机电系统协同仿真在实践教学中的应用

王洪艳，熊静琪，孙　锐

(电子科技大学　机械电子工程学院，成都　611731)



机电系统协同仿真在实践教学中的应用

王洪艳，熊静琪，孙锐

(电子科技大学机械电子工程学院，成都611731)

摘要在机电系统计算机控制技术实践教学中，为了直观表达及对比系统的运动特性，采用Matlab与ADAMS软件协同仿真方法，以曲柄滑块机构为例进行了建模和仿真。通过系统仿真平台的直观建立和仿真结果的可视化，帮助学生加深对机电系统计算机控制及仿真技术的理解和认识，激发学生的学习兴趣，提高其创新能力和工程实践能力。

关键词计算机控制技术；机电系统; 协同仿真; 实践教学

机电系统计算机控制技术是计算机技术、自动控制技术和机电系统专业技术相结合的综合应用技术，是高等院校机械电子工程专业的一门重要专业课程[1]。这门课程主要培养学生掌握数学建模，仿真模型建立和机电系统计算机仿真控制的基本方法，使学生能够熟练应用仿真技术分析机电系统。在实践教学中，通过多种计算机仿真软件的学习和应用，加深学生对系统抽象数学模型特点的认识[2]。

美国Mathworks公司开发的Matlab软件和MDI公司开发的ADAMS软件是机电系统仿真软件中的经典[3]。Matlab具有强大的矩阵运算功能，在Matlab平台上开发的各种工具箱，和面向结构图的Simulink系统仿真分析环境，在机电系统仿真的控制运算方面提供了有力支撑[4]；而ADAMS可以对机电系统的样机模型进行静力学、运动学和动力学仿真，它所建立的模型可以直观地反映实际的物理模型[5]。

Matlab软件和ADAMS软件相结合进行联合仿真，可以将机电系统仿真分析与控制系统仿真设计有机结合起来，实现对机电一体化系统的联合动态仿真分析[6-7]。在仿真过程中，可直接对机电系统的仿真模型添加复杂的控制而不需要使用数学公式建模，进而提高仿真分析精度[8-9]。学生可以实时修改控制参数的同时观察控制对象的控制效果，并可以反复地联合调试各种算法。

本文以曲柄滑块机构为例，采用Matlab与ADAMS协同仿真技术对曲柄滑块系统进行运动学仿真。通过这一实践教学环节，帮助学生直观理解系统的工作原理与输出特性，同时可以使学生尽快掌握Matlab与ADAMS联合仿真技术。

1曲柄滑块机构模型建立

可以通过ADAMS软件自身的实体设计功能创建被分析机构的实体模型。同时ADAMS软件提供了与多种软件的接口，实体模型也可通过Solidworks、Pro/E等三维实体建模软件建立成功后导入ADAMS系统中。学生可以根据对不同软件的熟悉程度或兴趣建立曲柄滑块机构实体模型。本文采用ADAMS软件平台建立实体三维模型。

2添加约束条件

在建立好的实体模型上施加约束，具体步骤如下：

1)曲柄与大地之间利用旋转副约束连接在一起；

2)连杆与曲柄、滑块与连杆之间均添加旋转副；

3)在滑块与大地之间添加移动副。

以上步骤建立曲柄滑块机构实体模型及其约束添加后的ADAMS图形，如图1所示。

图1　曲柄滑块机构动力学模型

通过以上实践，学生可以了解ADAMS实体建模的过程，了解关于约束的添加方法以及系统自由度设定等设计过程。以上模型建立后，学生可以在ADAMS平台仿真实体模型运动及验证约束添加的正确性。

3建立Matlab控制模型及仿真

ADAMS/Controls是ADAMS软件包中集成好的一个可选模块，是联合ADAMS与Matlab的接口。首先加载ADAMS/Controls模块导出控制参数，根据已经定义好的输入/输出变量，导出Matlab可以读取的数据。定义曲柄角度为输入变量，滑块位移为输出变量，如图2所示。

ADAMS/Controls模块导出被控对象的同时，系统会生成配置文件(.m)、模型文件(.cmd)和ADAMS/Solver模型语言文件(.adm)。把生成的3个文件拷贝到Matlab当前工作目录下，打开.m文件，输入ADAMS和Matlab的接口命令：adams_sys，Matlab便会自动生成曲柄滑块Simulink模块，如图3所示。

在Matlab/Simulink模块下，定义系统输入为匀角速度运动，在ADAMS下可得到曲柄转角曲线(如图4所示)和滑块位移曲线(如图5所示)。

通过以上曲柄滑块机构的建模过程，学生可掌握Matlab与ADAMS协同仿真方法。同时，在Matlab下进行不同输入/输出测试，学生可直观观测系统运动特性变化，深入理解系统输入/输出关系。

图2　ADAMS/Controls 模块

图3　Matlab/Simulink曲柄滑块模块

图4　曲柄转角曲线

图5　滑块位移曲线

4结束语

利用Matlab与ADAMS协同仿真功能，以曲柄滑块机构为例，辅助机电系统计算机控制技术实践教学，分析对比不同转速下系统的运动特性。使学生掌握Matlab与ADAMS协同仿真实验设计、分析的方法，能够根据所学控制简单的机电系统，独立进行简单机电系统的设计。帮助学生加深对机电控制系统的理解和掌握，激发学习兴趣，培养工程意识。

参 考 文 献

[1]熊静琪. 计算机控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[2] 刘宇，别海楠，郝丽娜，等. 机电系统计算机仿真教学改革[J]. 科教导刊，2015.

[3]周建兴，岂兴明，娇津毅，等.Matlab从入门到精通[M]. 2版.北京：人民邮电出版社， 2012.

[4] 张化光，孙秋野.Matlab/SIMULINK实用教程[M].北京：人民邮电出版社. 2009.

[5] 陈峰华.ADAMS2012虚拟样机技术从入门到提高[M].北京：清华大学出版社，2013.

[6] 应再恩，平雪良，陈鲁刚. 基于ADAMS和Matlab的双回路PID控制倒立摆联合仿真[J]. 机械传动，2012，36(8): 64-67.

[7] 武建新，李华强，庞茂盛. 基于Matlab和ADAMS发动机曲轴系统动力学仿真[J]. 机械制造与自动化，2014，43(1): 101-103.

[8]ZHUXueping，LIUZhengchun，YANGJun.Researchonco-simulationmethodinADAMSandMatlabformissileseeker’sstabilizationplatformdesign[J].CommunicationsinComputerandInformationScience，2013(402): 105-113.

[9] 李达，张登成，屈亮，等. 基于ADAMS和Matlab的空投火箭联合仿真研究[J]. 计算机应用与软件，2013，9(30): 228-230.

Co-Simulation of Electromechanical System in Practice Teaching

WANG Hongyan，XIONG Jingqi，SUN Rui

(SchoolofMechatronicsEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731,China)

AbstractIn order to express and compare kinetic characteristics of the system directly in practical teaching of computer control technology of mechatronic system，co-simulation technology of Matlab and ADAMS software is adopted to crank slider mechanism as an example. By directly building the simulation platform of system and the visualization of the simulation results，to help students deepen the understanding and the knowledge of the computer-controlled electromechanical systems and simulate technology to stimulate students’ interest in learning，and to improve their abilities of innovation and engineering practice.

Key wordscomputer control technology；mechatronic system; co-simulation; practical teaching

收稿日期:2015-06-23；修改日期: 2015-07-14

作者简介：王洪艳(1979-)，女，博士，讲师，主要从事机电测控一体化技术教学和科研工作。

中图分类号TP271+.4

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.019