机电系统建模与仿真-1概述

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
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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
结合而构成系统的总称（运用机电一体化技术的系统）
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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。
2.2 基本组成要素
• 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
机 械 学
机电 一体 化
电子学
软件
• 典型的机电系统应包含以下几个基本要素：
非线性 系统 模型
线性
连续
单变量
定常
多变量 离散
时变
混合
变量范围 模型描述变量的轨迹 模 型形 式 连续 空间连续变化模型 空间不连续变化 模型 偏微分方程 常微分方程 差分方程 有限状态机 马尔可夫链 离散
模型的 时间集合
连续时间 模型
离散时间 模型
离散（变化） 模型
活动扫描
y(k ) a1 y(k 1) a2 y(k 2) an (k n) b1u(k 1) b2 u(k 2) bn u(k n) (k )
其中： (k ) 为测量噪声引起的随机变量 参数估计的任务：通过输入、输出数据确定参数
• 典型机电系统：自动化制造单元；顺序控制问题
• 典型机电系统：柔性制造单元；具有生产规划和调度能力
• 典型机电系统：无人工厂
4 仿真在机电系统设计与开发中的作用
4.1 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
5 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， 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。
原计划发 射 爱国者 罗兰特 尾 刺 141 224 185 仿真后实 发 101 95 114 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

应用机械工程和电子工程相结合的这些技术的机械电子装 置（产品），典型的机电一体化产品(系统)有： 数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、
电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。
2.1 机电系统的特点
• 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
一个与所测系统等价的模型。
系统辨识三要素： 输入输出数据-辨识的基础； 模型类-寻找模型的范围； 等价准则-辨识的优化目标。
注：系统辨识与系统分析是互逆的两种技术手段。
扰动 输入 被辨识的系统 输出
噪声
M
噪声
M
测量仪器
辨识技术 可测量的输出
系统模型
系统辨识原理图
辨识的目的和验前知识
实验 设计
系统 的输 入输 出数 据
因此系统的数学模型可以有不同的描述级（水平）：
性状描述级 性状描述级或称为行为描述级（行为水平）。在此级上描述系 统是将系统堪称黑箱，并施加输入信号，同时测得输出响应，结果 是得出一个输入-输出对：(ω，ρ) 及其关系Rs={(ω，ρ)：Ω,ω,ρ}。 状态描述级 在状态结构级（状态结构水平）上，系统模型不仅能反映输入-
输出关系，而且应能反映出系统内部状态，以及状态与输入、输出
间的关系。即不仅定义了系统的输入与输出，而且定义了系统内部 的状态集及状态转移函数。白箱
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
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。
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。
6 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
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）。
先验知识
演绎分析
模型框架定义
目 的 目 标协 调
结构特性确定
试验 设计
数据
参数估计
模型有效性分析
后验模型
数学建模过程框架
5.2 系统（实验）辨识建模 1962年，Zadeh给出系统辨识定义，如下： 在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中，确定
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
• 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。
机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感
测试部分、控制及信息处理部分。
3.机电系统实例
• 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
• 典型的机电系统： 工业机器人的关
节伺服传动系统；
基本的机电控制问 题——位置和速 度的动态控制。
确定模型结构
阶、参数估计
模型源自文库验
不满意 满意
最终模型
系统辨识步骤
最小二乘法分析模型参数 ⑴ 输入-输出数据精确已知时确定模型参数的方法 数据精确已知是指测得的系统输入-输出数据是精确的，没
有被“噪声”污染。
⑵ 最小二乘法估计模型参数的方法 考虑测量不精确或者环境对过程的随机干扰，实际量测到 的输出为：
第1章 绪论
1.1 机电系统概述 1.1.1 机电一体化技术产生的背景
• 机械技术向自动化、智能化发展的产物
• 电子技术向机械工业领域的渗透
1.1.2 机电一体化的基本概念
• 机电一体化的定义，机电一体化技术和产品
Mechatronics=Mechanics+Electronics
机械电子学=机械学+电子学
串联机器人
转动关节
移动关节
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
6分支示意图
球面关节 并联机构关节
关节1-3为转动副，关节4-
6为移动副，关节7-9为球
面副。
虎克铰
• 典型的机电系统：数控机床；点位控制、直线运动控制、连续 路径(轮廓)控制
事件调度 进程交互

连续时间 模型
建立模型的方法：数理方法（白箱）、试验建模（白、灰、黑
箱）、假设检验
（可观测） 输入变量
真实系统
（可观测） 输出变量
观测屏障
抽象
真实系统
ω（t）
ρ（t）
黑箱 灰箱 白箱
数学描述
ω（t）、ρ（t）---输入输出变量对 真实系统建模的抽象过程
按照系统论的观点，实际系统可在某种级（水平）上被分解，
从系统的观点出发，机电一体化技术是将机械技术 、 微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上 有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学 技术。
• 机电一体化系统的基本要素：机械本体、测试传感、驱
动、执行机构、控制及信息处理、能源
2. 机电系统
• 机电系统：机械系统与微电子系统，特别是与微 处理器或微机有机结合，从而赋予新的功能和性 能的一种新产品。
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. • 《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. • 《机械动力学》.张策编著，高等教育出版社. • 《系统动力学》. Katsuhiko Ogata [尾形克彦]著