机电系统建模与仿真-1概述

第1章绪论,1.1机电系统概述1.1.1机电一体化技术产生的背景机械技术向自动化、智能化发展的产物电子技术向机械工业领域的渗透1.1.2机电一体化的基本概念机电一体化的定义，机电一体化技术和产品Mechatronics=Mechanics+Electronics机械电子学=机械学+电子学,从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电一体化系统的基本要素：机械本体、测试传感、驱动、执行机构、控制及信息处理、能源,机电系统：机械系统与微电子系统，特别是与微处理器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性能的一种新产品。,应用机械工程和电子工程相结合的这些技术的机械电子装置（产品），典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CADCAM系统等。,2.机电系统,在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称（运用机电一体化技术的系统）特点：是机械工程、电子学和智能控制算法在产品设计和制造中的协同整合。,2.1机电系统的特点,两个系统论物理系统和控制系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器；控制系统包括软、硬件。三环论,2.2基本组成要素,典型的机电系统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。,3.机电系统实例,机电一体化系统与人体的对比机电一体化的相关技术：机械、计算机及信息处理、系统技术、自动控制、传感与检测、伺服驱动机电一体化的技术优势,典型的机电系统：工业机器人的关节伺服传动系统；基本的机电控制问题位置和速度的动态控制。,串联机器人,转动关节,移动关节,工业机械手末端执行器（1）机械夹持器,（2）特种末端执行器,真空吸附手,电磁吸附手,灵巧手,平台式并联机器人,6分支示意图,并联机构关节关节1-3为转动副，关节4-6为移动副，关节7-9为球面副。,虎克铰,球面关节,典型的机电系统：数控机床；点位控制、直线运动控制、连续路径(轮廓)控制,典型机电系统：自动化制造单元；顺序控制问题,典型机电系统：柔性制造单元；具有生产规划和调度能力,典型机电系统：无人工厂,4.1机电系统开发的技术路线拟定目标及初步技术规范、可行性分析、初步设计（总体方案设计）、总体方案的评价与评审、理论分析（建模、仿真、模拟试验）、详细设计（样机设计）、详细设计方案的评价与评审、试制样机、样机试验测试、技术鉴定,4仿真在机电系统设计与开发中的作用,4.2仿真在机电系统设计中的作用仿真的定义仿真是指对现实系统某一层次抽象属性的模仿。其基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。,计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。,系统开发的需要；经济上的考虑；安全上的考虑；时间上的考虑；仿真模型具有易操作、易理解的特点，使用它便于多方案分析比较。,为什么要用仿真模型？,例1电视机抗跌落分析,MATLAB的计算结果,为设计工程师提供结构改进及包装设计的理论依据,例2、气囊弹射速度确定（1997年，美国）原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过，调整到180英里/小时。据计算，正规的安全气囊必须在发生汽车碰撞后的0.01秒内微处理器开始工作，0.03秒内点火装置启动，0.05秒内高压气体进入气囊，0.08秒内气囊向外膨胀，0.11秒内气囊完全胀大，此刻之后，驾车者才会撞上气囊。例3、美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用,例4世贸大厦倒塌的结构问题,例5ADAMS/CAR中建立的整车模型,仿真的类型：物理仿真基于物理模型的仿真数学仿真基于数学模型的仿真半物理仿真一部分数学模型、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软件在回路仿真半物理仿真之人在回路仿真,机电系统仿真的任务在理论分析阶段通过对系统运行状态的模拟来分析和验证设计方案的正确性和合理性。在样机制作阶段和试验阶段，检验控制模型的优劣。对于仿真的要求：简单性与精确性的矛盾，分析成本与模型有效性的矛盾；数学模型是对于实际物理系统的近似数学描述，而非物理系统本身，重要的是数学模型要能够满足设计需要。,数学模型在系统最初设计阶段或投入制造前对其动态特性进行预测，这种预测以数值模拟或称仿真方式进行，其依据是基于系统动力学特性的数学描述，也就是数学模型。数学模型是设计工具。,5系统建模,以相似理论、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础以数学、计算机、物理效应设备及仿真器为工具，利用共性或专用支撑技术，建立系统模型对研究对象（系统）进行抽象、映射、描述和实验、分析、评估的一门多学科的综合性、交叉性学科,系统模型,非线性,线性,连续,离散,混合,单变量,多变量,定常,时变,建立模型的方法：数理方法（白箱）、试验建模（白、灰、黑箱）、假设检验,按照系统论的观点，实际系统可在某种级（水平）上被分解，因此系统的数学模型可以有不同的描述级（水平）：性状描述级性状描述级或称为行为描述级（行为水平）。在此级上描述系统是将系统堪称黑箱，并施加输入信号，同时测得输出响应，结果是得出一个输入-输出对：(，)及其关系Rs=(，)：,。状态描述级在状态结构级（状态结构水平）上，系统模型不仅能反映输入-输出关系，而且应能反映出系统内部状态，以及状态与输入、输出间的关系。即不仅定义了系统的输入与输出，而且定义了系统内部的状态集及状态转移函数。白箱,复合结构级系统一般由若干个分系统组成，对每个分系统都给出行为级描述，被视为系统的一个“部件”。这些部件有其本身的输入、输出变量，以及部件间的连接关系和接口。据此可建立系统在复合结构级（分解结构级）上的数学模型。灰箱这种复合结构级描述是复杂系统和大系统建模的基础。5.1数理方法分析系统结构原理，定义系统变量将物理定律应用于系统各组成元件，并进行综合得到描述输入-输出关系的（微分）方程式模型验证（实验验证）。,5.2系统（实验）辨识建模1962年，Zadeh给出系统辨识定义，如下：在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定一个与所测系统等价的模型。系统辨识三要素：输入输出数据-辨识的基础；模型类-寻找模型的范围；等价准则-辨识的优化目标。注：系统辨识与系统分析是互逆的两种技术手段。,最小二乘法分析模型参数输入-输出数据精确已知时确定模型参数的方法数据精确已知是指测得的系统输入-输出数据是精确的，没有被“噪声”污染。最小二乘法估计模型参数的方法考虑测量不精确或者环境对过程的随机干扰，实际量测到的输出为：其中：为测量噪声引起的随机变量参数估计的任务：通过输入、输出数据确定参数,6机电系统常用的计算机仿真软件Pro/Engineer：零件三维模型、机械装配，同时配备有有限元和运动学分析模块ANSYS：基于有限元方法的力学分析ADAMS：AutomaticDynamicAnalysisofMec-hanicalSyst