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1、系统动力学与仿真肖涵肖涵coolxiaohancoolxiaohan QQ:10438124QQ:104381241系统动力学仿真1绪论第一章第一章 绪绪 论论 1 1.1.1、系统的定义：系统的定义： 系系统统是是由由相相互互联联系系、相相互互制制约约、相相互互依依存存的的若若干干部部分分结结合合在在一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。一起而形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。( (主传动系统、施工图、教学大纲、培养方案、系统框图）主传动系统、施工图、教学大纲、培养方案、系统框图）系统的特点：系统的特点：第一，系统的整体性；第一，系统的整体性；第二，系统的相关性；第二，系统的相
2、关性；第三，系统具有等级结构性；第三，系统具有等级结构性； 一、一、系统仿真基础知识2系统动力学仿真1绪论1.2、系统、系统-定义定义系统实例系统实例- -加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统一、系统仿真基础知识3系统动力学仿真1绪论1.2、系统、系统-举例举例 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )系统实例系统实例- -人作为闭环系统系统实例系统实例- -工厂经济管理系统1.2 系统仿真基础知识4系统动力学仿真1绪论1.3、系统、系统-特点特点系统是系统是实体实体的集合的集合组成系统的实体具有一定的组成系统的实体具有一定的属性属性。属性指组成系统。属性指组成系统的每一个实体所具有
3、的全部有效特征（如状态和参的每一个实体所具有的全部有效特征（如状态和参数等）。数等）。系统处于系统处于活动活动之中。活动是指实体随时间推移而发之中。活动是指实体随时间推移而发生的属性变化。生的属性变化。 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )一、系统仿真基础知识5系统动力学仿真1绪论1.3、系统、系统-三要素三要素 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )性能状态 系统状态 研究系统，就是研究系统状态的变化，即研究系统的动态特性和运动规律. 一、系统仿真基础知识6系统动力学仿真1绪论1.4、系统、系统-分类分类 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )描述特性
4、物理结构和数学性质 可以用有限个变量描述的系统，称为集中参数系统(用质心描述物体的运动) 需考虑刚体内部运动时 (物体的扭转，场)一、系统仿真基础知识7系统动力学仿真1绪论1.51.5、机械系统的组成及特点机械系统的组成及特点 定定义义：是是能能够够完完成成机机械械功功或或转转化化机机械械能能的的机机构构或或机机构构的组合的组合 特点：特点：机械系统的构件间存在着相对运动机械系统的构件间存在着相对运动相对运动的形式由联接各构件的运动副决定相对运动的形式由联接各构件的运动副决定 机机构构：是是一一种种用用来来传传递递运运动动和和力力或或改改变变运运动动形形式式的的机机械装置。任一机构都是由两个以
5、上的构件组合而成的械装置。任一机构都是由两个以上的构件组合而成的 一、系统仿真基础知识8系统动力学仿真1绪论2.1、模型、模型 建模总是和仿真一起提出来，他通常是仿真建模总是和仿真一起提出来，他通常是仿真的第一步的第一步 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )实际系统模型计算机建模仿真一、系统仿真基础知识9系统动力学仿真1绪论2.2 2.2 模型的概念模型的概念 模型：是对系统的简化和抽象。模型：是对系统的简化和抽象。 模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型进行分析和研究，以达到了解原系统的目的；进行分析和研究，以达到了解原系统的目
6、的；物理模型物理模型根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物；根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物； 数学模型数学模型 是系统的本质特征的数学表达式，即用数学公式来是系统的本质特征的数学表达式，即用数学公式来描述所研究的系统的某一方面的规律描述所研究的系统的某一方面的规律 一、系统仿真基础知识10系统动力学仿真1绪论静态模型 :一般形式是代数方程、逻辑表达关系式。动态模型 :动 态 模 型连续系统 离散系统 确定性模型 随机模型 时间离散 采样控制系统：差分、离散状态方程、脉冲传递函数 离散事件 概率型描述（输出不完全由输入作用产生） 集中参数 :常微分、状态方程 分布参数 :
7、偏微分方程 工程动力学系统动力学热传导计算机采样系统交通系统、市场系统、电话系统、计算机分时系统 11系统动力学仿真1绪论2.3、模型模型-建模建模 建模的三个层次：建模的三个层次： 1) 复制有效复制有效复制有效复制有效：建模者将实际系统看成一个黑箱建模者将实际系统看成一个黑箱,仅从仅从输入输出行为水平上认识系统。输入输出行为水平上认识系统。 2) 预测有效预测有效预测有效预测有效：建模者对实际系统的内部运行情况了：建模者对实际系统的内部运行情况了解清楚解清楚,可预测系统将来的状态和行为变化可预测系统将来的状态和行为变化,但对内部分但对内部分解结构尚不明了。解结构尚不明了。 3) 结构有效结
8、构有效结构有效结构有效：建模者了解系统内部运行情况，也了：建模者了解系统内部运行情况，也了解分解结构。解分解结构。第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )一、系统仿真基础知识12系统动力学仿真1绪论3.1、仿真、仿真 直观上：仿真就是模仿真实的物理世界直观上：仿真就是模仿真实的物理世界 - -简单的三维重现简单的三维重现简单的三维重现简单的三维重现( ( ( (静态静态静态静态) ) ) )： Pro/E Solid Edge Solid Work UG 3D Max -加入动画元素加入动画元素加入动画元素加入动画元素( ( ( (动态动态动态动态) ) ) )： Maya ADAM
9、S 一、系统仿真基础知识13系统动力学仿真1绪论3.1、仿真、仿真 加入各种物理量进行分析（对机械系统而言）加入各种物理量进行分析（对机械系统而言） -运动学、动力学分析：运动学、动力学分析： ADAMS ( (位移、速度、加速度分析位移、速度、加速度分析) ) MATLAB-SIMULINK -有限元分析：有限元分析： ANSYS ALGOR MSC.Nastran，Fatigue SAP 一、 系统仿真基础知识14系统动力学仿真1绪论3.1、仿真、仿真 其它形式的仿真其它形式的仿真 -物流系统仿真：物流系统仿真：物流系统仿真：物流系统仿真： Arena Flexsim -控制系统仿真：控制
10、系统仿真：控制系统仿真：控制系统仿真： MATLAB -三维电磁场仿真：三维电磁场仿真：三维电磁场仿真：三维电磁场仿真： ANSoft 第一章第一章 概述概述( (仿真知识仿真知识) )一、 系统仿真基础知识15系统动力学仿真1绪论3.2、仿真、仿真 系统仿真的结构组成规律系统仿真的结构组成规律的有机整体。的有机整体。 一、系统仿真基础知识16系统动力学仿真1绪论3.3、仿真仿真-作用作用1)实际系统未建立前，对方案进行论证和修改。实际系统未建立前，对方案进行论证和修改。 （有限元，波音（有限元，波音777）2) 实际系统建立后，对系统进行改进，寻求最佳参数。实际系统建立后，对系统进行改进，寻
11、求最佳参数。 （有限元）（有限元）3) 在系统理论中，可检验理论推导。在系统理论中，可检验理论推导。 （最优控制、大系统分解）（最优控制、大系统分解）4) 人员训练人员训练 （飞行员，潜艇，核电站）（飞行员，潜艇，核电站）一、系统仿真基础知识17系统动力学仿真1绪论3.4系统仿真三要素:活动规则:一、系统仿真基础知识系统实物模型或数学模型计算机抽象仿真实验指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替实际指以计算机为工具，用模型来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究的一门综合性技术。系统来进行实验和研究的一门综合性技术。 18系统动力学仿真1绪论3.5 系统仿真的分类 （1）根据系统的特征
12、 连续系统仿真：状态是随时间连续变化 离散事件系统仿真：系统状态是在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真。（2）按仿真实验中所取的时间标尺（模型时间）与自然标尺T之间的比例/T=1,实时仿真/T1,非实时仿真（3）按参与仿真的模型的种类 物理仿真数学仿真半实物仿真一、系统仿真基础知识19系统动力学仿真1绪论2、最新发展（1）仿真实验任务的扩展（2）仿真技术的发展动向p向广阔时空发展p向快速、高效与海量信息通道发展p向规模化模型校核，验证、确认技术发展p向虚拟现实技术发展p向高水平的一体化，智能化仿真环境发展p向广阔的应用领域扩展与其它学科融合p虚拟样机应用，动态联盟的建立
13、一、系统仿真基础知识20系统动力学仿真1绪论二二、传统的产品开发流程、传统的产品开发流程概概 念念设计设计详详细细设计设计制制造造物物理样机理样机物物理理样样机测试机测试产产品品定定型生产型生产发发现现问问题题，修修改改设设计并重新制造样机计并重新制造样机传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模型传统的产品开发过程实际上是基于实物或半实物模型( (样机样机) )的仿真实验过程的仿真实验过程传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计实验设计传统的产品开发过程，是一个周而复始的设计实验设计过程，对于结构复杂的系统，这一过程是冗长的，需要耗费过程，对于结构复杂的系统，这一过程是冗长的，需要耗费大量
14、的时间和资金；大量的时间和资金； 缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场做出灵活缩短开发周期、提高产品质量、降低成本并对市场做出灵活反应成为生产商所追求的目标；反应成为生产商所追求的目标； 21系统动力学仿真1绪论三三、虚拟样机技术、虚拟样机技术(Virtual Prototype)(Virtual Prototype)利用利用CAD中的三维几何造型技术，在计算机中建立产品的几中的三维几何造型技术，在计算机中建立产品的几何模型何模型采用计算机仿真技术在几何模型之上附加采用计算机仿真技术在几何模型之上附加其它的功能特性其它的功能特性，使之成为产品的数字样机（虚拟样机）使之成为产品的数字样机
15、（虚拟样机）再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代替实物再利用虚拟现实技术构建虚拟实验场，用虚拟模型代替实物模型进行虚拟实验，实现对设计的验证模型进行虚拟实验，实现对设计的验证 虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成，是计算机虚拟样机技术实现了数字样机与试验环境的集成，是计算机仿真技术的深化和扩展。仿真技术的深化和扩展。概概 念念设计设计详详 细细设计设计产产品品定定型型生产生产虚虚拟拟样样机机测试测试22系统动力学仿真1绪论波音波音777飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术飞机的研制采用了全数字化的虚拟样机技术整整机机外外形形、结结构构件件和和各各飞飞行行系系统统100%100
16、%采采用用三三维维数数字字化化定义，定义，100%100%应用数字化预装配应用数字化预装配整整个个设设计计制制造造过过程程没没有有完完整整的的模模型型样样机机，一一次次定定型型生生产成功产成功波波音音777成成本本降降低低了了25%，出出错错返返工工率率减减少少了了75，制造周期缩短了制造周期缩短了50% 虚拟样机技术的成功应用范例：波音777飞机的研制：三三、虚拟样机技术、虚拟样机技术(Virtual Prototype)(Virtual Prototype)23系统动力学仿真1绪论四四、虚拟样机的开发与分析软件、虚拟样机的开发与分析软件90年年代代，在在Chace的的ADAMS计计算算程程
17、序序的的基基础础上上，美美国国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公公司司开开发发了了机机械械系系统统运运动动学学与与动动力力学学仿仿真真软软件件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 在在Haug的的DADS计计算算程程序序的的基基础础上上，比比利利时时LMS公公司司 开开 发发 了了 机机 械械 系系 统统 运运 动动 学学 与与 动动 力力 学学 仿仿 真真 软软 件件DADS(Dynamic Analysis and Design System) 24系统动力学仿真1绪论它它使使用用交交互互式
18、式的的图图形形环环境境和和零零件件库库、约约束束库库、力力库库，创建完全参数化的机械系统动力学模型创建完全参数化的机械系统动力学模型可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析后后处处理理程程序序可可输输出出各各构构件件的的位位移移、速速度度、加加速速度度和和反反作用力曲线及动画仿真作用力曲线及动画仿真可可用用于于预预测测机机械械系系统统的的性性能能、运运动动范范围围、碰碰撞撞检检测测、峰峰值值载载荷荷；计计算算构构件件的的约约束束反反力力作作为为有有限限元元分分析析的的输输入载荷等入载荷等ADAMS软件首先是一个虚拟样机仿真分析软件：软件首先是
19、一个虚拟样机仿真分析软件：四四、虚拟样机的开发与分析软件、虚拟样机的开发与分析软件25系统动力学仿真1绪论其其开开放放性性的的程程序序结结构构和和多多种种接接口口，可可以以成成为为不不同同专专业业领领域域用用户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次开发平台户进行特定专业类型虚拟样机分析的二次开发平台例例 如如 ， 在在 ADAMSADAMS核核 心心 模模 块块 基基 础础 上上 开开 发发 的的 专专 业业 轿轿 车车 模模 块块ADAMS/carADAMS/car，就是一个专业的虚拟样机生成工具，就是一个专业的虚拟样机生成工具使使用用ADAMS/car，工工程程师师可可以以建建立立整整车车的的
20、虚虚拟拟样样机机，修修改改各各种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显示仿真数据结果种参数并快速观察车辆的运转状态、动态显示仿真数据结果用用户户只只要要在在模模板板中中输输入入必必要要的的数数据据，ADAMS/car就就可可以以自自动动建立子系统和整车装配模型建立子系统和整车装配模型 ADAMS软件也是一个虚拟样机的开发平台：软件也是一个虚拟样机的开发平台：四四、虚拟样机的开发与分析软件、虚拟样机的开发与分析软件26系统动力学仿真1绪论五、五、虚拟样机技术应用软件虚拟样机技术应用软件ADAMSADAMS的核心基础理论的核心基础理论 计计算算多多刚刚体体系系统统动动力力学学：采采用用程程式式化化的
21、的方方法法，利利用用计计算算机机来来解解决决复复杂杂机机械械系系统统的的运运动动学学与与动动力学的自动建模与数值分析。力学的自动建模与数值分析。 1.1687年年，牛牛顿顿建建立立了了牛牛顿顿方方程程，解解决决了了质质点点的的运运动学和动力学问题动学和动力学问题2.欧欧拉拉于于1725年年提提出出刚刚体体的的概概念念，采采用用反反作作用用力力的的概念隔离刚体以描述铰链等约束概念隔离刚体以描述铰链等约束27系统动力学仿真1绪论3.1743年年，达达朗朗贝贝尔尔研研究究了了约约束束刚刚体体系系统统，区区分分了了作作用用力力和和反反作作用用力力，提提出出达达朗朗贝贝尔尔原原理理和和虚虚位位移移原原理
22、理。这这两两个个基基本本定定律构成了理论力学中分析动力学问题的基本方法。律构成了理论力学中分析动力学问题的基本方法。 在理想约束的条件下，即不考虑摩擦或摩擦力不做功，根在理想约束的条件下，即不考虑摩擦或摩擦力不做功，根据虚功原理，有：据虚功原理，有： 上上述述方方程程表表明明：在在理理想想约约束束的的条条件件下下，质质点点系系的的各各个个质质点点在在任任一一瞬瞬时时所所受受的的主主动动力力和和惯惯性性力力在在虚虚位位移移上上所所作作的的虚虚功功的的和和等等于于零零。上上述述方方程程称称为为动动力力学学普普遍方程。遍方程。 六、六、虚拟样机技术应用软件虚拟样机技术应用软件ADAMSADAMS的核
23、心基础理论的核心基础理论 28系统动力学仿真1绪论上上图图的的双双轮轮滚滚动动系系统统，两两个个均均质质轮轮子子的的半半径径皆皆为为r，中中心心用用连连杆杆相相连连，在在倾倾角角为为的的斜斜面面上上作作纯纯滚滚动动。设设轮轮子子的的重重量量皆皆为为P，对对轮轮心心的的转转动动惯惯量量皆皆为为I，连杆重为，连杆重为Q，求连杆运动的加速度，求连杆运动的加速度a。 29系统动力学仿真1绪论 30系统动力学仿真1绪论4.1788年年，拉拉格格朗朗日日发发表表了了分分析析力力学学，系系统统地地考考虑虑了了约约束束，提提出出了了广广义义坐坐标标的的概概念念，利利用用变变分分原原理理考虑系统的动能和势能，得
24、出了拉格朗日方程考虑系统的动能和势能，得出了拉格朗日方程 为质点系的动能为质点系的动能 质质点点系系由由n个个质质点点组组成成，系系统统具具有有s个个完完整整约约束束，并并且且都都是是理理想想约约束束，因因此此它它是是具具有有(3n-s)个自由度的系统个自由度的系统 表表示示系系统的的广广义坐坐标，设系系统中第中第i个个质点的点的质量量为mi 31系统动力学仿真1绪论5.随随着着计计算算机机数数值值计计算算方方法法的的出出现现和和不不断断发发展展完完善善，使使得得利利用用计计算算机机自自动动建建立立复复杂杂机机械械系系统统运运动动学学和和动动力力学数学模型，并自动求解称为可能学数学模型，并自动
25、求解称为可能 19841984年年ChaceChace和和HaugHaug选取每个刚体质心在惯性系中的选取每个刚体质心在惯性系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉坐标作为笛三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉坐标作为笛卡儿广义坐标。得到了由刚性微分代数方程组表示卡儿广义坐标。得到了由刚性微分代数方程组表示的多刚体动力学模型。该模型非常适合与计算机自动的多刚体动力学模型。该模型非常适合与计算机自动建模。建模。1989年，年，Chace进一步应用进一步应用Gear的刚性积分算法并的刚性积分算法并且采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了计算机且采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了计算机程序程序
26、ADAMS ，Haug编制了计算机程序编制了计算机程序DADS。32系统动力学仿真1绪论示示例例：如如图图所所示示的的曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构，已已知知各各杆杆的的长长 度度 为为 l1=120mm=120mm，l2=250mm=250mm， l3=260mm=260mm，l4=300mm=300mm，曲曲柄柄1 1均均速速转转动动 的的 角角 速速 度度 为为1= =1rad/srad/s。试试分分析析摇摇杆杆3的运动的运动 33系统动力学仿真1绪论七、七、本课程的主要内容本课程的主要内容多刚体运动学、动力学分析矢量数学基础多刚体运动学、动力学分析矢量数学基础计计算算机机辅辅助助平平面面机机
27、械械系系统统笛笛卡卡尔尔运运动动学学建建模模与分析与分析机机械械系系统统动动力力学学仿仿真真软软件件ADAMSADAMS的的基基本本操操作作与与使用使用 平面系统：由平面运动副构成的机械系统。平面系统：由平面运动副构成的机械系统。平平面面运运动动副副：构构成成运运动动副副的的两两构构件件之之间间的的相相对对运动为平面运动的运动副。运动为平面运动的运动副。34系统动力学仿真1绪论E.J.Haug著，刘兴祥，李吉蓉，林梅等译，庄细荣校著，刘兴祥，李吉蓉，林梅等译，庄细荣校订订. Computer Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems
28、, Vol.I：Basic Methods(机械机械系统的计算机辅助运动学和动力学，第一卷系统的计算机辅助运动学和动力学，第一卷 基本方法基本方法).北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1996复印复印HaugHaug书的书的P.13-80P.13-80页页普通高等教育十一五国家级规划教材，郭卫东普通高等教育十一五国家级规划教材，郭卫东.虚拟虚拟样机技术与样机技术与ADAMS应用实例教程应用实例教程M. 北京北京:北京航北京航空航天大学出版社空航天大学出版社, 2008 35系统动力学仿真1绪论11郑郑建建荣荣.ADAMS-.ADAMS-虚虚拟拟样样机机技技术术入入门门与与提提高高M.M.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，2002 2002 22李李增增刚刚.ADAMS.ADAMS入入门门详详解解与与实实例例M.M.北北京京：国防工业出版社，国防工业出版社，2006.42006.436系统动力学仿真1绪论
