第一讲 机电系统建模与仿真
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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。
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
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设计开 发中的作用
1.3 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
内容：
机电系统的构成；机电系统的仿真；运动学建模；动力学 建模；实验建模；稳定性分析；伺服系统建模；半物理建模 仿真。
任务：
认识机电系统；了解建模方法；掌握仿真软件；能进行稳 定性分析。
授课方式：讲课+研讨
绪论
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
过程控制系统：对生产过程的物理量进行控制 机械、冶金、化工、电力、建
材行业等生产过程的控制 机械制造过程控制：
柔性制造单元、CIM 示例：柔性
制造单元—— 具有生产规 划和动态调 度能力
典型机电系统：无人工厂
工业4.0
自动化系统的“刚性”与“柔性”之分：
根据对产品的适应能力，自动化系统可以分为： “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，
造之前对其动态特性进行预测，这种预测以数值模拟或称仿真 的方式进行，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。
建立模型的途径：数理方法、试验建模、假设检验 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） 试验建模：黑箱可观测。 假设检验：黑箱不可观测，数据收集及归纳统计的方法。
1.2.1 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
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。
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
• 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，
特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型， 生产线就要更换。 “柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产 品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人 属于典型的具有柔性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产 变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以机器人 在生产中的应用越来越广泛。
NC与CNC 点位控制、直
线运动控制、 连续路径(轮 廓)控制 示例：数控机床
第一讲：机电系统概述
顺序控制系统：按规定次序执行一组操作 继电器逻辑、固态集成电路、微处理机、PC等 应用：数控
机床、工业 机器人、 自动化制 造单元等 示例： 自动化 制造单元
第一讲：机电系统概述
机电系统建模与仿真
主讲人：贺新升 浙江师范大学工学院机电系
课程安排
目标：
培养学生掌握计算机仿真机械系统、控制系统的基本方 法，使学生能够熟练应用仿真技术分析机电系统，为今后从 事机电系统的分析、设计打下基础。要求学生掌握有关的基 本理论，初步培养进行系统分析能力，为进一步从事有关方 面的学习及研究工作奠定基础。
• 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
原计划发 仿真后实
射
发
爱国者 141
101
罗兰特 224
95
尾刺
185
114
节省导弹
40 129 71
节省费用（单位：千万美 元）
8．0 4．2 2．5
例4 世贸大厦倒塌的结构问题
例5 ADAMS/CAR中建立的整车模型
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设 计开发中的作用
1.2.2 仿真在机电系统设计中的作用 仿真的定义 仿真的类型：
感测试部分、控制及信息处理部分。
第一章 机电系统概述
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
机电系统实例
第一讲：机电系统概述
一、关于机电系统 1. 系统 系统：研究对象， 一般由研究者根据其兴趣来界定一
个系统的组成内容。 研究一个系统，一个系统的固有性质，我们所最关心的
问题——输入/输出特性。 用数学的方法对输入/输出特性进行描述，亦即数学模
型。
第一讲：机电系统概述
2. 控制系统 控制：使系统产生我
们所预想的行为。 控制论——控制方法学 控制系统的构成：开
环与闭环（反馈）控制 控制系统的设计问题：
和运动学分析模块 ANSYS：基于有限元方法的力学分析 ADAMS：Automatic Dynamic Analysis of Mec-hanical
System机械系统动力学分析 MATLAB：Matrix Laboratory
参考书目
《机电系统建模与仿真》. 张立勋等编著. 哈尔 滨工业大学出版社.
如何判断一个机械设备是否是机器人？
机器人三大特征：（做为判断标准） 1. 拟人功能 2. 可编程 3. 通用性
串联机器人
工业机械手末端执行器 （1）机械夹持器
（2）特种末端执行器 ① 真空吸附手
② 电磁吸附手
③ 灵巧手
平台式并联机器人
第一章 建模及仿真在机电系统设计开发中的 作用
1.2 建模及仿真在机电系统设计与开 发中的作用
受控对象的输入/输出 特性+控制器(律)设计 →系统输入/输出特性分 析
第一讲：机电系统概述
3. 机电控制系统 以机械装置或机器为控制对象、以电子装置（包括微处
理机）为控制器的控制系统。 应用模拟控制技术的机电系统 应用微处理机技术的机电系统：适应复杂控制律 采样-数据控制系统原理 机电控制系统的
分类：伺服传动 系统、数字控制 系统、顺序控制系统、过程控制系统
第一讲：机电系统概述
伺服传动控制：基本的机电控制问题——位置和速 度的动态控制
基于模拟或数字控制技术 应用：数控机床、工业机器人、坐标测量机、自动导引
车等 示例：工业机
器人的关节伺 服传动系统
第一讲：机电系统概述
数字控制系统： 由计算机生成 数字形式的指 令驱动机器
Leabharlann Baidu 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。
为什么要用仿真模型？
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。
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
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
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设计开 发中的作用
关于数学模型 数学模型的目的和作用：在系统的最初设计阶段或投入制
• 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。
《机电控制工程》. 高钟毓、王永梁编著. 清华 大学出版社.
《高等动力学》. 毕学涛编著. 天津大学出版社. 《系统动力学》. Katsuhiko Ogata 著[中文译
名：尾形克彦]
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。
绪论
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
电子学 机 械 机电 学 一体
化
软件
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
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
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设计开 发中的作用
1.3 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
内容：
机电系统的构成；机电系统的仿真；运动学建模；动力学 建模；实验建模；稳定性分析；伺服系统建模；半物理建模 仿真。
任务：
认识机电系统；了解建模方法；掌握仿真软件；能进行稳 定性分析。
授课方式：讲课+研讨
绪论
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
过程控制系统：对生产过程的物理量进行控制 机械、冶金、化工、电力、建
材行业等生产过程的控制 机械制造过程控制：
柔性制造单元、CIM 示例：柔性
制造单元—— 具有生产规 划和动态调 度能力
典型机电系统：无人工厂
工业4.0
自动化系统的“刚性”与“柔性”之分：
根据对产品的适应能力，自动化系统可以分为： “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，
造之前对其动态特性进行预测，这种预测以数值模拟或称仿真 的方式进行，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。
建立模型的途径：数理方法、试验建模、假设检验 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） 试验建模：黑箱可观测。 假设检验：黑箱不可观测，数据收集及归纳统计的方法。
1.2.1 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
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。
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
• 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，
特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型， 生产线就要更换。 “柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产 品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人 属于典型的具有柔性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产 变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以机器人 在生产中的应用越来越广泛。
NC与CNC 点位控制、直
线运动控制、 连续路径(轮 廓)控制 示例：数控机床
第一讲：机电系统概述
顺序控制系统：按规定次序执行一组操作 继电器逻辑、固态集成电路、微处理机、PC等 应用：数控
机床、工业 机器人、 自动化制 造单元等 示例： 自动化 制造单元
第一讲：机电系统概述
机电系统建模与仿真
主讲人：贺新升 浙江师范大学工学院机电系
课程安排
目标：
培养学生掌握计算机仿真机械系统、控制系统的基本方 法，使学生能够熟练应用仿真技术分析机电系统，为今后从 事机电系统的分析、设计打下基础。要求学生掌握有关的基 本理论，初步培养进行系统分析能力，为进一步从事有关方 面的学习及研究工作奠定基础。
• 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
原计划发 仿真后实
射
发
爱国者 141
101
罗兰特 224
95
尾刺
185
114
节省导弹
40 129 71
节省费用（单位：千万美 元）
8．0 4．2 2．5
例4 世贸大厦倒塌的结构问题
例5 ADAMS/CAR中建立的整车模型
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设 计开发中的作用
1.2.2 仿真在机电系统设计中的作用 仿真的定义 仿真的类型：
感测试部分、控制及信息处理部分。
第一章 机电系统概述
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
机电系统实例
第一讲：机电系统概述
一、关于机电系统 1. 系统 系统：研究对象， 一般由研究者根据其兴趣来界定一
个系统的组成内容。 研究一个系统，一个系统的固有性质，我们所最关心的
问题——输入/输出特性。 用数学的方法对输入/输出特性进行描述，亦即数学模
型。
第一讲：机电系统概述
2. 控制系统 控制：使系统产生我
们所预想的行为。 控制论——控制方法学 控制系统的构成：开
环与闭环（反馈）控制 控制系统的设计问题：
和运动学分析模块 ANSYS：基于有限元方法的力学分析 ADAMS：Automatic Dynamic Analysis of Mec-hanical
System机械系统动力学分析 MATLAB：Matrix Laboratory
参考书目
《机电系统建模与仿真》. 张立勋等编著. 哈尔 滨工业大学出版社.
如何判断一个机械设备是否是机器人？
机器人三大特征：（做为判断标准） 1. 拟人功能 2. 可编程 3. 通用性
串联机器人
工业机械手末端执行器 （1）机械夹持器
（2）特种末端执行器 ① 真空吸附手
② 电磁吸附手
③ 灵巧手
平台式并联机器人
第一章 建模及仿真在机电系统设计开发中的 作用
1.2 建模及仿真在机电系统设计与开 发中的作用
受控对象的输入/输出 特性+控制器(律)设计 →系统输入/输出特性分 析
第一讲：机电系统概述
3. 机电控制系统 以机械装置或机器为控制对象、以电子装置（包括微处
理机）为控制器的控制系统。 应用模拟控制技术的机电系统 应用微处理机技术的机电系统：适应复杂控制律 采样-数据控制系统原理 机电控制系统的
分类：伺服传动 系统、数字控制 系统、顺序控制系统、过程控制系统
第一讲：机电系统概述
伺服传动控制：基本的机电控制问题——位置和速 度的动态控制
基于模拟或数字控制技术 应用：数控机床、工业机器人、坐标测量机、自动导引
车等 示例：工业机
器人的关节伺 服传动系统
第一讲：机电系统概述
数字控制系统： 由计算机生成 数字形式的指 令驱动机器
Leabharlann Baidu 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。
为什么要用仿真模型？
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。
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
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
第一章 绪论—建模及仿真在机电系统设计开 发中的作用
关于数学模型 数学模型的目的和作用：在系统的最初设计阶段或投入制
• 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。
《机电控制工程》. 高钟毓、王永梁编著. 清华 大学出版社.
《高等动力学》. 毕学涛编著. 天津大学出版社. 《系统动力学》. Katsuhiko Ogata 著[中文译
名：尾形克彦]
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。
绪论
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
电子学 机 械 机电 学 一体
化
软件
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