机电一体化系统建模技术与仿真软件的研究与分析

发表时间：2016-03-14T15:40:29.710Z 来源：《基层建设》2015年22期供稿 作者： 欧阳作宇[导读] 随着社会的发展，市场竞争日益激烈，高新技术产品的上市周期越来越短。

欧阳作宇

身份证号码：132801197204041510

摘要：本文主要对目前国际上的可以实现自动向数学模型转化的机电一体化系统理想的物理模型建立的方法进行了总结与归纳，分析研究了由Lancaster大学EDC（EngineeringDesignCenter）中心的研究者们开发的计算机辅助机电一体化系统概念设计的建模与仿真软件Schemebuilder，研究了用键舍图方法建模的仿真软件20-sim和使用面向对象方法建模的仿真软件Dymola，以及使用方块图建模的控制系统仿真软件Matlab和机械机构系统仿真软件Adams。最后总结了机电一体化建模与仿真的发展趋势，即机电相结合的机电一体化系统仿真软件为机电一体化系统理想的建模和仿真环境。

关键词：键合图；方块图；面向对象；机电一体化；建模；仿真；数学模型 一、前言

随着社会的发展，市场竞争日益激烈，高新技术产品的上市周期越来越短，在更短的周期内推出性能更好、更迎合客户需求的机电产品成为厂家的追求目标。针对这一问题，计算机成为厂家不可缺少的工具。计算机辅助机电一体化系统建模和仿真就成为我们机电一体化技术研究者们研究的一个重要课题。

二、计算机辅助机电一体化系统建模方法

机电一体化系统的建模指的是物理对象的建模，也就是物理实体的建模，把机电一体化系统抽象化为理想化的物理模型在计算机中表达出来。这种在计算机中表达的物理模型，必须易于转化为数学描述才能实现物理模型的计算机仿真。物理模型向数学形式的转化过程通常都比较复杂，因此选择合适的易于数学描述的物理模型描述，是计算机辅助机电一体化系统建模和仿真中至关重要的问题。下面将介绍目前国际上几种建立计算机物理模型的方法。 1.1、键合图建模方法

键合图建模方法是一种最常用的混合系统建模的工具。它可以采用相同的图形描述形式对不同的领域如液压、电子、机械系统的动态行为进行建模。它最初用在汽车液压系统的建模中，现在，机电一体化系统研究者们常常将键合图方法用来对由多种能量领域组成的机电一体化系统进行建模。

键合图模型中所用基本图形元件（符号）有九类，即势源Se、流源sf、阻性元件R、容性元件C、惯性元件I、变换器TF、回转器GY、共势节点0、共流节点1。元件之间由能量键连接，每根能量键上由半箭头标明功率流向，由一根垂直于能量键的短划线标明因果关系。键合图建模的基础是能量流和能量交换，它是一种不同领域中相同物理概念及相同数学表达式之间的类推或模拟。 1.2、方块图建模方法

方块图起始于控制理论学科，可以对信号流的输入/输出进行建模。它由大量基本的控制模块，如比例、积分、微分、比例积分、比例微分、相位延迟、相位提前等模块所组成，这些模块通过线段连接起来。每个模块都是由表达输入/输出关系的传递函数组成，它的优点是可以用前馈模块和反馈模块两种模块来表达任何的控制系统。方块图建模主要用在机电一体化控制系统的建模中。 1.3、面向对象的建模方法

面向对象的建模方法对不同领域如电子、机械领域的对象分别进行建模，存放在不同数据库中的不同目录下。面向对象的建模具有数据封装、继承和层次化等特征。可以容易实现模型的重用，减少错误的发生。

面向对象建模方法的实质是将物理对象分解为可以用数学形式描述的最小对象，然后将其封装，以图标的形式作为一个?对象保存，称为对象图。所有该物理对象的最小对象通过一定的方式组合起来封装，就形成该物理对象的物理模型。已建立的对象图可以在别的物理对象建模需要时被引用。

三、计算机辅助机电一体化系统仿真软件 1、Sehemebuilder

Schemebuilder是由Lancaster大学EDC（EnglneeringDesignCenter）中心的研究者们开发的一个软件，Schemebuilder使用功能-方法树和方块图的方法来产生方案和仿真方案、功能-方法树是指Schemebuilder对方案分层存储，分为描述抽象功能的Function层，包括具体方法的Means层，详细的具有尺寸和参数的Componem层。

它采用方块图的方法建模是指它借助Matlab软件的Simulink功能，将模块封装好存储在Simulink库中。在生产方案的过程中应用键合图端口的概念，但由于它并没有用键合图进行仿真建模，所以它的端口又不同于键合图的端口，它的端口可以同时连接相容的能量和信息，这样，在方案产生后，它就在Matlab环境下实现方案的控制系统仿真。 2、20-sim

20-sim软件可以实现电子系统、机械系统和液压系统以及它们的混合系统的建模和仿真，它是支持机电一体化建模和仿真的一个主要软件，20-sim采用的是SIDOPS描述语言描述，支持键合图、图标图、方块图和方程式等几种输人建模形式。20-sim有自己的模型库，模型库中有键合图，图标图，方块图等几个目录，目录下的的都是已经建好的模型，可以供用户直接调用。用户也可以自建模型，但是需要用SIDOPS语言描述所建立的模型的底层数学描述。

20-sim实现了键合图、方块图相结合的优点，用户可以用键合图对机电一体化系统机械部分进行建模，同时用方块图对控制系统进行建模。20-sim允许在仿真时与Matlab和Simulink进行交互，20-sim可以产生Simulink的S函数，可以在Matlab环境下实现进一步的仿真。 3、Matlab

Matlab软件是采用方块图进行建模和仿真的软件。其中的Simulink建模与仿真模块可以对机电一体化产品控制系统进行建模和仿真。但是它不能对机械系统进行建模与仿真，否则会使参数复杂化。 4、Adams

动态建模软件Adams是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析与仿真软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电液-体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，如果仅仅对机械及机构系统进行建模和仿真分析，Adams无疑是最佳的选择。但是机电一体化往往是与控制系统紧密相关的系统，因此必须将Adams与控制系统仿真软件Matlab结合起来使用，以完成对一个机电一体化系统的仿真和修改。

这就产生一个问题，就是建模与仿真不同步的问题，如果在用Matlab仿真时发现与预定目标有出人，必须重新切换软件界面，进人Adams环境，重新进行模型修改，再次进行仿真。把机电一体化系统分为不同的部分，对这几部分采用不同的建模和仿真软件进行仿真，如对一个简单的运动控制系统，他们采用三个不同的软件，控制系统用Madab软件、驱动部分用Pspice软件、机构部分用Adams软件来实现整个系统的仿真。

这种软件捆绑的思想，只能对机电一体化系统各部分单独仿真，不能实现整体的仿真。不利于机电一体化系统的快速设计。 四、结束语

文章探讨了目前已有的几种机电一体化系统建模技术，分析比较了几种建模与仿真软件的应用及优缺点。指出面向对象的建模是机电一体化系统直观形象的建模方法，针对机电一体化系统独有的特征，开发具有控制与机械相结合的机电一体化混合建模与仿真环境是计算机辅助机电一体化系统设计的软件开发方向。 参考文献：

[1]田永利，邹慧君，郭为忠，叶志刚.机电一体化系统建模技术与仿真软件的研究与分析[J].机械设计与研究，2003，04：15-18+6. [2]宁芊.机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究[D].四川大学，2006. [3]王成龙.复杂机电系统统一建模与仿真技术研究[D].山东科技大学，2010.