第一讲 机电系统建模与仿真
系统建模和仿真概述
工程系统（物理系统）：为了满足某种需要或实现某 个预定的功能，采用某种手段构造而成的系统，如机 械系统、电气系统等。 非工程系统（非物理系统）：由自然和社会发展过程 中形成的，被人们在长Байду номын сангаас的生产劳动和社会实践中逐 步认识的系统，如社会系统、经济系统、管理系统、 交通系统等。
1.1 系统与模型
3. 系统的分类 按照系统中起主要作用的状态随时间变化分类:
简单系统：组成子系统数量较少，子系统之间的关系 比较简单，或尽管子系统数量较多，但它们之间的关 联关系比较简单。 例如：一台仪器 复杂系统：系统具有众多的状态变量,反馈结构复杂,输 入与输出呈现非线性特征(高阶次、多回路、非线性) 复杂巨系统：子系统数量极大，种类很多，关系复杂 例如：星系系统
连续系统：状态随时间连续变化的系统。 离散事件系统：状态的变化在离散的时间点上发生,且 往往又是随机的系统。 线性系统和非线性系统。 定常系统和时变系统。 集中参数系统和分布参数系统 单输入单输出系统和多输入多输出系统
按照系统物理结构和数学性质分类:
1.1 系统与模型
3. 系统的分类 按照系统内子系统的关联关系分类
系统建模与仿真概述
System Modeling and Simulation
第一章 系统建模与仿真概述
主要内容
• • • • 系统与模型 系统建模 系统仿真 系统建模与仿真技术
1.1 系统与模型
1.1.1 系统 1. 系统的广义定义： 由相互联系、相互制约、相互依存的若干 组成部分（要素）结合起来在一起形成的 具有特定功能和运动规律的有机整体。 举例： 宇宙世界，原子分子，电炉温度调节系统， 商品销售系统，等等。
《机电系统建模与仿真》实验指导书(研究生)
《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械工程________________________江苏科技大学机械工程学院2015年11月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验学时：2 实验类型：综合实验要求：必修 一、实验目的1. 掌握运用MATLAB/Simulink 进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。
二、实验内容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统－－双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。
采用PI 控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。
双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（内环）的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。
这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。
以双闭环V-M 调速系统为例，介绍运用MATLAB/Simulink 进行双闭环控制系统动态分析的方法。
双闭环V-M 调速系统的结构如图1.1所示。
图中，直流电机参数：kW P nom 10=，V U nom 220=，A I nom 5.53=，min /1500r n nom =，电枢电阻Ω=31.0a R ，系统主电路总电阻Ω=4.0R ，电枢回路电磁时间常数s T a 0128.0=，机电时间常数s T m 042.0=；三相桥平均失控时间s T s 00167.0=，触发器放大系数30=s K ； 电流反馈系数A V K i /072.0=，电流环滤波时间常数s T oi 002.0=；转速反馈系数r V K t min/0067.0⋅=，转速环滤波时间常数s T on 01.0=。
①电流环、转速环选型原则。
电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，且突加控制作用时超调量越小越好。
电流环的控制对象是双惯性型的，两个惯性时间常数之比为1049.3002.000167.00128.0<=+=+oi s a T T T 。
复杂机电系统的建模与仿真技术研究
复杂机电系统的建模与仿真技术研究现代机电技术越来越注重复杂系统的研究和开发，但是复杂系统往往由多个子系统的耦合构成，使得系统的设计、测试和优化等方面变得极为复杂和困难。
在这方面，建模和仿真技术的快速发展为复杂机电系统的研究提供了一种新的途径。
一、复杂机电系统的建模建模是复杂机电系统研究的重要基础，合理的建模可以快速的形成有效的仿真模型。
当然，建模的方法和技术是多种多样的，常见的有基于数学模型的建模方法，基于物理模型的建模方法和神经网络建模方法等等。
但是不管采用何种建模方法，建模效果好坏的关键在于模型的准确性和可靠性。
下面以数学模型为例，对复杂机电系统建模的几个关键点进行探讨。
1. 选择合适的建模工具选择合适的建模工具是建立复杂机电系统的数学模型的首要任务。
例如在机电一体化系统中因为涉及到多学科交叉，如电、机、液体等领域，因此在进行建模时需要采用比较通用的模型语言如Modelica或者MATLAB/Simulink等。
此外在涉及到特定领域，如风电系统、电力工程等，需要采用相应的软件，如ANSYS等。
当然，选择合适的建模工具不仅与领域有关，也需要考虑建模的复杂程度、重复利用性等因素。
2. 建立合理的变量模型建立复杂机电系统的数学模型，还需要考虑变量的建模。
系统中的变量包括输入、输出和控制变量等，它们具有不同的物理意义和参考系。
在模型建立过程中，需要建立一套合理的变量模型来表示系统的物理特征。
通常来说，在进行机电系统的变量建模时，需要将其分为机械、电气、液压和控制四个方面。
对于机械系统，常见的变量有位移、速度和加速度等。
对于电气系统，常见的变量有电流、电势和电磁力等。
液压系统中需要表达变量如液压油压力、流速等。
控制方面常用的变量如误差、控制量等。
理性建立合理的变量模型对模型的准确性和可靠性具有至关重要的意义。
3. 导出正确的物理方程机电的数学模型通常是由一系列的微分方程和代数方程组成的，因此构建数学模型的关键在于正确的表示物理方程。
电力电子、电机控制系统的建模及仿真(第1章)
2. 保存目前空白的设计 (File＞Save As …)，在File Name字段输入名称VoltageRegulator，在保存文件的时候需要注 意，文件的保存路径必须为英文路径，否则在文件再次打开时会出现错误。
3. 放置元器件 按图1-2所示在原理框图上放置元器件。
(5) 将鼠标放置在窗口空白处并单击鼠标右键，通过图1-9中的选项可以改变主窗口背景颜色。 第一项为彩色黑背景；第二项为彩色白背景；第三项为黑色白背景。用户可根据自己的习惯进行 修改。
5. 连接原理图 在完成元件布局并设定属性后，可以将元件用导线连接在一起。在两个端口间连线的最简
单的方法如下： (1) 将光标放在第一端口上面(以V_dc符号的顶部开始)； (2) 单击鼠标左键； (3) 将光标放在第二个端口上(lm317的左侧端口)； (4) 再次单击鼠标左键。 重复步骤(1)-(4)，从而将每个元件符号连至相关部件，如图1-10所示。
图1-31参数设置对话框
3. 在Saber中设置输入输出接口 启动Sketch并打开power_window_control.ai_sch 文件，文件位于：Synopsys\B
-2008.09-SP1\Saber\lib\tool_model\Simulink2SaberRTWexport_Matlab2008a\po wer_window，如图1-32所示。
主要功能: • 1. 数值计算功能 • 2. 符号计算功能 • 3. 数据分析和可视 化功能 • 4. 文字处理功能 • 5. SIMULINK动态仿真功能
主要特点: • 1. 功能强大
含有40多个应用于不同领域的工具箱.
• 2. 界面有好
其指令表达方式与习惯上的数学表达 式非常接近。 • 3. 扩展性强
机电一体化系统的建模与仿真
（1）机理模型 由于实际的对象通常都比较复杂，难以用数学方法予以精
确地描述，因此在确定机理模型的结构和参数时，首先需提出 一系列合理的假定，这些假定应不致于造成模型与实际对象的 严重误差，且有利于简化所得到的模型。然后，基于所提出的 假设条件，通过分析，列出被控对象运动规律方程式。最后， 建立方程的边界条件，将边界条件与方程结合起来，构成被控 对象的基本模型。
仿真系统可以采用面向对象的程序设计语言自建，也可以 购买商业仿真工作包。
利用商业工具包中的标准库模型可以很快地进行简单群体 系统的仿真。本小节就以SIMULINK仿真软件为例。
(1) SIMULINK仿真软件简介 SIMULINK是MATLAB里的工具箱之一，主要功能是实现动 态系统建模、仿真与分析；SIMULINK提供了一种图形化的 交互环境，只需用鼠标拖动的方法，便能迅速地建立起系统框 图模型，并在此基础上对系统进行仿真分析和改进设计。 创建模型及进行仿真运行。
为便于用户使用，SIMULINK可提供9类基本模块库和 许多专业模块子集。考虑到一般机电一体化主要分析连续控制 系统，这里仅介绍其中的连续系统模块库(Continuous)、系 统输入模块库(Sourses)和系统输出模块库（Sinks）。
①连续系统模块库(Continuous) 连续系统模块库(Continuous)以及其中各模块的功能如图74及表7-1所示。
另一种方法是实验法，即采用某些检测仪器，在现场对控 制系统加入某种特定信号，对输出响应进行测量和分析，得到 实验数据，列出输入量和输出量之间的离散关系，采用适当的 数值分析方法建立系统的数学模型，此方法常用于解决复杂的 控制系统。
分析法建立起来的数学模型又被称为机理模型。机理模型 可反映被控对像的本质，有较大范围的适应性，所以在建立数 学模型时，
机电系统建模与仿真-1概述讲解
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
• 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
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
• 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
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）。
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。
SimElectronics ——电子和机电系统的建模与仿真
SimElectronics ——电子和机电系统的建模与仿真机械工程SimElectronics——电子和机电系统的建模与仿真SimElectronicsTM为电子和机电系统的建模与仿真提供工具扩展了Simsca pe的功能。
SimElectronics使得电子和机电系统部件如物理网络一样进行多领域系统建成为可能。
它提供了半导体、电机、驱动、传感器和作动器部件，以及搭建可运行的定制的子系统模块。
通过SimElectronics可以在用于开发和分析控制系统与信号处理算法的环境中设计磨损和设备模型。
SimElectronics能够用于各种汽车、航空航天、工业自动化、通信和信号处理领域。
特点∙象物理网络一样对电子和机电系统建模的环境。
∙包括传感器、半导体和作动器在内超过55个电子和机电组件。
∙参数化的方法，使得可以直接输入从工业上采集的关键参数值。
∙能够将模型转换成C代码（使用RTW，可以独立使用）。
∙使用Simscape中的线性和固态计算能力。
强大功能电子和机电系统建模通过SimElectronics可以象装配物理系统一样对系统进行建模。
在模型中的符号是兼容的和方便使用的，可以使用物理连接将他们连到一起。
SimElectron ics使用了物理网络的方法，以及非因果关系搭建模型：对应的光电二极管、晶体管和电机等物理设备的部件（块）由传送电力的物理连接（线缆）连在一起。
这种方法描述系统的物理结构比构建和使用方程式来描述系统更好。
在更类似实际情况的模型中，SimElectronics自动地构建不同的微分算法方程（DAE）描述系统的行为。
这些方程可以集成到其他的Simulink模型中，直接对DAE进行求解。
SimElectronics库提供了超过55个电子和机电组件的模型，包括电机和运算放大器，可以通过组合它们来描述组件。
在SimElectronics中的模块支持两种不同的工作流——直接从数据仓中拖出来设置参数值，或者直接导入SPICE 电路和设备模型到SimElectronics中（目前仅限双极晶体管、JFET、基本二极管、电源和被动式SPICE组件）。
机电系统建、模辨识与控制课件 Chapter01_机电系统建模辨识与控制
图表模型——以图形或表格的形式表现系统的一种非参数模 型，如阶跃响应、脉冲响应、频率响应等。
数学模型——反映研究对象各物理量之间关系的一种数学结构 式，常用的有代数方程、微分方程、差分方程、状态方程等。数学 模型按照特性分有：
线性、非线性 动态、静态 随机性、确定性 微观、宏观
1）控制的渗透与结合 - FUZZY PID - FUZZY变结构 - AC FUZZY - FUZZY PREDICT - FUZZY NN - 专家PID - 专家FUZZY
1.2 本课程的目标及主要内容
1.2.1 课程目标
本科程系为机械制造及自动化、机械电子工 程等专业研究生开设的一门选修课，讨论机电系 统的动态模型的建模理论及方法、动态系统的响 应、模型参数的辨识理论及实验测试方法，介绍 部分新型计算机控制理论方法及系统。通过本课 程的学习，学生能够掌握现代机电系统动态建模 和辨识的理论和方法，了解现代机电控制的一些 新型方法和系统。
建模方法
分析建模法——根据所研究系统的物理机理，分析系统的运动规律
，运用一些已知的定律、定理和原理（如牛顿定律、基尔霍夫定律、热力 学定律、能量平衡方程等），用数学方法推导出数学模型，也称为理论建 模法。
分析建模过程
* 确定模型的结构 * 详尽分析及了解系统的物理本质，列写方程 * 简化方程 * 模型检验
以用图1.1表示出来。
v(t)
w(t)
过程噪声
测量噪声
+
u(t) 输入
过 程 y(t) + 输出
z(t) 输出量测值
图1.1 过程的模型图示
4) 模型的形式 (Types of System Models)
《机电系统建模与仿真》课程教学大纲(本科)
《机电系统建模与仿真》课程教学大纲课程编号：081169111课程名称：机电系统建模与仿真英文名称:Modeling and Simulation of Mechatronic System课程类型：专业方向课课程要求：选修学时学分：24/1.5 （讲课学时：20实验学时：0上机学时：4）适用专业：机械设计制造及其自动化一、课程性质与任务本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业方向课，也可作为其它专业的选修课。
其任务是阐明机电•体化系统建模的基本原理和方法。
通过对本课程的学习，初步掌握机电系统的各种仿真方法，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。
二、课程与其他课程的联系本课程以先修课程高等数学、大学物理、工程力学、机械原理、机械设计、电工技术基础、理论力学、液压与气压传动为基础。
学习本课程前，学生应对机械传动、机电传动及控制工程等有所了解。
三、课程教学目标1.了解机电一体化系统设计的技术路线的发展历程与未来趋势，理解仿真在机电系统设计中的作用。
掌握机电系统常用的计算机仿真软件，并能将该方法应用于系统的分析之中。
（支撑毕业要求2.1,2.3）；2.学习机械传动系统动力学模型的有关知识，掌握传动机构的仿真分析方法。
针对传动机构的机械参数对系统性能的影响，具有建立机械运动系统数学模型的能力，并对系统数学模型进行正确的分析和解答（支撑毕业要求2.2,7.1）；3.掌握机构运动学模型的建立方法，能够根据系统数学模型的仿真，学习系统机构动力学动态性能关系等方面的知识，将本专业基础理论和基本原理综合运用于机械工程问题的分析之中。
（支撑毕业要求2.1、2.2、6.1 ）；4.学习基于传递函数的伺服控制系统设计方法，掌握PID控制系统设计系统的仿真分析方法，并能够在设计过程中，考虑社会、健康、安全以及环境等多种制约因素，并阐明非线性环节对伺服系统性能的影响。
（支撑毕业要求2.1、6.2）；5.学习实时仿真的概念，掌握物理仿真、采样系统仿真的概念和方法。
机电系统建模与仿真PPT课件.共73页
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆ห้องสมุดไป่ตู้——孔子
机电系统建模与仿真PPT课件精品文档
<一>从功率键合图推导状态方程 1、确定状态变量和输入变量
功率键合图中，C元、I元有导数或积分关系，故取C 元的流变量f，I元的力变量e作为状态变量。
C作用元：
f
1 c
vdt
p
1 c
qdt
u
1 c
idt
1 X 位移 c
1 V 体积
c
1
Q c
电荷
I作用元：
v
1 I
Fdt
q
1 I
1.电系统建模与仿真概述1-1
● 机电系统三大问题：
①已知输入（激励）和系统特性（动态特 性或数学模型）求响应预测问题→仿真；
②已知输入和输出，求系统特性，此为系 统识别问题；
③已知输出和系统特性，求输入，此为载 荷识别问题；
建模与仿真专题讲座 功率键合图
一、作用
二、构成与符号
三、建模与仿真
第一步： 画出功率键合图 功率键合图
第二步：写出功率键合图中储能元件上原来的因 变量之间的关系
V12
1 I阀
P12
F11
1 C弹
x12
P2
1 C管
v2
第三步：应用键合图的规则及其变量间的逻辑关系，将 各状态变量的一阶导数（相当于原来的自变量） 推导成储能元功率键上的因变量及输入变量的代 数或函数关系。
p1
p3
q1
△p=p2
p2 q2
p1 1 p3
q1
q3
p1=p2+p3
用1结点表示带有液阻的管路
q1=q2=q3=q
《机电系统与仿真技术》课件7 MatLab基础
1.2发展阶段与工程应用的意义
发展阶段
第一阶段 20世纪50年代末到60年，为仿真技术的诞生期（只有大企 业用）； 第二阶段 20世纪70年代末到80年，为仿真技术的成长期（开始出现 研究人员专门研究仿真技术）； 第三阶段 20世纪90年代至今，为仿真技术的成熟期（大量仿真软件 出现并开始应用于科研和工程，如MultiSim, Protel, Tanner, MatLab， SolidWorks等）。
7）Length命令（给出向量长度）
8）Format命令（定义输出格式）
2023/5/13
3.1Matlab数值计算—算术运算
1）加法
>> a=[1 2 3;4 5 6];b=[7 8 9;10 11 12];c=1;
>> a+b
ans =
8
10
12
14
16
18
2）减法
>> a=[1 2 3;4 5 6];b=[7 8 9;10 11 12];
工程应用的意义
1）在经济方面，可以降低成本，而且设备可以重复使用，尤其是对 于大型、复杂系统而言； 2）一些危险的装置如核电站等通常是不允许进行实验的，因此采用 仿真技术可以降低危险程度，对系统研究起到保障作用； 3）提高设计效率，如电路设计、模型设计、控制系统设计等等； 4）具有优化设计和预测性能的特殊功能。
2023/5/13
1.3Matlab的特点
1）编程效率高，因为其编程接近于人们通常进行计算 的思维方式； 2）计算功能强，因为有非常丰富的库函数，矩阵、数 组和向量的计算功能特别强，适用于科学与工程计算； 3）使用方便，MatLab将编绎、链接、执行融为一体， 可以在同一窗口上排除书写、语法错误，加快了用户编 写、修改和调试程序的速度； 4）易于扩充，MatLab可以C、C++、Fortran混合编程。
基于参数估计的机电一体化系统建模与仿真研究
基于参数估计的机电一体化系统建模与仿真研究第一章引言机电一体化系统是指机械系统和电子系统相结合构成的系统，包括机械部分、电气部分和控制部分。
随着科学技术的不断发展，机电一体化系统在工业生产和生活中得到了广泛应用。
为了提高机电一体化系统的性能，需要进行建模和仿真以进行系统设计和优化。
本文将根据参数估计方法，对机电一体化系统进行建模和仿真研究。
第二章机电一体化系统建模方法机电一体化系统建模的基本思路是将系统分成若干个组成部分，然后对各个部分进行建模。
本节将介绍机电一体化系统建模的方法。
2.1 机械部分建模机械部分是机电一体化系统的核心组成部分。
在对机械部分进行建模时，需要对机械结构、材料、摩擦、振动等因素进行分析。
可以采用有限元法对机械部分进行建模，以提高建模精度。
有限元法是一种用数学方法模拟物理系统的工程计算方法，将连续物体离散成若干小单元，在各单元内求解空间内物理量的变化。
2.2 电气部分建模电气部分是机电一体化系统中的重要组成部分。
电气部分包括电动机、传感器、变频器等。
在对电气部分进行建模时，需要考虑电气元件的特性、电路结构等因素。
通常采用电路图法对电气部分进行建模，将电路的各个元件和参数看成一个整体，通过建立方程求解电路中各个元件的电流和电压。
2.3 控制部分建模控制部分是机电一体化系统中的重要组成部分。
控制部分可以采用PID 控制、模糊控制、神经网络控制等方法进行设计和优化。
在对控制部分进行建模时，需要考虑控制器的特性，以及机械部分和电气部分的特性。
通常采用控制方程的形式对控制部分进行建模。
第三章参数估计方法参数估计是指在已知模型的基础上，通过对实验数据进行处理，确定模型参数的过程。
在机电一体化系统的建模中，需要进行参数估计以确定模型参数。
本章将介绍三种参数估计方法：最小二乘法、极大似然法和矩法。
3.1 最小二乘法最小二乘法是一种常用的参数估计方法，其基本思路是通过最小化实际值和模型预测值之间的误差平方和来确定模型参数。
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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：
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。
• 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。
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
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，
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。
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
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
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。
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
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ห้องสมุดไป่ตู้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：
• 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
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。
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
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
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.
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
《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]
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