基于MATLAB和ADAMS的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)聯(lián)合仿真

王會(huì)彬 趙海娜 鄭華山

（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854）

基于MATLAB和ADAMS的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)聯(lián)合仿真

王會(huì)彬 趙海娜 鄭華山

（北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854）

目前，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研究主要采用通過建立一定的數(shù)學(xué)模型，然后利用MATLAB軟件進(jìn)行軟件仿真，最終得出控制結(jié)果的方式進(jìn)行。然而，數(shù)學(xué)模型往往與實(shí)物差別較大，導(dǎo)致控制模型不夠準(zhǔn)確。研究表明，運(yùn)用ADAMS軟件和MATLAB軟件分別建立機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型和控制模型，然后進(jìn)行聯(lián)合仿真，可在很大程度上避免由于數(shù)學(xué)模型不精確而帶來的控制誤差問題，為實(shí)際系統(tǒng)控制參數(shù)的調(diào)試提供理論參考，從而縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期，使設(shè)計(jì)工作更加高效。

系統(tǒng)仿真，PI，速度環(huán)，位置環(huán)

引 言

ADAMS軟件可提供強(qiáng)大的建模、仿真環(huán)境，使用戶能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，具有十分強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，而MATLAB軟件則憑借其強(qiáng)大的計(jì)算功能，迅速成為算法設(shè)計(jì)和模型仿真不可缺少的工具。將ADAMS軟件和MATLAB軟件相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合仿真，可將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析與控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析，避免了僅僅應(yīng)用數(shù)學(xué)公式去輔助建立復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)模型，從而使機(jī)械系統(tǒng)模型更加準(zhǔn)確，同時(shí)使控制算法更加有效、更加貼近實(shí)際。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)介紹

整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)體和控制箱組成，臺(tái)體模型如圖1所示，主要有俯仰和方位2個(gè)自由度組成。其中，俯仰系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，方位系統(tǒng)以交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；根據(jù)實(shí)際需求，方位系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，俯仰系統(tǒng)要求能在±10°內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖1 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)模型圖

2 基于MATLAB軟件的控制仿真模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

由于ADAMS軟件在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算時(shí)，只考慮構(gòu)件的質(zhì)心和質(zhì)量，而對(duì)各個(gè)構(gòu)件的外部形狀不予考慮，因此，在建模過程中，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)和各個(gè)構(gòu)件的外形進(jìn)行精確描述并沒有太多的實(shí)際意義。所以，在采用ADAMS軟件建模之前，必須對(duì)物理樣機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。使用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)建模及簡(jiǎn)化，應(yīng)遵循以下原則：（1）根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)化模型，各個(gè)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系要表達(dá)清楚；（2）在不影響視覺效果的前提下，模型外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)化；（3）多個(gè)構(gòu)件固結(jié)時(shí)，可只用1個(gè)構(gòu)件表示，以減少運(yùn)動(dòng)副數(shù)量。簡(jiǎn)化后的模型由底座、俯仰平臺(tái)及方位平臺(tái)組成，如圖2所示。本模型采用SolidWorks軟件建立，將簡(jiǎn)化的模型另存為“.x_t”格式，并導(dǎo)入到ADAMS軟件中。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)化模型

2.2 創(chuàng)建輸入輸出變量

對(duì)導(dǎo)入的模型添加材料等屬性，底座和俯仰組件，以及俯仰組件和方位組件分別添加旋轉(zhuǎn)副，同時(shí)為俯仰組件添加單分量力。如圖3所示，以轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰角度控制為例，對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)輸入的是轉(zhuǎn)矩，輸出的是俯仰平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度，因此，設(shè)置轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)的輸入變量，俯仰平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度為輸出變量（具體設(shè)置如圖4所示），加載ADAMS軟件的Controls模塊，設(shè)置輸入、輸出對(duì)象，選擇MATLAB軟件作為目標(biāo)軟件，完成后會(huì)生成xx.m、xx.cmd、xx.adm等3個(gè)文件。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)的ADAMS軟件模型

圖4 系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量

2.3 導(dǎo)入ADAMS軟件模型

在MATLAB軟件的命令窗口中運(yùn)行xx.m和adams_sys命令將ADAMS軟件模型導(dǎo)入到MALAB軟件的控制模型中，如圖5所示。其中，S-Function方框表示ADAMS軟件模型的非線性模型，即進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算的模型；State-Space表示ADAMS軟件模型的線性化模型，adams_sub包含非線性方程，也包含許多有用的變量；從adams_sub中可以看出，系統(tǒng)有1個(gè)輸入量及2個(gè)輸出量。

圖5 ADAMS軟件模型

3 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

3.1 建立速度環(huán)仿真控制模型

以轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰角度控制為例，采用PI控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰角度的準(zhǔn)確位置控制。要實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角度的準(zhǔn)確位置控制，首先要對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，即速度環(huán)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，建立系統(tǒng)的速度環(huán)控制模型，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的速度環(huán)PID控制模型

經(jīng)過不斷的調(diào)整，PI參數(shù)完成對(duì)速度環(huán)的準(zhǔn)確控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示，設(shè)置仿真時(shí)間為0.4s，目標(biāo)速度為-10°/s。可以看出，系統(tǒng)在P= -500、I=25時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)時(shí)間較好。

圖7 P= -500，I=25

圖8 P= -300，I=25

圖9 P= -150，I=25

3.2 建立位置環(huán)仿真控制模型

速度環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是系統(tǒng)的外環(huán)，在速度環(huán)模型的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的位置環(huán)PI控制模型，如圖10所示。通過速度環(huán)的調(diào)試，最終選取速度環(huán)的控制參數(shù)P為-500，I為25。

圖10 位置環(huán)PI控制模型

經(jīng)過不斷的調(diào)整，PI參數(shù)完成對(duì)位置環(huán)的準(zhǔn)確控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12和圖13所示，設(shè)置仿真時(shí)間為0.4s，目標(biāo)位置為30°?？梢钥闯?，系統(tǒng)在P=30，I=1時(shí)，雖然響應(yīng)較快，但存在超調(diào)現(xiàn)象；P=10時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)較慢；綜合比較，最終控制參數(shù)選取P=20，I=1。

5 結(jié) 論

通過ADAMS軟件機(jī)械系統(tǒng)模型和MATLAB軟件控制模型的建立，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)軟件的聯(lián)合仿真，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了開發(fā)成本，其機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體性能也得到了優(yōu)化，為實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試提供了理論依據(jù)，能夠更好地解決調(diào)試中遇到的各種問題。

圖11 P=30，I=1

圖12 P=20 ，I=1

圖13 P=10 ，I=1

1 鄭建榮. 虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005

2 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2003

3 張琛. 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001

Combined Simulation of Turntable System Based on ADAMS and MATLAB

Wang Huibin Zhao Haina Zheng Huashan
(Beijing Aerospace GuangHua Electronics Technologies Limited Corporation, Beijing 100854)

At present, the study of the turntable control system usually performs like this: establish the mathematical model first, and then, the simulation analysis is executed in MATLAB software. However, the mathematical model is always greatly different from actual conditions, which leads to the inaccuracy of the control model. The simulation models of mechanical system and control model of the turntable system are established by ADAMS software and MATLAB software respectively, and then the co-simulation technology is performed here with ADAMS and MATLAB. The co-simulation results show that the control accuracy and the design efficiency can be improved greatly. In addition, the co-simulation method has provided a theoretical reference for system debugging in practice.

System simulation, PI, Speed loop, Position loop

1009-8119（2015）03（1）-0056-03