機電一體化系統(tǒng)建模技術與仿真軟件的研究與分析

韓召偉

摘 要：本文對Schemebuilder進行了簡要分析，研究了運用面向對象法建模的軟件Dymoda和用鍵合圖法建模的仿真軟件20-sim。最后對機電一體化建模技術和仿真軟件的發(fā)展前景進行了系列總結。

關鍵詞：機電一體化；系統(tǒng)建模技術；仿真軟件；研究與分析

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0039-01

由于我國市場競爭性越來越大，產品上市的周期正在逐漸縮短，在有限時間內研發(fā)出滿足客戶需要的、性能顯著的機電產品可以說是各大廠家最終目標。對此，電腦開始成為廠家研發(fā)中不可或缺的一項工具。在計算機的幫助下進行機電一體化系統(tǒng)建模與仿真也就開始成為技術研究人員分析和探究的重要課題。

1 在電腦輔助下的機電一體化系統(tǒng)建模方式

機電一體化系統(tǒng)其建模實際上就是物理對象的有效建模，再簡單來說就是物理實體上的建模，把機電一體化的系統(tǒng)抽象成物理模型并在電腦中表達出來。電腦中表達和描述的物理模型，一定要比較容易轉變?yōu)閿祵W描述，只有這樣才可以把針對于物理模型方面的電腦仿真有效實現。下面主要介紹幾種國際中的物理模型方法。

1.1 方塊圖建模

方塊圖來源于控制理論這一學科，能夠對信號流的輸出和輸入進行有效建模。它包含有很多基本型控制模塊，例如積分、比例積分、微分、比例微分等等，根據線段再把這些模塊相聯(lián)系起來。每一種模塊都是由傳遞函數所構成的，其特點就是能夠反饋模塊與前饋模塊對任意控制系統(tǒng)進行表達[1]。

1.2 系統(tǒng)圖法

系統(tǒng)圖法其研究主要是以卡內基梅隆大學為主。系統(tǒng)圖描述的前提是線形圖理論，系統(tǒng)圖實際上就是系統(tǒng)能量流的拓撲構造線形圖的一種表示形式，相關研究人員將方塊圖和線形圖有效結合起來，使得系統(tǒng)圖也能夠對含有信號流的系統(tǒng)構造進行描述和表達，實現了系統(tǒng)圖的描述方式。系統(tǒng)圖法跟鍵合圖法相類似，都是通過運用一種在整個能量域中能夠對系統(tǒng)行為加以建模的最少的通用原件對系統(tǒng)建模。元件和元件之間用能量鏈的銜接來表達系統(tǒng)能量流的走向。

1.3 面向對象的建模

這種建模方法主要是對象電子、機械等不同領域的對象分別建模。并存在不同的數據庫里不同目錄當中。這種建模法具有繼承、層次化以及數據封袋等特點，能夠有效減少失誤、實現模型的再次使用。面向對象這種建模方式實際上就是把對象分解成能夠用數學形式進行表達的最小對象，之后把其封裝起來，通過圖標的方式當做對象進行保存，稱為對象圖。所有的最小對象按照特定形式組合在一起進行封裝，就產生了這種物理對象的模型。已經建立起來的對象圖還能夠在其他物理對象建模所需要的時候再次被引用起來。在建模軟件Dymod里，對象圖底端能夠用Modelica進行描述，這種建模方法不但能夠實現機械系統(tǒng)建模，同時還能夠實現控制系統(tǒng)其建模，可以說面向對象的建模是有效實現機電一體化系統(tǒng)建模的一種重要方式。

2 電腦輔助下機電一體化的系統(tǒng)仿真軟件

2.1 20-sim

20-sim是由荷蘭圖文特大學所研發(fā)出來的，它能夠有效實現機械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等的仿真和建模，它是對機電一體化建模與仿真提供一定支持的重要軟件。它采用的語言是SIDOPS，允許方塊圖和鍵合圖以及圖標圖等輸入建模方式，有屬于自己的模型庫，在其模型庫中涵蓋方塊圖，圖標圖和鍵合圖等目錄，在目錄里有已經建立完整的模型，幫助用戶進行調用，當然用戶也能自己建立模型，不過這需要運用SIDOPS語言描述來進行。這種軟件有效的把方塊圖和鍵合圖相融合在了一起，使用戶能夠在用方塊圖對控制系統(tǒng)加以建模的同時，還能夠用鍵合圖對機電一體化中機械部分加以建模，20-sim允許仿真時跟Simulink進行互換，20-sim能夠產生Simulink中的S函數，能夠在Matlab情境中進一步實現仿真[2]。

2.2 Dymoda

Dymoda這種軟件是由瑞典的一家是公司所研發(fā)出來的，其主要被應用在機器人和汽車等不同的工程領域的仿真與建模當中。Dymoda允許多個不同領域像電子和機械等系統(tǒng)進行混合建模與仿真。Dymoda是運用面向對象技術的一種建模與仿真軟件。因為Modelica語言能夠把SIDOPS語言轉換成Modelica，因此他也允許鍵合圖建模，可以說是能夠把鍵合圖與方塊圖有效結合起來的一種建模和仿真軟件。由于Dymoda是對實際的對象進行建模，所以它具有直觀性的特點，跟20-sim相比來看，Dymoda軟件更加適合因公用在非專業(yè)與專業(yè)人員進行建模當中（20-sim則只能使用在專業(yè)人員當中，這是由鍵合圖自身高度抽象性能所決定的）。

3 結語

對幾種機電一體化建模技術進行了簡要的分析和探討，并對其在應用上與各自的特點上進行了詳細的對比，進而提出面向對象建模是一種直觀性極強、相對系統(tǒng)化的建模方式，跟機電一體化自身特性相結合的角度出發(fā)，可看出，研發(fā)出集機械和控制于一身的機電一體化的混合型建模與仿真環(huán)境可以說是今后計算機輔助機電一體化系統(tǒng)設計的方向和趨勢。

參考文獻

[1]查娜，李國華.機電一體化系統(tǒng)多能量域集成產品建模與仿真技術分析[J].科技資訊，2015（05）：225.

[2]徐章鎖.基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術研究[D].西安電子科技大學，2013.