CN105005210B - 机电一体化仿真系统及使用其的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电一体化仿真系统及使用其的方法，属于系统仿真领域。该机电一体化仿真系统包括计算机仿真模块，计算机仿真模块通过数学模型进行计算机仿真。采用本发明提供的机电一体化仿真系统及使用其的方法可以节约时间、劳动力和成本；由于能够利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，因此能够加快设计进程，从而缩短设计周期，并进一步提高设计质量；本发明提供的机电一体化仿真系统中的计算机仿真模块可以重复利用，还能方便对仿真进行修改，并通过不断地修改从而深化对系统的认识，有利于对系统采取相应的控制策略；利用计算机仿真，更进一步接近实际系统的工作状态，从而实现机电产品的快速开发。

Description

机电一体化仿真系统及使用其的方法

技术领域

本发明涉及系统仿真领域，特别涉及机电一体化仿真系统及使用其的方法。

背景技术

在进行项目设计和规划时，往往需要对项目的合理性、经济性等品质进行评价；而在系统实际运行前，需要针对项目的实施结果进行预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，从而最大程度地提高实际系统的运行水平。

因此，确有必要提供一种能够进行仿真模拟的机电一体化仿真系统及使用其的方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种机电一体化仿真系统及使用其的方法。所述技术方案如下：

本发明的一个目的是提供了一种机电一体化仿真系统。

本发明的还一目的是提供了一种使用机电一体化仿真系统的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种机电一体化仿真系统，所述机电一体化仿真系统包括计算机仿真模块，所述机电一体化仿真系统通过计算机仿真模块对数学模型进行计算机仿真。

具体地，所述计算机仿真模块包括实际系统、数学模型和计算机，所述计算机通过辨识技术将要进行仿真的实际系统抽象为数学模型，之后所述计算机将所述数学模型转换为能够在计算机上运行的仿真技术问题然后进行仿真。

进一步地，所述机电一体化仿真系统还包括全物理仿真模块，所述机电一体化仿真系统通过全物理仿真模块对物理模型进行全物理仿真。

进一步地，所述机电一体化仿真系统还包括半物理仿真模块，所述半物理仿真模块用已经研制出的要进行仿真的实际系统中的实际部件和/或子系统代替部分数学模型进行半物理仿真，

在进行半物理仿真中，所述物理模型包括已经研制出的要进行仿真的实际系统中的实际部件和/或子系统。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种使用上述的机电一体化仿真系统的方法，所述方法包括下列步骤：

(1)对要仿真的实际系统进行建模；

(2)通过计算机仿真模块对数学模型进行仿真实验，并对仿真结果进行分析，用于对机电一体化系统进行分析、设计和研究。

具体地，在建模时，通过辨识技术将要仿真的实际系统抽象为数学模型，实现一次模型化；

在进行仿真实验时，借助计算机将抽象出的数学模型转换为能在计算机上运行的仿真技术问题，实现二次模型化。

进一步地，在步骤(2)中，该方法还包括：

a1当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型；

a2将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求数学模型和修正后的数学模型相结合并继续进行计算机仿真实验；

a3重复步骤a1和a2，直到通过计算机仿真模块确认不满足所述要求的数学模型全部满足所述要求为止。

进一步地，在步骤(2)中，该方法还包括：

b1当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型，直到通过计算机仿真确认满足所述要求为止；

b2将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

b3将已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型，并与修正后的数学模型相结合，以实现数学模型和物理模型的结合；

b4在数学模型和物理模型相结合后，计算机通过半物理仿真模块进行半物理仿真并进行结果分析。

具体地，在步骤b4中，该方法还包括：

ⅰ当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型；

ⅱ将满足对机电一体化仿真系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

ⅲ将已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型，且与修正后的数学模型相结合并继续进行半物理仿真；

ⅳ重复步骤ⅰ至ⅲ，直到通过半物理仿真模块确认不满足所述要求的数学模型全部满足所述要求为止。

进一步地，在步骤b4中，该方法还包括：

当分析得出的结果全部满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

将已经研制出的全部机电一体化仿真系统中的实际部件和/或子系统代替全部数学模型通过全物理仿真模块进行全物理仿真。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)采用本发明提供的机电一体化仿真系统及使用其的方法可以节约时间和成本，还能省力；

(2)由于能够利用计算机高速而精确的计算能力、能够进行大容量存储和处理数据的能力，因此能够加快设计进程，从而缩短设计周期，并进一步提高设计质量；

(3)本发明提供的机电一体化仿真系统中的计算机仿真模块可以重复利用，还能方便对仿真进行修改，并通过不断地修改从而深化对系统的认识，这样有利于对系统采取相应的控制策略；

(4)本发明提供的机电一体化仿真系统及使用其的方法利用计算机仿真，更进一步接近实际系统的工作状态，从而实现机电产品的快速开发。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的机电一体化仿真系统的结构原理示意图；

图2是图1所示的计算机仿真模块的结构原理示意图；

图3是使用机电一体化仿真系统的方法的流程图。

其中，10计算机仿真模块，11实际系统，12数学模型，13计算机，20全物理仿真模块，30半物理仿真模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的机电一体化仿真系统的原理和结构。机电一体化仿真系统包括计算机仿真模块10。该计算机仿真模块10能够通过数学模型进行计算机仿真。即在进行仿真时，所采用的模型是数学模型则称为数学仿真，然而由于数学仿真基本上是通过计算机来实现的，因此数学仿真也称为计算机仿真，其中数学模型是指描述系统(即所测系统)中的一些关系和特征的数据模型。

具体地，如图2所示，计算机仿真模块10包括3个基本要素，即实际系统11、数学模型12和计算机13。因此与这3个要素相联系的基本活动有3个：模型建立、仿真实验和结果分析。通过辨识技术将要进行仿真的实际系统11抽象为数学模型12，之后计算机13将数学模型12转换为能够在计算机13上运行的仿真技术问题然后进行仿真。在本发明的一个示例中，在进行计算机仿真的过程中，将实际系统抽象为数学模型，并将该过程称为一次模型化，而其中主要涉及系统的辨识技术问题，这些统称为建模问题。

在本发明的另一个示例中，建模包括下列步骤：首先明确辨识目的并掌握先验知识；然后确定数学模型12中的具体类型和辨识准则函数；之后进行实验设计，并根据实验的设计方案确定输入信号(激励信号)进行实验，在实验过程中检测与记录输入输出数据；再对输入输出数据进行预处理和参数估计，最后对该模型进行验证，当验证的结果不满意时，即模型与数据拟合得不理想时，重新确定模型的类型和辨识准则函数，之后继续进行实验和模型验证，直到得出满意的模型为止。当然本领域技术人员可以明白，本示例仅是一种说明性示例，不应当理解为对本发明的一种限制，本领域技术人员可以采用其他方式进行建模，只要能建立出满意的模型即可。其中，所谓辨识技术就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型中确定一组与所测系统(即本发明中的实际系统11)等价的模型。例如利用实际系统11在试验数据或在线运行中的可测量的输入输出型号(数据)运用数学归纳、统计回归的方法来直接建立数学模型。

在一次模型化后，将数学模型12转换为可在计算机13上运行的仿真技术问题，统称为仿真实验，即二次模型化。因此，仿真是建立在模型这一基础之上的，对于计算机仿真要完善建模、仿真实验及结果分析体系，以使仿真技术成为机电一体化系统分析、设计与研究的有效工具。

再次参见图1，机电一体化仿真系统还包括全物理仿真模块20和半物理仿真模块30。全物理仿真模块20通过物理模型进行全物理仿真，半物理仿真模块30用已经研制出的要进行仿真的实际系统中的实际部件和/或子系统代替部分数学模型，即物理模型和数学模型相结合进行半物理仿真。本领域技术人员可以理解为在进行半物理仿真中，物理模型包括已经研制出的或者说已经存在的要进行仿真的实际系统中的实际部件和/或子系统，其中物理模型是指用物理、化学和生物等材料构成的用于描述系统中的关系和特征的实体模型。

在本发明中，机电一体化仿真系统是相互联系和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体，该整体通过对系统模型的实验分析去研究一个存在的或设计中的系统，而系统中的模型与真实系统之间的相似程度便成为影响最终仿真精度的因素之一，其中所采用的模型至少必须反映系统的主要特性。由此可知，由于全物理仿真模块中的物理模型全部以实际部件或者子系统等实物介入，而半物理仿真模块中的模型一部分为实际部件或者子系统等实物，另一部分为数学模型，因此半物理仿真、全物理仿真有实物介入，具有较高的可信度、较好的实时性与在线等特点。而计算机仿真中的数学模型没有实物的介入，因此计算机仿真较之半物理仿真与全物理仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经快捷和实用的仿真方法。无论是计算机仿真、半物理仿真或者全物理仿真都具有不同的优点，使得在实际应用中所采用的模型以什么形式来表示，可以根据需要和条件来确定。

参见图3，其示出了根据本发明的一个实施例的使用机电一体化仿真系统的方法的流程。使用机电一体化仿真系统的方法包括下列步骤：

(1)对要仿真的实际系统进行建模；

(2)通过计算机仿真模块10对数学模型进行仿真实验，并对仿真结果进行分析，用于对机电一体化系统进行分析、设计和研究。

结合图2和图3所示，在建模的过程中，通过辨识技术将要仿真的实际系统11抽象为数学模型12，实现一次模型化；之后计算机13再将抽象出的数学模型12转换为能在计算机上运行的仿真技术问题以进行仿真实验，实现二次模型化。

结合图1和图3所示，在计算机仿真模块10中进行仿真实验后，对仿真实验的结果进行分析，当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型；然后将修正后的数学模型和满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型相结合并继续进行计算机仿真实验；在进行计算机仿真实验后，对仿真结果再次进行分析，如果分析得出的结果仍有部分数学模型不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求，则进行再次修正、进行计算机仿真实验和分析，以此类推，直到通过计算机仿真模块确认数学模型全部满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求为止。为了节约成本，并且还由于计算机仿真较之半物理仿真与全物理仿真在时间、费用和方便性上都具有明显的优点，是一种经快捷和实用的仿真方法，因此，本领域的技术人员可以仅采用计算机仿真，而不必进行半物理仿真、全物理仿真。

在本发明的一个示例中，由于半物理仿真有实物介入，具有较高的可信度、较好的实时性与在线性等特点，因此在进行计算机仿真实验后，即分析设计(软件级)阶段之后，进入部件及子系统研制(软件-硬件级)阶段，也就是进入半物理仿真阶段。即在计算机仿真实验进行结果分析后，当分析得出的结果满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，可以将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制，然后再将已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型，并与修正后的数学模型相结合，以实现数学模型和物理模型的结合；之后计算机通过半物理仿真模块30进行半物理仿真并对仿真结果进行分析。这样的设计还可以用于当机电一体化仿真系统中的部件和/或子系统中的一部分具有实际部件、实际系统，而另一部分尚未开发研制或者说尚未开发研制成功需要使用数学模型时的仿真。

在分析半物理仿真结果时，当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型，同时将满足对机电一体化仿真系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；之后将修正后的数学模型和已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型相结合并继续进行半物理仿真；在进行半物理仿真之后，对仿真结果再次进行分析，如果分析得出的结果仍有部分数学模型不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，则继续进行修正、半物理仿真和结果分析，以此类推，直到通过半物理仿真模块确认不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型全部满足要求为止。由此可知，为了节约成本，本领域的技术人员可以仅采用半物理仿真，不必进一步采用全物理仿真。

在本发明的一个示例中，由于全物理仿真有实物介入，具有更高的可信度、更好的实时性与在线等特点，在进行半物理仿真实验后，即进行部件及子系统研制(软件-硬件级)阶段后，进入系统研制(硬件级)阶段。当在半物理仿真中分析得出的结果全部满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；之后将已经研制出的全部机电一体化仿真系统中的实际部件和/或子系统代替全部数学模型，即使物理模型全部代替数学模型，并通过全物理仿真模块20进行全物理仿真。由于这样的设计用于模型全部为物理模型或者实物的仿真技术，使得可以在实际部件和/或子系统进行实际应用前进行仿真模拟，这样能够提前消除设计中的缺陷。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)采用本发明提供的机电一体化仿真系统及使用其的方法可以节约时间、劳动力和成本地；

(2)由于能够利用计算机高速而精确的计算能力、能够进行大容量存储和处理数据的能力，因此能够加快设计进程，从而缩短设计周期，并进一步提高设计质量；

(3)本发明提供的机电一体化仿真系统中的计算机仿真模块可以重复利用，还能方便对仿真进行修改，并通过不断地修改从而深化对系统的认识，这样有利于对系统采取相应的控制策略；

(4)本发明提供的机电一体化仿真系统及使用其的方法利用计算机仿真，更进一步接近实际系统的工作状态，从而实现机电产品的快速开发。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种使用机电一体化仿真系统的方法，所述方法包括下列步骤：

(1)对要仿真的实际系统进行建模；

(2)通过计算机仿真模块对数学模型进行仿真实验，并对仿真结果进行分析，用于对机电一体化系统进行分析、设计和研究；

在建模时，通过辨识技术将要仿真的实际系统抽象为数学模型，实现一次模型化；

在进行仿真实验时，借助计算机将抽象出的数学模型转换为能在计算机上运行的仿真技术问题，实现二次模型化；

在步骤(2)中，该方法还包括：

a1当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型；

a2将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求数学模型和修正后的数学模型相结合并继续进行计算机仿真实验；

a3重复步骤a1和a2，直到通过计算机仿真模块确认数学模型全部满足所述要求为止；

在步骤(2)中，该方法还包括：

b1当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型，直到通过计算机仿真确认满足所述要求为止；

b2将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

b3将已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型，并与修正后的数学模型相结合，以实现数学模型和物理模型的结合；

b4在数学模型和物理模型相结合后，计算机通过半物理仿真模块进行半物理仿真并进行结果分析；

在步骤b4中，该方法还包括：

ⅰ当分析得出的结果不满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，修正不满足要求的数学模型；

ⅱ将满足对机电一体化仿真系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

ⅲ将已经研制出的机电一体化仿真系统中的实际部件或者子系统代替满足要求的数学模型，且与修正后的数学模型相结合并继续进行半物理仿真；

ⅳ重复步骤ⅰ至ⅲ，直到通过半物理仿真模块确认不满足所述要求的数学模型全部满足所述要求为止。

2.根据权利要求1所述的使用机电一体化仿真系统的方法，其特征在于，

在步骤b4中，该方法还包括：

当分析得出的结果全部满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求时，将满足对机电一体化系统中的部件或者子系统的要求的数学模型进行研制；

将已经研制出的全部机电一体化仿真系统中的实际部件和/或子系统代替全部数学模型通过全物理仿真模块进行全物理仿真。