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基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析


基于 ADAMS 和 Matlab 的协同仿真及分析 摘 要 : 应 用 多 体 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS/Control 和 强 大 的 控 制 系 统 仿 真 软 件 Matlab/Simulink 进行机械系统和控制系统的协同仿真研究。以雷达天线为实例,Matlab 中 输出的控制力矩为机械模型的输入参数,机械模型的天线仰角和电机转速为输出,形成一个 闭环系统

。结果表明,利用 ADAMS 和 Matlab 进行机械系统和控制系统协同仿真,可以为机电 产品的系统动态仿真分析提供有效手段。关键词: ADAMS; Matlab; 协同仿真 复杂产品的开发设计过程通常分为液压、机械、电子、控制等不同子系统,各子系统采 用各自领域内的商用仿真软件进行单点仿真[1]。 但单点仿真并不能真实地反映整个系统之间 的相互影响,而且当某个系统的参数有变动时,各子系统都要重新设计。而虚拟样机技术的 发展为复杂产品进行精确仿真提供了有效的支持。 虚拟样机技术是一种基于计算机仿真 的产品数字化设计方法,涉及到多体运动学与动力学等技术,是在 CAX(如 CAD、CAE、CAM 等)/DFX(如 DFA、DFM 等)技术基础上的发展,进一步融合了信息技术、先进制造技术和先进 仿真技术, 并将这些技术应用于复杂产品的全生命周期[2]。 利用虚拟样机代替物理样机对产 品进行创新设计、测试和评估,可缩短开发周期,降低成本。 雷达天线是一种典型的机 电一体化产品,利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统协同仿真,在可视化的环境下观察 控制系统和机械系统的相互影响,输出多种仿真结果。 本文基于 ADAMS 的强大的动力学 仿真建模功能和 Matlab/Simulink 强大的控制仿真功能,利用 ADAMS 建立了雷达天线机械模 型,并在 Matlab/Simulink 中设计了控制器,结合在 ADAMS 中建立雷达天线机械模型,最终 建立了基于 ADAMS 和 Matlab 的协同仿真模型, 通过协同仿真可保证雷达天线达到预定仰角位 置,稳定系统。1 机械系统的虚拟建模 本文利用 ADAMS/View 对雷达天线进行建模。模型 主要由天线、支架、轴承、电机、减速齿轮及机架等组成,各零件之间添加各种运动副,包 含若干转动副和一个齿轮副,雷达天线可以旋转、摇摆[3]。虚拟样机模型。 2 控制系统建立 本文通过 ADAMS 中的 Control 模块与 Matlab 的接口,实现了基于虚拟样 机模型的雷达天线控制的研究。对雷达天线虚拟样机模型定义了两个输出变量:天线仰角的 方位角和电机的转速;一个输入变量:控制力矩。 通过 ADAMS 的 Control 模块,将雷达 天线虚拟模型输入到 Matlab 进行仿真,并基于此模型设计控制系统设计。控制框图。 利用 ADAMS 和 Matlab 建立的雷达天线协同仿真模型[4]。 雷达天线 ADAMS 子模型。 3 协同仿真 首先在 ADAMS 中建立虚拟样机模型,然后通过 Control 模块建立了状态变量, 之后即可在 Matlab 的 Simulink 中建立控制框图。通过 Control 模块与 Matlab 的接口进行 ADAMS-Matlab 协同仿真,设置仿真时间为 0.25 s,采用 Matlab 自带的变步长龙格-库塔法数 值积分函数 ode15(stiff/NDF)进行数值积分、仿真运行[5]。3.1 Simulink 仿真结果分析 关闭 ADAMS 软件,在 Matlab 中点击仿真,此时调出一个 ADAMS 窗口。此窗口里的雷达天线会 随着控制力矩的变化而不断摆动, 同时在 Simulink 中仰角方位角以及电机的曲线、 控制力矩 曲线也随着不断变化,直到最终稳定,并达到设定值,从而实现了控制的目的。Simulink 中天 线仰角方位角仿真结果,电机转速仿真结果。 双击图 3 中的“电机速度”等 Scope 控件,可以直观地观察到仰角位置和电 机速度等曲线。将仿真结果保存为*.res、*.req 及*.gra 三种类型的文件。3.2 ADAMS 中仿 真结果分析 将上述仿真分析的结果文件*.gra 导入 ADAMS 中的 Posprocessor 处理模块中, 即可在 ADAMS 中对仿真结果进行分析。图 7 为 ADAMS 中雷达天线模型控制力矩仿真结果。 由图 7 可以看出,开始加速时,控制力矩迅速达到最大峰值,然后迅速下降,当天线接近预

先设置的位置时,控制力矩此时变为负值,从而使天线速度降低。随后,当天线到达设定位置 时,控制力矩逐渐接近为零[3]。

本文建立了雷达天线的虚拟样机模型,利用 ADAMS/Control 与 Matlab/Simulink 进行了机 械系统和控制系统的协同仿真,直观地显示了控制系统对机械系统动作的影响,获得了各种 动态性能曲线。由此可见,利用虚拟样机技术进行协同仿真,能使各自独立的子系统发生关 联,可有效地观察复杂产品内各子系统之间的相互影响,使仿真更逼真,从而可以缩短产品 开发周期,降低成本。


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