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机械系统建模与仿真 主讲 何亚银 2013.11.26 课程目的 机械系统建模与仿真基础知识 ADAMS软件操作初步 虚拟样机几何建模 约束机构 施加载荷 ADAMS/View建模的相关技术 样机仿真分析及调试 仿真结果后处理 参数化建模与设计 样机的参数化分析 系统、模型与仿真 数学模型的定义 数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个抽象的、简化的结构。 具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。 数学模型的分类 按照数学模型研究变量的特性可以分为连续模型和离散模型。线性模型和非线性模型。单变量模型和多变量模型。静态模型和动态模型。 系统建模 系统建模：理论建模法（机理分析法）；实验建模法 理论建模是指对现实世界的一特定对象,分析其内部机理，依据力学、电磁学、热力学和化学等基本理论弄清其因果关系,做出一些重要的简化和假设,运用适当的数学工具得到描述事物特征的数学模型。 特点：推导过程清晰，关系式得到了输入、输出和参数之间的关系；适应于结构和原理较简单的系统或者子系统；对于复杂的系统，由于做了较大简化，则结果往往与实测结果差异较大。 一般来说系统理论建模过程可用如下图所示 系统理论建模的方法和步骤 1、模型准备 首先要了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必需的信息，尽量弄清对象的特征。 2、模型假设 根据对象的特征和建模目的，对问题进行必要的、合理的简化，用精确的语言作出假设，是建模至关重要的一步。如果对问题的所有因素一概考虑，无疑是一种有勇气但方法欠佳的行为，所以高超的建模者能充分发挥想象力、洞察力和判断力，善于辨别主次，而且为了使处理方法简单，应尽量使问题线性化、均匀化。 3、模型构成 根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学工具，构造各个量间的等式关系或其它数学结构。(可以利用各种数学工具，如：图论、排队论、线性规划、对策论等。)值得注意的是，建立数学模型是为了让更多的人明了并能加以应用，因此工具愈简单愈有价值。 4、模型求解 可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值运算等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术。一道实际问题的解决往往需要纷繁的计算，许多时候还得将系统运行情况用计算机模拟出来，因此编程和熟悉 数学软件包能力便举足轻重。 5、模型检验与修正 建立数学模型的目的是解决实际问题，因此必须把模型所得到的结果返回到实际问题，如果符合，说明模型是可用的。如果不符合，要重新检查建模的过程和基本假设是否合理。 6、模型分析 对模型解答进行数学上的分析。横看成岭侧成峰，远近高低各不同，能否对模型结果作出细致精当的分析，决定了你的模型能否达到更高的档次。还要记住，不论那种情况都需进行误差分析，数据稳定性分析。 实验建模法 定义：当一时得不到事物准确的内在机理和特征时，可以通过实验测试的方法得到系统输入输出数据，再利用数理统计等理论和方法对测量得到的数据进行处理，从而得到系统的最终的数学模型。 特点：需要数据采集，记录设备；需要合适的激励信号；所设计的实验要求简单、易行；得到的实验模型要能充分反映被测系统的动态特性。 通常，实验模型本身并不直接反映被测系统的结构和原理，然而却便于与实验结果对照，相对于理论建模法而言更加准确、可靠。 实验建模何以在时域、频域和时频联合域中进行。 实验建模过程：观测数据获取、数据检验、模型类型选择、模型参数辨识与估计、模型适用性检验等。 仿真的定义 1961年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义 “仿真指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。 1978年，K?rn，“连续系统仿真” “用能代表所研究的系统的模型作实验”。 1982年，Spriet―进一步将仿真的内涵加以扩充 “所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。 1984年，Oren―给出了仿真的基本概念框架“建模－实验－分析”, “仿真是一种基于模型的活动”。 1989年文传源又在“系统仿真在中国的发展”一文中对系统仿真的学科定义作了如下重要修订：“系统仿真是建立在相似理论，控制理论、系统科学及计算机技术基础上的一门综合性和试验性学科”。 系统、模型、仿真 三者之间的关系 系统是研究的对象 模型是系统的抽象 仿真是对模型的实验 传统上系统建模属于系统辨识技术范畴，仿真技术则侧重于仿真建模，即针对不同形式的系统模型研究其求解算法，使其在计