機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化案例解析內(nèi)容簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中的深入，研究對(duì)象由機(jī)械、控制、液壓等不同領(lǐng)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(jīng)難以適應(yīng)研究對(duì)象發(fā)展的需要，多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)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(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員參考，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、航空航天、機(jī)械、液壓等行業(yè)。

第1章 緒論 1

1.1 機(jī)電系統(tǒng) 1

1.1.1 機(jī)電系統(tǒng)的組成 1

1.1.2 機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展 2

1.1.3 機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 3

1.2 仿真技術(shù)及其在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 4

1.2.1 仿真的分類 4

1.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀 6

1.2.3 計(jì)算機(jī)仿真在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 7

1.2.4 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展趨勢(shì) 10

1.3 聯(lián)合仿真技術(shù) 11

1.3.1 聯(lián)合仿真技術(shù)的產(chǎn)生及其內(nèi)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(jiǎn)介 16

2.1.3 MATLAB功能特點(diǎn) 17

2.1.4 Simulink簡(jiǎn)介及特點(diǎn) 18

2.2 ADAMS軟件介紹 20

2.2.1 ADAMS軟件簡(jiǎn)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(jiǎn)介 23

2.3.2 RecurDyn的產(chǎn)品模塊 24

2.3.3 RecurDyn軟件的特點(diǎn) 28

2.4 ANSYS軟件介紹 28

2.4.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)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(jiǎn)介 31

2.5.2 AMESim的特點(diǎn) 33

第3章 基于ADAMS與ANSYS的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真 35

3.1 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)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(jī)器人柔性臂分析實(shí)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(jié)果輸出 45

3.3.7 簡(jiǎn)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(bǔ)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(dòng)力學(xué)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(jié)果分析 65

第5章 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真 71

5.1 機(jī)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(jí)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(dòng)力學(xué)模型 77

5.4.2 定義輸入變量 78

5.4.3 導(dǎo)出ADAMS模型 81

5.4.4 在MATLAB/Simulink中導(dǎo)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)模型 94

6.3.6 定義輸入/輸出接口 101

6.3.7 導(dǎo)出ReurDyn模型 104

6.3.8 連接RecurDyn與MATLAB 104

6.3.9 運(yùn)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(zhǔn)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(jìn)行仿真 114

7.2.1 問題定義 114

7.2.2 ADAMS建模及模型確認(rèn) 114

7.2.3 定義模型的輸入/輸出 116

7.2.4 導(dǎo)出模型 119

7.2.5 創(chuàng)建AMESim模型 121

7.2.6 導(dǎo)入ADAMS模型 121

7.2.7 聯(lián)合仿真模型參數(shù)設(shè)置 124

7.2.8 運(yùn)行仿真 126

7.3 用ADAMS作為仿真主界面進(jìn)行仿真 128

7.3.1 軟件設(shè)置 129

7.3.2 模型準(zhǔn)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(yùn)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(shè)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(dǎo)入Simulink中 144

8.2.5 求解器設(shè)置 145

8.2.6 聯(lián)合仿真分析 146

8.3 共仿真與標(biāo)準(zhǔn)接口的區(qū)別 147

8.4 車輛半主動(dòng)懸架的聯(lián)合仿真 148

8.4.1 半主動(dòng)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(yùn)行聯(lián)合仿真 153

8.5 多個(gè)接口模塊的使用 155

8.6 將MATLAB中的線性系統(tǒng)導(dǎo)入AMESim 157

8.6.1 接口介紹 157

8.6.2 實(shí)例應(yīng)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(jiǎn)介 163

9.1.2 iSIGHT軟件的優(yōu)點(diǎn) 164

9.1.3 集成優(yōu)化的主要步驟 165

9.2 iSIGHT集成MATLAB實(shí)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(wù) 167

9.2.4 設(shè)置約束條件和目標(biāo)函數(shù) 169

9.2.5 運(yùn)行優(yōu)化計(jì)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(shè)置設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)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(shí)例 179

10.2.1 問題定義 179

10.2.2 設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化 179

10.2.3 集成方法 185

10.2.4 讀取目標(biāo)函數(shù) 189

10.2.5 優(yōu)化算法選擇及結(jié)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(jiǎn)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(diǎn) 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(biāo)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(jié)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(jiǎn)介 219

12.1.2 功能和特點(diǎn) 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(yīng)用 238

12.4.1 配置數(shù)據(jù)庫(kù) 239

12.4.2 配置文件倉(cāng)庫(kù)的路徑 240

12.4.3 配置Portal實(shí)例 241

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

12.4.5 運(yùn)行注冊(cè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器 246

附錄A 247

附錄B 249

參考文獻(xiàn) 2512100433B

1.網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制算法及其實(shí)現(xiàn) 　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法就是將復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)化復(fù)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(luò)化和區(qū)域化等情況下，獲得滿意的優(yōu)化控制結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法的特點(diǎn)是引入了網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)在于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化與參數(shù)估計(jì)集成優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，借助于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)集成優(yōu)化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制，可以基于局域網(wǎng)或Intemet實(shí)現(xiàn)。

2.網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的特征 　對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法，除了給出優(yōu)化算法，還需要對(duì)其性能進(jìn)行分析，只有這樣才能保證優(yōu)化方法的實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法的性能包括實(shí)時(shí)性、最優(yōu)性、收斂性及其魯棒性等。

• 1).實(shí)時(shí)性 　在引人網(wǎng)絡(luò)之前，針對(duì)跨區(qū)域的復(fù)雜系統(tǒng)，其優(yōu)化控制的實(shí)施是很困難的，即使能夠，其實(shí)時(shí)性也難以保證。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法由于借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)施集成優(yōu)化控制，可以較好地解決跨區(qū)域復(fù)雜系統(tǒng)集成優(yōu)化控制的實(shí)時(shí)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(shí)際系統(tǒng)的最優(yōu)解。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解。

• 3).收斂性 　網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制方法需要實(shí)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(duì)不同的算法其收斂性條件有所不同。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(dòng)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(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法在不需要實(shí)際過程的精確數(shù)學(xué)模型的情況下可以獲得實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。

網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法是一種基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的集成優(yōu)化控制方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shí)施。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成優(yōu)化控制中的信息安全問題及其對(duì)策進(jìn)行分析和研究是十分必要的，只有這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制的順利實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息安全對(duì)策予以解決。

網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決區(qū)域性復(fù)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(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法本質(zhì)是采用動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)的DISOPE遞階優(yōu)化方法，這樣就使得網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制在不需要復(fù)雜系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的情況下，就可以獲得實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)最優(yōu)解;

• 2)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制方法為解決跨區(qū)域性的復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了一種可靠的實(shí)現(xiàn)途徑和形式。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸實(shí)時(shí)性的提高，使得實(shí)時(shí)地解決區(qū)域性的復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制成為可能。

第1章 基本概念

1.1 實(shí)物系統(tǒng)及其模型的建立

1.2 物質(zhì)本質(zhì)（運(yùn)動(dòng)）的相似

1.3 相似性原理、類比推理及其對(duì)仿真設(shè)計(jì)的影響

1.4 機(jī)電系統(tǒng)的一般性質(zhì)

1.5 機(jī)械電子系統(tǒng)的模型

1.6 機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

思考題

第2章 系統(tǒng)的半實(shí)物仿真

2.1 簡(jiǎn)單機(jī)電系統(tǒng)的半實(shí)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(jī)械元件及其特性

2.2.2 典型電氣元件及其特性

2.2.3 機(jī)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(yīng)

2.3 二階系統(tǒng)的特性及其相似

2.3.1 機(jī)械系統(tǒng)的二階數(shù)學(xué)模型

2.3.2 電氣系統(tǒng)的二階數(shù)學(xué)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(yīng)

2.3.5 二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)

2.4 控制器的設(shè)計(jì)

2.5 基于運(yùn)算放大器模擬電路的半實(shí)物仿真

2.5.1 半實(shí)物系統(tǒng)的仿真

2.5.2 微機(jī)的接入

思考題

第3章 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及性能分析

3.1 引言

3.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(hào)

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(xué)建模

3.4.1 數(shù)學(xué)模型的建立

3.4.2 數(shù)學(xué)模型的連接

3.4.3 時(shí)域分析

3.4.4 頻域分析

3.5 Simulink仿真的數(shù)學(xué)建模

3.5.1 打開模型窗口的方法

3.5.2 模塊的復(fù)制、移動(dòng)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(kù)

思考題

第4章 建模仿真在輪式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)概述

4.2 機(jī)構(gòu)分析的建模仿真—

4.3 運(yùn)動(dòng)控制的建模與仿真

4.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

4.3.2 動(dòng)力學(xué)分析

4.4 實(shí)物平臺(tái)模型的控制實(shí)例應(yīng)用

思考題

第5章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真

5.1 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

5.1.1 基于閉環(huán)矢量法的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

5.1.2 基于D—H法的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

5.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模

5.2.1 連桿上任意一點(diǎn)的速度計(jì)算

5.2.2 動(dòng)能和位能的計(jì)算

5.2.3 動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)

5.3 機(jī)器人仿真實(shí)例

5.3.1 Robotics Tooibox簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模和仿真

6.1 概述

6.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的建模與仿真

6.3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)建模與仿真

6.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)建模與仿真

6.5 本章小結(jié)

思考題

第7章 飛行動(dòng)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(shè)計(jì)

7.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)想

7.2.2 系統(tǒng)方案選擇

7.2.3 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇

7.2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

7.2.5 微處理機(jī)選型

7.3 具體設(shè)計(jì)

7.3.1 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

7.3.2 設(shè)計(jì)方法

7.3.3 安全問題

7.4 本章小結(jié)

思考題 2100433B

本書共分6章,內(nèi)容涉及機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)仿真軟件和試驗(yàn)建模方法;面向動(dòng)力學(xué)模型和面向?qū)嶓w模型的機(jī)電系統(tǒng)仿真分析方法；重點(diǎn)介紹了MATLAB系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工具在基于傳遞函數(shù)的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、基于狀態(tài)空間模型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的應(yīng)用；基于dSPACE的半物理仿真及辨識(shí)試驗(yàn)方法。

本書的特色在于突出機(jī)電系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)思想,并結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)研究的科研實(shí)踐,在教材中充實(shí)了大量的應(yīng)用實(shí)例,每章課后附有習(xí)題和思考題，增強(qiáng)了本書的實(shí)用性。本書可作為高等院校機(jī)械電子工程專業(yè)的研究生教材,也可作為相關(guān)專業(yè)、科技人員的參考資料。