《電子技術應用》
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基于ADAMS和Matlab的協同仿真及分析
來源:電子技術應用2012年第12期
薛金華1, 邵園園2
1. 山東服裝職業學院, 山東 泰安271000; 2. 山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安271018
摘要: 應用多體動力學仿真軟件ADAMS/Control和強大的控制系統仿真軟件Matlab/Simulink進行機械系統和控制系統的協同仿真研究。以雷達天線為實例,Matlab中輸出的控制力矩為機械模型的輸入參數,機械模型的天線仰角和電機轉速為輸出,形成一個閉環系統。結果表明,利用ADAMS和Matlab進行機械系統和控制系統協同仿真,可以為機電產品的系統動態仿真分析提供有效手段。
關鍵詞: Adams Matlab 協同仿真
中圖分類號: TP182
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)12-0117-03
Collaborative simulation and analysis based on ADAMS and Matlab
Xue Jinhua1, Shao Yuanyuan2
1. Shandong Vocational Institute of Clothing Technology, Tai’an 271000, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
Abstract: Application of multi body dynamics simulation software ADAMS/control and powerful control system simulation software Matlab/Simulink to carry on collaborative simulation with the mechanical system and control system, and radar antenna as an example, Matlab output control torque as mechanical model input parameters, antenna elevation angle and motor speed of mechanical model as output parameters, forming a closed loop system. The results show that the use of ADAMS and Matlab to carry on collaborative simulation for the mechanical system and control system of mechanical and electrical products, can provide effective means for dynamic simulation analysis.
Key words : ADAMS; Matlab; collaborative simulation

    復雜產品的開發設計過程通常分為液壓、機械、電子、控制等不同子系統,各子系統采用各自領域內的商用仿真軟件進行單點仿真[1]。但單點仿真并不能真實地反映整個系統之間的相互影響,而且當某個系統的參數有變動時,各子系統都要重新設計。而虛擬樣機技術的發展為復雜產品進行精確仿真提供了有效的支持。

    虛擬樣機技術是一種基于計算機仿真的產品數字化設計方法,涉及到多體運動學與動力學等技術,是在CAX(如CAD、CAE、CAM等)/DFX(如DFA、DFM等)技術基礎上的發展,進一步融合了信息技術、先進制造技術和先進仿真技術,并將這些技術應用于復雜產品的全生命周期[2]。利用虛擬樣機代替物理樣機對產品進行創新設計、測試和評估,可縮短開發周期,降低成本。
    雷達天線是一種典型的機電一體化產品,利用虛擬樣機技術對機械系統和控制系統協同仿真,在可視化的環境下觀察控制系統和機械系統的相互影響,輸出多種仿真結果。
    本文基于ADAMS的強大的動力學仿真建模功能和Matlab/Simulink強大的控制仿真功能,利用ADAMS建立了雷達天線機械模型,并在Matlab/Simulink中設計了控制器,結合在ADAMS中建立雷達天線機械模型,最終建立了基于ADAMS和Matlab的協同仿真模型,通過協同仿真可保證雷達天線達到預定仰角位置,穩定系統。
1 機械系統的虛擬建模
    本文利用ADAMS/View對雷達天線進行建模。模型主要由天線、支架、軸承、電機、減速齒輪及機架等組成,各零件之間添加各種運動副,包含若干轉動副和一個齒輪副,雷達天線可以旋轉、搖擺[3]。虛擬樣機模型如圖1所示。

2 控制系統建立
    本文通過ADAMS中的Control模塊與Matlab的接口,實現了基于虛擬樣機模型的雷達天線控制的研究。對雷達天線虛擬樣機模型定義了兩個輸出變量:天線仰角的方位角和電機的轉速;一個輸入變量:控制力矩。
    通過ADAMS的Control模塊,將雷達天線虛擬模型輸入到Matlab進行仿真,并基于此模型設計控制系統設計。控制框圖如圖2所示。

    利用ADAMS和Matlab建立的雷達天線協同仿真模型[4]如圖3所示。
    雷達天線ADAMS子模型如圖4所示。
3 協同仿真
    首先在ADAMS中建立虛擬樣機模型,然后通過Control模塊建立了狀態變量,之后即可在Matlab的Simulink中建立控制框圖。通過Control模塊與Matlab的接口進行ADAMS-Matlab協同仿真,設置仿真時間為0.25 s,采用Matlab自帶的變步長龍格-庫塔法數值積分函數ode15(stiff/NDF)進行數值積分、仿真運行[5]。
3.1 Simulink仿真結果分析
    關閉ADAMS軟件,在Matlab中點擊仿真,此時調出一個ADAMS窗口。此窗口里的雷達天線會隨著控制力矩的變化而不斷擺動,同時在Simulink中仰角方位角以及電機的曲線、控制力矩曲線也隨著不斷變化,直到最終穩定,并達到設定值,從而實現了控制的目的。Simulink中天線仰角方位角仿真結果如圖5所示,電機轉速仿真結果如圖6所示。

    雙擊圖3中的“電機速度”等Scope控件,可以直觀地觀察到仰角位置和電機速度等曲線。將仿真結果保存為*.res、*.req及*.gra三種類型的文件。
3.2 ADAMS中仿真結果分析
    將上述仿真分析的結果文件*.gra導入ADAMS中的Posprocessor處理模塊中,即可在ADAMS中對仿真結果進行分析。圖7為ADAMS中雷達天線模型控制力矩仿真結果。
    由圖7可以看出,開始加速時,控制力矩迅速達到最大峰值,然后迅速下降,當天線接近預先設置的位置時,控制力矩此時變為負值,從而使天線速度降低。隨后,當天線到達設定位置時,控制力矩逐漸接近為零[3]。

 

 

    本文建立了雷達天線的虛擬樣機模型,利用ADAMS/Control與Matlab/Simulink進行了機械系統和控制系統的協同仿真,直觀地顯示了控制系統對機械系統動作的影響,獲得了各種動態性能曲線。由此可見,利用虛擬樣機技術進行協同仿真,能使各自獨立的子系統發生關聯,可有效地觀察復雜產品內各子系統之間的相互影響,使仿真更逼真,從而可以縮短產品開發周期,降低成本。
參考文獻
[1] 黃海濤,彭國朋.基于虛擬樣機技術的雷達天線車機液耦合仿真及其優化分析[J].電子機械工程,2009,25(5),56-58.
[2] 黎育紅,聶凌霄.基于ADAMS虛擬樣機的多體系統動力學仿真[J]. 武漢大學學報,2010:43(6),757-761.
[3] 郭衛東. 虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[4] 張化光,劉鑫惢,孫秋野. Matlab/Simulink實用教程[M].北京:人民郵電出版社,2009:57-80.
[5] 李韶華,楊紹普,李浩玉. 基于ADAMS_Matlab聯合仿真的汽車懸架半主動控制[J]. 系統仿真學報,2007,19(10):2304-2307.

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