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机械系统仿真原理及应用 预备知识 1.机械振动学 2.计算机技术 1）C++ 2）MatLab 3.数学（包括离散数学） 4.测试技术 5.数据处理方法 6.系统论 7.系统辨识 8.控制理论 资料 教材参考：翟华. 机械系统仿真原理与应用， 合肥工业大学出版社，2008.6 参考资料： 1.张立勋，机电系统建模与仿真，哈尔滨工业大学出版社 2.光机电系统仿真与虚拟试验技术，机械工业出版社 第1章 绪论 1.1 引言 仿真开始于1946年，计算机的名字叫ENIAC，诞生地美国马里兰州贝丁陆军试炮场，主要用于炮弹弹道的计算。 如今仿真已经深入到生活的各个领域。 什么对象必须用仿真算法呢？ 1.过于复杂以至于难以或不可能建立准的数学模型。 2.具有一个以上的随机变量； 3.及其复杂的动态行为； 4.研究系统一段时间内的变化； 1.2 系统的定义和分类 1.2.1 系统的定义和特点 1.系统的定义 具有特定功能的，彼此相互联系的若干要素的有机组合体。 2.系统的特点 1）系统的整体性 各个要素之间的不可或缺性； 2）系统的相关性 各个要素之间紧密联合，不可分割； 3）系统的功能性 各个要素集体完成一项功能。 3.认识系统的方法 1）要以客观的观点认识系统 系统是客观存在的，与外界世界存在各种各样的联系，以不同的方式影响着客观物质世界。 2）要以运动的观点认识系统 系统是时变的，一成不变的系统是不存在的。 3）要以功能的观点认识系统 建立一个系统就是要完成一项功能。系统对外界的响应就是其功能性。 1.2.2 系统的分类 1.根据认为参与情况 1）自然系统 完全有自然界本身自然构成，是经历千百万年得自然法则的精选而形成的； 2）人造系统 为了满足某种特定的功能，或者达到一定的经济利益而由人们在生活中逐渐形成的。 由人的智慧参与其中系统。 道冲而用之，或不盈。渊兮似万物之宗。解其纷，和其光，同其尘，湛兮似或存。吾不知谁之子，象帝之先。（道德经） 2.根据系统的连续性 1）连续系统 定义： 若一个系统的状态随时间连续变化就成为连续系统。 描述方法 1）微分方程或方程组 2）状态方程 3）差分方程 4）离散的状态方程组 2）离散系统 定义 系统的状态变量只在时间的离散时刻发生，状态值又是随机的，这样的系统成为离散系统。 描述方法 计算机仿真 1.3 研究机械系统动态特性和动态设计的意义 1.3.1 研究机械系统动态特性的意义 1.系统动态特性的定义 系统具有随时间变化而变化的工作状态。是指状态变量发生变化时系统的状态参数也随之作相应的变化。 （控制论）系统从一个稳态到另一个稳态的过渡过程中所表现出来的特性。 帝曰：人年老而无子者，材力尽邪？将天数然也？ 岐伯曰：女子七岁，肾气盛，齿更发长。 二七，而天癸至，任脉通，太冲脉盛，月事以时下，故有子。 三七，肾气平均，故真牙生而长极。 四七，筋骨坚，发长极，身体盛壮。 五七，阳明脉衰，面始焦，发始堕。 六七，三阳脉衰于上，面皆焦，发始白。 七七，任脉虚，太冲脉衰少，天癸竭，地道不通，故形坏而无子也。 丈夫八岁，肾气实，发长齿更。 二八，肾气盛，天癸至，精气溢泻，阴阳和，故能有子。 三八，肾气平均，筋骨劲强，故真牙生而长极。 四八，筋骨隆盛，肌肉满壮。 五八，肾气衰，发堕齿槁。 六八，阳气衰竭于上，面焦，发鬓颁白。 七八，肝气衰，筋不能动。 八八，天癸竭，精少，肾脏衰，形体皆极则齿发去。 1.3 研究机械系统动态特性和动态设计的意义 2. 研究机械系统动态特性的意义 1）提高机械系统的运动精度； 2）提高机械系统多功能的要求，创造新工艺； 3）节约能源，促进环保；实现控制系统的最优化， 4）提高安全性，可靠性，提高运动的可靠性和稳定性。 1.3.2 研究机械系统动态特性的常用方法 1. 动态特性的研究内容 （1）稳定性 系统如果能够在稳定状态遭到破坏后快速在新的状态实现稳定，这个系统才是稳定的。 （2）过渡过程的品质 系统偏离稳定状态的程度（超调δ）和恢复到性的稳定状态所需要的时间（时间常数τ）。 2. 常用的研究方法 1）运动微分方程法 运用微分方程可以建立系统单输入单输出的模型。 对于机械系统一般可以通过牛顿第二定律建立系统的平衡方程，根据能量守恒定律建立系统的能量方程。方程的建立要针对系统的一对输入和输出变量。 2）传递函数 可以建立系统的单输入单输出模型。 在微分方程的基础上，通过拉普拉斯变换，可以获得频域中的传递函数，从而使时域中的微分方程变成频域中的代数方程，在通过拉普拉斯逆变换返回的时域中进行使用。 1.3.2 研究机械系统动态特性的常用方法 3）频率响应法 频率响应法也叫频率分析法，是在传递函数分析的基础上演