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小球-杠杆控制问题机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术,是CAE发展的一个主要分支。采用该项技术,工程师可在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,改进样机设计参数,从而得到最优的设计方案。虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。其中,美国MSC公司出产的机械系统动力学分析软件ADAMS最具代表性。ADAMS(AutomatedDynamicAnalysisofMechanicalSystems)使用交互式图形环境,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法,可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。在现代机械工程中,机电一体化产品的设计问题必须系统地考虑机械和控制两大组成部分。对于具有复杂控制装置的机械系统,利用ADAMS进行设计和建模,并调用控制系统设计软件Matlab进行交互式仿真分析,可将复杂机械系统动力学和控制仿真集成一体,为机械系统设计提供现代方法和先进手段。运用ADAMS和Matlab交互式仿真系统能将一般力学的基本原理与现代控制理论相结合，更有效地解决机械系统控制问题。1．运用ADAMS对小球杠杆相应线性化处理ADAMS是多体动力学系统建模仿真分析平台，其最有特色的是大位移非线性积分运算。在ADAMS中建立如下图所示的“小球杠杆”模型，模拟过程中，小球在脉冲力的作用下，将向杠杆的一端滚动，由于梁的两端受力不平衡，最终小球会掉下去。为了使小球能在杠杆上稳定下来，在杠杆的中间要定义一个控制力矩，通过小球的位移和杠杆的角度大小来确定力矩的大小。2.在ADAMS导入模型,如图1所示。图13.创建仿真脚本：点击Simulate-SimulateScript-New，在ScriptType窗口中选择ADAMS/SolverCommands。将ADAMS/SolverCommands模块下的AppendAFCCommand窗口先改为TransientSimulation，修改其中参数如2—1图所示，然后将TransientSimulation窗口改为GeneralStateMatrix，修改其中的参数如2—2图所示。图2—1图2—24.开始仿真：Simulate-ScriptedControls。如图3所示：图35.打开Matlab，新建并将程序拷入，保存路径设置为之前adams设置的保存路径-adams_work，运行。如图4所示：图46.点击菜单栏中的Simulink按钮，弹出SimulinkLibraryBrowser窗口，新建。将SimulinkLibraryBrowser窗口中的ControlSystemToolbox，将LTISystem拖两个到新建文本中，右键点击其中一个LTI，选择Format-FlipBlock，将其箭头方向旋转一个方向。再将Sinks中的Scope拖入到文本中，将Sources中的Step拖入到文本中，将Vathoperations中的Sum拖入到文本中，仿真模块在文本中的布局如图5所示，并用箭头依次连接各个仿真模块。图57．将两个LTISystem的名称修改为SS和rsys如图6所示：图68.双击示波器Scope，将Datahistory中的Limitdatapointstolast去掉，仿真，在示波器Scope中的显示结果如图7左图所示，将显示结果沿Y轴局部放大，可以看到其趋近于-0.0177。图79.将MathOperation中的Gain添加到Step和Sum之间，并修改Gain中的参数为-1|0.0177。如图8所示：图810．再次对模型进行仿真，并在示波器上显示仿真结果。如图9所示：图911.在matlab中再新建一个文本，拷入控制器模型后处理程序，运行程序如下图10所示，在保存路径中会出现4个新的文件，分别为AAA，BBB，CCC，DDD。图1012.在adams的模型中，创建数组：Build-DataElement-Array-New。通过Tools-DatabaseNavigator-tmp_MDI_POUTPUT中的Variables查看U数组中输入变量的顺序，这里是先Angle后Position。创建U，X，Y数组。如图11所示：图1113.根据matlab中生成的AAA，BBB，CCC，DDD四个矩阵来创建。将四个文件中的数据复制到新建的数组中。如图12所示：图1214.创建控制信号，创建变量：Build-SystemElements-StateVariable-New，修改变量：Build-SystemElements-StateVariable-Modify。在DatabaseNagivator中选择ball_beam-Torque_In，在弹出的窗口中选择DataElement，先选择AlgebraicVariableValue，输入变量名control_signal。再选择ArrayElementValue，数组名输入ARRAY_Y，元素数输入1。如图13所示：图1315.模型仿真：激活SimulationControl中的interactive选项，将Endtime改为10，Steps改为500。如图14所示：图1416.将变量修改为阶跃信号：Build-SystemElements-StateVariable-Modify。在DatabaseNagivator中选择ball_beam-Control_Signal，在弹出的窗口中选择MathFunction，选择Step，各项参数修改如图15、16所示。图15图1617.激活仿真控制面板中的Resetbeforerunning，进行仿真。并查看仿真结果：在左侧面板中选择plotting。在soruce中选择ResultSets，在ResultSets中选择Position，Torque_In和Beam_Angle，在Component中选择Q，其仿真结果如图17所示：图1718。将控制信号修改为余弦曲线：Build-SystemElements-StateVariable-Modify，在DatabaseNagivator中选择control_signal，在弹出的窗口中选择MathFunction。变量最终修改为如图18所示。图1819.将控制信号修改为上述余弦信号后，进行仿真，发现移动距离过小，于是将参数COS（2*pi*0.5*time）修改为COS（2*pi*0.05*time），这次移动距离刚刚好，查看仿真结果：在左侧面板中选择plotting。在soruce中选择ResultSets，在ResultSets中选择Position，Beam_Angle和Torque_In，在Component中选择Q，其仿真结果如图19、20所示：图19图20机械与控制系统集成方法的优势远远大于机械与控制的单独应用。运用虚拟样机软件ADAMS和数值计算软件Matlab建立交互式仿真系统,并采用比例微分控制对二阶机械臂进行定位控制模拟。在使用联合仿真以前,机械设计工程师和控制工程师使用不同的软件对同一概念设计进行重复建模,并进行不同的设计验证和实验,然后制造物理样机。一旦出现问题,不管是机械系统的故障还是控制系统的故障,两者都要重新设计。使用ADAMS/Controls模块,机械设计师和控制工程师可以共享同一个虚拟模型,进行同样的设计验证和实验,使机械系统和控制系统设计能够协调一致,既节约了设计时间,又增加了设计的可靠性。随着专业仿真工具的不断健全，复杂系统和行为的仿真受到了单一学科或领域方法的制约，而跨学科跨领域协同设计与仿真能够使集成性能达到最佳，已经得到了更加广泛的接受。这种高性能的集成方法具有以下特点：协同性：基于高斯线性最优控制的反馈控制器LQG。交互性：ADAMS和MATLAB两种软件的交互应用。互补性：ADAMS和MATLAB两种软件的相互补充运用。同时，将机械与控制系统集成的方法具有创新性，通过实现闭环系统控制与机械的集成，能够为机械研究领域提供更广的上升空间，促进机械与控制各个领域的飞速发展。虚拟现实作为一门新颖并且充满生命力的技术，它的应用研究已经引起越来越多的学者和工程技术人员的关注。我国对虚拟现实技术应用于机械工程领域进行了大量研究，取得了很多可喜成果，但在工厂的实际应用方面却仍处于初级阶段，应该认真吸取发达国家虚拟设计、虚拟装配、维修训练和维修设计的先进经验，让虚拟现实技术成为我国振兴机械装备制造业的技术支撑。