机械系统建模和仿真SimMechanics

——机械系统建模和仿真

SimMechanics集成于Simulink之中，是进行控制器和对象系统跨领域/学科的研究分析模块集。SimMechanics为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink环境中完成。它提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等。使用这些模块可以方便地建立复杂图形化机械系统模型，进行机械系统的单独分析或与任何Simulink设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真。

SimMechanics是Simulink物理建模产品家族的一员，该产品系列扩展了Simulink的建模能力，利用它们做出的模型仍能与传统Simulink模块所

建立的模型相融合。

特点

•提供了三维刚体机械系统的建模环境

•包含了一系列分析机械运动和设计机

械元件尺寸的仿真技术

•完整的建模层次，允许机械模型模块与

其它类型模块结合使用

•可在Simulink中建立高精度、非线性的模型以支持控制系统的开发和测试。

•SolidWorks转换器可以通过CAD工具定义机械模型

•包括各种铰链和约束形式

•可对平移运动和旋转运动，力和力矩进行建模、分析

•提供平衡点和线性化工具以支持控制系统设计

•使用Virtual Reality Toolbox或MATLAB®图形（Handle Graphics®）支持机械系统可视化及动画显示

•可进行系统的运动学和正向、逆向动力学分析

•使用O(n)递归求解多体动力学系统运动方程

•为模型定义提供多种本地坐标系统

强大功能

在Simulink环境中进行的动力学研究

使用Simulink集成化的图形界面建立机械多体动力学系统的模型并进行仿真。SimMechanics使得用户可以方便地修改系统中的物理参数，包括位置，方位角和机械元件运动参数等。

使用Simulink变步长积分法可以得到较高的计算精度。

Simulink的过零检测功能以双精度数据水平判定和求解不连续过程，对于机械系统中存在的静摩擦和机械硬限位等情况建模具有重要的意义。

SimMechanics模型可与Simulink的控制系统模型方便地结合，在同一个环境中对控制器和被控对象建模。

机械系统建模

SimMechanics系统包含如下子系统：

•使用Simulink查表模块和SimMechanics传感器和作动器定义的非线性的弹性单元

•用来定义航空器件压力分布的空气动力学拖曳模块，例如副翼和方向舵•主动车辆悬架系统，例如防侧翻机械装置和控制器

•为飞行器和地面车辆设计的轮胎

•SimMechanics系统包含如下模块：

•具有质量的实体单元；

•平移和旋转联接铰链单元；

•向机械系统提供力和力矩作用的作动器单元，可接受Simulink模型的信号；

•测量机械系统运动物理量的

传感器单元，可向Simulink模

型输出信号。

机械系统动画显示

SimMechanics中可以用Virtual

Reality工具箱或是MATLAB图形方式

生成系统三维动画。MATLAB图形方式

能提供基本的动画显示，Virtual

Reality工具箱则能提供更加高级、真实

的动画。两种工具都可以用来显示机械

系统的数值分析结果。

实体、铰链、约束和坐标系统

SimMechanics支持任意数量的

实体。实体通过质量属性，坐标系统定

义，并通过铰链与其它实体相连。

可以在系统的运动实体上添加相应的运动约束。约束通过使用Simulink 信号限定实体，并以时间函数的形式驱动实体运动来实现。

SimMechanics界面为定义坐标系统，约束和驱动条件以及力/力矩的定义提供了多种方式。包括：

•在实体上连接多个本地坐标，用于施加作用条件和测量物理量

•通过添加自己订制的模块来定制扩展铰链库

•在SimMechanics模块中使用MATLAB表达式和Simulink工具

作动器和传感器

Simulink和SimMechanics模块之间的联系通过作动器和传感器模块来完成。

作动器使用Simulink信号来指定实体或铰链上的力和运动。包括：

•指定实体或铰链的运动参数，如按某种时间函数变化的位移、速度或加速度

•用Simulink信号（包括系统中传感器的反馈信号）指定力和力矩并施加在实体或铰链上

•检测由不连续摩擦力引起的离散事件

•计算系统的初始状态（位移和速度），用于动力学仿真

•传感器模块用来检测实体和铰链的运动参数，并输出为Simulink信号。

包括：

•在Simulink示波器模块中显示系统的位移、速度和加速度

•监视系统中的作用力

机械运动的仿真和分析

SimMechanics为机械系统

提供了如下仿真/分析方式：

•正向动力学分析—求

解机械系统在给定激励下的

响应；

•逆向动力学分析—求

解机械系统在给定运动结果

时所需的力和力矩；

•运动学分析—在约束

条件下求解系统中的位移、

速度和加速度，并做一致性

检查；

•线性化分析—可求得

系统在指定小扰动或初始状态下的线性化模型，以分析系统响应性能；

•平衡点分析—可以确定稳态平衡点，供系统分析和线性化使用。

代码生成

使用Real-Time Workshop工具可以对SimMechanics模型进行自动代码生成，用户利用生成的代码实现下列功能：