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1、2018/12/5,1,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,Ch7.2 动态仿真设计,研究机电系统动态特性或对其控制，需先数学建模，再模型仿真分析，再实验 仿真基础是相似性,2018/12/5,2,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,1 仿真基本概念,仿真类型： 实物仿真 数学仿真（解析模型、统计模型、表上作业演练） 混合仿真,2018/12/5,3,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,仿真过程及步骤,仿真一般过程：建模实验分析 主要步骤： 系统问题描述系统分析系统建模（数学模型或方框流程图）数据收集与统计检验构造仿真模型仿真程序编制与验证仿真模
2、型确认仿真实验设计仿真模型运行仿真结果分析仿真总结,2018/12/5,4,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2 机电系统建模,1). 模型分类： 按系统模型分类,2018/12/5,5,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,按系统状态特征：离散型、连续型； 按系统是否含随机因素：确定性模型、随机性模型； 按是否具有时变性：静态、动态,2018/12/5,6,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2 ) 机电系统数学模型,线性定常系统： 线性时变系统： 可用叠加原理 非线性系统处理方法：线性化处理；忽略非线性因素；按非线性方法进行处理,2018/1
3、2/5,7,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,（1） 机械传动系统建模 机械移动系统 机械移动系统力学模型,2018/12/5,8,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,两连体系统,(a) 系统方框图 (b) 简化后的系统方框图 两连体系统的动力模型,2018/12/5,9,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院, 机械转动系统,同步齿形带驱动装置示意图,同步齿形带驱动装置系统方框图,2018/12/5,10,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,（2） 电路网络系统建模, 无源网络,(a) 无源网络 (b) 无源网络动态结构图 基本无
4、源网络框图,2018/12/5,11,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院, 有源网络,（a） 比例-积分电路 (b) 比例-积分电路动态结构 基本有源网络框图,2018/12/5,12,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,（3） 伺服电动机动力模型, 电枢控制式直流电动机,电枢控制式直流电动机原理图,2018/12/5,13,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院, 磁场控制式直流电动机,磁场控制式直流电动机原理图,2018/12/5,14,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院, 交流伺服电动机,磁场控制式交流电动机原理图,2018/1
5、2/5,15,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,机械系统和电系统存在着相似性。 机械系统电系统网络电系统传递函数机械结构的传递函数； 系统环节求出各环节的传递函数画出系统方块图求出系统的传送函数 连续系统应用拉普拉斯求得系统的传递函数拉普拉斯反变换求出系统的时间响应； 计算机控制（离散系统应用Z变换把s域的超越方程或离散系统z的代数方程离散系统的脉冲传递函数Z变换法求出离散系统的时间响应,2018/12/5,16,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,7.3 Simulink概述,2018/12/5,17,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,7.
6、3.1 Simulink工作平台,启动Simulink，通常有两种方法： （1）在MATLAB命令窗口中直接输入Simulink命令； （2）在MATLAB工具栏上单击Simulink按钮，如图7.1所示。,图7.1 启动Simulink,这样就可打开了Simulink的Simulink Library Brower(库模块浏览器) 。在菜单栏中执行File/New/Model命令，就建立了一个名为untitled的模型窗口。在建立了空的模块窗口后，用户可以在此窗口中创建自己需要的Simulink模型。,2018/12/5,18,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2018/1
7、2/5,19,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2018/12/5,20,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,图7.2库模块浏览器,图7.3 新建的空白模块窗口,2018/12/5,21,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2018/12/5,22,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,连续模块,微分,状态空间,积分,传递函数,输入延迟,输入信号给定延迟,输入不定量延迟,零、极点模型,2018/12/5,23,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,输入模块,2018/12/5,24,Matlab语言机械工程应用 郑州
8、大学机械工程学院,输出模块,2018/12/5,25,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,7.3.2 Simulink的仿真原理,1 Simulink仿真模块 通常，Simulink仿真系统包括输入(Input)、状态(states)和输出(Output)三个部分。,输入模块：即信号源模块，包括常数字信号源和用户自定义信号； 状态模块：即被模拟的系统模块，是系统建模的核心和主要部分； 输出模块：即信号显示模块，它能以图形方式、文件格式进行显示,注意：在设计一个模型时，必须先确定这三个部分的意，以及它们之间的联系；Simulink的仿真模型并非一定要完全包括这三个部分，它可以缺少
9、其中一个或者两个； Simulink的状态模块可以是连续的、离散的，或者它们二者的结合。,2018/12/5,26,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2 Simulink仿真过程 1）初始化阶段 对模型的参数进行估计，得到它们实际计算的值。 展开模型的各个层次； 按照更新的次序对模型进行排序； 确定那些显式化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接它们输入端的信号； 确定所有非显式的信号采样时间模块的采样时间； 分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。,2）模型执行阶段 模型仿真是通过数值积分来进行完成的，计算数值积分可以采用以下两步来进行： 按照秩序计
10、算每个模块的积分； 根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器，以计算下一个采样点的状态矢量。在每一个时间步中，Simulink依次解决下列问题： 按照秩序更新模块的输出； 按照秩序更新模块的状态； 检查模块连续状态的不连续点； 计算下一个仿真时间步的时间。,2018/12/5,27,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,1 连续模块库(Continuous) 在连续模块(Continuous)库中包括了常见的连续模块，这些模块如图所示。,7. 3.3 Simulink模块库,在库模块浏览器中单击Simulink前面的“+”号，就能够看到Simulin
11、k的模块库，如图7.2所示。,2018/12/5,28,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,1）. 积分模块(Integrator)： 功能：对输入变量进行积分。说明：模块的输入可以是标量，也可以是矢量；输入信号的维数必须与输入信号保持一致。 2）. 微分模块(Derivative) 功能：通过计算差分u/ t近似计算输入变量的微分。 3）. 线性状态空间模块(State-Space) 功能：用于实现以下数学方程描述的系统：,4）. 传递函数模块(Transfer Fcn) 功能：用执行一个线性传递函数。 5）. 零极点传递函数模块(Zero-Pole) 功能：用于建立一个预先
12、指定的零点、极点，并用延迟算子s表示的连续。 6）存储器模块(Memory) 功能：保持输出前一步的输入值。 7）传输延迟模块(Transport Delay) 功能：用于将输入端的信号延迟指定的时间后再传输给输出信号。 8）可变传输延迟模块(Variable Transport Delay) 功能：用于将输入端的信号进行可变时间的延迟。,2018/12/5,29,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2 离散模块库(Discrete) 离散模块库(Discrete)主要用于建立离散采样的系统模型，包括的主要模块，如图所示。,1）零阶保持器模块(Zero-Order-Hold)
13、功能：在一个步长内将输出的值保持在同一个值上。,2018/12/5,30,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,2）单位延迟模块(Unit Delay) 功能：将输入信号作单位延迟，并且保持一个采样周期相当于时间算子z-1 。 3）离散时间积分模块(Discrete Time Integrator) 功能：在构造完全离散的系统时，代替连续积分的功能。使用的积分方法有：向前欧拉法、向后欧拉法、梯形法。 4）离散状态空间模块(Discrete State Space) 功能：用于实现如下数学方程描述的系统：,5）离散滤波器模块(Discrete Filter) 功能：用于实现无限脉冲
14、响应(IIR)和有限脉冲响应(FIR)的数字滤波器。 6）离散传递函数模块(Discrete Transfer Fcn) 功能：用于执行一个离散传递函数。 7）离散零极点传递函数模块(Discrete Zero-Pole) 功能：用于建立一个预先指定的零点、极点，并用延迟算子z-1表示的离散系统。 8）一阶保持器模块(First Order Hold) 功能：在一定时间间隔内保持一阶采样。,2018/12/5,31,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,3 函数与表格模块库(Function & Table) 函数与表格模块库(Function & Table)主要实现各种一维、
15、二维或者更高维函数的查表，另外用户还可以根据自己需要创建更复杂的函数。该模块库包括多个主要模块、如图7.7所示。,2018/12/5,32,Matlab语言机械工程应用 郑州大学机械工程学院,1）. 一维查表模块(Look-Up Table) 一维查表模块(Look-Up Table)实现对单路输入信号的查表和线性插值。 2）二维查表模块(Look-Up Table 2-D) 功能：根据给定的二维平面网格上的高度值，把输入的两个变量经过查表、插值，计算出模块的输出值，并返回这个值。 说明：对二维输入信号进行分段线性变换。,3）自定义函数模块(Fcn) 功能：用于将输入信号进行指定的函数运算，最
16、后计算出模块的输出值。 说明：输入的数学表达式应符合C语言编程规范；与MATLAB中的表达式有所不同，不能完成矩阵运算。 4）MATLAB函数模块(MATLAB Fcn) 功能：对输入信号进行MATLAB函数及表达式的处理。 说明：模块为单输入模块；能够完成矩阵运算。 注意：从运算速度角度，Math function模块要比Fcn模块慢。当需要提高速度时，可以考虑采用Fcn 或者S函数模块。 5）S-函数模块(S-Function) 功能：按照Simulink标准，编写用户自己的Simulink函数。它能够将MATLAB语句、C语言等编写的函数放在Simulink模块中运行，最后计算模块的输出值。,2018/12/5,33,Matlab语言机械工程
