机电一体化系统设计-设计工具及应用

设计工具及应用本章内容CONTENTS

机械计算机辅助设计软件1运动学与动力学分析工具及应用2综合性分析工具及应用3控制系统设计工具与应用43

8.1机械计算机辅助设计软件

8.1.1概述计算机辅助设计技术诞生于20世纪60年代，美国麻省理工学院提出了交互式图形学研究计划得到了美国通用汽车公司和美国波音航空公司响应，两家公司自行开发了交互式绘图系统并开始了应用。在20世纪70年代，随着小型计算机价格下降，美国开始广泛使用交互式绘图系统。目前应用的主流CAD软件有AutoCAD、UGNX、Pro/E、CATIA、Solidworks、VariCAD、SolidEdge等。国内机械CAD软件开发历史不长，但发展迅速，目前应用的软件有开目CAD、数码大方CAXA、浩辰CAD、中望CAD、华天SINOVATION等。4

8.1.1概述

CAD软件具有以下基本功能：（1）建模和绘图功能建模功能通常是机械CAD系统所提供的一套命令集，以绘制和修改各种二维图形和三维机械模型。例如，产品装配轴测图或剖面图、机械零件三视图、汽车飞机船舶外观曲面图以及液压管路布置图等。有些软件还具有开放式的参数化建模与标准件图库设计功能。5

8.1.1概述（2）分析与计算功能在机电一体化系统设计中，完成机械结构设计后，为确保其性能和质量，还需要作进一步的动态模拟、性能分析、系统验证、辨认与优化。CAD软件中常见的分析计算工作包括灵敏度分析、强度与刚度计算、有限元分析、机构运动仿真及参数优化等。（3）信息处理功能机械CAD软件不仅可以生成设计图纸，还可以提供全部有关的技术文档，例如零部件明细表、材料清单、使用说明书等，有的软件还具有与CAM（计算机辅助制造）系统之间的信息传输与数据转换等功能。6

8.1.2UGNX软件UGNX（UnigraphicsNX）是SiemensPLMSoftware公司开发的，为用户提供产品整个解决方案的综合性的大型CAD软件，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。它是一个交互式CAD/CAM系统，功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，现已经成为机械行业三维设计的主流应用软件。1.软件功能图8-1所示为UGNX10.0软件界面，软件界面包括菜单、工具条、导航器、应用模块等，在软件界面上可以很方便地从一个应用模块切换到另一个应用模块。7

8.1.2UGNX软件图8-1UGNX10.0软件8

8.1.2UGNX软件在机电一体化系统设计中应用到的UGNX软件主要功能模块包括：（1）设计模块UGNX设计模块包括了实体建模、特征建模、自由形状建模、装配建模等基本模块，这些模块一起构成了UG软件的强大三维CAD设计功能。在机电一体化系统设计中可以利用UGNX设计模块快速建立产品的机械结构模型，生成二维CAD图纸，供后续制造使用。（2）CAE模块UG

NX模块包括了机构学、有限元分析等基本模块，这些模块构成了UG软件的计算机辅助工程功能。在机电一体化系统中设计中可以利用CAE模块进行产品的机构运动仿真，机械结构的受力应力、变形分析。

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8.1.2UGNX软件2.软件特点

UGNX软件在建模技术、数据库使用、二次开发等方面等具有以下特点：

（l）具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程，提高设计效率。

（2）采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

（3）采用基于特征（如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，并能用参数驱动。10

8.1.2UGNX软件（4）曲面设计采用非均匀有理B样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。（5）UGNX可以从三维实体模型直接生成二维工程图，能按ISO标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等，并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图。（6）UGNX以Parasolid为实体建模核心，支持多种建模技术，例如实体建模、直接编辑和自由曲面建模等。（7）UGNX提供了两种二次开发方法，并能通过高级语言接口，使UGNX的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。11

8.1.3CATIA软件CATIA是法国达索系统（DassaultSystem）公司开发的CAD/CAE/CAM一体化软件。CATIA软件以其强大的曲面设计功能在飞机、汽车、舰船等设计领域应用较多。它的曲面造型功能提供了多种造型工具来支持用户的造型需求。

1.软件功能图8-2所示为CATIAV5软件，它的界面比较简洁，包括工菜单、工具条，导航器等。它的工具条分布在右侧和底部，建模操作比较方便。12

8.1.3CATIA软件

图8-2CATIA软件13

8.1.3CATIA软件CATIA软件组成包括机械设计、分析与模拟、AEC工厂、加工、数字模型、设备与系统、制造数字管理、加工模拟、人机工程学设计与分析、智件、ENOVIAVPM等功能模块。在机电一体化系统设计中可以利用的功能模块有：（1）设计模块设计模块包括机械设计和形状设计。机械设计中又包括零部件设计、装配设计、草图绘制器、工程制图、结构设计、线框与曲面设计、钣金设计、航空钣金设计、焊接设计、模具设计、三维功能公差与标注设计。形状设计中包括自由外形设计、创成式外形建模、创成式曲面优化、整体外形修形、曲面设计、白车身设计、数字外形编辑器等。

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8.1.3CATIA软件（2）分析与模拟模块分析与模拟模块包括装配仿真、空间分析、创成式零件结构分析、创成式装配件结构分析、变形装配件公差分析、有限元模型生成器、科学表示管理器、ANSYS接口等。利用分析与模拟模块可以进行产品的装配仿真，零件应力分析与优化等。它还可以利用有限元模型生成器对CATIA模型进行预处理，然后通过ANSYS接口导出到ANSYS软件中进行应力、应变、温度场等分析；还可以把ANSYS软件求解器的计算结果导入到CAE模块中中，通过科学表示管理器进行显示。

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8.1.3CATIA软件（3）设备与系统模块设备与系统模块包括电气设备和支架造型、电缆布线路径定义、电气线束安装、电气线束布线设计、管路与设备原理图设计、电气连接原理图设计、系统原理图设计、系统布线设计、管线原理图设计、管路设计、管线设计等子模块。3.软件特点（1）采用了混合建模技术。CATIA采用了变量和参数化混合建模、几何和智能工程混合建模技术。变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。

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8.1.3CATIA软件（2）具有较强的曲面建模能力。它的Bezier曲面次数可高达15次，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。（3）具有整个产品周期内的修改能力，尤其是后期修改。无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改。

（4）CATIA软件与达索软件系统中的Solidworks、Abaqus、Delmia、Enovia、Smarteam、VPM具有较好的兼容性。（5）CATIA软件覆盖了产品开发的整个过程，为从产品的概念设计到最终产品的形成提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理等一整套解决方案。

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8.1.4Pro/Engineer软件1.软件功能Pro/Engineer软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化三维软件。Pro/Engineer软件采用了参数化建模技术，也是首个采用参数化建模技术的CAD软件。图8-3所示为Pro/Engineer5.0软件界面，它包括菜单、工具条、导航器、工作区等。Pro/Engineer软件操作方便，可以帮助用户轻松地完成设计工作。Pro/Engineer软件提供的功能包括三维建模、零件装配、工程图生成、电缆布线、印刷线路板设计、有限元网格划分等。在机电一体化系统设计中，应用的主要模块及功能有：18

8.1.4Pro/Engineer软件图8-3PRO//Engineer软件19

8.1.4Pro/Engineer软件

（1）Engineer模块。它是软件的基本部分，其功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维上色、实体或线框造型、完整工程图的产生及不同视图展示。

（2）Assembly模块。它是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列并且可自动地更换零件。

（3）Cabling模块。它提供了一个全面的电缆布线功能，其中三维电缆的铺设可以在设计和组装机电装置时同时进行，它还允许工程设计者在机械与电缆空间进行优化设计。

（4）ECAD模块。它用于印刷线路板的设计，既可以从元件库中调用元件，也可以利用Engineer设计元件并可自动组装到PCB中。20

8.1.4Pro/Engineer软件2.软件特点

Pro/Engineer软件主要特点有：

（1）采用参数化设计方法。无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

（2）采用基于特征的建模方法。Pro/Engineer是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角。这一功能特性给设计人员提供了在设计上从未有过的简易和灵活。21

8.1.4Pro/Engineer软件2.软件特点

（3）采用单一的数据库形。Pro/Engineer是建立在统一基层数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的所有数据全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上，这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使产品设计、修改非常方便。22

8.1.5Solidworks软件Solidworks软件是美国Solidworks公司开发的基于PC平台的一款CAD/CAE/CAM/PDM系统。由于Solidworks出色的技术和市场表现，1997法国达索公司收购了Solidworks，成为达索大家族中的一员，收购后的Solidworks仍以原来的品牌和管理技术继续独立运作，对象主要为中低端市场。1.主要功能Solidworks软件根据客户需求不同分为标准版（Standard）、专业版（Professional）和铂金版（Premium），不同的软件版本配置了不同功能模块。23

8.1.5Solidworks软件

（1）标准版功能标准版中配置的功能有零件建模、高级曲面、装配体建模、装配体运动、大型装配体管理、工程图生成、钣金设计、焊接设计、模具设计、设计重用、数据转换、材料明细表、重复任务设计自动化等。

（2）专业版功能专业版除了标准版的功能之外，增加的功能模块有：特征识别、标准零件库（Toolbox）、高级渲染、设计标准检查、产品数据管理系统等。24

8.1.5Solidworks软件

（3）铂金版功能铂金版中配置的功能模块有：扫描3D生成、电气原理图设计、3D电气、电路设计、管路设计、公差分析、设计分析、机构运动仿真、流体分析、模流分析、数控加工编程模块等。图8-4为SolidworksPremiumth版软件界面。在机电一体化系统设计中可以利用Solidworks软件进行结构设计、电气原理图设计、电路设计、机构运动仿真等。25

8.1.5Solidworks软件图8-4Solidworks软件26

8.1.5Solidworks软件2.软件特点

（1）采用了自顶向下的设计方式。自顶向下的设计方式可以在装配环境下设计子部件，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

（2）采用了智能特征技术。Solidworks采用了智能特征技术（SWIFT）使用户可以集中精力创造优秀的产品，而不是花费大量时间来了解如何操作软件，SWIFT自动处理耗时的细节工作和技术，能诊断和解决与特征的顺序、配合、草图关系和尺寸应用相关的问题。27

8.1.5Solidworks软件

（3）具有2D-3D转换功能。Solidworks为AutoCAD用户提供了数据转換工具和帮助文档，可以将DWG文件顺利地转换为3D模型。也可以使用DWGeditor，编辑、操作和维护现有的AutoCADRDWG文件。

（4）灵活的配置管理。在Solidworks中，用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种（即系列零件和装配体族），且其多个个体可以同时显示在同一总装配体中。

（5）具有多种数据接口。Solidworks提供多种CAD软件数据接口格式，方便地导入和使用现有数据以及来自外部源的数据。支持DWG、DXF、Pro/Engineer、Unigraphics、IGES、STEP、Parasolid、STL等几十种格式的转换器。28

8.2运动学与动力学分析工具及应用

8.2.1Adams软件概述

Adams软件是世界上应用最广泛的机械系统仿真软件，它是由美国MDI公司现已并入MSC公司）于1981年最初推出的软件产品，能完成包括运动学、约束反力求解、特征值、频域分析、静力学、准静力学分析以及完全非线性和线性动力学分析。

1.软件功能模块

Adams软件的界面如图8-5为所示。软件界面包括菜单、工具条、导航器、显示区、操作区等。

Adams软件由基本模块、扩展模块、专业领域模块等组成。29

8.2.1Adams软件概述

图8-5ADAMS软件30

8.2.1Adams软件概述

（1）基本模块基本模块由用户界面、求解器、后处理模块组成。

用户界面模块（Adams/View）是软件的用户接口，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

求解器（Adams/Solver）是ADAMS系列产品的核心，软件自动建立机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。Adams/Solver有各种建模和求解选项以便精确有效地解决各种工程应用问题。31

8.2.1Adams软件概述

后处理模块用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等，既可以在Adams/View环境中运行，也可脱离该环境独立运行。

（2）扩展模块Adamsr的扩展模块包括：液压系统模块、振动分析模块、线性化分析模块、高速动画模块、试验设计与分析模块、耐久性分析模块、数字化装配回放模块、图形接口模块、Pro/E模块、CATAI模块、柔性分析模块、控制模块等。（3）专业领域模块包括：轿车模块、悬架设计软件包、概念化悬架模块、驾驶员模块、动力传动系统模块、轮胎模块、发动机设计模块、配气机构模块、正时链模块、铁路车辆模块、Ford汽车公司专用汽车模块等。32

8.2.1Adams软件概述2.软件应用在机电一体化系统设计中，Adams软件的主要用途有振动分析、非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理、耐久性分析等。

（1）振动分析振动分析模块（Adams/Vibration）是进行频域分析的工具，可用来检测Adams模型的受迫振动，所有输入输出都将在频域内以振动形式描述。该模块可作为ADAMS运动仿真模型从时域向频域转换的桥梁，运用ADAMS/Vibration可以实现各种子系统的装配，并进行线性振动分析，然后利用功能强大的后处理模块可进一步做出因果分析与设计目标设置分析。33

8.2.1Adams软件概述

（2）线性化分析线性化分析模块（Adams/Linear）是Adams的一个集成可选模块，可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率（特征值）、特征向量和状态空间矩阵，使用户能更快而较全面地了解系统的固有特性。

（3）耐久性分析耐久性试验是产品开发的一个关键步骤，耐久性试验能够解答“机构何时报废或零部件何时失效”这个问题，它对产品零部件性能、整机性能都具有重要影响。MDI公司已经与MIS公司合作，共同开发Adams/Durability，之成为耐久性试验的完全解决方案。34

8.2.2Simpack软件Simpack软件是德国INTECGmbH公司开发的针对机械系统和机电系统的运动学与动力学仿真分析的多体动力学分析软件。它以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。Simpack软件的主要应用领域有汽车工业、铁路、航空/航天、国防工业、船舶、通用机械、发动机、生物运动与仿生等。1.功能模块Simpack软件界面如图8-5所示为，包括菜单、工具条、显示区、模型树、输出区等。Simpack软件包括基本模块、专用模块、多学科接口和模型导出模块、实时仿真、CAD专用接口模块等。在机电一体化系统中主要应用的Simpack软件模块有：35

8.2.2Simpack软件图8-5Simpack软件36

8.2.2Simpack软件

（1）基本模块基本模块是Simpack的核心功能模块，包含前处理、求解器和后处理三部分。具有可视化的三维实体建模技术、三维动画和曲线作图分析工具箱、可扩展的动态模型库。在机电一体化系统设计中，利用基本模块可以进行静力学分析、运动学分析、动力学分析、逆动力学分析、模态分析受迫振动响应分析等。

（2）专用模块专用模块主要针对一些行业的特殊应用开发的附加模块。在机电一体化系统设计中，可以利用它的专用模块进行齿轮传动、汽车零部件等分析。专用模块可以与基本模块任意搭配使用，给用户提供实用的仿真工具和满足需求的工程问题的解决方案。37

8.2.2Simpack软件2.软件特点Simpack软件具有以下特点：

（1）在建模技方面，Simpack提供了丰富的建模元件库，包括零件、铰接、约束、力、碰撞、函数、控制元件等。采用子结构建模方式，允许子结构相互嵌套，通过各子结构及主模型之间的信息交换器，实现子结构和主模型的自动装配。

（2）在仿真技术方面，Simpack仿真工具具有跨越实时硬件系统及操作环境、支持并行等特点。不需要输出模型或代码，可以直接利用Simpack所创建的动力学模型完成实时仿真。38

8.2.2Simpack软件

（3）在求解功能方面，Simpack求解器能进行运动学、动力学、逆动力学、频域、模态等各种分析，核心的递归算法保证了求解的稳定性和可靠性，能够处理车轮脱离轨道再接触这类的非线性接触问题。

（4）包含了多个专业化模块。Simpack软件中专业模块包括齿轮模块、汽车模块、铁路模块、传动系模块、风机模块、发动机模块、轴承模块、生物运动模块等。39

8.3综合性分析工具及应用

8.3.1AnsysWorkbench软件

AnsysWorkbench是美国Ansys公司开发的协同仿真软平台，用于解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。ANSYSWorkbench仿真平台能够实现对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟。在机电一体化系统设计中，利用AnsysWorkbench软件可以解决系统设计中的机械结构强度分析、温度场分析、流场分析、电磁场分析以及多场耦合分析等复杂问题。AnsysWorkbench软件界面如图8-6所示。40

8.3.1AnsysWorkbench软件

图8-6ANSYSWorkbench软件41

8.3.1AnsysWorkbench软件

1.软件功能模块

（1）分析系统AnsysWorkbench软的分析系统主要由不同的求解器组成，分析系统的模块较多，可以分为固体分析、流体分析、热分析、电磁场分析等类型。

①

固体分析AnsysWorkbench软的固体分析模块包括静力学分析和动力学分析。静力学分析包括稳态静力学分析和线性屈曲分析；动力学分析包括模态分析、谐响应分析、随机振动分析、响应谱分析、刚体动力学分析等。42

8.3.1AnsysWorkbench软件

②

流体分析AnsysWorkbench软的流体分析模块有CFX、Fluent、Polyflow、Blowmodling。其中，CFX和Fluent模块是世界上著名的的计算流体动力学分析软件，后被ANSYS所收购，集成在Workbench仿真平台中。

③

热分析

热分析基于能量守恒原理的热平衡方程。热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热传递方式，此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。耦合场的分析种类有热-结构耦合、热-流体耦合、热-电耦合、热-磁耦合、热-电-磁-结构耦合等。对于不同的零件之间可以来用GLUE进行粘接，或者用Overlap等方法，也可以建立接触。43

8.3.1AnsysWorkbench软件

④电磁分析AnsysWorkbench电磁分析模块包括电场分析、磁场分析、静态磁场分析、谐波磁场分析、瞬态磁场分析。它的电场、磁场等分析功能可应用于机电一体化系统的抗干扰设计。电场分析可用于研究电场的电流传导、静电分析和电路分析三方面问题，包括电流密度、电场强度、电分布、电通量密度、传导产生的焦尔热、贮能、力、电容、电流以及电势降等。磁场分析可用于分析电磁场的多方面问题，如磁通量密度、磁场强度、磁通泄漏、阻抗、电感、涡流、电场分布、磁力线品质因数、特征频率、磁力和力矩、运动效应、电路和能量损失等。可以完成二维和三维静态磁场、谐波磁场分析、瞬态磁场分析。44

8.3.1AnsysWorkbench软件

（2）组件系统组件系统是组成分析的各个组成部分，包括几何模型、有限元模型、网格、材料、叶片、机械分析、CFX等模块，这些基本的模块可以组成分析系统基础单元，例如，Geometry是几何模型模块，用于建立几何模型；Mesh是网格划分模块，用于几何模网格划分；FiniteElementModeler是有限元模型模块，可以查看网格的相关信息，比如单元类型，节点和单元数目等；MechanicalAPDL可以直接启用Ansys进行操作和分析。45

8.3.1AnsysWorkbench软件

（3）用户系统用户系统是为用户定制的多场耦合分析工具，包括流-固体分析、预应力模-模态分析、随机振动分析、响应谱分析、热应力分析功能模块。流-固体耦合分析包括从CFX到静力学分析和从FLUENT到静力学分析两种类型；预应力模-模态分析是先做静力学分析，再做模态分析。随机振动分析是先做模态分析，再做随机振动分析。

（4）设计探索系统

设计探索模块用于研究变量的输入（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化，包括全局优化、参数关联、响应面、Sixsigma分析等子模块。46

8.3.1AnsysWorkbench软件2.软件特点（1）AnsysWorkbench可以根据用户的产品研发需要构建仿真环境，而且用户自主开发的API与Ansys已有的API具有相同的地位。（2）AnsysWorkbench既可以利用自身DesignModeler进行建模，也可以利用接口把基于Parasolid标准不同CAD软件建立的几何模型导入到求解器中进行求解。它把求解器看作是一个组件，可以把不同CAE公司提供的求解器集成到平台之中，在Workbench中只要通过简单开发就可直接调用。（3）AnsysWorkbench可以兼容多种CAD系统，它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。47

8.3.2Patran&Nastran软件1.软件介绍Nastran是1966年美国国家航空航天局为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求主持开发的大型应用有限元软件。美国MSC公司参与了整个Nastran的开发过程，1971年，发布了Nastran首个版本，1989年发布了经革命性改良的Nastran66版本，1994发布了NastranV68版本。目前，MSC公司开发了几十种软件产品，涉及非线性有限元分析、结构疲劳寿命预测、机构运动仿真、锻压仿真系统、成型仿真系统、控制系统仿真等。Nastran软件本身是一个有限元求解器，不具有限元前处理和后处理功能，需要和Patran软件配合使用。48

8.3.2Patran&Nastran软件Patran/Nastran软件如图8-7所示，在Patran中调用Nastran求解的过程是被隐藏的，但求解结果在Patran中输出。图8-7Patran/Nastran软件49

8.3.2Patran&Nastran软件2.软件特点

（1）在可靠性方面，Nastran软件本身经过严格测试，它是在美国国防部、国家宇航局等多个部门严格监管下完成的。软件计算结果的准确性是经过了几万个用户的长期工程应用的验证，因此软件具有较高的可靠性。

（2）在软件结构方面，Nastran采用了全模块化的组织结构，使其不但拥有较强的分析功能而又具有很好的灵活性，用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。

（3）在适用范围上，Nastran对于解题的自由度数、带宽或波前没有限制，不但适用于中小型项目的求解，对于处理大型工程问题也同样非常有效。50

8.3.2Patran&Nastran软件3.软件功能Nastran的主要功能模块有：基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP用户开发工具模块以及高级对称分析模块。Nastran软件在机电一体化系统设计中的主要用途有：

（1）静力分析静力分析主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束（反）力、单元内力、单元应力和应变能等。51

8.3.2Patran&Nastran软件

（2）屈曲分析屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，MSC.Nastran中屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲分析。线性屈曲分析又称特征值屈曲分析，可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放。非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。

（3）动力学分析Nastran的主要动力学分析功能有：特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析、声学分析等。52

8.3.2Patran&Nastran软件

（4）非线性分析Nastran非线性分析功能为设计人员有效地设计产品、减少额外投资提供了一个十分有用的工具。非线性分析分为几何非线性分析、材料非线性分析、非线性边界、非线性瞬态分析、非线性单元。

（5）热传导分析热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的特性。利用Nastran可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内所有的热传导现象，并真实地仿真各类边界条件,构造各种复杂的材料和几何模型、模拟热控系统，进行热-结构耦合分析。热传导分析可分为线性/非线性稳态热传导分析、线性/非线性瞬态热传导分析、相变分析、热控分析。53

8.3.2Patran&Nastran软件

（6）设计灵敏度及优化分析设计灵敏度分析是优化设计的重要一环，可成倍提高优化效率。灵敏度响应量可以是位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲載荷因子、声压、频率等，也可以是各响应的混合。

（7）疲劳分析疲劳分析支持应力疲劳分析、应变疲劳分析和多轴疲劳，可以考虑表面处理修正、加工制造、均值应力等的影响，疲劳载荷支持雨流计数，使用线性损伤累积理论，分析疲劳寿命和安全因子；支持在线性静态分析、模态瞬态方法中并行计算直接计算疲劳损伤和疲劳寿命，从而提高疲劳分析的效率，减少分析时间和硬件资源需求。54

8.3.2Patran&Nastran软件

（8）气动弹性分析气动弹性问题是应用力学的分支，涉及气动、惯性及结构力间的相互作用，Nastran提供了多种有效的解决方法。例如，飞机、直升机、导弹、斜拉桥乃至高耸的电视发射塔、烟囱等都需要气动弹性方面的计算。55

8.3.3Matalab软件1.软件介绍Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人、控制系统等领域。Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面比较突出，可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。Matlab软件界面图8-8所示，它是由主界面和若干个子窗口组成。主界面包括工具栏、文件路径，当前文件夹，命令窗口以及工作变量区域。56

8.3.3Matalab软件图8-8MATLAB软件57

8.3.3Matalab软件2.软件特点

（1）数学计算Matlab具有高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。Matlab是一个包含多种计算算法的集合。其拥有六百多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。

（2）图形处理Matlab具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。Matlab具有方便的数据可视化功能，可以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。其作图功能包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。

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8.3.3Matalab软件

（3）工具箱Matlab工具箱涉及的领域包括：数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、动态仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等。

（4）程序接口Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C++语言程序。59

8.3.3Matalab软件

3.软件功能

Matlab为机电一体化系统设计提供了丰富的计算方法和工具，既可用于结构设计的复杂计算、参数优化又可用于控制系统设计、仿真与优化。主要用途有：

（1）系统辨识系统辨识工具箱提供了进行系统模型辨识的工具，主要功能包括：参数化模型辨识、非参数化模型辨识、模型验证、参数估计、模型的建立和转换。它集成了多种功能的图形用户界面，以图形交互的方式实现模型的选择和建立，输入输出数据的加载和预处理以及模型估计。

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8.3.3Matalab软件

（2）控制系统设计控制系统工具箱主要处理传递函数形式的经典控制问题和状态空间形式的现代控制问题。

控制系统建模包括：建立连续或离散系统的传递函数、状态空间表达式、零极点增益模型，并实现任意两者间的转换。通过串联、并联、反馈连接等框图连接，建立复杂系统的模型。

控制系统分析包括：在时域分析方面，对系统进行单位脉冲响应、单位阶跃响应和任意输入响应的仿真；在频域方面，对系统的Bode图、Nyquist图等进行计算和绘制。

控制系统设计包括：计算系统的各种特性，如零、极点，稳定裕度，根轨迹增益选择等；进行零、极点的配置，观测器的设计等。

61

8.3.3Matalab软件

（3）鲁棒控制鲁棒控制工具箱提供鲁棒分析和设计的工具，包括：模型的建立和转换工具；鲁棒分析工具，进行特征根轨迹、奇异值分析等；鲁棒模型降阶工具，实现均衡降阶、近似降阶等。

（4）模型预测控制模型预测工具箱提供了一系列函数，用于模型预测控制的分析、设计和仿真。包括：系统模型辨识、模型的建立与转换、模型预控制器的设计和仿真、系统分析。

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8.3.3Matalab软件

（5）模糊逻辑控制模糊逻辑工具箱提供图形化设计、仿真和代码生成、模糊推理机等功能。图形化设计包括可视化定义语言变量及其隶属度函数，推理规则的建立和可视化，交互式观察模推理过程和输出；仿真和代码生成实现与Simulink的无缝对接；模糊推理机在完成模糊逻辑系统的设计后，可将设计结果保存，实现模糊系统的独立运行。

（6）控制系统动态仿真Simulink是Matlab的一个重要的工具箱，是结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具。Simulink用方框图的绘制代替程序的编写，构成系统框图只需要三个步骤，即选定典型环节、相互联接和给定环节参数。

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8.4控制系统设计工具与应用

8.4.1电气控制系统设计工具1.概述电气图是用电气图形符号、带注释的围框或简化外形表示电气系统或设备中组成部分之间相互关系及其连接关系的一种图。广义地说，表明两个或两个以上变量之间关系的曲线，用以说明系统、成套装置或设备中各组成部分的相互关系或连接关系，或者用以提供工作参数的表格、文字等。电气图可分为以下几种类型：64

8.4.1电气控制系统设计工具

（1）系统框图。用符号或带注释的框，概略表示系统或分系统的基本组成、相互关系及其主要特征的一种简图。框图只是简朴地将电路按照功能划分为几个部分，将每一个部分描绘成一个方框，在方框中加上简朴的文字说明，在方框间用连线（有时用带箭头的连线）说明各个方框之间的关系。

（2）电气原理图。用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系的一种表示方式。运用电气原理图用于分析电气线路，排除电路故障、程序编写等。电气原理图一般由主电路、控制电路、保护电路、配电电路等组成。

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8.4.1电气控制系统设计工具

（3）电气安装接线图。根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理的指导。

（4）电气元件布置图。主要是用来表明电气设备上所有电器的实际位置，为生产机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。以机床电器布置图为例，它主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。

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8.4.1电气控制系统设计工具

（5）设备元件表。把成套装置、设备和装置中各组成部分和相应数据列成的表格其用途表示各组成部分的名称、型号、规格和数量等。随着机械CAD技术的应用和普及，电气图的绘制的也摆脱了手工绘制方式，现多采用计算机辅助设计软件进行设计，提高了设计效率。电气CAD软件是专门为电气图设计而开发的CAD软件，常见的电气CAD软件有AutoCADElectrical、SolidworksElectrical等。67

8.4.1电气控制系统设计工具2.AutoCADElectrical软件

（1）软件介绍AutoCADElectrical（简称ACE）是面向电气控制设计师的AutoCAD软件，专门用于创建和修改电气控制系统图的软件。ACE软件界面如图8-9所示，该软件除了包含AutoCAD全部功能外，还增加了一系列用于自动完成电气控制工程设计任务的工具，如创建原理图，导线编号，生成物料清单等。68

8.4.1电气控制系统设计工具图8-9AutoCADElectrical软件69

8.4.1电气控制系统设计工具

（2）软件特点ACE采用项目管理方式，项目是一些相关的布线图图形的集合。它的项目文件是一种ASCII文本文件，其中列出了组成布线图集的AutoCAD图形文件的名称。软件可以装载任意多个项目，但一次只能激活一个项目。ACE中的一张图纸对应一个DWG文件，一个项目文件管理多个DWG文件从而组成一整套图纸。一张ACE的原理图就是在一个图框中放入各种元件符号并根据电气原理用导线将其连接好的DWG文件，每张图纸上有一个图框，各种元件符号实际上就是AUTOCAD的块定义的。70

8.4.1电气控制系统设计工具

ACE具有开放性，它与MicrosoftI的Excel和Access可以直接交换数据。事实上每个ACE项目文件就有一个对应的Access数据库做为支撑来实现其智能化的功能。它是个快照型的数据库文件，用来将项目文件中各DWG文件内的数据抓取出来供ACE的程序使用。

（3）软件功能ACE是在AtuoCAD通用平台上二次开发出来的，除了有AtuoCAD的所有功能之外它能自动出明细表、自动导线编号、自动元件编号、自动实现如触点与线圈之类的交叉参考、图框带有智能图幅分区信息，可以实现库元件的全局更新、父子元件自动跟踪、原理图线号自动导入到屏柜接线图、参数化PLC模块生成等等。71

8.4.1电气控制系统设计工具

①原理图绘制。ACE中用于原理图绘制工具包括元件插入工具、元件编辑工具、属性修改工具、导线工具、线号工具、信号及交互工具、搜索与浏览工具等。ACE中有丰富的电气原件库可以方便插入电气元件，导线工具方便实现在元器件之间连接。

②机械/面板布局。ACE可以通过继承ACE原理图布线图图形上的信息来生成布局，也可以独立于原理图单独构造。③ACE平台能够自动完成众多复杂的电气设计、电气规则校验和优化任务，帮助使用者创建精确的、符合行业标准的电气控制系统。72

8.4.1电气控制系统设计工具

④线束设计。在ACE中完成线束自动铺设，并将线束长度信息和拓扑结构传至线束设计模块中，进行工程计算等工作，完成完整的线束设计，并可自动生成采购等后续工作中所需要的BOM、电缆表等。

⑤验证分析。通过对构建的原理图样进行逻辑功能分析、电路分析、瞬态分析等，对几个系统的原理图纸进行综合电路分析，整体验证设计的正确性。

⑥自动生成报表ACE提供了多种自动报表工具，可以确保向下游用户共享正确、最新的设计数据。ACE还提供了部分制造商标准件库。73

8.4.1电气控制系统设计工具2.SolidworksElectricalSolidworksElectrical是专门针对电气和自动化系统设计的企业用户，可以将二维电气设计数据与三维机械设计数据进行直接集成。SolidworksElectrical提供的专业工具包括布线方框图、PLC原理图动态设计和3D电气零件库。布线方框图可以在项目原理设计前期规划项目拓扑图，通过单线方式规划项目布线。PLC原理图动态设计，反映设备详细接线的接线图，线束展开图自动生成，3D形式的电缆及缆芯展现，线槽内的详细线缆展现等。3D电气零件库能够自动与导轨配合，基于已定义好的3D模型布线连接点，自动完成零件设备间的电线及电缆布线。74

8.4.1电气控制系统设计工具图8-10SolidworksElectrical软件75

8.4.1电气控制系统设计工具SolidworksElectrical软件有二维版、三维版和专业版三个版本。二维版软件界面如图8-10所示，它可用于二维电气原理图的绘制，拥有内置的符号库和制造商零件数据。三维版用于三维电气装配布局与布线，它将来自SolidworksElectrical的电气图设计数据与机器或其他产品的三维模型集成在一起，可以将所有电气元器件置于三维模型中，再将它们全都连接起来，进而确定电线、缆束的长度。专业版则是将SolidworksElectrical二维的电气原理图设计功能与三维集成功能结合在一个软件包中。76

8.4.2电路设计工具电路设计是指按照一定规则，使用特定方法设计出符合使用要求的电路系统。根据所处理信号的不同，电路可以分为模拟电路和数字电路。电路设计包括原理图设计、印制电路板的设计、元器件封装等。用于电路设计的计算辅助软件统称为电子CAD软件，目前使用的电子CAD软件主要有AltiumDesigner、ORCAD、PowerPCB、CAM350、Pads、Mentor、LlegroSPB等。77

8.4.2电路设计工具

1.AltiumDesigner软件（1）软件概述AltiumDesigner是澳大利亚Altium公司开发的一款EDA设计软件。在2002年，Altium在Protel99SE的基础上先推出了一款基于Windows操作系统的EDA设计软件ProtelDXP。2004年，Altium公司推出了适用电子产品开发系统环境的AltiumDesigner2004版，此后软件版本不断升级，陆续推出了V6.0、V7.0、V8.0、V9.0等，目前最新版本为V21.X。AltiumDesigner软件如图8-11所示，在AltiumDesigner软件中可以实现电路原理图和PCB图并列显示，使得设计和修改更加方便。78

8.4.2电路设计工具

图8-11AltiumDesigner软件79

8.4.2电路设计工具

（2）软件特点AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了比较、重复式设计、定义电路板设计规则、变更设计、原理图和PCB板双向同步设计、设计验证等功能。该软件全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许设计人员能将设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。

（3）软件功能AltiumDesigner把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术进行融合，为设计者提供了一种全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计。80

8.4.2电路设计工具

①原理图设计

原理图是采用电子、电气元件通用图形符号用线连接起来的图形，它主要描述电子产品工作原理和元部件的连接关系．用来指导电子产品工作原理分析、生产调试和维修。AltiumDesigner提供了多种方法绘制电路原理图方式。②印刷电路板设计

电路板是用来安装、固定各个实际电路元器件并利用铜箔走线实现其正确连接关系的一块基板。AltiumDesigner能够从原理图生成电路板图，在软件中可进行电路板类型、尺寸、元件布局、布线、焊盘、填充、跨接线等设计。81

8.4.2电路设计工具

③电路模拟仿真AltiumDesigner可以在原理图中提供完善的混合信号电路仿真功能，除了对XSPICE标准支持之外，还支持对PSPICE模型和电路的仿真。

④FPGA及逻辑器设计FPGA（现场可编程门阵列）采用了逻辑单元阵列LCA，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。

⑤信号完整性分析含有一个高级的信号完整性仿真器，实现信号完整性分析。它与PCB设计过程为无缝连接，该模块能检查整板的串扰、过冲/下冲、上升/下降时间和阻抗等问题。82

8.4.2电路设计工具2.OrCAD软件OrCAD是由美国OrCAD公司开发的典型的EDA软件，产品集成了电路原理图绘制、印刷电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能。它的电路仿真的元器件库收入了近万个元器件，几乎包括了所有的通用型电路元器件模块。1999年OrCAD公司被Cadence公司收收购，推出了OrCAD9.21版本。OrCAD软件组成包括CaptureCIS、PSpiceDesigner、PCBDesigner、PCBSI等。83

8.4.2电路设计工具CaptureCIS是一款基于Windows操作环境下电路原理图设计工具，具有简单直观的用户设计界面。它提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。CaptureCIS具有元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。CaptureCIS软件界面如图8-12所示，包括菜单、工具条、设计工作区、提示输出区等。84

8.4.2电路设计工具图8-12OrCADCaptureCIS软件85

8.4.2电路设计工具

PCBDesigner是Cadence公司在OrCAD产品线所推出具有完整性并且较为经济的PCB设计软件套件。它整合了Capture、PCB及SpecctraforOrCAD，提供一个从前端到后端的PCB设计环境，可以很容易地实现从电路图的绘制，到零件的摆放和电路板的布线及各种生产后的输出。PSpiceDesigner是数模混合电路仿真和波形查看仿真工具。此外，通过集成化的接口提供了与Matlab/Simulink之间无缝对接进行电路系统仿真，如机电系统的联合仿真等。PSpiceDesigner包括Capture和PSpice两个部分，其中Capture提供了快速、简单、直观的图形化设计输入环境；PSpice提供仿真功能，包括PSpiceA/D和PSpiceAdvancedAnalysis。86

8.4.3PLC控制系统开发工具1.西门子PLC开发工具

西门子PLC有S7-1200、S71500、S7-300、S7-400等型号，不同的PLC采用的开发工具不同。编程软件分类如图8-11所示。图8-11西门子PLC编程软件87

8.4.3PLC控制系统开发工具TIAPortal（简称TIA）是西门子公司发布的一款全集成自动化软件，2010年发布了TIASTEP7V10.5版本。TIA编程软件适用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC。在S7系列中，它支持SIMATICS7-1200、S7-1500、S7-300、S7-400等控制器。TIAPortal软件主要包括以下模块：

（1）PLC组态与编程模块PLC组态与编程模块用于硬件组态和编写PC程序。Step7软件分为STEP7Basic（标准版）和STEP7Professional（专业版）两个版本，专业版比标准版多出了SCL、Graph以及仿真软件PLCSIM。TIAV15.6软件界面如图8-13所示。88

8.4.3PLC控制系统开发工具图8-13TIAPLC组态与编程软件89

8.4.3PLC控制系统开发工具

（2）WinCCWinCC是应用于SIMATIC面板、工业PC、标准PC以及SCADA组态的工程组态软件。WinCC软件分为基本版、精智版、高级版和专业版四个版本。

（3）Step7-PLCSIMPLCSIM主要用于在不使用实际硬件的情况下调试和验证单个PLC程序，即PLC仿真软件。PLCSIM允许用户使用所有STEP7调试工具，其中包括监视表、程序状态、在线与诊断功能以及其它工具。

（4）TIAAdministrator

用于授权或许可SIMATIC产品的处理程序，可以将不同的功能模块集成到基于Web的TIAPortal管理任务框架中。90

8.4.3PLC控制系统开发工具2.三菱PLC编程软件三菱PLC软件一般是针对某一款或几款PLC机型开发的软件，三菱PLC软件分类如图8-14所示。图8-14三菱PLC编程软件分类91

8.4.3PLC控制系统开发工具（1）PLC编程软件

①GXDeveloper。GXDevelop编程软件如图8-15所示。图8-15GXDevelop编程软件92

8.4.3PLC控制系统开发工具

②GXWorks。

是专用于PLC设计、调试、维护的编程工具。GXWorks包括GXWorks2和GXWorks3两个版本。图8-15GXDevelop编程软件93

8.4.3PLC控制系统开发工具

③FX-GP/WIN-C。图8-17FX-GP/WIN-C编程软件94

8.4.3PLC控制系统开发工具

（2）仿真软件GXSimulator是三菱PLC的仿真调试软件，支持三菱所有PLC型号，可以模拟外部I/O信号，设定软件状态与数值。

（3）触摸屏软件GTWORKS3是集成化的人机界面创建软件，支持GOT1000、GOT2000系列触摸屏，包括用于GOT数据读写的模块Datatransfer，创建人机界面工程的模块GTDesigner，用于仿真调试和监控的模块GTSimulator和用于在电脑上运行监控画面的模块GTSOFTGOT。

（4）辅助工具包括三菱PLC的远程访问工具GXRemoteServiceI、三菱PLC设置与监控工具GXConfigurator以及三菱PLC的维护工具GXExplorer。95

8.4.4单片机控制系统开发工具1.KeilμVision软件KeilμVision是美国KeilSoftware公司出品的单片机编程软件，它支持众多不同公司的MCS-51架构的单片机，甚至ARM，它集编辑、编译、仿真等于一体，它的界面和常用的VC++软件的界面相似，易学易用。KeilμVision软件界面如图8-18所示，包括菜单、工具条、项目管理窗口、寄存器窗口、命令窗口、存储器窗口、程序运行窗口等。KeilμVision提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些模块组合在一起。KeilSoftware公司被Arm公司收购后推出了基于μVision环境，用于调试ARM7，ARM9，Cortex-R4、Cortex-M等处理器的MDK-ARM开发工具。96

8.4.4单片机控制系统开发工具图8-18KeilμVision软件97

8.4.4单片机控制系统开发工具2.Proteus软件Proteus是英国LabCenterEle