機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化案例解析

第1章 緒論 1

1.1 機電系統(tǒng) 1

1.1.1 機電系統(tǒng)的組成 1

1.1.2 機電系統(tǒng)的發(fā)展 2

1.1.3 機電系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法 3

1.2 仿真技術及其在機電系統(tǒng)中的應用 4

1.2.1 仿真的分類 4

1.2.2 計算機仿真的發(fā)展現(xiàn)狀 6

1.2.3 計算機仿真在機電系統(tǒng)中的應用 7

1.2.4 計算機仿真的發(fā)展趨勢 10

1.3 聯(lián)合仿真技術 11

1.3.1 聯(lián)合仿真技術的產生及其內涵 11

1.3.2 聯(lián)合仿真的主要方式 12

第2章 常用分析軟件介紹 15

2.1 MATLAB軟件介紹 15

2.1.1 MATLAB的發(fā)展歷程和影響 15

2.1.2 MATLAB/Simulink功能簡介 16

2.1.3 MATLAB功能特點 17

2.1.4 Simulink簡介及特點 18

2.2 ADAMS軟件介紹 20

2.2.1 ADAMS軟件簡介 20

2.2.2 ADAMS軟件的組成 21

2.3 RecurDyn軟件介紹 23

2.3.1 RecurDyn軟件簡介 23

2.3.2 RecurDyn的產品模塊 24

2.3.3 RecurDyn軟件的特點 28

2.4 ANSYS軟件介紹 28

2.4.1 ANSYS軟件簡介 28

2.4.2 基本分析步驟 30

2.5 AMESim軟件介紹 31

2.5.1 AMESim軟件簡介 31

2.5.2 AMESim的特點 33

第3章 基于ADAMS與ANSYS的剛柔耦合動力學仿真 35

3.1 剛柔耦合動力學介紹 35

3.1.1 ADAMS柔性分析模塊介紹 36

3.1.2 基本原理 36

3.2 ANSYS/ADAMS聯(lián)合仿真基本步驟 38

3.3 機器人柔性臂分析實例 39

3.3.1 問題定義 39

3.3.2 建立有限元模型 40

3.3.3 ANSYS/ADAMS接口文件生成 42

3.3.4 在ADAMS中讀入模態(tài)中性文件 43

3.3.5 在ADAMS中建立Flex體模型 44

3.3.6 后處理結果輸出 45

3.3.7 簡單誤差分析 46

第4章 ANSYS與RecurDyn聯(lián)合仿真 47

4.1 ANSYS與RecurDyn聯(lián)合仿真介紹 47

4.2 齒輪離心力補正問題 48

4.3 ANSYS與RecurDyn聯(lián)合仿真方法 48

4.3.1 ANSYS有限元建模 48

4.3.2 RecurDyn 動力學建模 55

4.3.3 ANSYS離心力校正 61

4.3.4 RecurDyn離心力校正求解 63

4.3.5 仿真結果分析 65

第5章 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真 71

5.1 機械與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真介紹 71

5.2 ADAMS/Controls模塊 72

5.2.1 ADAMS/Controls介紹 72

5.2.2 使用ADAMS/Controls基本步驟 73

5.3 單級倒立擺的控制問題 74

5.4 倒立擺控制問題的聯(lián)合仿真方法 77

5.4.1 建立ADAMS動力學模型 77

5.4.2 定義輸入變量 78

5.4.3 導出ADAMS模型 81

5.4.4 在MATLAB/Simulink中導入ADAMS模型 82

5.4.5 聯(lián)合仿真分析 85

第6章 RecurDyn與MATLAB聯(lián)合仿真 88

6.1 RecurDyn與MATLAB接口介紹 88

6.2 RecurDyn與MATLAB聯(lián)合仿真的主要步驟 88

6.3 汽車巡航控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真 89

6.3.1 汽車巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程 89

6.3.2 汽車巡航控制系統(tǒng)的原理 90

6.3.3 汽車縱向動力學模型 91

6.3.4 控制系統(tǒng)模型 92

6.3.5 在RecurDyn中搭建車輛動力學模型 94

6.3.6 定義輸入/輸出接口 101

6.3.7 導出ReurDyn模型 104

6.3.8 連接RecurDyn與MATLAB 104

6.3.9 運行聯(lián)合仿真 106

第7章 ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真 111

7.1 ADAMS與AMESim接口 111

7.1.1 接口介紹 111

7.1.2 接口準備 111

7.1.3 需要注意的問題 112

7.2 用AMESim作為仿真主界面進行仿真 114

7.2.1 問題定義 114

7.2.2 ADAMS建模及模型確認 114

7.2.3 定義模型的輸入/輸出 116

7.2.4 導出模型 119

7.2.5 創(chuàng)建AMESim模型 121

7.2.6 導入ADAMS模型 121

7.2.7 聯(lián)合仿真模型參數(shù)設置 124

7.2.8 運行仿真 126

7.3 用ADAMS作為仿真主界面進行仿真 128

7.3.1 軟件設置 129

7.3.2 模型準備 129

7.3.3 建立ADAMS模型 131

7.3.4 定義輸入/輸出狀態(tài)變量 132

7.3.5 創(chuàng)建GSE 133

7.3.6 運行聯(lián)合仿真 134

第8章 AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真 137

8.1 介紹及主要步驟 137

8.1.1 聯(lián)合仿真的主要步驟 137

8.1.2 軟件環(huán)境設置 139

8.2 飛行控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真 140

8.2.1 創(chuàng)建AMESim模型 140

8.2.2 創(chuàng)建接口模塊 141

8.2.3 模型編譯 143

8.2.4 將模型導入Simulink中 144

8.2.5 求解器設置 145

8.2.6 聯(lián)合仿真分析 146

8.3 共仿真與標準接口的區(qū)別 147

8.4 車輛半主動懸架的聯(lián)合仿真 148

8.4.1 半主動懸架介紹 148

8.4.2 創(chuàng)建AMESim模型 149

8.4.3 創(chuàng)建控制系統(tǒng)模型 151

8.4.4 運行聯(lián)合仿真 153

8.5 多個接口模塊的使用 155

8.6 將MATLAB中的線性系統(tǒng)導入AMESim 157

8.6.1 接口介紹 157

8.6.2 實例應用 158

第9章 iSIGHT與MATLAB的集成優(yōu)化 163

9.1 iSIGHT軟件 163

9.1.1 軟件簡介 163

9.1.2 iSIGHT軟件的優(yōu)點 164

9.1.3 集成優(yōu)化的主要步驟 165

9.2 iSIGHT集成MATLAB實例 166

9.2.1 問題定義 166

9.2.2 定義變量 166

9.2.3 集成MATLAB任務 167

9.2.4 設置約束條件和目標函數(shù) 169

9.2.5 運行優(yōu)化計算 170

9.3 集成Simulink模型優(yōu)化 172

9.3.1 問題定義 172

9.3.2 定義變量 174

9.3.3 集成MATLAB腳本文件 174

9.3.4 設置設計變量和目標函數(shù) 176

第10章 iSIGHT與RecurDyn的集成優(yōu)化 178

10.1 集成流程 178

10.2 iSIGHT集成RecurDyn實例 179

10.2.1 問題定義 179

10.2.2 設計變量的參數(shù)化 179

10.2.3 集成方法 185

10.2.4 讀取目標函數(shù) 189

10.2.5 優(yōu)化算法選擇及結果監(jiān)控 190

第11章 iSIGHT與Fluent的集成優(yōu)化 193

11.1 Fluent軟件 193

11.1.1 Fluent軟件簡介 193

11.1.2 Fluent軟件的起源與發(fā)展 193

11.1.3 Fluent軟件的特點 194

11.1.4 Fluent軟件組成和功能 195

11.2 Fluent與iSIGHT集成概述 196

11.3 葉片的優(yōu)化問題 197

11.3.1 葉片模型 197

11.3.2 參數(shù)的確定 198

11.3.3 目標函數(shù)的建立 200

11.3.4 邊界條件的建立 200

11.3.5 優(yōu)化集成 200

11.3.6 優(yōu)化方案 212

11.3.7 優(yōu)化結果 216

第12章 基于SimManger的協(xié)同仿真初探 219

12.1 SimManger軟件 219

12.1.1 軟件簡介 219

12.1.2 功能和特點 219

12.1.3 系統(tǒng)組件 220

12.2 軟件安裝 221

12.3 Portal開發(fā) 224

12.3.1 Schema數(shù)據(jù)類的建立 225

12.3.2 編寫AE邏輯 227

12.3.3 樹文件編寫 237

12.4 Portal的部署與應用 238

12.4.1 配置數(shù)據(jù)庫 239

12.4.2 配置文件倉庫的路徑 240

12.4.3 配置Portal實例 241

12.4.4 創(chuàng)建Portal數(shù)據(jù)庫 243

12.4.5 運行注冊文件 243

12.4.6 加載初始數(shù)據(jù) 244

12.4.7 Portal基本屬性配置 245

12.4.8 啟動網(wǎng)絡應用服務器 246

附錄A 247

附錄B 249

參考文獻 2512100433B

隨著計算機仿真技術在機電系統(tǒng)應用中的深入，研究對象由機械、控制、液壓等不同領域子系統(tǒng)組合而成的情況迅速增加，采用單一軟件的分析方法已經難以適應研究對象發(fā)展的需要，多學科聯(lián)合仿真技術為解決這類問題提供了手段。

本書可供高等院校的研究生及科研院所、企業(yè)有關專業(yè)設計人員參考，應用領域包括汽車、航空航天、機械、液壓等行業(yè)。

1.網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制算法及其實現(xiàn) 　網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法就是將復雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法和網(wǎng)絡自動化技術相結合，用來解決網(wǎng)絡化復雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題，使其在難以建模、系統(tǒng)具有網(wǎng)絡化和區(qū)域化等情況下，獲得滿意的優(yōu)化控制結果。網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法的特點是引入了網(wǎng)絡回路，在優(yōu)化算法中引人了一些不確定因素，其優(yōu)化控制更加依賴于網(wǎng)絡系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的關鍵技術在于動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化與參數(shù)估計集成優(yōu)化方法的實現(xiàn)和網(wǎng)絡信息傳輸，借助于動態(tài)系統(tǒng)集成優(yōu)化控制技術和網(wǎng)絡自動化技術可實現(xiàn)網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制，可以基于局域網(wǎng)或Intemet實現(xiàn)。

2.網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的特征 　對一個動態(tài)優(yōu)化控制方法，除了給出優(yōu)化算法，還需要對其性能進行分析，只有這樣才能保證優(yōu)化方法的實施。網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法的性能包括實時性、最優(yōu)性、收斂性及其魯棒性等。

• 1).實時性 　在引人網(wǎng)絡之前，針對跨區(qū)域的復雜系統(tǒng)，其優(yōu)化控制的實施是很困難的，即使能夠，其實時性也難以保證。網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法由于借助于計算機網(wǎng)絡技術來實施集成優(yōu)化控制，可以較好地解決跨區(qū)域復雜系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的實時性問題。

• 2).最優(yōu)性 　算法最優(yōu)性是指在算法收斂的情況下，收斂解是否實際系統(tǒng)的最優(yōu)解。對于網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法，在最優(yōu)解存在且唯一等假設條件下，若算法收斂，則收斂解滿足最優(yōu)性必要條件，即所得優(yōu)化解是實際系統(tǒng)的真實最優(yōu)解。

• 3).收斂性 　網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法需要實施，首先要求其優(yōu)化控制算法是收斂的，收斂性就是研究算法收斂的條件，針對不同的算法其收斂性條件有所不同。對于網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法，其優(yōu)化的框架沒有改變，只是引人了網(wǎng)絡回路，利用算法映射及壓縮映射原理，通過分析可以獲得保證優(yōu)化算法收斂的條件。

• 4).魯棒性 　網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法的魯棒性問題是指在存在這樣那樣擾動的情況下，優(yōu)化算法保持其收斂性，并收斂到最優(yōu)解的能力。網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法在不需要實際過程的精確數(shù)學模型的情況下可以獲得實際系統(tǒng)的真實最優(yōu)解，對模型的結構和參數(shù)具有較強的魯棒性。

網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法是一種基于網(wǎng)絡環(huán)境下的集成優(yōu)化控制方法，計算機網(wǎng)絡的信息的安全問題必然影響到系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的實施。因此，對網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制中的信息安全問題及其對策進行分析和研究是十分必要的，只有這樣才能保證網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制的順利實施。網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制中的信息安全問題可以借助于計算機網(wǎng)絡的信息安全對策予以解決。

網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決區(qū)域性復雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了一種新思路，該方法具有以下優(yōu)越性:

• 1)由于網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法本質是采用動態(tài)大系統(tǒng)的DISOPE遞階優(yōu)化方法，這樣就使得網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制在不需要復雜系統(tǒng)的精確數(shù)學模型的情況下，就可以獲得實際系統(tǒng)的真實最優(yōu)解;

• 2)網(wǎng)絡化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決跨區(qū)域性的復雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了一種可靠的實現(xiàn)途徑和形式。同時由于網(wǎng)絡自動化技術的發(fā)展和網(wǎng)絡信息傳輸實時性的提高，使得實時地解決區(qū)域性的復雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制成為可能。

第1章 基本概念

1.1 實物系統(tǒng)及其模型的建立

1.2 物質本質（運動）的相似

1.3 相似性原理、類比推理及其對仿真設計的影響

1.4 機電系統(tǒng)的一般性質

1.5 機械電子系統(tǒng)的模型

1.6 機電系統(tǒng)的數(shù)學模型

思考題

第2章 系統(tǒng)的半實物仿真

2.1 簡單機電系統(tǒng)的半實物仿真

2.1.1 系統(tǒng)仿真

2.1.2 仿真作用

2.1.3 仿真分類

2.2 一階系統(tǒng)的特性及其相似

2.2.1 典型機械元件及其特性

2.2.2 典型電氣元件及其特性

2.2.3 機械系統(tǒng)的一階模型

2.2.4 電氣系統(tǒng)的一階模型

2.2.5 拉普拉斯變換

2.2.6 一階系統(tǒng)的解及其特性與相似

2.2.7 一階系統(tǒng)階躍輸入的輸出響應

2.3 二階系統(tǒng)的特性及其相似

2.3.1 機械系統(tǒng)的二階數(shù)學模型

2.3.2 電氣系統(tǒng)的二階數(shù)學模型

2.3.3 二階系統(tǒng)的解及其特性與相似

2.3.4 二階系統(tǒng)的階躍響應

2.3.5 二階系統(tǒng)的性能指標

2.4 控制器的設計

2.5 基于運算放大器模擬電路的半實物仿真

2.5.1 半實物系統(tǒng)的仿真

2.5.2 微機的接入

思考題

第3章 系統(tǒng)的數(shù)學建模及性能分析

3.1 引言

3.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型

3.3 系統(tǒng)的頻率特性分析

3.3.1 頻率特性分析的輸入——正弦信號

3.3.2 頻率特性的含義

3.3.3 頻率特性的表示方法

3.3.4 典型環(huán)節(jié)的頻率特性

3.4 MATLAB工具箱的數(shù)學建模

3.4.1 數(shù)學模型的建立

3.4.2 數(shù)學模型的連接

3.4.3 時域分析

3.4.4 頻域分析

3.5 Simulink仿真的數(shù)學建模

3.5.1 打開模型窗口的方法

3.5.2 模塊的復制、移動與刪除

3.5.3 模塊的連接

3.5.4 模塊名稱的修改

3.5.5 模型文件的保存與打開

3.5.6 Simulink中的常用模塊庫

思考題

第4章 建模仿真在輪式移動平臺設計中的應用

4.1 系統(tǒng)概述

4.2 機構分析的建模仿真—

4.3 運動控制的建模與仿真

4.3.1 運動學分析

4.3.2 動力學分析

4.4 實物平臺模型的控制實例應用

思考題

第5章 機械傳動系統(tǒng)的運動分析與仿真

5.1 關節(jié)式機械手的運動學建模

5.1.1 基于閉環(huán)矢量法的運動學建模

5.1.2 基于D—H法的系統(tǒng)運動學建模

5.2 機械傳動系統(tǒng)的動力學建模

5.2.1 連桿上任意一點的速度計算

5.2.2 動能和位能的計算

5.2.3 動力學方程推導

5.3 機器人仿真實例

5.3.1 Robotics Tooibox簡介

5.3.2 在MATLAB中安裝Robotics Toolbox

5.3.3 FUMA560的MATLAB仿真

思考題

第6章 驅動系統(tǒng)的建模和仿真

6.1 概述

6.2 直流伺服電動機的建模與仿真

6.3 永磁無刷直流電機建模與仿真

6.4 永磁同步電動機建模與仿真

6.5 本章小結

思考題

第7章 飛行動力地面模擬系統(tǒng)的相似模型

7.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

7.2 初步設計

7.2.1 設計任務設想

7.2.2 系統(tǒng)方案選擇

7.2.3 驅動裝置的選擇

7.2.4 系統(tǒng)結構形式

7.2.5 微處理機選型

7.3 具體設計

7.3.1 設計重點

7.3.2 設計方法

7.3.3 安全問題

7.4 本章小結

思考題 2100433B

本書共分6章,內容涉及機電系統(tǒng)的動力學方程、動力學仿真軟件和試驗建模方法;面向動力學模型和面向實體模型的機電系統(tǒng)仿真分析方法；重點介紹了MATLAB系統(tǒng)分析與設計工具在基于傳遞函數(shù)的伺服控制系統(tǒng)設計與仿真、基于狀態(tài)空間模型的控制系統(tǒng)設計、模糊控制系統(tǒng)設計及仿真的應用；基于dSPACE的半物理仿真及辨識試驗方法。

本書的特色在于突出機電系統(tǒng)的一體化設計思想,并結合機電系統(tǒng)研究的科研實踐,在教材中充實了大量的應用實例,每章課后附有習題和思考題，增強了本書的實用性。本書可作為高等院校機械電子工程專業(yè)的研究生教材,也可作為相關專業(yè)、科技人員的參考資料。