基于机械与控制的系统集成方法.docx

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基于机械与控制的系统集成方法

基于机械与控制的系统集成方法

【摘要】：

本文通过ADAMS对“小球杠杆”系统进行仿真分析，并运用Matlab软件对分析结果进行输入与输出的控制，得到在不同的控制信号下小球的位移和杠杆的转动角度。

通过上述系统来说明机械与控制的系统集成为实际机械工程提供更好的设计指导。

关键词：

机械；控制；ADAMS；Matlab

【Abstract】：

AnanalysissystemismadebasedonthebeamballsystemwiththeADAMSsimulationandusingMatlabforthecontrolofinputandoutput,wegetdifferentdisplacementsoftheballanddifferentanglesofthebeamindifferentsignals.Throughthissystemtoillustratemechanicalandcontrolsystemintegrationfortheactualmechanicalengineeringdesignandmanufacturingtoprovideabetterguide.

Keywords:

Machine;Control;ADAMS；Matlab

1引言

工程机械控制系统的发展大体经历了机械控制、液压控制、模拟电路控制、数字电路控制，到当今的数字网络控制几个阶段。

随着超大规模集成电路技术和网络技术的飞速发展，以及新型传感器和电控发动机的广泛应用，集成电子控制系统已经成为工程机械，尤其是大型和复杂工程机械的必须配置。

2机械与控制的系统集成

2.1虚拟样机技术

随着全球经济的一体化，工程机械产品市场的竞争日益激烈。

为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。

在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。

运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。

因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。

虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。

一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。

另一方面，传统的产品设计方法是一个串行的过程，各子系统（如：

整机结构、液压系统、控制系统等）的设计都是独立的，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费。

运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。

虚拟样机技术已被广泛应用在航空航天、汽车制造、工程机械、铁道、造船、军事装备、机械电子，以及娱乐设备等各个领域。

2.2机械与控制在虚拟样机基础上的系统集成

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。

Matlab的含义是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY），是一套高性能的数值计算和可视化数学软件。

Matlab集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，并提供了大量的内置函数，构成了一个方便、界面友好的用户环境，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计。

此外，Matlab中的仿真工具箱Simulink是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包，它提供了友好的图形用户界面，模型由模块组成的框图来表示，用户建模非常简单、方便，而且仿真过程是交互的，可随意修改仿真参数，并且可以对仿真结果进行分析和可视化。

因此，将Matlab及其提供的Simulink仿真软件应用到机械设计与控制中，可以改变传统的设计与控制相互独立的模式，简化设计分析与实验的过程，缩短制造周期并减少各种消耗。

Matlab提供的仿真实验平台还具备实验教学无法拥有的许多特点，例如：

不受外界复杂因素的干扰，不会造成人身伤害，大大节约实验成本，既可以演示复杂控制系统的未知结果，又可以改变系统参数，演示系统随参数变化的结果或趋势。

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。

3基于ADAMS和Matlab对小球杠杆模型的分析

3.1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中建立如图3.1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。

编写脚本文件，将模型线性化处理，输出线性模型，得出特征值及模态，用ADAMSSolver命令求解，设

为0.5s，分50步通过输入和输出，得出相应状态方程SS（A,B,C,D）,运行模型如图3.2，小球运动从杠杆滑下。

图3.1小球杠杆模型

图3.2小球运动模型

3.2LTI线性识别系统分析与校正

对于线性时不变系统（LTI），MatLab提供了LTIViewer、SISODesign和SimuLink三个系统分析、设计和仿真平台。

在MATLAB软件中读入线性模型，进行简约处理，对于状态空间方程，需要指定输入变量。

和输出变量Y，并得到如下形式方程

（1）

通过建立可控矩阵（A,B）判断系统可控性，通过建立可观矩阵（A,C）判断系统可观性，经过判定矩阵秩为5，与独立变量数相等，具有可控可观性。

用SIMULINK进行线性控制系统闭环验证，设计LQG，构成闭环反馈，利用SIMULINK进行扰动仿真分析，如下图3.3

线性对象：

小球杠杆

反馈控制器LQG

开环增益

图3.3线性控制系统模型

输入阶跃信号，用Calman观测器输出响应曲线如图3.4，通过Y轴放大，可见稳定值为

，改变增益K，使K为

使输出响应在稳定值为1，如图3.5所示，编写后处理文件，输出控制器模型。

图3.4响应曲线

图3.5改变增益K后响应曲线

3.3ADAMS非线性闭环系统

回到ADAMS环境，修改模型名称，并依照顺序定义：

输入维数X，输入变量组U、输出变量组Y，（A，B，C，D）矩阵。

定义线性状态方程LSE，定义控制信号变量，修改杠杆力矩变量，通过反馈控制器LQG，将反馈Y与输入U叠加，进行闭环控制系统仿真，协同仿真。

3.3.1控制信号取阶跃函数

取上升时间分别为0.8s、1s、2s、3s的单位阶跃函数控制信号如图3.6，小球运动停止位置，如图3.7所示，在距离为1m处停止。

（a）0.8s（b）1s

（c）2s（d）3s

图3.6单位阶跃函数

图3.7小球运动停止位置

对比四种情况下输出小球运动位置图像（如图3.8）和杠杆转动角度图像（如图3.9），从图中可以看出，控制信号时间越短，越快达到稳定值1，但同时超调量也越大。

图3.8小球运动位置

图3.9杠杆转角

3.3.2控制信号取连续阶跃函数

输入连续阶跃函数控制信号step（0,0,3,1）-step（5,0,8,1）-step（10,0,13,1）+step（15,0,18,1），如图3.10所示，输出小球运动位置图像（如图3.11）和杠杆转动角度图像（如图3.12）。

图3.10连续阶跃函数

图3.11小球运动位置

图3.12杠杆转动角度

3.3.3控制信号取正弦函数

输入正弦函数控制信号SIN（time*2*pi*0.1），如图3.13所示，输出小球运动位置图像（如图3.14）和杠杆转动角度图像（如图3.15）。

图3.13正弦函数

图3.14小球运动位置

图3.15杠杆转动角度

4结论

本文以小球杠杆为例，说明了将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。

参考文献

[1]王涛，张会明.基于ADAMS和MATLAB的联合控制系统的仿真[J].机械工程与自动化，2005（3）

[2]殷翔，董正筑，王继燕．ADAMS和Matlab交互仿真的机械臂定位控制[J]．长春工业大学学报（自然科学版），2005,4:

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[3]张凌燕，廉自生，周巍.机械控制工程虚拟实验系统的设计[J]．科学之友,2009（8）