c eo f r o b o t ss of 打t h es o f t w a r eh a sn o t b e e nm a t u r e dt os i m u l a t em e c h a n i c a ls y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e ms y n c t l r o n o u s l yt h e f a m o u ss o r w a r ea d a m sc a nb eu s e dt os i m u l a t et h ec o m b i n e d s y s t e m ，b u ti t s i n t e r f a c ei s c o m p l i c a t e da i l d s on e e ds o m en e wd e v e i o p m e n t t h e r e b yi t t a k e s1 e s s e x p e n s e t od e v e l o pac o m b i n e d s i m u l a t i n gs y s t e m b a s e do na d a m s as i m u l a t i o ns o r w a r e s y s t e m i s p r o p o s e du s i n g t h e k 【l o w l e d g e o fs o r w a r e e n g i n e e r i n gi nt h i ss t u d y t h ee x i s t e n ti n t e r f a c eb e t w e e na d a m sa n dm a t l a bi s u s e da n dr e i n f o r c e dar o b o ts i 删l a t i o nm o d e li sa d d e di m oa d a m sa n dm a t l a b a c c o r d i n g l y t h es t r o n g p o i n t so ft h es y s t e ma r ea sf o l l o w sa b o v ea u ，t h es i m u l a t i n g o p e r a t i o n i sa u t o m a t i cb e c a u s et h ei n t e r f a c eb e t w e e na d a m sa i l dm a t l a bi s s h i e l d e da n ds j m p l i f l e d s e c o n d l y 】t b j ss y s t e mc a ns i m u l a t ef a c t u a lm o t o rt h a ti st h e s i m p l i f i e da i l d i d e a lo n ei i la d a m si nt h en e ws y s t e m ，t h em o t o ri 8 a u t o m a t i c a l l y c r e a t e da n dt h e o p e r a t i o n i sj u s tt os e l e c tam e t h o d o f c o n t r 0 1 f i n a l l y t h ec o n f i g u r a t i o n o fa d a m si ss i m p l m e db yu s i n gt h es o 脚a r es y s t e m t h ea d v a n t 狺eo ft h es y s t e m h a sb e e nd e m o n s t r a t e d 山广o u g ha ne x a m p i eo fap i a n a rt w o - a h nr o b o tw i t hf i e x i b i e j o i n t s t h en u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mw o r k ss t e a d i l ya n ds oc a nb eu s e d i n t ov a r i o u sk i n d so fm e c h a n i c a ls y s t e m t h e8 i m u l a t i o ne m c i e n c yf o rm ed y n a m i c a 1 1 a l v s i so f r o b o tc a nb een ：b a n c e d k e y w o r d s ：r o b o t ，s i m u l 撕o n ，c o n 打o l ，巾l a 】t y p e ，a d a m s 第1 章绪论 l 1 引言 第1 章绪论 随着生产力水平和科学技术的日益进步，机器人在工业生产中的应用越来越 广泛，机器人正向着高速、高精度、轻质、重载、高可靠性、高灵活性等方向发 展。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器 人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一项综 合性的有实用价值的研究课题。 从上世纪的9 0 年代开始，许多国外企业都十分重视分析工作在产品设计中的 作用，在产品开发过程中尽可能多的采用分析技术，进行反复的设计、分析迭代， 以便保证产品的性能。近年来，随着c a x 技术和工具的发展，在产品开发过程 中把分析作为设计的驱动，提出d e s i g n d r i v e nb y a n a 【y s i s 的概念，已逐步从概念 走向应用。产品数字化定义与建模技术、虚拟样机技术的研究和应用，实现了产 品开发全过程的电子化，改变了传统的设计观念，产品开发过程也随之发生了变 化，从设计样机制造试验走向了设计仿真，把样机制造放在最后，与产品成了 一体，真正实现了人类历史上的数字化时代。仿真利用计算机可视化和面向对象 的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解工作空间的形态及极限，揭 示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造、以及 运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不要的损失。 在机器人的研制、设计和试验过程中，理想的仿真应满足：建模简单快速、模 型逼真、三维动砸参数的调整、能和控制系统相结合，使得机械系统和控制系统 一统仿真，实现虚拟样机。常见的动画仿真多采用丁u r b o c 、s u a lb a s i c 、o p e ng l 、 f o r t r a i l 等软件工具实现，算法复杂，编程工作量大。另外，机器人是多自由度、 多连杆的空间机构，其运动学和动力学的计算非常重要且十分复杂，包括正解和 反解的计算，常规的算法大多采用牛顿一欧拉方程或者拉格朗日方程，工作量大， 且容易出错。我们希望在设计过程中能尽早地发现问题，及时优化，这一步的工 作通常是在物理样机完成测试后进行的，从而造成效率低下和不必要的浪费。 我们更希望上述几项工作能有机地结合起来，比如，改动了模型后可以直接 在仿真中把改动及时体现出来；调整了某设计参数或某关节的运动规律后无需改 动程序就可以直接进行运动学和动力学的重新计算等等，但是由于通常的工作方 北京工业大学硕士学位论文 式是采用不同的软件分别处理上述几项工作，当参数有所变动时，上述几项工作 均需作相应的变动，工作量大，非常不灵活，还易出错。 为了改变这种现状，促进今后的研究工作，我们需要开发一套专用仿真软件， 为机器人研究提供一个软件平台，实现从机器人系统参数化建模，到动力学计算 和相应的控制系统仿真全过程的自动化，为科研提供个强大工具。此软件平台 应该具有一下特点： 易用性：用户可以进行参数化设计，并且只需关心与专业有关的问题； 可比性：分析结果有统一标准，能与其他软件的分析结果进行对比； 适应性：对各种结构及参数，算法稳定，无奇异现象。 机器人学是近4 0 年来迅速发展起来的综合性学科，它综合了机械学、电子学、 计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代 表了机电一体化的最高成就。本文课题涉及到机器人学的多个方面，如机器人机 构学，机器人控制等，下面对各学科相关领域的研究内容进行综述。 1 2 文献综述 1 21 机器人机构学 机器人是多连杆的开链机构或闭链机构( 并联机器人) 。1 9 5 5 年，jd e n a v i t 和rs h a r t e n b e 唱【1 1 首次提到用齐次矩阵( d h 矩阵) 来描述机构连杆间的关系， 1 9 7 2 年，p a u l 首次将d h 矩阵应用于机器人的轨迹计算，从此，d h 矩阵在机器 人运动学和动力学分析中广泛应用。标准d h 坐标系定义如图l 一1 所示。 相郜两连杆之间的关系可用下列转换矩阵( 1 一1 ) ，( 1 j ) 表示： “a = c o s 曰f - s i n bc o s 口，s m 只s i n 口f 口c o s 只 s i n 只c o s 够c o s 口ic o s 只s i n 口f口is i n 口 o s i n 口c o s 口，4 o001 o z = o l l 。q 4 i ( 1 2 ) 第l 章绪论 图1 1 标准d h 坐标系 f i gl - ls t 趴d a r dd hc o o r d i n a i cf r 啦e p a u l 【2 1 和l e e m l 定义坐标系f 的原点在关节f + 1 ，c r a i g l 5 1 则提出了修正d h 坐 标系，将坐标系z 的原点定义在关节f ，这种定义的坐标系通常在处理某些动力学 问题时显得尤为方便。 对于一个具有n 个自由度的机器人来说，正运动学可以通过式( 1 3 ) 传递矩 阵地迭代得到： o = o 爿1 1 爿2 ”1 4 = k ( q ) ( 1 3 ) 逆运动学位姿通过式( 1 4 ) 得到： g = k 。1 ( d ( 1 4 ) w l l i t e n e v 【6 1 使用式( 1 5 ) ，( 1 6 ) 求解机器人的各关节速度： 尊= o 厶”童j ( 1 5 ) 式中，为机器人的雅可比矩阵，p a u i f 7 j 给出了上式中的i ，求法，如下式( 1 7 ) 8 ，。= ，c 。五，= 曲：8 r p 2 ：。：】r 9 a c ，一， 陈安军8 1 等人利用3 3 矩阵讨论机器人机构位姿，在逆问题的讨论中利用 s v d 分解广义逆矩阵，具有明显的优化特性且可避开奇异状态。 p 踟i f 2 j 和h e u e r b a c h 9 壕早讨论了机器人的动力学问题，动力学方程见式( 1 8 ) 北京工业大学硕士学位论文 q = 彳( q ) 口+ c ( 孽，口) 审+ f ( + g ( g ) ( 1 8 ) 此式可以通过l a g r a n g i a n ( 能量法) ，n e 、v t o n e u l e l d a 1 e m b e n 【3 1 ，或k a n e s 法得 到。最早的报道是u i c k e r 【1 2 l 和k a h n 【1 3 】利用l a g r a n g i a n 法得到并讨论其具体解法， 但是由于计算量太大，不能够实时得到控制扭矩。为了得到实时性，mh r a i b e n f “j 提出了t a b l e1 0 0 i ( u p 法，ab e j c z y l l 5 l 和p a u l 【1 6 】提出了a p p r o x i m a t i o n 法。0 r i ne ta l1 1 7 】 基于牛顿一欧拉方程提出了一种替代算法，时m s t r o n g 【l8 l 接着提出了一种递归算法， l u he ta l 。【l9 】提出了牛顿欧拉方程的基于连杆坐标系的线性递归算法，使得计算 时间从79 s 降低到45 m s ，真正实现了实时性。h e l l e r b a c h 将这种递归算法应用 到解算l a g r a n g i a n 方程。s i l v e r 川证明了这种递归算法在l a g r a n g i a n 和 n e 叭o n - e u l e r 的等价性。k a n e 提供了另一种算法，他提出了一种z 变量，算法 耗日掳划、，在一些细节上，w 椭p l e r 【2 2 l 详细地讨论了k a n e 法的计算耗时量。下表 l 一1 是不同算法的耗时比较。 表1 1不同算法的计算量比较 丁曲1 el - 1c o m p a r i s o no f c o m p l n 撕叩a 1c o s t sf b rd i f f 南呦ta i i 廿瑚e b c 自由度”= 6 算法乘法运算量加法运算量 乘法加法 3 2 三刀4 + 8 6 三，32 5 丹4 + 6 6 三一3 21 23 l a g r a n g i a n 【2 0 】 + 1 7 1 三n 2 + 5 3 三n+ 1 2 9 1 ，2 + 4 2 1 栉 6 6 2 7 15 1 5 4 8 43 23 1 2 89 6 i 沁c u r s i v 8 1 5 0 n 4 81 3 1 n 4 88 5 27 3 8 n e 2 0 k a i l e 1 1 6 4 63 9 4 s i m p l i 6 e d 2 2 41 7 4 鼢咂【2 3 公式t 鹏) 可以用来计算逆动力学问题。w l l i ( e r 和0 血p 1 分别提出了几种解算 正动力学的算法，但是逆动力学的计算却使用了传统的计算方法，使用r n e 法计 第l 章绪论 算逆动力学，算然简单，但计算量比较大。对于一个 自由度的机器人，其计算 量为o ( n 3 ) 。他们提出的其他解算法比较复杂，但也大大减少了计算量，冀通计 算量仍然为d ( 月3 ) 。f e a t h e r s t o n e l 2 4 j 提出了a r t i c u l a t e d _ b o d y 法，将计算量减少到了 o ( ”) ，但是对于n 9 ，他的计算效率反而不如w a l k e r 和o r i n 。l a t h r o p 提出了 一些其他的算法。 建立机器人数学模型的分析方法通常可以分为两大类： 基于动力学基本定理的方法( 牛顿一欧拉递推公式) ； 基于第二类拉格朗日方程的方法。 牛顿一欧拉递推公式( 鼢岖) 【1 9 1 ，有两个递推过程：( 1 ) 正推过程，从基座到 末端，递推计算各关节的角位移、角速度角、加速度，( 2 ) 逆推过程，从末端到 基座，递推各关节的驱动力矩。h o n e r b a c h l 2 0 1 ，w i l k e r 和o r i n 【2 3 | 等人在递推公式中 变量的左上方用一个小标记( 见公式( 1 2 ) ( 1 7 ) ) 来表示不同的参考坐标系，而 l u he t a l 【1 9 l 和l e e 阳】等人的小标记却不是那么明确。 由于消去约束力和力矩的复杂性，故应用牛顿一欧拉方程从原则上来讲是复 杂的，而且它们不能直接给出驱动器的作用力和力矩。拉格朗日方程提供了直接 把方程看成为系数控制输入的函数的可能性，应用拉格朗日方程的固有问题是必 须计算偏导数以及计算动能表达式。1 9 6 8 年，j j u i c k e r l 兜l 在研究具有任意结构的 由铰链连接的系统动力学特性时提出了一种以拉格朗日方程为基础的方法，这种 方法为运动方程的计算机模拟提供了可能性，而且是相当通用的。j ju i c k e r 方法 适用对于任意机械铰链连接系统运动方程的解析计算或递推计算，然而此方法对 于方程造成了很大的但是不必要的复杂化p 3 ，“l ，m r e n a u d 提出了一种研究方法， 这种方法以张量计算为基础【5 引，而且利用矩阵计算对此作了很详细的解释【5 ”， 在文献 5 6 ，5 7 】中给出了一个算例。s m a l l i l 【5 8 ，5 9 1 ，m r e n a u d ，mt o m a s 和 dt e s a r ，r w a t e r s 【6 2 】，jh o i l e r b a c “6 3 ，“】等人都在减少数值运算次数的意义上提 出了改进方案。 1 2 2 机器人运动控制 一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制器两大部分。构成机器人控制系 统的要素主要有：( 1 ) 硬件系统及操作控制软件i ( 2 ) 输入输出设备i ( 3 ) 驱动 器( 电机及相应的减速齿轮) ；( 4 ) 传感器系统。它们之间的关系如图1 2 所示： 北京工业大学硕士学位论文 图卜2 机器人系统框图 f i g1 - 2r d b o ts y s t 既nb l o c kd i a g r m 针对控制器，李开生1 2 6 j 详细叙述了机器人控制器的定义和分类，介绍了机器 人控制器体系结构方面的研究情况，谢明江【2 7 】综述了近年来机器人鲁棒控制方法 的发展情况，对各种机器人鲁棒控制方法的优缺点作了比较。a b d a l l a hd 【2 8 l 介绍 了对于刚性机器人的鲁棒控制方法，包括基于反馈线性化的鲁棒控制，变结构控 制、鲁棒控制以及鲁棒自适应控制。m a nz h i h o n g 研究了刚性机器人操作手的 鲁棒跟踪控制，y uh 1 3 0 】提出了三种变结构自适应控制( v s a ) 算法，它们在抗干 扰能力以及克服“抖振”现象等方面都要比单独的自适应方法和变结构控制方法 强。y 0 u n g1 3 l 】讨论了变结构控制系统控制器的设计，刘宝国等p 2 l 从实验上研究了 控制器的变结构控制方法在削弱或消除直接驱动机器人抖振问题中的应用，通过 做物理实验对比三种变结构控制策略，分析了三种方法的优缺点，从而把变结构 控制在机器人控制中的应用向实用化方向更进了一步。s t u d e i l n v p 3 ，3 4 j 将加速度反 馈与l q 控制及前馈策略相结合，提出了基于加速度反馈的鲁棒控制策略，利用 加速度的敏感性和加速度闭环的高反馈增益来抑制扰动和关节耦合。y o i c h ih o r 将加速度反馈的思想用于电机的伺服控制实验，由模拟的加速度反馈闭环来抑制 干扰，用另一个同样的电机给测试电机施加扰动来验证闭环的抑制干扰能力。l i y o u m p e 37 j 分析了由于机械手连杆和关节的柔性，使由关节速度运算得到的连杆末 端速度与真实速度不一致的情况后，提出在机械手末端装加速度计的方法来修正 连杆末端速度，将这个速度用于单关节机械手的力冲击实验，来缩短它的稳定时 间。李杰等1 38 1 利用p i m 必5 6 0 机械手力控制的辨识模型，通过仿真手段分析了影 响加速度反馈效果的原因，得出了机械手驱动电机的动态、连杆的柔性和采样延 迟是制约加速度反馈作用的主要因素的结论。韩建达等【冽利用线加速度传感器实 际测量转动关节的加速度为基础，分析了机器人关节加速度反馈控制的开环模型 以及影响其闭环稳定性的主要因素，提出了闭环控制策略的设计准则，在一台三 自由度直接驱动机器人上所作分析作了实验研究。 机器人系统的硬件构成【4 0 1 见图卜3 ，其主要有下述机能： 第l 章绪论 ( 1 ) 产生操作动作的运动控制机能。 ( 2 ) 示教目标手爪轨迹和目标手爪力的动作示教机能。 ( 3 ) 设定各种参数并表示运动状态，异常情况停机的设定，以及维护机能。 l 控制部分 。 操作部分 。 图卜3 机器人系统的硬件构成示例 f i g 1 3r o b o ts ”t c m h a r d w 盯es 讥耐h l f es k e t c h 关于( 1 ) 的运动控制，用编码器检测出电机的转角或关节角，并将力传感 器检测出的手爪力送到运算部分的c p u 中。然后按控制规则算出的指令值输送到 末级前置放大器，生成电机转矩。 末级前置放大器的型式有位置控制型、速度控制型、力矩控制型。电机转角、 回转速度、生成力矩则依据末级放大器本身的机能跟踪指令值。 机械手的位置控制通常为使用逆运动学和关节角控制如图1 - 4 所示，有时使 用的控制方法注重袭物学，其控制如图1 6 所示。 北京工业大学硕士学位论文 ，。hp i d 卜+ i 运动方程式p 图1 4 使用逆运动学和关节角控制的位置控制 f i g l 4p o s m o nc o n 仃0 1u s i n gi n v e r s ek i i l e m a t i c sa i l d 拙“a n g l e 使用逆运动学和关节角控制的位置控制规律，在使用作为一种p 控制的p d 控制时可表示为： f = 世p ( 目d g ) 一置d 口 ( 1 9 ) 吼= ，- 1 ( 厶) ( 1 一l o ) 这时的控制量是关节角g ，操作量是驱动力t 。g 跟踪舶时，r 将跟踪，d 。 这种控制方法是在控制器的程序上，把q 和t 的输入输出以及式( 1 9 ) 的运 算汇集在一起，而式( 1 1 0 ) 的运算则可能在其他周期内进行。这时，由于式( 1 9 ) 不参与运动学等运算，所以具有对每个关节容易进行短周期控制的优点。一般的 工业机器人，多数场合在小于l m s 的周期内完成输入和输出并且对应于式( 1 9 ) 进行运算。其典型的控制模型见图1 5 。 i 一一1 图1 5 关节伺服系统 f i gl 5j o i n ts e r v og y s t l 第f 轴 第1 章绪论 图l 一6 注重静力学关系式的位置控制 f i gl 6p o s n i o nc o n 订o le m p l l a s i z i r i gt h er e l a “o n s h i po fs t a t l c s 在图1 6 所示的注重静力学关系式的位置控制规律中，作为计算机械手末端复 原力f 的p d 控制的种，使用p d 控制时，可表示为 f = k p ( 一r ) 一k d ， ( 1 1 2 ) d ，= 一r 廊 厂= ( g ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 这个复原力是由式( 1 1 2 ) 确定的人工生成力，用来使机械手向目标值方向动 作。这种场合的控制量是机械手末端位置r ，操作量是驱动力t 。 用这种方法，可由式( 1 一1 1 ) 算出跟踪目标位置的假想力f ，再用式( 1 1 1 ) 的静力学关系式把它分解为关节力矩t 。但通常多是通过编码器对检测出的关节 变量口用式( 1 1 3 ) 和( 1 1 4 ) 算出，和，从而代替直接用传感器检钡9 机械手末 端的位置，和速度f 。 1 2 3 机器人运动学、动力学仿真 早在二十世纪六十年代，在一些文献中开始对机械系统进行运动动力学仿真。 这时的仿真程序通常是研究者本人用非结构化的语言如：b a s i c ，f o r t r a n 等的早期 版本编写的，此类程序的编写量巨大，系统的扩展性、可移植性极差。这期间没 有成熟的商用仿真软件。上个世纪七八十年代，随着软件业的发展以及市场的极 大需求，大量的工程分析商用计算软件开始出现，如a d i n a 、m 越、s a p 5 等， 这时，有一些研究者开始利用通用软件进行动力学分析。o r l a i l d e a 和b e r e n y i l 4 l j 利用机械系统动力学仿真软件a d a m s 的早期版本，对一个六自由度工业机器人 北京工业大学硕士学位论文 进行了连续路径的动力学综合。他们只是对刚体机器人进行了三维空间运动学进 行了仿真，对刚体机器人的各动力学参数没有涉及，更没有柔性机构的相关内容。 进和到九十年代，z y h g 和jp s a d l e r 【”，4 3 1 采用有限元软件a n s y s 的瞬态 动力学分析功能对弹性四杆机构和平面三杆机构机器人进行了仿真。这时单纯用 a d a m s 建模与分析则只能获得一部分动力学数据，无法得到柔性体的变形、应 力、应变等动力学数据。 1 24 机械、控制仿真软件研发现状 现在，成熟的机器人动力学仿真软件很少见，机器人运动学、动力学控制系统 联合仿真的软件还没有。对机构的动力学进行仿真的软件主要有： n u b e m m ( 德) ，s y m ( 南) ，c a m s ( 保) ，a u t o l e v ( 美) ，d y n o c o m b s ( 美) ，s p a c a r ( 荷) ，d i s c o s ( 美) ，d a d s ( 美) ，n e ，e u l ( 德) ，m e d y n a ( 德) ，a u t o d y n ( 比) ，s 衄a c k (德) ，c o 伸a m m (西) ，d 订a c (美) ，m e s a v e r d e ( 德) ，a d p 心v l s ( 美) ，p l e ) ( u s ( 法) ，d p 心v i s ( 美) ，e a s y 5 ( 美国) 等。 1 机械仿真软件 众多的多体动力学软件都相继退出了市场，而a d a m s 、d a d s 、e a s y 5 仍然 在市场上有上佳表现，并且都有所发展。下面分别对上述三个软件的发展和其核 心技术进行简单描述。 1 )d a d s d a d s 产品的全称是d y n a m i c s a n a l y s i s a n d d e s i g n s y s t e m 。1 9 8 6 年，美国c a d s i ( c o m p u t e r 越d e dd e s i g ns o f t 啪r ei n c ) 公司正式推出该产品。1 9 9 8 年底，c a d s i 公司被比利时l m si m e m a t i o n a j 公司兼并。现在该公司利用了d a d s 软件的核心 技术，重新包装并增加了新的功能，命名为u s n u a l l a b 。 1 9 8 0 年，美国衣阿华大学( u n i v e r s i t yo f l o w a ) e d h a u g 教授推导出了全新的 以欧拉四参数坐标为参考系的多体动力学方程。美国陆军坦克司令部( t a c 0 m ) 决定在衣阿华大学投资，由e d h a u g 教授带头开发通用的复杂多体机构的动力学 计算机仿真软件。e dh 跏g 教授和其助手于1 9 8 2 年将软件交付给t a c o m ，它很 快被应用到各种卡车和坦克的动力学分析。1 9 8 3 年，c a d s i 从农阿华大学独立出 来，开发人员在原软件的基础上添加了液压模块，控制模块以及柔体模块，使软 第l 章绪论 件能够满足各种机构的需要。1 9 8 6 年，软件正式开始对外销售。从1 9 8 9 年到1 9 9 l 年，他们不断完善软件， 将它嵌入到各种c a d c a m 软件 ( i d e a s ，a r s ，p r o e n g i n e e r ) 中。 1 9 9 8 年1 1 月，比利时公司l m s 与c a d s i 公司合并，l m s 将d a d s 软件与 自己的c a e 软件相结合。2 0 0 2 年l m s 正式推出了l m s r t u a l l a b ，l m s v i r t u a ll a b 是世界上第一个功能品质工程集成解决方案，用于振动，噪声，平顺 性与操纵稳定性，舒适性，安全性，碰撞，耐久性以及其他关键属性的分析。l m s v i r t u a ll a b 是一个开放的环境，实现了与c a d 、c a e 和试验的无缝衔接，为多科 学设计分析团队提供一切所需的工具，它能成倍提高增值设计时间( v u u e a d d e d t i m e ) ，并且将总体开发周期缩短3 0 5 0 。经验表明，建模假设，如系统的 线性度、模型复杂程度、子系统的相互作用、实际载荷环境，在系统装配时成为 关键的因素。而且，不管系统大小，虚拟的系统级模型不可能从一开始就能真实 地代表实际系统。为了解决这个问题，i m s r c u a l l a b 采用独一无二的混合仿真 ( h v b r i ds i m u l a t i o n ) 技术，它将实物试验和虚拟仿真的长处相结合，新的设计过 程不仅更快，而且更加精确可靠。l m sv i r t u a ll a b 自动链接主流的c a d 、c a e 和试验系统，消除了不必要的文件转换和数据冗余，它具有捕捉分析流程并使之 自动化，具有高效的参数化分析的能力。l m s r t u a l l a b 可以从主流的有限元分 析软件中无缝地导入模型和分析结果，如m s c n a s t r a i l ，a n s y s ，a b a q u s ， i d e a s 以及c a t l a 结构分析工具，整个分析流程是完全关联的，c a e 模型的任 何修改都会自动标记以提示下游用户。 美国m d i f m e c h a i l i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的a d m “s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l v s i so f m e c h a n i c a ls v s t e m ) 软件，它的发展历程与c a d s i 公司相似。其软件 核心的原理也和d a d s 相似，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统 动力学分析软件。用户使用a d a m s 软件，可以自动生成包括机一电一液一体化在 内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概 念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断 各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降 低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于a d a m s 具有通用、精确的仿 真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全 世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 北京工业大学硕士学位论文 在产品开发过程中，工程师通过应用a d a m s 软件会收到明显效果： 分析时间由数月减少为数目 降低工程制造和测试费用 在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案 在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量 当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行 分析和仿真 缩短产品的开发周期 2 0 0 2 年m d i 公司被m s c 公司兼并，同时发布了a d a m s l 2 0 版本。新的版 本具有下列新的特性： 增强了柔性体高速缓存的控制，提供了阻尼表达式的界面支持，应力、应变 的可视化、以及施加在柔性体上的模态力可视化( 颜色等高线) ； 增强了载荷输出文件的选项，如f e a 、物理测试、疲劳等文件格式，利用s u 格式，可以对拉格朗日乘子进行误差控制，以获得更高的积分精度； 在积分器中新增修正的校正器；利用r u n g e k u t t a - f e h l b e r g4 5 积分器，可提 高早期设计阶段的性能，不再使用阻尼子程序控制柔性体的阻尼比； 在模态或频率的基础上，使用内部变量f 垤o d e 和f r e q 创建表达式， 可屏蔽某一指定频率以上的所有模式的动态响应。 3 )e a s y 5 e a s y 5 是由美国b o e i n g 公司根据其工程需要开发的专业动态系统仿真分析 软件包。( 注：e a s y 是e n g i n e e r i n ga n a l y s i ss y s t e m 的缩写。) 它拥有简单易用 的图形化用户界面，基于可执行代码程序进行仿真运算并提供了强大的专业应用 库支持e a s y 5 几乎所有的功能都是通过库的应用来实现的。这些专业应用库 是e a s y 5 的精华所在，也是它区别于同类软件的重要特征。 e a s y 5 任何一个专业库都包含了该专业领域常用物理元件的数学模型。每一 库元件对应一段高级语言代码子程序( 可以理解为一个函数子程序) ，使用者仅需 在元件的参数菜单中填入实际元件的参数，即可迅速建立该元件的计算机模型。 这些库元件代码全部从事该领域工作的专家编写并经历了b o e i n g 及其他软件包 用户的实践检验，有很强的工程实用性和易用性。 专业库的存在把工程师从烦琐的基本元件建模中解放了出来，使负责工程师能够 把精力集中在系统性能研究上；因而特别适合对大型复杂多学科动态物理系统进 第l 章绪论 行建模和仿真分析，如液压系统、气动系统、环境控制系统、机械系统、热力系 统、电力驱动系统、多相流系统、发动机及其控制器等等。它具有下列特点： 丰富的分析手段 e a s y 5 建模主要面向由微分方程、差分方程、代数方程及其方程组所描述的 动态系统。在其稳态分析工具、仿真分析工具里提供了丰富的分析方法和数据处 理手段，可以进行传递函数分析、系统广义根轨迹绘制、线性模型生成、稳定裕 度评估、能量谱分析和非线性时域仿真等，供全面了解和剖析系统。矩阵代数工 具可以进行矩阵类数据运算和处理以及模型运行数据的准备和后期处理。 性能卓越的求解器 e a s y 5 采用多种”开一关状态”判断逻辑来处理非线性和不连续状态过程，结合 多种改进的变步长、定步长积分算法，使得分析结果逼真，可信。即使在有严重 非线性的高阶系统解算中也收到了良好的效果；液压系统中的应用即是一个典型 的例子。 高级建模能力 利用e a s y 5 的高级建模工具，技术人员可以建立自己的特定元件模型供自 己和所在的工作组调用；而且e a s y 5 提供了一种开放的环境，使已有模型代码 无需改动或经过少量改动即可在创建自己的模型时重复使用，大大降低了实际工 作量。 开放式的系统 任何一种软件都有它完成不了的工作；分工合作普遍存在于各种工程设计软 件之间。e a s y 5 内置了与其他工程分析软件系统的数据接口，可以与 m a t l a b s 小i ，i n k ，m a t r j x ，d a d s 等联合仿真；也能与n a s t r a n ，a n s y s 等结构分析软件之间交换数据；集成电路仿真器w 心t a g e 则已经与e a s y 5 捆 绑在了一起；s t a t e m a t e 的有限状态机模型和b e a c o n 自动产生的控制器代 码也能引入e a s y 5 环境中；结合e a s y 5 方便的文件管理，使得复杂大型系统 的整体分析研究可以可靠地开展。 通用数学库 包括s 域传递函数，z 域传递函数，函数发生器，一般数学函数，积分器和控 制器，非线性环节，结构化和线性模型，加法器、乘法器和除法器，开关和逻辑 元件，查表函数等类别百十余种元件；供直接建模和构建元件使用 该库具有下列重要特点： 计算两相和三相永磁电机，同步和异步电机的转矩，速度，电流和电流参 北京工业大学硕士学位论文 数； 并行直流电机和步进电机高逼真度的模型； 每相具有独立参数的一相，两相，三相电阻一电感负载元件； 完整的发电机元件，包括直流和交流永磁电机以及同步电机； 基于常规的t 等效电路的变压器元件，它们以y 或d 方式连接； 两相和三相电阻传输线元件，也可以选择包括线电容和电感； 可控硅整流器和脉宽调制控制器的详细模型； 两相和三相电压源元件，它包括内部电阻，产生不变和可变的频率输出。 其他的特点还包括： 不必写计算机代码而建立电气驱动系统模型 使用者定义参数来建模任何大小的电气驱动元件 仿真和分析电和机械部分的动态特性 强有力和高效的稳态解 线性分析和控制系统设计 创建自己的模型定制和集成 2 控制仿真软件 随着科学技术的发展，控制理论和系统的研究显得越来越重要，控制算法越 来越复杂，控制器的设计也越来越困难，这样光利用纸笔以及计算器等简单的运 算工具难以达到预期的效果，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计 ( c o m p u t e 卜舡d e dc o n t r o ls y s t e md e s 碴n ，简称为c a c s d ) 方法。 1 9 8 2 年1 2 月和1 9 8 4 年1 2 月，控制系统领域在国际上最权威的m e e 控制系 统学会( c o n t m ls y s t e m 8s o c i t y ) 的控制系统杂志( c o n t l _ 0 1s y s t e mm a g a z i n e ) 和 i e e e 学会的科研报告( p r o c e e d i n go f m e e ) 分别第一次出版了关于c a c s d 的专 刊【4 4 ，4 “，美国的著名学者j 锄s h i d i 与h e r g e t 分别于1 9 8 5 年和1 9 9 2 年出版了两本 著作来展示c a c s d 领域的最新进展【4 6 4 7 】。早期在介绍控制理论及c a c s d 技术 的教材中，都采用b a s i c 语言( 4 8 j 9 i 和f o r - t & a n 语言，1 9 7 3 年美国学者m e l s a 教授和j o n e s 博士出版了一本专著p ，书中给出了许多当时流行的控制系统计算 机辅助分析与设计的程序。 在，7 0 年代中期，c l e v em o l e r 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发 了调用e i s p a c k 和l n 岬a c k 的f o r t r a n 子程序库。e i s p a c k 是特征值求解 的f o e t r a n 程序库，l 斟p a c k 是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库 第l 章绪论 代表矩阵运算的最高水平。 二十世纪7 0 年代后期，身为美国n e wm e x i c o 大学计算机系系主任的c l e v e m 0 1 e r ，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用e i s p a c k 和l n 岬a c k 程序 库，但他发现学生用f o r t r a n 编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利 用业余时间为学生编写e i s p a c k 和l i m ) a c k 的接口程序。c l e v em o l e r 给这个 接口程序取名为m a t l a b ，该名为矩阵( m a t r i x ) 和实验室( 1 a b o t a t o r y ) 两个英文单 词的前三个字母的组合在以后的数年里，m a t l a b 在多所大学里作为教学辅助 软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。 1 9 8 3 年春天，c 1 e v em o l e r 到s t a i l d f o r d 大学讲学m a t