數(shù)控伺服系統(tǒng)的ADAMS/MATLA聯(lián)合仿真研究

　　摘要：將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析工具同控制系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件有機(jī)地連接起來，利用ADAMS/Controls 模塊對數(shù)控機(jī)床X-Y 工作平臺的進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了建模、通過ADAMS/View 或ADAMS/Solver 中的信息文件或啟動文件，確定ADAMS 的輸入和輸出，通過定義輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)了ADAMS 和MATLAB 控制程序之間的閉環(huán)通信，終實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

　　1.前言

　　利用伺服進(jìn)給系統(tǒng)虛擬［1］樣機(jī)提供的集成環(huán)境對機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真［2］分析，是一種全新的設(shè)計方法。在傳統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)［3］設(shè)計過程中，機(jī)械工程師和控制工程師雖然在共同設(shè)計開發(fā)一個系統(tǒng)，但是他們各自都需要建立一個模型，然后分別采用不同的分析軟件，對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)問題，機(jī)械工程師和控制工程師又需要回到各自的模型中，修改機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，然后再進(jìn)行物理樣機(jī)的聯(lián)合調(diào)試。實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動控制系統(tǒng)之間的聯(lián)合仿真，必須在運(yùn)動控制系統(tǒng)與樣機(jī)模型間起信息交互的橋梁。

　　ADAMS（Automatic Dynamic of Mechanical System）［4］提供了對復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析的方法。ADAMS 軟件提供的一種方法是利用ADAMS/Controls 模塊，將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析工具同控制系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析和復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

　　2. X-Y 工作平臺伺服性能仿真系統(tǒng)

　　2.1 利用ADAMS 對進(jìn)給驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)建模

　　2.1.1 幾何建模

　　X-Y 工作平臺尺寸參數(shù)與幾何模型如表1 和圖1 所示。

　　2.1.2 模型約束

　　ADAMS/View 提供的約束副有：理想約束（Idealized joint）、虛約束（Joint primitive）、高副約束（Contact）和運(yùn)動驅(qū)動（Motions generator）等類型。理想約束是通常的具有物理意義的約束副，如：旋轉(zhuǎn)副、移動副、齒輪副等；虛約束用于限制物體之間的相對運(yùn)動；高副約束用于定義兩個物體在運(yùn)動過程中的接觸情況；運(yùn)動驅(qū)動用于驅(qū)動模型按一定的規(guī)律運(yùn)動。施加約束的正確與否主要與四個因素有關(guān)：約束類型、約束對象、約束位置、約束方向。如圖2 和圖3 所示。

　　圖2 X-Y 平臺伺服系統(tǒng)各部件之問的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束關(guān)系

　　圖3 樣機(jī)中的約束和力

　　3. MATLAB/ADAMS 接口原理與設(shè)計

　　3.1 定義ADAMS 的輸入與輸出

　　需要通過 ADAMS/View 或ADAMS/Solver［6］中的信息文件或啟動文件，確定ADAMS 的輸入和輸出。輸出是指進(jìn)入控制程序的變量，表示從ADAMS/Control 輸出到控制程序的變量。而輸入是指從控制程序返回到ADAMS 的變量，表示控制程序的輸出。如圖4 所示。

　　圖 4 ADAMS 與MATALB 的接口

　　通過定義輸入和輸出，實(shí)現(xiàn) ADAMS 和MATLAB 控制程序之間的消息閉環(huán)通訊。即從ADAMS 輸出的信號進(jìn)入MATLAB，同時從MATLAB 輸出的信號進(jìn)入ADAMS 程序。這里所有程序的輸入都應(yīng)該設(shè)置為變量，而輸出可以是變量或者是測量值。

　　3.2 MATLAB 環(huán)境中構(gòu)造控制系統(tǒng)的方框圖

　　采用MATLAB/Simulink 工具箱建立的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的仿真模型［7］，步驟1中在ADAMS/View 環(huán)境里建立好的虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)模型應(yīng)被設(shè)置為控制系統(tǒng)方框圖的每一個模塊。ADAMS/plant 嵌入在MATLAB 環(huán)境中的框圖和內(nèi)核參數(shù)對話框分別如圖5 所示。

　　圖5 Simulink 中ADAMS 控制框圖

　　4.結(jié)語

　?。?）實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域模型仿真的方法是利用每一特定領(lǐng)域的專門商用仿真軟件對該領(lǐng)域子系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后利用這些商用仿真軟件提供的接口將不同領(lǐng)域子系統(tǒng)的仿真模型組裝成為一個整體。

　?。?）虛擬樣機(jī)軟件ADAMS 可以實(shí)現(xiàn)和仿真控制軟件MATLAB/Simulink 無縫連接，通過定義系統(tǒng)輸入、輸出變量完成控制信息交互，從而進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

　?。?）虛擬樣機(jī)軟件ADAMS 為用戶自定義函數(shù)提供了接口，可以通過自定義動態(tài)連接函數(shù)實(shí)現(xiàn)外部控制數(shù)據(jù)驅(qū)動下的仿真。

　?。?）性能仿真系統(tǒng)的技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)，而虛擬樣機(jī)的需要建立準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的仿真模型，然后與其他相關(guān)軟件有機(jī)關(guān)聯(lián)集成在一起進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真，其關(guān)鍵技術(shù)包括建模和仿真技術(shù)。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)軟件ADAMS 和仿真控制軟件MATLAB/Simulink 無縫連接；建立了準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的仿真模型。