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机电系统动态仿真天津工业大学机电教研室主讲教师:刘欣通过本课程的学习，使学生初步了解机电系统相关技术以及仿真建模方法；掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学课程《机械控制工程》和《机电传动控制基础》，学会运用程序和建模语言进行机电系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。课程任务学时安排与考试形式总学时：30（其中上机学时10）考试方式：笔试70%+上课10%+上机10%+作业10%机电系统相关技术与仿真技术概述MATLAB语言基础系统数学模型的建立与仿真的数值积分方法运用仿真工具对系统进行数学描述建模和分析SIMULINK仿真基础机电系统动态仿真实例教学内容参考书目《机电系统动态仿真》机械工业出版社2005刘白雁《系统仿真技术》北京航空航天大学出版社2006彭晓源《机电系统仿真与设计》哈尔滨工程大学出版社2006张立勋等《基于MATLAB/simulink的系统仿真技术与应用》清华大学出版社2002薛定宇《控制系统MATLAB计算及仿真》国防工业出版社，2004黄忠霖《系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2002年薛定宇等第一讲机电系统与仿真概述Mechatronics=Mechanics+Electronics机械电子学=机械学+电子学从系统的观点出发，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。1.机电一体化技术1.1共性关键技术1.精密机械技术与传统的机械产品的区别：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。2.信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。3.自动控制技术自动控制技术范围很广，机电系统设计在基本控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统进行设计；对设计后的系统进行仿真和现场调试，最后使研制的系统可靠地投入运行。控制系统是指由被控对象和控制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。4.检测传感技术传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。5.伺服驱动技术伺服驱动包括电动、气动、液压等各种类型的驱动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路。6.系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和全局角度，把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题，即使各个组成要素的性能和可靠性很好，但如果整个系统不能很好协调，系统也很难正常运行。1.2机电一体化的发展状况1).20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2).70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认。机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。3).90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。1.3机电一体化的发展趋势(7)智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、生理学和混沌动力学新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。主要体现在诊断过程的智能化，人机接口的智能化，加工过程的智能化。模块化：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程。网络化：20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。微型化：微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。绿色化：机电一体化产品的绿色化是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。人格化：机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能情感人性显得越来越重要，另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。系统化：系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能大大加强。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。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.机电系统在机械主功能、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结合而构成系统的总称（运用机电一体化技术的系统）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。2.1机电系统的特点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。三环论机电一体化软件机械学电子学2.2基本组成要素五块论典型的机电系统应包含以下几个基本要素：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4.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。在工程技术界，系统仿真是指通过系统模型的试验间接的获取原形的规律性认识。计算机与信息处理技术的发展给系统的仿真技术带来了惊人的变化。只要设计者能够全面了解了系统所处的环境及系统中的对象，并能够建立系统的数学模型，便可以使用计算机对于系统进行仿真与分析。1、模型的定义模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。2、模型的分类（1）物理模型是一类具有某种实物物理特征的模型，是不以人的意志为转移的客观存在的实体，是根据现实系统的物理性质构造的。如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。4.1仿真模型（2）数学模型是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。是根据现实系统的数学关系构造的。（3）仿真模型指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的数字模型。4.2计算机仿真计算机仿真的定义计算机仿真也称计算机模拟，是利用计算机对研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者，进行动态性能的比较，利用建立的模型对系统进行研究和分析，并将系统过程演练出来。利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。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。计算机仿真程序可以重复利用，方便对系统的修改，代价小；通过不断的进行仿真修改可以深化对系统的认识，进而对系统采取相应的控制策略；利用计算机仿真，会更接近实际系统的工作状态，可以实现机电产品的快速开发。计算机仿真三要素（1）系统：研究的对象（2）模型：系统的抽象（3）计算机：工具与手段系统模型计算机建立仿真模型建立数学模型仿真实验结果分析图1.1计算机仿真三要素关系图计算机仿真内容及基本步骤包括三个基本的内容：建模仿真实验结果分析问题的阐述设置目标建立模型仿真实验设计编程序验证正确与否确认运行分析输出结果是是否否图1.2计算机仿真程序流程4.3仿真的分类按系统数学模型描述方法分1、定量仿真：仿真系统中的模型均为基于一定机理和算法建立起来的确定性模型，其输出输入参数也是用数值表示，是定量的。如：动力学系统、电路系统等连续系统的数学模型主要是基于微分方程描述，仿真模型采用不同的离散算法；在时间点上离散的系统，如采样系统直接采用差分方程描述，输入输出参数也是定量的。2、定性仿真：仿真系统中的模型采用定性描述，在本质上是一种非数值化得建模仿真方法。模型及输入输出信息、行为表示与分析均采用一种模糊、不确定性的、非量化的表示。源于对复杂系统的仿真研究，因为系统过于复杂，建模知识不完备，无法构造系统的精确定量模型；但它能处理多种形式的信息，有推理和学习的能力，能初步模仿人类思维方式。如模糊建模方法、图像建模方法等。按仿真时钟与墙钟时间的比例关系分1、实时仿真：仿真时钟推进时间与墙钟推进时间完全一致，两者比例因子等于1；2、欠实时仿真：仿真时钟推进时间比墙钟推进时间慢，一致，两者比例因子小于1；3、超实时仿真：仿真时钟推进时间比墙钟推进时间快，两者比例因子大于1。4.4仿真技术的应用1、航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以等。电站操作人员培训模拟系统。3、原子能工业模拟核反应堆核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域医学社会学宏观经济与商业策略的研究4.5仿真技术的意义1、经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5，而且设备可以重复使用。2、安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。3、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等