09_机电系统仿真课件
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机电系统建模与仿真PPT课件-PPT资料72页
f
5、功率键合图上因果关系及标注规则
a.因果关系
对于外界输给系统的功率，其中往往只知道一个 变量（力变量或流变量），而另一个变量则由系 统中各 因素的共同作用决定其量值。 同理对于系统中的任一作用元来讲，其功率键上 的力变量e和流变量f中，也有一个变量是以自变 量的形式输给该作用元，而另一个变量则是因该 作用元的作用而以因变量的形式反馈回系统。
p2 R阀
q8
Sf
( 1 R泄
1 R节
1 R阀
) p2
Av 12
状态变量表达式中变量包括：
储能元功率键上的因变量 P2
V12
F11
输入变量 Se Sf
阻性作用元 R泄 R节 R阀 R孔
第四步：消去储能元功率键上的因变量， 得到状态方程。
状态方程与功率键合图的物理意义是一致的。
<二>动态仿真 仿真说明与程序清单
四、应用实例
一、功率键合图的作用及优点
1 作用： 表示系统中的功率流程。在研究液
压系统的动态特性时，表示系统在各 种作用元（因素）的作用下，功率的 流向、汇集、分配和能量转换等。
2、优点
a 功率键合图对功率流描述上的模块化结构 与系统本身各部分物理结构及各种动态影响 因素之间具有直观而形象的一一对应关系。
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。
5、功率键合图上因果关系及标注规则
a.因果关系
对于外界输给系统的功率，其中往往只知道一个 变量（力变量或流变量），而另一个变量则由系 统中各 因素的共同作用决定其量值。 同理对于系统中的任一作用元来讲，其功率键上 的力变量e和流变量f中，也有一个变量是以自变 量的形式输给该作用元，而另一个变量则是因该 作用元的作用而以因变量的形式反馈回系统。
p2 R阀
q8
Sf
( 1 R泄
1 R节
1 R阀
) p2
Av 12
状态变量表达式中变量包括：
储能元功率键上的因变量 P2
V12
F11
输入变量 Se Sf
阻性作用元 R泄 R节 R阀 R孔
第四步：消去储能元功率键上的因变量， 得到状态方程。
状态方程与功率键合图的物理意义是一致的。
<二>动态仿真 仿真说明与程序清单
四、应用实例
一、功率键合图的作用及优点
1 作用： 表示系统中的功率流程。在研究液
压系统的动态特性时，表示系统在各 种作用元（因素）的作用下，功率的 流向、汇集、分配和能量转换等。
2、优点
a 功率键合图对功率流描述上的模块化结构 与系统本身各部分物理结构及各种动态影响 因素之间具有直观而形象的一一对应关系。
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。
第一讲 机电系统建模与仿真
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：
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
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
机电产品的虚拟设计与仿真(PPT 90张)
虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置 • 为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了 触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不 相同，但它们大致上做相同的事情：推我们的手 臂，并把机械或动力信号记录下来。力反馈的装 置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力 反馈装置。 • （7）立体显示设备 • 头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器 BOOM（双目全方位监视器）；立体眼镜（用户 戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像）；立 体投影显示；3D显示器。
头盔式显示器HMD
虚拟设计技术结构体系
• （8）3D声音生成器 “3D声音”不是立体声的概念，它是 指由计算机生成的、能由人工设定声源在 空间中三维位置的一种声音。3D声音生成 器是利用人类定位声音的特点生成出3D声 音的一套软硬件系统。 人类进行声音的定位依据两个要素： 两耳时间差和两耳强度差
其他硬件
• 双筒全方位显示器(Binocular OmniOrientation Monitor—BOOM） • 立体投影显示 • 立体眼镜 • 等等
1.3 虚拟现实的发展历程与现状
• 发展历程
1965年 Sutherland提出 1966年 开始HDM的研究 1968年 研制出第一台HMD
20世纪90年代以来 VR应用到众多领域
1975年 Myron Krueger 提出AR的思想
1990年 Siggraph会议确定 VR技术的发展方向
1986年 VIEW系统研制成功
1985年 研制出数据手套
虚拟现实的国内外研究现状
• 国外虚拟现实技术的研究现状
–美国宇航局(NASA) • 美国宇航局 (NASA) 的 Ames 实验室完善了 HMD ，并 将 VPL 的数据手套工程化，使其成为可用性较高 的产品。 • NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远 镜的仿真。 • 现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、 空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使 用的VR教育系统。 • ASA 的 Ames 现在正在致力于一个叫“虚拟行星探 索(VPE)”的实验计划，这一项目能使“虚拟探索 者 (Virtual Explorer)” 利用虚拟环境来考察遥 远的行星，他们的第一个目标是火星。
机电系统动态仿真matlabPPT电子教案课件-第七章-SIMULINK仿真
功能
积分 微分 状态方程 传递函数 零极点 传输延时 可变传输延时
23
Simulink的基本模块
SIMULINK仿真 4.离散系统模块库
模块
Unit Delay Discrete-Time I Discrete Transf F
功能
单位延时采样保持 离散时间积分 离散传递函数
Discrete Filter Discrete Zero-Pole Discrete State-Space Zero-order Hold First-order Hold
45
仿真模型的参数设置
SIMULINK仿真
7.4.3 启动系统仿真与仿真结果分析 设置完仿真参数之后，从Simulation中选择Start菜 单项或单击模型编辑窗口中的Start Simulation命令 按钮，便可启动对当前模型的仿真。
为了观察仿真结果的变化轨迹可以采用3种方法： (1) 把输出结果送给Scope模块或者XY Graph模块。 (2) 把仿真结果送到输出端口并作为返回变量，然后使
34
仿真模型的参数设置
SIMULINK仿真 1．模块的参数设置
35
仿真模型的参数设置
SIMULINK仿真 2．模块的属性设置 ✓ 模块上按鼠标右键并在弹出的快捷菜单中选择Block properties ✓ 在模型编辑窗口的Edit菜单下选择Block properties命令，将打开模块属性对话框。
5
认识Simulink
SIMULINK仿真 7.1.2 Simulink的启动与退出 1．Simulink的启动
在MATLAB窗口的工具栏中单击 在命令窗口中输入命令：
>>simulink
第4章机电系统动态性能的计算机仿真(OK)精品PPT课件
相似原理。 相似原理：几何相似、性能相似、环境相 似。
几何相似：根据相似原理把原来的实际系 统放大可缩小。如把12000吨水压机可用 1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮船 也要用缩小的模型来研究。
性能相似：构成模型的元素和原系统的不 同，但其性能相似。如：可用一个电气系 统来模拟热传导系统。在这个电气系统中 电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代 表温差，电流代表热流。
Z传递函数
H (z)U Y((zz))a0b 1za 11 z 1 b nza nn zn
权序列
k
y(k)u(i)h(ki) i0
离散状态空间模型
x(k1)F(xk)G(uk)
y(k)x(k)
3、连续－离散混合模型
各个环节中有的空间为连续变量，而有 的环节的状态变量为离散变量
r(t) ＋ e(t)
传递函数
n 1
G(s)
Y(s) U(s)
cn j1s j
j0
n 1
a n js j
j0
权函数（脉冲函数）
y(t)0u()g(t)dt 状态空间描述 X AX Bu
y CX
2、离散时间模型
差分方程
a 0 y ( n k ) a 1 y ( n k 1 ) a n y ( k ) b 1 u ( n k 1 ) b n u ( k )
对系统进行研究、分析与设计的方法；
（1）直接在系统上进行实验 在要设计的系统上进行实验
（2）在模型上进行实验 对要设计的系统进行处理，根据其
中内含的各种自然规律（包括欧姆定律、 比例环节和惯性环节等）得到相关的控 制规律，即系统的数学模型来进行研究。
对要设计的系统进行一定比例的缩 放得到缩小或放大的物理模型。（古时 的建筑）
几何相似：根据相似原理把原来的实际系 统放大可缩小。如把12000吨水压机可用 1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮船 也要用缩小的模型来研究。
性能相似：构成模型的元素和原系统的不 同，但其性能相似。如：可用一个电气系 统来模拟热传导系统。在这个电气系统中 电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代 表温差，电流代表热流。
Z传递函数
H (z)U Y((zz))a0b 1za 11 z 1 b nza nn zn
权序列
k
y(k)u(i)h(ki) i0
离散状态空间模型
x(k1)F(xk)G(uk)
y(k)x(k)
3、连续－离散混合模型
各个环节中有的空间为连续变量，而有 的环节的状态变量为离散变量
r(t) ＋ e(t)
传递函数
n 1
G(s)
Y(s) U(s)
cn j1s j
j0
n 1
a n js j
j0
权函数（脉冲函数）
y(t)0u()g(t)dt 状态空间描述 X AX Bu
y CX
2、离散时间模型
差分方程
a 0 y ( n k ) a 1 y ( n k 1 ) a n y ( k ) b 1 u ( n k 1 ) b n u ( k )
对系统进行研究、分析与设计的方法；
（1）直接在系统上进行实验 在要设计的系统上进行实验
（2）在模型上进行实验 对要设计的系统进行处理，根据其
中内含的各种自然规律（包括欧姆定律、 比例环节和惯性环节等）得到相关的控 制规律，即系统的数学模型来进行研究。
对要设计的系统进行一定比例的缩 放得到缩小或放大的物理模型。（古时 的建筑）
机电控制仿真软件 ppt课件
6.2、液压气动管道的使用 快捷菜单栏及仿真区右击都可以选择液压或者气压管道
6.3、典型例子讲解 节流调节回路、自动连续换向回路等介绍
6.4、PLC项目的举例 用PLC可以制作相关的案例，比如水塔水位、智力抢答器、天塔之光等
4.5、现场演示搭建PLC控制灯泡闪烁案例
23
PPT课件
对电液混合中的液压部分进行搭建，再运行观察它的现象。
10
PPT课件
小练习：老师练习搭建电机控制电路和四节传送带绑定 要求：从元器件库里选择电源、电机、相关的开关搭建 一个简单的电机控制电路，然后通过绑定窗口绑定三维 控制对象。
11
请输入有关机
PPT课件
12
课时三、原PPT课理件 图模式
3.1、电气符号的选择 通过菜单栏上“视图”选择“原理接线视图”，元器件变为电气符号 鼠标单击相关电气符号名称，在仿真区在单击就是单选电气符号 鼠标双击相关电气符号名称，在仿真区单击可以连续选择电气符号
15
课时四、PPPLT课C件 编程
4.1、PLC的了解 软件包含：欧姆龙PLC、三菱PLC、西门子PLC
4.2、PLC外部接线方法 通过导线连接外部相关元器件，还可扩展模块
4.3、PLC程序编写、清除、导入等 在PLC面板上右击可以对PLC进行编辑、程序导出导入等相关操作
4.4、PLC项目的举例 用PLC可以制作相关的案例，比如水塔水位、智力抢答器、天塔之光等
24
PPT课件
小练习：老师练习搭建典型液压气动回路 要求：从元器件库里选择动力元件、控制元件、执行元 件以及相关辅助元件，用管道搭建液压气动回路。
25
课时七、故PPT课障件 设置
7.1、admin登录的介绍，讲出与快速登录的区别 用户名登录可以设置故障，快速登录可以排查修复故障
6.3、典型例子讲解 节流调节回路、自动连续换向回路等介绍
6.4、PLC项目的举例 用PLC可以制作相关的案例，比如水塔水位、智力抢答器、天塔之光等
4.5、现场演示搭建PLC控制灯泡闪烁案例
23
PPT课件
对电液混合中的液压部分进行搭建，再运行观察它的现象。
10
PPT课件
小练习：老师练习搭建电机控制电路和四节传送带绑定 要求：从元器件库里选择电源、电机、相关的开关搭建 一个简单的电机控制电路，然后通过绑定窗口绑定三维 控制对象。
11
请输入有关机
PPT课件
12
课时三、原PPT课理件 图模式
3.1、电气符号的选择 通过菜单栏上“视图”选择“原理接线视图”，元器件变为电气符号 鼠标单击相关电气符号名称，在仿真区在单击就是单选电气符号 鼠标双击相关电气符号名称，在仿真区单击可以连续选择电气符号
15
课时四、PPPLT课C件 编程
4.1、PLC的了解 软件包含：欧姆龙PLC、三菱PLC、西门子PLC
4.2、PLC外部接线方法 通过导线连接外部相关元器件，还可扩展模块
4.3、PLC程序编写、清除、导入等 在PLC面板上右击可以对PLC进行编辑、程序导出导入等相关操作
4.4、PLC项目的举例 用PLC可以制作相关的案例，比如水塔水位、智力抢答器、天塔之光等
24
PPT课件
小练习：老师练习搭建典型液压气动回路 要求：从元器件库里选择动力元件、控制元件、执行元 件以及相关辅助元件，用管道搭建液压气动回路。
25
课时七、故PPT课障件 设置
7.1、admin登录的介绍，讲出与快速登录的区别 用户名登录可以设置故障，快速登录可以排查修复故障
机电传动控制_(09)
(1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身；检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。
(2) 工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。
在给定电压U g 一定时，其调整过程如下：↑负载↓n ↑a I ↓fU ↑U ∆↑k U↓α↑dU ↑* 分流：R P 上电流小？* 晶闸管管压降增大线路简单 稳定速度的效果并不大电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。
或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流的等效内阻所引起的速度降落。
电压负反馈系统的特点:2.电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统（二）其他反馈在自动调速系统中的应用1. 电压负反馈系统（一）转速负反馈调速系统4.4.1单闭环直流调速系统一、有静差调速系统(1) 系统特点R P 为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈； R 为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。
系统的总反馈电压I V f U U U -=I V g f g U U U U U U +-=-= 因为反馈电压U V 的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈，反馈电压U I 的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈。
要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。
0>-=I V f U U U(2)工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。
在给定电压U g 一定时，其调整过程如下：⎪⎩⎪⎨⎧↑↑→↓→↑→→+-↑↑=∆→⎪⎭⎪⎬⎫↑↓----------------------------↑←↓↑→↑U Ud U U U U U U U n n I K I V g I V a (3) 静特性ao V U U =ob I U U =boao ob ao ab f U U U U U U -=+==212R R R +=α令UU ao α=3R I U a bo =2123R R UR R I U U U U a bo ao ab +=-=-=α从电动机电枢回路电势平衡关系知)R R (I E U a a 3++=)R R /()E U (I a a +-=3aa aab R R ER R R UR R R UR R R R E U R R UR U +++-+=+--+=333321233212上式如果满足下列条件UR 033212=+-+aR R UR R R E R R R U R R R R R R R R R R aab a a +=→=→+=+3331233212n C R R R U e aab +=33时，当满足条件a R R R R 312=系统具有转速反馈的特性。
机电系统与仿真概述解读课件
预测性：通过模拟不同 情况下的系统行为，可 以对未来可能发生的情 况进行预测和预防。
仿真技术在机电系统中的应用
机电系统设计阶段
在机电系统的设计阶段，仿真技术可以用来验证设计的可行性和合理性。通过建立机电系统的模型，可以检查各部分 之间的协调性和性能，从而提前发现和解决问题。
机电系统优化
仿真技术可以通过调整机电系统的参数，找到最优的运行参数和配置。这有助于提高机电系统的效率和性能，降低运 行成本。
机电系统与仿真 概述解读课件
• 机电系统概述 • 机电系统仿真技术概述 • 机电系统建模方法与流程 • 机电系统仿真实验设计与分析 • 机电系统仿真技术案例展示
01
CATALOGUE
机电系统概述
机电系统的定义与特点
• 机电系统定义：机电系统是由机械、电子、计算 机等学科相互渗透而形成的综合性系统，它实现 了机械、电子、计算机等技术的有机结合，成为 现代工业生产中不可或缺的一部分。
案例三：机器人行走路径规划仿真
总结词
通过使用仿真技术，实现对机器人行走路径 的规划和验证，提高机器人的运动效率和安 全性。
详细描述
机器人行走路径规划仿真是通过对机器人的 行走路径进行建模和仿真，来预测和验证机 器人的实际行走轨迹和性能。通过仿真技术， 可以快速地对机器人的行走路径进行规划和 验证，提高机器人的运动效率和安全性，为 机器人在救援、服务等领域的应用提供了重
案例二：电机控制系统仿真
总结词
通过使用仿真技术，实现对电机控制系统的 设计和验证，提高电机的运行效率和稳定性。
详细描述
电机控制系统仿真是通过对电机的控制系统 进行建模和仿真，来预测和验证电机的实际 运行状态和性能。通过仿真技术，可以快速 地对电机的控制系统进行设计和验证，提高 电机的运行效率和稳定性，为电机在工业、 能源等领域的应用提供了重要的技术支持。
机电系统动态仿真matlabPPT电子教案课件-第6章系统时间响应仿真.ppt
2019/1/29
1
第6章 系统时间响应及其仿真
仿真算法
系统仿真MATLAB的函数
采样控制系统仿真
2019/1/29
2
引言：对象与工具的矛盾
如何将连续系统的数字模型转换成计算机可接受的等价仿真模 型，采用何种方法在计算机上求解此模型，这是连续系统数字仿真 算法要解决的问题。 被仿真系统的数值及时间 均具有连续性 数字计算机的数值及时间 均具有离散性
连续系统
数字计算机
对象与工具的矛盾
前者如何用后者来实现？ 如何保证离散模型的计算结果从原理上的确能代表原系统的 行为，这是连续系统数字仿真首先必须解决的问题。
2019/1/29
相似原理
3
相似原理
原系统模型的一般形式： 离散化后：
f ( x(t ), u (t ), t ) x
对所有k＝0,1,2,…，若有
tk
f (t , y(t ))dt
y(t1 ) y1 y0 h f (t 0 , y0 )
y(t 2 ) y2 y1 h f (t1 , y1 ) 对于任意时刻， y(t k 1 ) yk 1 yk h f (t k , yk )
当t=t2时，
注意：f(tk,yk)也就 是y(tk)的导数。
10
一般递推差分方程形式
2019/1/29
yk 1 yk h f k
梯形法
为了提高精度，可考虑用梯形代替矩形 来近似小区间的曲线积分表示的曲面面积。 梯形法近似积分形式
y (t k 1 ) y k 1 y k
1 h f (t k , y k ) f (t k 1 , y k 1 ) 2
离散和连续和611数值积分法的基本原理已知描述某系统的一阶微分方程及其初值为???0yty在微分方程理论中称为初值问题方程的解为??0fyty????ttdtytftyty00110??ktttt?时的连续解为在??1??????????110ff01kkkttkttkdtyttydtyttyty差分方程kkkqyy???1??fkkttkdtytq问题的关键
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
机电暂态并行仿真.ppt
DVD-ROM 冗余电源
Myrinet2000高速交换网络：
＊1*Myrinet M3-E16交换机柜
＊２*Myrinet M3-SW16-8F线卡交换板
＊1*Myrinet M3-M监控卡
2
Myrinet网络
＊1*Myricom M3-BLANK 面板
＊10*Myrinet光纤网卡
＊10*Myrinet光纤线
标准配置，包括机箱、CPU板等基本配置，以及AI板1块，AO板3块，DI板、DO板和电 源板各2块。 每个AI板共8路AI通道；每个AO板共8路AO通道；每个DI板共16路DI通道；每个DO板 共16路DO通道
作为仿真系统与实际物理装置之间的数据/信号交换
通道，是本系统的核心设备。可将仿真数据转换为 模拟量/开关量信号送给实际物理装置，并采集实际 物理装置的反馈信号送入仿真系统。
示器、键盘、鼠标
4
视频切换系统
连接机群系统各节点机的视频、键盘和鼠标， 是机群系统维护、调试的工具。
UPS 山特3C15KS UPS，
5
UPS
40AH电池
6
GPS
HY-N3011网络时间服务器
不间断电源，用于机群系统供电。
网络时间服务器，用于同步机群系统中各节点 机的系统时间。
序号
7 8 9
10 …
➢ 可以为子 网设置背 景
➢ 可以在多 张单线图 上进行划 分，注意 一个子网 只能绘制 一次
子网的图上删除
• 删除一个子网
– 选中子网，选择右键菜单“删除” – 选中子网，点击工具栏按钮
• 删除全部子网
– 点击工具栏按钮
自动划分
✓ 子网数目：需要划分的子网数 目，缺省填写已经定义子网数 目；
Myrinet2000高速交换网络：
＊1*Myrinet M3-E16交换机柜
＊２*Myrinet M3-SW16-8F线卡交换板
＊1*Myrinet M3-M监控卡
2
Myrinet网络
＊1*Myricom M3-BLANK 面板
＊10*Myrinet光纤网卡
＊10*Myrinet光纤线
标准配置，包括机箱、CPU板等基本配置，以及AI板1块，AO板3块，DI板、DO板和电 源板各2块。 每个AI板共8路AI通道；每个AO板共8路AO通道；每个DI板共16路DI通道；每个DO板 共16路DO通道
作为仿真系统与实际物理装置之间的数据/信号交换
通道，是本系统的核心设备。可将仿真数据转换为 模拟量/开关量信号送给实际物理装置，并采集实际 物理装置的反馈信号送入仿真系统。
示器、键盘、鼠标
4
视频切换系统
连接机群系统各节点机的视频、键盘和鼠标， 是机群系统维护、调试的工具。
UPS 山特3C15KS UPS，
5
UPS
40AH电池
6
GPS
HY-N3011网络时间服务器
不间断电源，用于机群系统供电。
网络时间服务器，用于同步机群系统中各节点 机的系统时间。
序号
7 8 9
10 …
➢ 可以为子 网设置背 景
➢ 可以在多 张单线图 上进行划 分，注意 一个子网 只能绘制 一次
子网的图上删除
• 删除一个子网
– 选中子网，选择右键菜单“删除” – 选中子网，点击工具栏按钮
• 删除全部子网
– 点击工具栏按钮
自动划分
✓ 子网数目：需要划分的子网数 目，缺省填写已经定义子网数 目；
机电系统与仿真概述解读课件
云仿真与分布式仿真
利用云计算和分布式计算技术 ，实现大规模仿真的高效计算
与资源共享。
03
机电系统仿真技术
机电系统仿真技术的基本原理
机电系统仿真技术的基本原理是通过建立数学模型来模拟实际系统的动态行为。这个数学模 型通常由一组微分方程、差分方程、代数方程等组成，描述了系统的物理、化学、生物等过 程。
详细描述
机电系统在汽车领域中应用广泛，如发动机控制、底盘 控制、车身控制等。在航空航天领域，机电系统用于控 制飞机的起降、姿态控制、导航等。在能源领域，机电 系统用于风力发电、水力发电、火力发电等领域，实现 能源的转换和传输。在医疗领域，机电系统用于医疗设 备、医疗器械等领域，如手术机器人、诊断设备等。在 智能制造领域，机电系统用于自动化生产线、工业机器 人等领域，提高生产效率和产品质量。
02
仿真技术概述
仿真技术的定义与特点
01
02
仿真技术的定义 逼真性
03 可重复性
04 低成本
05 可扩展性
仿真技术是一种通过建立 模型来模拟真实系统运行 的技术。它通过模拟系统 的动态行为和性能，帮助 人们更好地理解系统的本 质，预测系统的行为，并 优化系统的设计。
仿真技术能够模拟真实系 统的运行环境，提供高度 逼真的实验条件。
护。
02
模型精度要求高
为了满足实际应用需求，机电系统与仿真需要构建高精度的模型。解决
方案包括采用先进的建模方法和优化算法，以提高模型精度和预测能力
。
03
跨学科交叉融合难度大
机电系统与仿真涉及到多个学科领域，交叉融合难度大。解决方案包括
建立跨学科的交流平台和合作机制，促进不同领域之间的合作和知识共
享。
利用云计算和分布式计算技术 ，实现大规模仿真的高效计算
与资源共享。
03
机电系统仿真技术
机电系统仿真技术的基本原理
机电系统仿真技术的基本原理是通过建立数学模型来模拟实际系统的动态行为。这个数学模 型通常由一组微分方程、差分方程、代数方程等组成，描述了系统的物理、化学、生物等过 程。
详细描述
机电系统在汽车领域中应用广泛，如发动机控制、底盘 控制、车身控制等。在航空航天领域，机电系统用于控 制飞机的起降、姿态控制、导航等。在能源领域，机电 系统用于风力发电、水力发电、火力发电等领域，实现 能源的转换和传输。在医疗领域，机电系统用于医疗设 备、医疗器械等领域，如手术机器人、诊断设备等。在 智能制造领域，机电系统用于自动化生产线、工业机器 人等领域，提高生产效率和产品质量。
02
仿真技术概述
仿真技术的定义与特点
01
02
仿真技术的定义 逼真性
03 可重复性
04 低成本
05 可扩展性
仿真技术是一种通过建立 模型来模拟真实系统运行 的技术。它通过模拟系统 的动态行为和性能，帮助 人们更好地理解系统的本 质，预测系统的行为，并 优化系统的设计。
仿真技术能够模拟真实系 统的运行环境，提供高度 逼真的实验条件。
护。
02
模型精度要求高
为了满足实际应用需求，机电系统与仿真需要构建高精度的模型。解决
方案包括采用先进的建模方法和优化算法，以提高模型精度和预测能力
。
03
跨学科交叉融合难度大
机电系统与仿真涉及到多个学科领域，交叉融合难度大。解决方案包括
建立跨学科的交流平台和合作机制，促进不同领域之间的合作和知识共
享。
机电系统设计与仿真.PPT
2 同步电动机
➢同步电机具有与步进电机相近的特 性，可工作于步进方式，转速不受 负载变化的影响，稳定性高，在整 个调速范围内电机的转矩和过载能 力保持不变。
➢同步电机适用于高性能伺服系统， 异步伺服电机适用于机床的进给驱 动及其它功率较大的伺服系统。
5.1.4 液压与气压伺服元件
1. 液压伺服元件
➢ 定位自锁能力，永磁式和混合 式步进 电机在断电后仍可自锁. ➢ 存在步距角误差，但误差不积 累。 ➢ 转角、转速不受电源电压波动 和负载变化的影响。 ➢ 需要专用的驱动电源，电源对 电机的工作性能影响很大。 ➢ 启动频率和最高运行效率相差 很大，启动频率大小与负载惯量有 关。 ➢ 常用于自动化仪表和小功率位 置伺服系统
气压伺服元件主要有开关阀和比例 阀，其主要特点为： ➢ 工作介质来源于空气，方便且无污染。 ➢ 反应速度快。 ➢ 负载能力较差。 ➢无污染，适用于各种生产线、食品 或 药品的生产线。
➢具有很好的调速特性，调速范围宽。电 枢串电阻调速、改变电枢电压调速、 PWM调速、改变励磁的恒功率调速， 双闭环直流调速等各种调速方式。
➢较大的启动转距、功率大、响应速度 快。
➢可通过闭环实现调速、力矩和位置伺 服控制。
➢ 永磁式直流电机可以工作堵转状态 （转速为零）。
➢断电不能自锁，需要配置专用电磁 制动器才能实现断点后的定位。
RE36特性曲线
5.1.3 交流伺服电动机和同步电机
➢1 交流伺服电动机
➢调速性能好，调速范围宽。 ➢ 输出功率大。比步进电机和直流电机具 有更大的输出功率。 ➢通过闭环实现速度控制或位置控制。 ➢ 异步伺服电机的工作原理与普通的笼型 异步电机基本相同，成本较低。
➢ 调速方式
变频调速：改变电源的频率和电压
《机电系统与仿真技术》课件7 MatLab基础
2023/5/13
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。
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）
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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。
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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。
机电一体化系统设计课件(PPT51张)
真题解析——选择题
（ 05、4 ）1、主要用于系统中各级间的信息传递 的模块称为【 】 B A．软件模块 C．通信模块 B．接口模块 D．驱动模块
（ 04、4 ）1．由计算机网络将计算机辅助设计、 计算机辅助规划、计算机辅助制造联接成的系统称
为【 】
D
A．顺序控制系统 C．柔性制造系统
真题解析——选择题
（ 12、4 ）1．用于承载、传递力和运动的模块是
【 】A
A．机械受控模块 C．接口模块 B．驱动模块 D． 微计算机模块
（ 09、4 ）1．系统中用于提供驱动力改变系统运 行状态，产生所希望运动的模块称为 【 】 A A．驱动模块 B．接口模块 C .微计算机模块 D．测量模块
B．自动引导车系统 D． 计算机集成制造系统
真题解析——选择题
（ 03、4 ）1.将计算机数控机床、工业机器人以 及自动引导车联接起来的系统称( C ) A.顺序控制系统 B.计算机集成制造系统 C.柔性制造系统 D.伺服系统 （ 02、4 ）1.受控变量是机械运动的一种反馈控 制系统称( A.顺序控制系统 D.工业机器人 )B B.伺服系统 C.数控机床
1.2 典型机电一体化系统
工业机器人组成部件：主体结构、终端器、控制器
1.2 典型机电一体化系统
4、自动导引车 自动导引车是另一种形式的移动工业机器人。他能 跟踪编程路径，在工厂内江一个零件从一个地方移动 到另一个地方。
1.2 典型机电一体化系统
5、顺序控制系统 顺序控制系统是按照预先规定的次序完一系列操作 的系统。 根据如何开始和终结操作可分为两类： （1）当某一事件发生时，开始或结束操作的称为事件驱 动顺序控制； （2）在某一时刻或一定时间间隔之后，开始或结束操作 的称为时间驱动顺序控制。
09-机电系统仿真课案
阻尼力：当力较大质量块获得较大速度时，不能忽略空气阻
尼力的影响。在粘性摩擦系统中，阻尼力与速度v成正比，
数学模型为
Fc
(t
)
cv
(t )
c
dx(t dt
)
22/48
二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（1）机械移动系统 有三种阻止运动的力：
基本元件
公式
能量或消耗功率
直线型
质量块（惯性力）
Fm
二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（2）机械旋转系统
阻尼力矩Mc(t)；cθ为黏滞阻尼系数，θ1(t)和θ2(t)分别为输 入与输出旋转角度。
M
c
(t
)
c
d1(t
dt
)
d2 (t
dt
)
c
1 M
2
26/48
二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（2）机械旋转系统
扭簧力矩Mk；kθ为扭簧刚度。
Transfer function: s^2 + 3 s + 2
--------------------s^3 + 5 s^2 + 7 s + 3
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的分类
混合仿真（半实物仿真hardware-in-loop simulation）：将即将数学模型与物理模型甚至实 物联合起来进行实验。
对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部 分建立数学模型，并在计算机上加以实现。
对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统， 其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实 物。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1]
尼力的影响。在粘性摩擦系统中，阻尼力与速度v成正比，
数学模型为
Fc
(t
)
cv
(t )
c
dx(t dt
)
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（1）机械移动系统 有三种阻止运动的力：
基本元件
公式
能量或消耗功率
直线型
质量块（惯性力）
Fm
二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（2）机械旋转系统
阻尼力矩Mc(t)；cθ为黏滞阻尼系数，θ1(t)和θ2(t)分别为输 入与输出旋转角度。
M
c
(t
)
c
d1(t
dt
)
d2 (t
dt
)
c
1 M
2
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（2）机械旋转系统
扭簧力矩Mk；kθ为扭簧刚度。
Transfer function: s^2 + 3 s + 2
--------------------s^3 + 5 s^2 + 7 s + 3
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的分类
混合仿真（半实物仿真hardware-in-loop simulation）：将即将数学模型与物理模型甚至实 物联合起来进行实验。
对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部 分建立数学模型，并在计算机上加以实现。
对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统， 其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实 物。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1]
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2. 仿真的分类
数学仿真（计算机仿真）：有限元技术、运动仿真
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的分类
混合仿真（半实物仿真hardware-in-loop simulation）：将即将数学模型与物理模型甚至实 物联合起来进行实验。 对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部 分建立数学模型，并在计算机上加以实现。 对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统， 其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实 物。
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一. 仿真技术概论
4. 系统
（1）定义：由相互联系、相互制约、相互依存的若 干部分结合在一起形成的具有特定功能和运动规律 的有机整体。 （2）系统三要素： ①实体——组成系统的具体对象； ②属性——实体所具有的每一种有效特性（状态和 参数）； ③活动——系统内对象随时间推移而发生的状态变 化。
一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
便于进行重复试验，便于控制参数，时间短， 代价小 可以在真实系统建立起来之前，预测其行为 效果，从而可以从不同结构 或不同参数的模 型的结果比较之中，选择最佳模型
对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示 但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得 系统运行的数值结果
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
（2）计算机仿真的三个基本要素： 系统、模型与计算机
系统
数学模型建立 仿真实验
模型 仿真模型建立
计算机
计算机仿真的三要素及三个基本活动
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
（3）系统仿真的三个基本活动：
①数学模型建立：实际上是一个模型辩识的过程。所建模型 常常是忽略了一些次要因素的简化模型。 ②仿真模型建立：即是设计一种算法，以使数学模型能被计 算机接受并能在计算机上运行。显然，由于在算法设计上 存在着误差，所以仿真模型对于实际系统将是一个二次简 化模型。 ③仿真实验：即是对模型的运算。需要设计一个合理的、服 务于系统研究的仿真软件。
1. 系统模型
是系统某种特定性能的一种抽象形式。 模型的表达形式有物理模型和数学模型两类。
数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，是 用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中的某 一方面的问题。
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二. 机电系统建模
1. 系统模型
数 学 模 型 静态模型
连续系统模型
动态模型
离散系统模型
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
机械移动系统
机 械 系 统
机械转动系统
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（1）机械移动系统
机 械 移 动 系 统 质量 弹簧 阻尼
表示系统惯性
表示系统刚性 表示摩擦或衰减效应
不一定需要真正的弹簧、阻尼器和质量块，只要 具有刚性、阻力及惯性这些性能，在输入力作用下， 系统能产生一定相应输出，如位移输出。
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
①建立系统的数学模型；
（4）系统仿真的一般步骤：
②转换成仿真模型；
③编写仿真程序；
④对仿真模型进行修改校验，看与 实际系统是否一致，确认模型的正 确性。 ⑤运行仿真程序，在不同的初始条 件和参数下，对系统进行反复分析 和研究。
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二. 机电系统建模
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一. 仿真技术概论
1. 仿真（Simulation）的定义
1984年Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是现 代仿真技术的一个重要概念。 综合定义：仿真(Simulation)
通过对系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的系统。 它是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动
3/48
3. 仿真的分类
实物仿真（物理仿真）： 按照真实系统的物理性质构造系统的物理模 象，也称为“模拟”。
物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多， 投资较大。
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一. 仿真技术概论
3. 仿真的分类
实物仿真（物理仿真）：风洞，汽车碰撞实验等
一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
希望能在较短的时间内观察到系统发展的全 过程，以估计某些参数对系统行为的影响． 难以在实际环境中进行实验和观察时，计算 机仿真是唯一可行的方法， 例如太空飞行的 研究． 需要对系统或过程进行长期运行比较，从大 量方案中寻找最优方案．
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一. 仿真技术概论
工程计算
第9讲 仿真技术概论
1. 仿真技术概论 2. 机电系统建模
一. 仿真技术概论
1. 仿真（Simulation）的定义
1961年G.W.Morgenthler首次技术性解释。指在实际系统尚不 存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。 1966年雷诺(T.H.Naylor)在其专著中对仿真作了如下定义： “仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数 字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系 统(或者它们的某些部分)在若干周期内的特征。” 1978年科恩（ Korn）在《连续系统仿真》一书中将仿真定义为 “用能代表所研究的系统的模型做实验”
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
难以用数学公式表示的系统，或者没有建立 和求解数学模型的有效方法．虽然可以用解 析的方法解决问题，但数学的分析与计算过 于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行 的求解方法
对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的分类
数学仿真（计算机仿真）： 对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系 加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行 实验的过程称为数学仿真。 数学仿真优点是：方便、灵活、经济。 数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数 学模型不易建立。
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一. 仿真技术概论
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
一个较流行于工程技术界的定义是：仿真是通 过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的 系统。这种定义适用于概括了所有工程的(技术的)或 非工程的(非技术的)系统。 （1）系统、模型和仿真之间的关系： ①系统是研究的对象； ②模型是系统的抽象； ③仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。