-機(jī)電系統(tǒng)與仿真概述解讀

機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真天津工業(yè)大學(xué)機(jī)電系主講教師:劉欣

2011年2月

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步了解機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)以及仿真建模方法；掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí)，結(jié)合所學(xué)課程《機(jī)械控制工程》和《機(jī)電傳動(dòng)控制基礎(chǔ)》，學(xué)會(huì)運(yùn)用程序和建模語(yǔ)言進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本技能，為今后從事科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。課程任務(wù)學(xué)時(shí)安排與考試形式

總學(xué)時(shí)：30（其中上機(jī)學(xué)時(shí)10）

考試方式：筆試70%+上課10%+上機(jī)10%+作業(yè)10%機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與仿真技術(shù)概述

MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與仿真的數(shù)值積分方法運(yùn)用仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述建模和分析SIMULINK仿真基礎(chǔ)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)例教學(xué)內(nèi)容參考書(shū)目《機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真》機(jī)械工業(yè)出版社2005劉白雁《系統(tǒng)仿真技術(shù)》北京航空航天大學(xué)出版社2006彭曉源《機(jī)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)》哈爾濱工程大學(xué)出版社2006張立勛等《基于MATLAB/simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用》清華大學(xué)出版社2002薛定宇《控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真》國(guó)防工業(yè)出版社，2004黃忠霖《系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用》清華大學(xué)出版社，2002年薛定宇等第一講機(jī)電系統(tǒng)與仿真概述Mechatronics=Mechanics+Electronics機(jī)械電子學(xué)=機(jī)械學(xué)+電子學(xué)從系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門(mén)新科學(xué)技術(shù)。1.機(jī)電一體化技術(shù)1.1共性關(guān)鍵技術(shù)

1.精密機(jī)械技術(shù)

與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動(dòng)態(tài)性能更好。2.信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)信息處理的工具是計(jì)算機(jī)，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)等。

3.自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制技術(shù)范圍很廣，機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)在基本控制理論指導(dǎo)下，對(duì)具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。控制系統(tǒng)是指由被控對(duì)象和控制裝置所構(gòu)成的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)、使之具有一定的狀態(tài)和性能的系統(tǒng)。4.檢測(cè)傳感技術(shù)

傳感與檢測(cè)裝置是系統(tǒng)的感受器官，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連并將檢測(cè)到的信息輸送到信息處理部分。傳感與檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。傳感與檢測(cè)的關(guān)鍵元件是傳感器。

5.伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)裝置，由微型計(jì)算機(jī)通過(guò)接口與這些傳動(dòng)裝置相連接，控制它們的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工作機(jī)械作回轉(zhuǎn)、直線(xiàn)以及其他各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置主要指各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路。

6.系統(tǒng)總體技術(shù)

是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)和全局角度，把功能和技術(shù)方案組成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)解決的是系統(tǒng)的性能優(yōu)化問(wèn)題和組成要素之間的有機(jī)聯(lián)系問(wèn)題，即使各個(gè)組成要素的性能和可靠性很好，但如果整個(gè)系統(tǒng)不能很好協(xié)調(diào)，系統(tǒng)也很難正常運(yùn)行。1.2機(jī)電一體化技術(shù)的特色

機(jī)電一體化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的區(qū)別：傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的操作控制主要通過(guò)具有電磁特性的各種電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中不考慮或很少考慮彼此間的內(nèi)在聯(lián)系；機(jī)械本體和電氣驅(qū)動(dòng)界限分明，整個(gè)裝置是剛性的，不涉及軟件和計(jì)算機(jī)控制。機(jī)電一體化技術(shù)以計(jì)算機(jī)為控制中心，在設(shè)計(jì)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)機(jī)械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個(gè)裝置在計(jì)算機(jī)控制下具有一定的智能性。機(jī)電一體化技術(shù)與并行工程的區(qū)別：機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造階段就有機(jī)地結(jié)合在一起，十分注意機(jī)械和其他部件之間的相互作用。而并行工程將上述各種技術(shù)盡量在各自范圍內(nèi)齊頭并進(jìn)，只在不同技術(shù)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，最后通過(guò)簡(jiǎn)單疊加完成整體裝置。

機(jī)電一體化技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的區(qū)別：自動(dòng)控制技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)是討論控制原理、控制規(guī)律、分析方法和自動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造等。機(jī)電一體化技術(shù)將自動(dòng)控制原理及方法作為重要支撐技術(shù)，將自控部件作為重要控制部件應(yīng)用自控原理和方法，對(duì)機(jī)電一體化裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析和性能測(cè)算。機(jī)電一體化技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的區(qū)別：機(jī)電一體化技術(shù)只是將計(jì)算機(jī)作為核心部件應(yīng)用，目的是提高和改善系統(tǒng)性能。計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用僅僅是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中的一部分，它還可以在辦公、管理及圖像處理等方面得到廣泛應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)研究的是機(jī)電一體化系統(tǒng)，而不是計(jì)算機(jī)應(yīng)用本身。1.3機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r1).20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺(jué)或者不自覺(jué)地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。2).70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)。機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展。各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。3).90年代后期開(kāi)始為第三階段，“智能化階段”光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支。對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究。1.4機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)(7)

智能化：智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)新思想、新方法，模擬人類(lèi)智能，使它具有判斷推理、邏輯思維和自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。主要體現(xiàn)在診斷過(guò)程的智能化，人機(jī)接口的智能化，加工過(guò)程的智能化。模塊化：由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠(chǎng)家繁多，研制和開(kāi)發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，很難制定國(guó)際或國(guó)內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過(guò)組建一些大企業(yè)逐漸形成。從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來(lái)的好處可以肯定，模塊化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程。網(wǎng)絡(luò)化：20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái)，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷(xiāo)全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無(wú)疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。微型化：微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀(guān)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外稱(chēng)其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi)。綠色化：機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化是指，使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。人格化：機(jī)電一體化的人格化有兩層含義。一層是，機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品人的智能情感人性顯得越來(lái)越重要，另一層是模仿生物機(jī)理，研制各種機(jī)電一體化產(chǎn)品。系統(tǒng)化：系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開(kāi)放式和模式化的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能大大加強(qiáng)。機(jī)電系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)，特別是與微處理器或微機(jī)有機(jī)結(jié)合，從而賦予新的功能和性能的一種新產(chǎn)品。應(yīng)用機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置（產(chǎn)品），典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車(chē)電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。2.機(jī)電系統(tǒng)在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引入微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)（運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)的系統(tǒng)）

特點(diǎn)：是機(jī)械工程、電子學(xué)和智能控制算法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的協(xié)同整合。2.1機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)兩個(gè)系統(tǒng)論

物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。物理系統(tǒng)包括各種驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器；控制系統(tǒng)包括軟、硬件。三環(huán)論

機(jī)電一體化軟件機(jī)械學(xué)電子學(xué)2.2基本組成要素五塊論

典型的機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。3.機(jī)電系統(tǒng)實(shí)例4.仿真在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用仿真的定義仿真是指對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)某一層次抽象屬性的模仿。其基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來(lái)類(lèi)比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。

在工程技術(shù)界，系統(tǒng)仿真是指通過(guò)系統(tǒng)模型的試驗(yàn)間接的獲取原形的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)的發(fā)展給系統(tǒng)的仿真技術(shù)帶來(lái)了驚人的變化。只要設(shè)計(jì)者能夠全面了解了系統(tǒng)所處的環(huán)境及系統(tǒng)中的對(duì)象，并能夠建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，便可以使用計(jì)算機(jī)對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析。1、模型的定義模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。2、模型的分類(lèi)（1）物理模型是一類(lèi)具有某種實(shí)物物理特征的模型，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀(guān)存在的實(shí)體，是根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造的。如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。4.1仿真模型（2）數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來(lái)再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。是根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系構(gòu)造的。（3）仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的數(shù)字模型。4.2計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真的定義

計(jì)算機(jī)仿真也稱(chēng)計(jì)算機(jī)模擬，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的主動(dòng)者，進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能的比較，利用建立的模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，并將系統(tǒng)過(guò)程演練出來(lái)。利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。

計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。計(jì)算機(jī)仿真程序可以重復(fù)利用，方便對(duì)系統(tǒng)的修改，代價(jià)?。煌ㄟ^(guò)不斷的進(jìn)行仿真修改可以深化對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)采取相應(yīng)的控制策略；利用計(jì)算機(jī)仿真，會(huì)更接近實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。計(jì)算機(jī)仿真三要素（1）系統(tǒng)：研究的對(duì)象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計(jì)算機(jī)：工具與手段計(jì)算機(jī)仿真內(nèi)容及基本步驟

包括三個(gè)基本的內(nèi)容：建模仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.3仿真的分類(lèi)按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述方法分1、定量仿真：仿真系統(tǒng)中的模型均為基于一定機(jī)理和算法建立起來(lái)的確定性模型，其輸出輸入?yún)?shù)也是用數(shù)值表示，是定量的。如：動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、電路系統(tǒng)等連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要是基于微分方程描述，仿真模型采用不同的離散算法；在時(shí)間點(diǎn)上離散的系統(tǒng)，如采樣系統(tǒng)直接采用差分方程描述，輸入輸出參數(shù)也是定量的。2、定性仿真：仿真系統(tǒng)中的模型采用定性描述，在本質(zhì)上是一種非數(shù)值化得建模仿真方法。模型及輸入輸出信息、行為表示與分析均采用一種模糊、不確定性的、非量化的表示。源于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真研究，因?yàn)橄到y(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，建模知識(shí)不完備，無(wú)法構(gòu)造系統(tǒng)的精確定量模型；但它能處理多種形式的信息，有推理和學(xué)習(xí)的能力，能初步模仿人類(lèi)思維方式。如模糊建模方法、圖像建模方法等。按仿真時(shí)鐘與墻鐘時(shí)間的比例關(guān)系分1、實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘推進(jìn)時(shí)間與墻鐘推進(jìn)時(shí)間完全一致，兩者比例因子等于1；2、欠實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘推進(jìn)時(shí)間比墻鐘推進(jìn)時(shí)間慢，一致，兩者比例因子小于1；3、超實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘推進(jìn)時(shí)間比墻鐘推進(jìn)時(shí)間快，兩者比例因子大于1。按計(jì)算機(jī)類(lèi)型分1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。利用各種具有數(shù)學(xué)模型特征的典型電路，組成各種典型的基本運(yùn)算部件，它們連接起來(lái)可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要部件所構(gòu)成。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較自然逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動(dòng)化程度低。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。是用0和1斷續(xù)變化的電脈沖數(shù)碼串表示系統(tǒng)的狀態(tài)及數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)字式運(yùn)算。60年代數(shù)字仿真的計(jì)算與仿真的精度較高，但沒(méi)有專(zhuān)用的仿真軟件支持，需要設(shè)計(jì)人員用高級(jí)程序語(yǔ)言編寫(xiě)求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。充分利用了模擬仿真的連續(xù)信號(hào)處理功能以及數(shù)字部件的迭代、邏輯運(yùn)算和復(fù)雜函數(shù)生成功能。4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專(zhuān)用的仿真軟件、仿真語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。4.4仿真技術(shù)的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)飛行器設(shè)計(jì)中的三級(jí)仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)：電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以等。電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。3、原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來(lái)訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理。4、石油、化工及冶金工業(yè)5、非工程領(lǐng)域醫(yī)學(xué)社會(huì)學(xué)宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究4.5仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實(shí)驗(yàn)的成本約在1億美元左右，而采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需其成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。2、安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有很大的危險(xiǎn)，甚至是不允許的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。3、快捷提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能對(duì)一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的，這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會(huì)、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能，這時(shí)通過(guò)仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對(duì)系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識(shí)。4.6仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1、硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。2、應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶(hù)的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專(zhuān)家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開(kāi)發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。3、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少。4、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人置身于真實(shí)環(huán)境之中。4.7機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。建立機(jī)電系統(tǒng)模型和對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有極其重要的作用。仿真的任務(wù)：在理論分析階段，通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性；對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給出直觀(guān)的模擬結(jié)果，是幫助設(shè)計(jì)人員分析和檢查設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性和合理性的最有效的手段，是機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的內(nèi)容和環(huán)節(jié)。仿真的內(nèi)容機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真測(cè)試及信號(hào)處理系統(tǒng)的仿真：對(duì)傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng)性能的仿真；測(cè)試方案對(duì)系統(tǒng)性能影響的仿真分析伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真：伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析控制系統(tǒng)的仿真：控制器的設(shè)計(jì)及控制性能仿真系統(tǒng)綜合性能的仿真：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)從輸入到輸出之間各個(gè)環(huán)節(jié)性能綜合仿真分析；分析各環(huán)節(jié)之間的相互影響和耦合特性；外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；對(duì)系統(tǒng)綜合動(dòng)、靜性能作出評(píng)價(jià)。4.8計(jì)算機(jī)仿真軟件仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段所有問(wèn)題（如：微分方程求解、矩陣運(yùn)算、繪圖等）都是用高級(jí)算法語(yǔ)言（如C、FORTRAN等）來(lái)編寫(xiě)。2、程序軟件包階段出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫(kù)”。3、交互式語(yǔ)言階段（仿真語(yǔ)言）仿真語(yǔ)言可用一條指令實(shí)現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實(shí)現(xiàn)等低級(jí)問(wèn)題。4、模型化圖形組態(tài)階段符合設(shè)計(jì)人員對(duì)基于模型圖形化的描述。機(jī)電系統(tǒng)常用的幾種仿真軟件1、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真軟件：Solidworks;AutodeskInventor;Pro/Engin