工业机器人仿真模拟技术.pptx

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1、 目 录 一、仿真基本概念1.仿真的定义采用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。未知量未知量仿真仿真一、仿真基本概念2.系统由相互联系、相互制约、相互依存的若干要素结合在一起，形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。一、仿真基本概念2.系统按运动性、确定性、连续性、方程类型和参数类型可分为五种。静态系统相对不变，动态系统状态可变。确定系统每个连续状态唯一确定，随机系统每个状态随机。连续系统状态随时间变化连续，离散系统状态随时间变化成间断或突然改变。一、仿真基本概念2.系统线性系统是满足叠加性和均匀性的系统1122XYXY121211X

2、XYYaXaY叠加性 均匀性1212aXbXaYbY 线性标量参数、时间函数一、仿真基本概念3.系统仿真通过系统模型的试验研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统。模型计算机系统建模仿真模型建立仿真实验一、仿真基本概念3.系统仿真a.组成系统的实体对象：电阻R，电感L，电容C，电源e。b.属性：与实体对应的有效特性，如R,L,C,e.c.活动：系统内对象随时间推移产生的状态变化。如生热随时间的变化。一、仿真基本概念4.仿真技术特点对系统问题求数值解。一种人为的试验手段。较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。我国学者认为：系统仿真就是在计算机上或（和）实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效

3、应的、数字物理效应混合的模型），并在模型上进行系统试验。一、仿真基本概念5.仿真技术作用实验、系统收集和积累信息的过程。解决预测、分析和评价等系统问题。复杂的大系统 若干简单的子系统。产生新思想、新策略，暴露出隐藏问题。6.系统仿真的一般过程与步骤一、仿真基本概念建模模型实验结果分析a.分块建立子系统的模型。b.根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。a.设计流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。b. 进行仿真实验并记录结果。a.处理实验数据.b.若未达到预期,则重新查找原因，再进行试验。7.仿真 vs 动画一、仿真基本概念仿真动画a.动态图像b.

4、无法反应出不确定性对系统目标的影响。c.可以与物理定律无关。a.反应不确定性对系统目标的影响b.本质是数学计算。a.仿真动画是根据系统的特征进行仿真并记录为影响的过程。 目 录 二、虚拟样机技术1.基本概念虚拟样机（Virtual Prototyping，简称VP）是面向系统级设计、应用于基于仿真设计过程的技术。DMU数字物理样机FVP功能虚拟样机VFS虚拟工厂仿真二、虚拟样机技术2.对制造业的影响虚拟样机技术是一种概念新颖、方法先进的设计技术，它改变了传统的设计理念，对制造业产生了深远的影响。用户需求和市场分析用户需求和市场分析方案设计方案设计技术设计技术设计物理样机物理样机运行试验运行试验

5、详细设计详细设计批量生产批量生产YN用户需求和市场分析用户需求和市场分析方案设计方案设计CAD/CAM/CAE模型模型虚拟样机虚拟样机仿真测试仿真测试分析评估分析评估N优化设计优化设计技术设计技术设计物理样机物理样机运行试验运行试验详细设计详细设计批量生产批量生产Y二、虚拟样机技术3.核心技术系统总体技术 协调子系统 规范化体系结构建模技术 对实体的数学表示协同仿真技术 交互支撑环境技术 六大特点*SOLIDWORKSSolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。建模流程二、虚拟样机技术二、虚拟样机技术4.建模数学基础确定型系统数学模型微分方程传递函数状态方程结

6、构图连续时间系统模型4.1 微分方程 最基本、最重要的数学模型 反映元部件或系统动态运行的规律 解析法一般步骤：a.确定系统或元部件的输入、输出变量。b.根据物理和化学定律列出系统或元部件的原始方程式，按 照工作条件忽略一些次要因素。c.找出原始方程式中间变量与其它因素的关系式。d.消去原始方程式的中间变量，得到一个关于输入、输出的 微分方程式。e.进行标准化处理，将输出各项放在等号左端，输入各 项放在等号右端，并且按照微分方程的阶次降幂排列，同 时将各系数化为具有一定物理意义的形式。二、虚拟样机技术u（t）RLCi(t)uc(t)例1 已知如图所示的RLC电路系统，其中u(t)为输入量，uc

7、(t)为输出量，要求建立该系统的微分方程模型。根据电路的基本定律，可以列写出如式（1）的微分方程组，这是该电路系统的原始微分方程。dttduCtitutRidttdiLtucc)()()()()()(（1） 二、虚拟样机技术将原始微分方程合并为高阶微分方程:)()()()(22tutudttduRCdttudLCccc（2） )()()()()()()()(1)1(101)1(1)(tubtubtubtubtyatyatyatymmmmnnnn（3） 一般情况下，系统的微分方程可以表示如下：其中u(t)是输入量，y(t)是输出量，且有 mn 二、虚拟样机技术4.2.1传递函数传递函数的定义的定

8、义 对于一个线性定常系统，在初始条件为零时，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为该系统的传递函数。表示为：( )( )( )Y sG sU s4.2.2传递函数传递函数的求取的求取 按照传递函数的定义，利用系统的微分方程进行相应的拉氏变换，即可得到系统的传递函数。4.2 传递函数二、虚拟样机技术)()() 1(2sUsURCsLCsc11)()()(2RCsLCssUsUsGc例例2 2 对于例2.1中RLC电路，已知它的高阶微分模型如式(2)所示，设初始条件为零，两边取拉普拉斯变换得进一步求得相应的传递函数为nnnnmmmmasasasbsbsbsbsUsYsG1111110)

9、()()(一般情况下式(3)所示的系统为零初始条件，对它的两边取拉普拉斯变换得：二、虚拟样机技术4.2.3传递函数传递函数的的性质性质(2) 传递函数只表明输入变量与输出变量之间的动态关系，不 能够反映出系统内部的信息。(3) 传递函数只能直接反映系统在零初始状态下的动态特性。(1) 传递函数是描述线性系统或元部件动态特性的一种 数学模型，在形式上与系统的微分方程一一对应。 若将s看成为微分算符，即 ,22dtdsdtds二、虚拟样机技术(4) 传递函数完全由系统的结构、参数确定，而与输入信号的 形式无关，它反映了系统本身的动态特点。(5)同一个系统，传递函数具有相同的分母多项式，所不同 的是

10、分子多项式。(6)实际系统中，传递函数的分母多项式阶次n总是大于分子 多项式阶次m。(7)传递函数是一种数学抽象，无法直接由它看出实际系统的 物理构造，物理性质不同的系统，完全可以有相同的传递 函数表示。 二、虚拟样机技术4.2.3传递函数传递函数的的性质性质(8)系统的传递函数等于系统的单位脉冲响应的拉普拉斯变换；设g(t)表示系统的单位脉冲响应，即当系统的输入为单位脉冲函数(t)时、系统的输出为g(t)，根据传递函数的定义，显然有：)()()()(tgttgsG(9)当系统中包含有纯延时环节时，传递函数具有如下的形式：TsesGsG)()(0其中，G0(s)表示通常的有理传递函数，T表示纯

11、时延的大小。（根据拉式变换的延时特性）二、虚拟样机技术4.2.3传递函数传递函数的的性质性质)()()(TtutaytyTsesUsYas）()()(TsTsesGeassUsYsG)(1)()()(0例例3 系统的微分方程为则该系统包含了纯时延环节，T表示延时的大小，两边取拉普拉斯变换得进一步得到传递函数二、虚拟样机技术二、虚拟样机技术 为了描述一个连续系统内部的特性及其运动规律，通常采用“状态”的概念。 动态系统的状态是指能够完全刻画系统行为的最小的一组变量。 每个方程只包含一个变量的一阶导数，方程的个数便等于未知变量的个数，这些未知变量也被称为状态变量。4.3 状态方程状态方程引入了系统

12、的内部变量状态变量，因而状态方程描述了系统的内部特性，也被称为系统的内部模型。例1中，选i(t)和uc(t)为状态变量，可以求得如下的一阶微分方程组形式的数学模型即状态方程形式的数学模型。 )(1)()(1)(1)()(tiCdttdutuLtuLtiLRdttdicc（4） 二、虚拟样机技术4.3 状态方程)()(tutyc本例中的输出为若令)()(tuticx011CLLRA01LB10C 0D（5） 二、虚拟样机技术4.3 状态方程则式 （4），式（5）可以写成标准形式的状态方程)()()()()()(ttttttDuCxyBuAxx（6） 二、虚拟样机技术4.3 状态方程建立系统状态方

13、程模型的一般步骤为：二、虚拟样机技术4.3 状态方程原始微分方程建立状态变量的一阶微分方程组标准状态方程1) 状态向量的元素是一组独立的状态变量。2) 对于一个系统，其状态向量的选择不是唯一的。 例如，若原来选择的系统的状态向量为x，它满足式（6）所示的状态方程，那么若选择其中P为nn阶非奇异矩阵，则 也可以作为系统的状态向量。显然， 的分量是x(t)的分量的线性组合。容易求得关于 的状态方程为 状态方程具备下列性质：)()(ttPxx)(tx)(tx)(tx二、虚拟样机技术4.3 状态方程输出方程为)()()()()()()(1ttttxtttDuxCDuCPDuCxy其中11,CPCPBB

14、PAPA)()()()()()()(1ttxtutxtutxtxxuBAPBPAPBAPP二、虚拟样机技术4.4.1 结构图结构图的组成符号、名称及功能的组成符号、名称及功能系统结构图的组成符号主要有以下4种：信号线：带箭头的线段表示系统中信号的流通方向，并标明信号对应的变量。引出点：表示信号从该点取出，从同一信号线上取出的信号，其大小、性质完全相同。比较点：表示两个或两个以上的信号在该点进行叠加。方框： 表示输入、输出信号之间的动态传递关系。二、虚拟样机技术4.4 结构图列出系统中各元部件的微分方程，确定输入、输出变量。以典型环节或典型环节的组合来取代系统中的具体元部件， 将各环节的传递函数

15、填入方框中，标出信号及其流向。按系统中信号的流向，把代表各环节的方框连接起来，即构成系统的结构图。方框图中给出了信息传递的方向，又标出了输入、输出的定量关系。G(s)H(s)R(s) -Y(s)二、虚拟样机技术4.4.2结构图结构图的绘制的绘制步骤步骤 直观 容易由各环节模型求出整个系统的模型或传递函数。 简化从原始微分方程到标准微分方程之间的变换。)()()()()(sYsHsRsGsY)()()(1)()(sRsHsGsGsY)()(1)()()()(sHsGsGsRsYsM整理后得到从而得到整个闭环系统的传递函数为 4.4.2结构图的主要特点结构图的主要特点如由上图易得G(s)H(s)R

16、(s) -Y(s)二、虚拟样机技术例例2.4 2.4 仍以例2.1中图2-6所示的RLC系统为例，其中u(t)为输入，uc(t)为输出。要求用结构图的方法求出从u(t)到uc(t)的传递函数。在例2.1中已经列出了该电路的原始微分方程为dttduCtitutRidttdiLtucc)()()()()()(对上式取拉普拉斯变换并加以整理得)()()()()()(sCsUsIsIRLssUsUcc二、虚拟样机技术根据上式可以画出系统的结构图如下。Uc(s)Ls+RCsU(s)I(s)-对照图反馈控制系统的典型结构图，得)()(1)(RLsCssHsG11)(11)()()(2RCsLCsRLsCssUsUsMc则系统的传递函数为二、虚拟样机技术 目 录 三、仿真软件介绍1.MATLABMATLAB和Mathematica、Maple并称为当今世界三大数学软件。三、仿真软件介绍编程效率高扩充能力强使用方便、上手快捷语句简单、内涵丰富高效的运算能力方便的绘图功能丰富的应用功能1.MATLAB三、仿真软件介绍命令窗口命令窗口文件目录文件目录内存工作区内存工作区过去命令窗口过去命令窗口三、仿真软件