基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验

1、基于ADAM需MATLAB倒立摆 联合仿真实验基于 ADAMS 与 MATLAB 的倒立摆联合仿真实验一、实验目的 在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共 同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不 同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后进 行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试，如果发现问题又要回到各自 的模型中分别修改，然后再联合调试，显然这种方式费时费力。基于多领域的建模与联合仿真技术很好的解决了这个问题，为机械和控制 系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法。机械工程师和控制工程师就可 以享有同一个样机

2、模型，进行设计、调试和试验，可以利用虚拟样机对机械系 统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样 机的建造和调试。ADAMS 与 MATLAB 是机械系统仿真和控制系统仿真领域应用较为广泛 的软件，其中 ADAMS 为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各 种机械系统进行建模、仿真和分析，具有十分强大的运动学和动力学分析功能； 而 MATLAB 具有强大的计算功能、 极高的编程效率及模块化的建模方式， 因此， 把 ADAMS 与 MATLAB 联合起来仿真， 可以充分将两者的优势相结合， 将机械 系统仿真分析同控制系统设计有机结合起来，实现机电一体化的联合分析

3、。本实验以倒立摆为例，进行 ADAMS 与 MATLAB 的联合仿真，对倒立摆 的运动性能和运动规律进行分析。二、实验方法软件环境： MD ADAMS R3 ，MATLAB R2009b2.1 建立倒立摆的动力学模型启动 ADAMS/View 模块弹出如图 1 所示对话框， 建立小车及摆杆模型。 首 先选择“ Create a new mode”l 选项，创建一个新的模型，将该文件保存在相应 的文件夹下，本实验将结果保存在 E:daolibai_adams 文件夹下，将文件名取为 “ daolibai_adams”，其余选项保持默认。注意，在 ADAMS 中路径名和文件名 最好采用英文字符，否

4、则有可能在运行的过程中出现意想不到的错误。图 1 启动 ADAMS/View模块进入 ADAMS/View 界面后，需要对相关参数进行设置。选择菜单栏中的 “SettingsWorking Grid ”选项，弹出如图 2 所示的对话框， 设置网格的大小。 将“ Spacing”设置为 X:10mm ，Y:10mm，其余参数保持默认。在“ Settings” 选项中还可以设置图标的大小，单位等等参数，在本实验中这些参数都保持默 认即可。图 2 设置网格的大小与此同时，单击菜单栏“ View”选项下的“ Coordinate Window”（或者按下键盘上的 F4 按钮）,如图 3所示。可随时在窗

5、口中观察鼠标的当前空间坐标位置，方便我们进行建模。图 3 打开鼠标当前空间位置观察窗口右键点击 ADAMS 建模工具箱中的图标，选择工具Box,在视图中（0,0,0）处建一个长、宽、高分别为 30cm，20cm，20cm 的长方体代替小车模 型，如图 4 所示。图 4 长方体尺寸设置击工具箱中的长方体建立完毕后，需要进一步在视图中调整其位置。在当前视角下，点 图标，进入如图 6 所示的界面。在 Distance 选项中输入 15cm，选择长方体，然后点击向左的箭头，小车模型即向左平移15cm。单击工具箱中的 按钮，即可返回工具箱主界面。点击 图标，切换到右视角视图，再次运用按钮，在Distan

6、ce选项中输入 10cm，选择长方体，然后点击向右的箭头，将小车模型向右平移 10cm，如图 7 所示。图 6 将小车模型向左平移 15cm图 7 将小车模型向右平移 10cm小车模型位置修改完毕后，右键点击小车模型，选择 Rename，将模型的名 称修改为 xiaoche ，如图 8 所示。与此同时，在右键菜单中选择 Modify ，将小 车的质量修改为 0.5KG，其修改方法如图 9 所示。图8 修改模型名称图9 修改小车模型的质量至此，小车模型及参数设置完毕，接下来建立摆杆的模型。在建模工具箱中选择Cylinder ）工具建立摆杆模型，其参数设置如图 10 所示图 10 摆杆参数的设置摆

7、杆参数设置完毕后，沿小车垂直向上的方向建立该圆柱体，建好后单击 右键修改其特性参数，将部件名称修改为 baigan ，将摆杆质量修改为 0.2kg ，工具，将摆杆绕转动惯量修改为 0.006kg 。建好后，运用工具箱中的端点顺时针旋转 5，建完后的模型如图 11 所示图 11 倒立摆模型前视图与三维视图倒立摆的三维模型建立好后，我们需要为模型添加相应的运动副和运动小车与地面用平移副约束，右键单击图标，在弹出菜单中选择添加方式选择 2 Bod-1 Loc 方式，分别选择小车和大地，在小车质心处添加水 平方向的平移约束副，如图 12。图 12 在小车与大地之间添加移动副摆杆与小车之间存在旋转运动，

8、故需要在小车与摆杆之间添加一个转动副。单击工具中的 图标，添加方式选择 2 Bod-1 Loc 方式，分别选择摆杆 和小车，在摆杆与小车的铰接处建立旋转副，如图 13 所示图 13 在摆杆与小车之间建立旋转副 JOINT_2倒立摆模型的约束添加完毕之后， 我们可以对模型进行运动测试。 点击工具，进入运动仿真测试对话框，设置仿真时间为 1 秒，步长为 1000，如图 14 所示。图 14 运动仿真参数设置点击 按钮开始运动仿真测试，可以看到小车沿着水平方向作直线运动，摆杆绕着铰接点作旋转运动2.2 定义倒立摆机械系统的输入输出变量1）定义输入变量本实验中需要在 ADAMS中定义一个状态变量接收控

9、制小车运动的水平力。选择 Build 菜单下的 System Elements 创建一个名为 controlforce 的状态变量，如图 15 所示图 15 创建输入状态变量由图 15 可以看出 F（time ，）后面输入栏中的数值为 0，表示该控制力工具，选择 Body Moving的数值将从控制软件的输出获得。给小车定义一个水平力， 的建模方式，一次选择小车质心作为力的作用点，选择水平向右作为其加载方向（如图 16），这样该水平力将一直随着小车的移动而移动图 16 为小车添加水平方向作用力上述过程完成以后，右键单击该水平力，选择 Modify ，将其函数值定义为 VARVAL(.daoli

10、bai_adams. controlforce), 以实时从状态变量 controlforce 中 接收力的数值，如图 17。图 17 函数值的定义2) 定义输出变量定义输出变量的方法与定义输入变量的方法相同，定义ADAMS状态变量以输出动力学模型的运动状态至控制软件，本实验就是要输出摆杆的摆角。选择 Build 菜单下的 System Elements 创建一个名为 rotateangle 的状态变 量，选择摆杆的上端点和小车的铰接点出的 MARKE点R 为摆杆绕 Z轴旋转运动的 参考点，如图 18 所示。图 18 定义输出变量其中，在 F(time ，)后面的文本输入栏输入摆杆摆角表达式

11、AZ(MARKER_1，1 MARKER_12),AZ函数用来测量绕 Z 轴旋转的角度， 本实验中即表示摆杆绕着 Z轴旋转的角度。利用 ADAMS工具箱中的工具，在摆杆的上端点创建一个测点MARKER_1，1在小车上创建测点 MARKER_1，2此点为小车与摆杆的铰接点。设置 完毕后单击 OK按钮保存设置。3）将状态变量指定为输入 / 输出变量 上述状态变量定义完成之后，还需要将定义好的状态变量指定为输入或输出 变量。指定 状态 变量 controlforce 为输 入变量。 单击主 菜 单 Build Data Elements Plant Plant Input New后，弹出输入变量定义

12、对话框，如图 19 所示。将 Variable Name栏中输入 controlforce ，然后单击 OK按钮即完成设置。图 19 输入变量定义对话框指定状态变量 rotateangle 为输入变量。单击主菜单 Build Data Elements Plant Plant Output New后，弹出输入变量定义对话框，如图 20 所示。将 Variable Name 栏中输入 rotateangle ，然后单击 OK按钮即完成设置。图 20 输出变量定义对话框4）导出 ADAMS模型通过以上工作，已经在 ADAMS机械系统模型中定义了同控制系统交互的相 关状态变量和函数，接下来需要利用

13、ADAMS/Controls 模块将这些状态变量定义 为输入输出信号，并将相关信息导出，以便和其他控制程序连接。单击 Controls 菜单下的 Plant Export 子菜单，弹出如图 21 所示的设置窗 口。将输出文件名修改为 test123 ；在输入信号定义栏中，单击 From Input 按 钮后，弹出数据库浏览窗口，选择定义的 PINPUT_1为输入项，双击后，定义的 状态变量 controlforce 将自动出现在输入信号一栏中，同理，输出信号的设置 方法同上。目标控制软件下拉菜单可以根据需要选取，本实验目标软件选为 MATLA，B 其他选项保持默认。单击 OK按钮， ADAMS

14、将导出 *.m 文件，同时产生 调用 ADAMS/Solver的cmd文件和*.adm 的 ADAMS模型文件。图 21 ADAMS变量导出设置上述过程完成后， MATLAB已经可以读取 ADAMS模型的相关信息了2.3 在 MATLAB/Simulink 中导入 ADAMS 模型1）变量的导入启动 MATLAB后，在命令窗口中输入导出的 ADAMS模型名称 test123 ，在MATLAB窗口将出现如下信息： clear all test123ans =26-Jun-2013 08:53:34% INFO : ADAMS plant actuators names :1 controlfor

15、ce% INFO : ADAMS plant sensors names :1 rotateangle在 MATLAB命令提示符下输入 who 命令，显示文件中定义的变量列表，在 MATLAB命令窗口中返回如下结果：Your variables are:ADAMS_cwdADAMS_modeADAMS_solver_type archADAMS_execADAMS_outputsADAMS_staticflagADAMS_hostADAMS_pinputADAMS_sysdirmachineADAMS_initADAMS_poutputADAMS_uy_idstemp_strADAMS_inp

16、utsADAMS_prefix anstopdir可以选择以上显示的任何一个变量名，检验 变量，例如，如果输 入ADAMS_outputs，则 MATLAB将显示在 ADAMS中定义的输出变量：ADAMS_outputs =Rotateangle注意： ADAMS导出的文件必须置于 MATLAB工作目录下，即 ADAMS与 MATLAB共用同一个工作目录，否则上述过程不能进行。与此同时，还要把 ADAMS/win32文件夹下的“ adams_plant.mexw32 ”及 ADAMS/Controls/win32/ 文件夹下的“plant.lib ”放在 ADMAS与 MATLAB的共用工作目

17、录下。这两个文件是 adams_sub 模块的核心。 ADAMS提供一个 S 函数，用于 ADAMS和 simulink 联合仿真的调度 和通信，如果 simulink 找不到它，联合仿真就不能进行。2) ADAMS模块的导入在 MATLAB命令窗口中输入“ adams_sys”命令，即可导入 ADAMS模块，如图 22 所示图 22 adams_sys 模块3)仿真参数的设置点击图 22 中的 adams_sys模块，即可进入 adams_sub模块，如图 23 所示。图 23 adams_sub 模块点击图 23 中的 MSC.Software 模块，弹出如图 24 所示的对话框，在对话框 中设置如下参数：图 24 仿真参数的设置将联合仿真的通信间隔 Communication Interval 选项设置为 0.001 ，该选项 定义了 ADAMS与 MATLAB/Simulink 交换数据的通信间隔，调整该参数将控制联 合仿真的速度，并影响计算的速度。将 simulation mode 选项设置为 continuous ，即连续仿真模式。 其余参数保持默认，单击 OK按钮，保存参数设置。3）联合仿真分析在 MATLAB/Simulink 中建立如下控制框图（图 25），设置仿真时间为 5s 。图 25