Adams振动仿真心得（共5篇）

第一篇：Adams振动仿真心得

Adams单自由度隔振扫频研究心得:

1.对于box刚体，讨论y方向单自由度，对box需要两点移动副约束，两点要求是棱角点

或者中心点，而且两点不能在一个y的高度上（猜测可能有冗余约束）。

2.Box上的两点移动副约束要求：first body 与second body 要求互换，即同一零件不能作

为两个移动副的first body。如果还不行，在满足说说的条件下，多尝试几种组合。

3.重力场的加载与否不影响频响应函数的得出及结果。频响函数纵坐标单位为分贝，即振

幅的常用对数的20倍。

4.幅频特性曲线，无阻尼对应相位差180°，有阻尼对应相位差小于180°。

5.加载重力加速度后，时域仿真会整体自由落体，静态求解会报错，但是不影响频响求解。

6.当弹簧阻尼系数设置过大时，（共振峰值近似消除），频响求解会报错，可能是振动模块

无法仿真过阻尼状态。

1.2.3.非线性弹簧下，对于质量块，如何建立力？ 右键弹簧功能图标，选择“箭头指向一点”的图表，确定详细栏中为：Two Bodies、constant，选择质量块→选择ground→选择质量中心→方向确定点。对新建的力以后，要modify一下，因为通过刚度外部数据需由常数改为函数。函数-AKISPL(DM(MAKER_11，PART_3.CM)-400，0，SPLINE_1，0)，大括号内依次表

示，MAKER_11和PART_3.CM两标记点之间的距离减参考坐标（即第一变量为变形），没有第二变量，曲线名称为SPLINE_1，微分阶数为零。

研究非线性弹簧弹簧力和位移的关系，要用非线性力取代弹簧。得到的力-位移曲线曲率大的部分放大后会发现是具有滞回特性的。

需建立两个测量，监测力和位移。

研究有阻尼弹簧振幅衰减过程，可定义衰减系数指标，表示前两个峰值之比。4.5.6.1.导入的参数文件如果是csv格式，在导入后，time column index 可以不输入1，如果是

txt格式需要输入1才能读入数据曲线。

2.利用模型确认工具，可以发现模型自由度数目不对，或者模型有问题时，利用children

按钮可以找到问题所在；需要删除零质量零件但是又找不到零件时，在菜单栏view 下面的part only 或者model里面可以找到并删除。

3.输入设计变量要干脆，不要修改，否则出现编号杂乱无章，变量过多，暂时不知道怎么

删除无用编号。

1.通过绘制垂直方向（或水平方向）频响的幅值曲线与相位曲线，可以看出影响垂直方向

（或水平方向）响应的最大的模态频率。

2.通过绘制功率谱密度或PSD曲线，可以显示振动分析中各种频率输入的传递能量。会看

到在模态频率处曲线纵坐标开始有较大的降幅。

3.通过绘制模态坐标，可以查看某一阶模态对应的振动响应。在单个坐标系里得到各阶模

态对应的振动响应，从而找到对系统振动响应影响最大的模态。

4.对于三维频响图，y轴标记为run:1.0~2.0，暂不知道表示什么意思。

查看创建某一part的measure，查看振动情况时，选择坐标方向而不是mag(幅值)项，这里的mag(幅值)项还不知道什么意思，从mag(幅值)的结果来看不是振幅的意思，也不是各个方向振幅的模值。

第二篇：adams运动仿真教学

起重机的建模和仿真，如下图所示。

1）启动ADAMS 1.运行ADAMS，选择create a new model;2.modal name 中命名为lift_mecha;3.确认gravity 文本框中是earth normal(-global Y)，units文本框中是MKS；ok 4.选择setting——working grid，在打开的参数设置中，设置size在X和Y方向均为20 m，spacing在X和Y方向均为1m；ok 5.通过缩放按钮2）建模

1.查看左下角的坐标系为XY平面

2.选择setting——icons下的new size图标单位为1 3.在工具图标中，选择实体建模按钮中的box按钮4.设置实体参3.53.数；

，使窗口显示所有栅格，单击F4打开坐标窗口。On ground Length :12 Height:4 Depth:8 5.鼠标点击屏幕上中心坐标处，建立基座部分 6.继续boxNew part Length :3 Height:3 Depth: 3.5 设置完毕，在基座右上角建立座架Mount部件 建立Mount座架部件，设置参数：

7.左键点击立体视角按钮架到基座中间部位：，查看模型，座架Mount不在基座中间，调整座

①右键选择主工具箱中的position按钮图标

中的move按钮

②在打开的参数设置对话框中选择Vector，Distance项中输入3m，实现Mount移至基座中间位置

③设置完毕，选择座架实体，移动方向箭头按Z轴方向，Distance项中输入2.25m，完成座架的移动

右键选择座架，在快捷菜单中选择rename，命名为Mount 8.选择setting—working grid 打开栅格设置对话框，在set location中，选择pick 选择Mount.cm座架质心，并选择X轴和Y轴方向，选择完毕，栅格位于座架中心

选择主工具箱中的视角按钮，观察视图 将spacing—working grid，设置spacing中X和Y均为0.5 10.选择圆柱实体绘图按钮New part Length:10m Radius:1m 选择座架的中心点，点击左侧确定轴肩方向，建立轴肩，单击三维视图按钮，观察视图，设置参数：

11.继续圆柱工具① 设置参数： New part Length: 13m Radius: 0.5m ② 选择Mount.cm作为创建点，方向同轴肩，建立悬臂，绘制悬臂

③ 右键选择新建的悬臂，在快捷菜单中选择part_4——Rename，命名为boom ④选择悬臂，移动方向沿X轴负向，实现悬臂的向左移动：

1）右键选择工具箱中的position按钮中的move按钮

2）在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2m，点击悬臂，实现移动

⑤ 右键点击实体建模按钮设置圆角半径为1.5m ⑥ 左键选择座架上侧的两条边，点击右键，完成倒角，在弹出的下一级菜单中选择导圆角工具，12.选择box按钮图标① 设置参数： New part Length : 4.5 Height: 3.0 Depth: 4.0 ② 选择悬臂左侧中心点，命名为bucket，建立铲斗，创建铲斗

③ 右键选择position按钮下一级按钮move按钮

④ 在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2.25m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系X轴负方向，实现铲斗的横向移动

⑤ 在主工具箱中，选择三维视图按钮，察看铲斗

⑥ 继续选择move按钮，设置参数中选择vector，distance中输入2.0m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系 Z轴负方向，实现铲斗的纵向移动

⑦ 移动完毕，选择主工具箱中的渲染按钮render，察看三维实体效果，再次选择render按钮，实体图则以线框显示

⑧ 右键点击实体建模按钮，再弹出的下一级按钮中选择倒角工具的参数设置对话框中，设置倒角Width为1.5m，⑨ 选择铲斗下侧的两条边，完毕单击右键，完成倒角

⑩ 右键选择实体建模工具按钮，再下一级按钮中选择Hollow按钮的参数设置对话框中设置参数Thickness为0.25m 选择铲斗为挖空对象，铲斗上平面为工作平面，完毕点击右键挖空铲斗，在打开，在打开

3）添加约束

根据图示关系，添加链接 ① 在主工具箱中，选择转动副bod——1 loc和pick feature，下方的参数设置对话框中，设置参数2 ② 选择基座和座架，然后选择座架中心Mount.cm，旋转轴沿y轴正向，建立座架与基座的转动副

③ 继续用转动副按钮，建立轴肩与座架间的转动副，设置参数为2 bod——1 loc和Normal to grid，选择轴肩和座架，再选择座架中心点，建立转动副 ④ 继续用转动副按钮，建立铲斗与悬臂间的转动副，设置参数为2 bod——1 loc和Normal to grid，选择铲斗与悬臂，再选择铲斗下侧中心点，建立转动副 ⑤ 选择主工具箱中的平动副，设置参数2 bod——1 loc和pick feature，选择悬臂与轴肩，再选择悬臂中心标记点，移动方向沿X轴正方向，建立悬臂和轴肩间的平动副

⑥ 右键点击窗口右下角的Information 信息按钮，选择约束按钮，观察是否按要求施加约束，关闭信息窗口 ⑦ 检查完毕，选择仿真按钮运动 4）添加运动

① 选择主工具箱中的旋转运动按钮，右键点击座架中心标记点，在弹出的，对系统进行仿真，观察系统在重力作用下的选择窗口中，选择JOINT_mount_ground,给座驾与基座的转动副添加转动运动 ② 选择俯视图按钮，观察旋转运动副的箭头图标

③ 右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_mount_ground——modify在修改对话框中，修改function项为360d*time ④ 重复上述动作，在轴肩和座架之间建立旋转运动Motion_shoulder_ground, ⑤ 右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_shoulder_ground——modify在修改对话框中，修改function项为-STEP(time,0,0,0.10,30d)⑥ 重复上述动作，在铲斗和悬臂之间建立旋转运动Motion_bucket_boom ⑦ 设置运动函数为45d*（1-cos（360d*time））

⑧ 右键点击主工具箱中旋转运动按钮，选择下一级平行运动按钮，点击悬臂中心平动副，在悬臂和座架间建立平行运动

⑨ 设置平行运动函数为STEP（time，0.8，0，1，5）

⑩ 选择主工具箱中的仿真按钮，设置仿真参数END Time：1；Steps：100，进行仿真

5）测量和后处理

① 鼠标右键点击铲斗，打开右键快捷键，选择测量measure ② 系统打开参数设置对话框，将Characteristic设置为CM Point，Component 设置为Y,测量Y向位移。

③ 点击Apply，出现空白的测量窗口 ④ 点击总工具箱中测量长度按钮，测量悬臂左端点与轴肩右端点间的距离

保存文件qizhongji在E：jiben0520053377目录中，推出系统。

其它CAD图与ADAMS软件的接口

1）在solid-edge、solid-working、p-re、UG等三维造型软件中，绘制三维图形，下图所示为装载机的工作装置CAD三维图；

装载机工作装置中包含许多零部件，为简化仿真模型，可以在建立三维图形时，将链接螺栓等非传动件忽略，将其质量添加到相连的传动件上即可，切记：在CAD软件装配图绘制完三维图后，将文件保存为.igs为后缀的格式退出。2）将三维CAD图形文件调入ADAMS软件

打开ADAMS软件，进入ADAMS界面，进行以下操作：

① 在File菜单，选择Import命令，显示文件输入对话框。

② 在File Type栏，选择输入的CAD文件格式，后缀为.igs格式，显示输入的CAD文件对话框，如上图所示。

③ 在File To Read右边的空框内输入文件名，方法为：鼠标放在空框内，点击右键，选择browse，打开文件浏览对话框，找到已保存的后缀为.igs的文件，双击即可。

④ 在Part Name 栏，输入ADAMS数据库名。

⑤ 选择OK按钮，即可将CAD文件调入ADAMS软件中。

1）点击放大缩小图标示调入的图形；

2）修改个零部件的物理特性：视图在由CAD软件调入ADAMS软件后，其各部件的物理特性丢失，只保留了几何特性，所以，为进行系统仿真，需要对每一个零部件添加材料特性，方法如下：

① 将鼠标放在要修改的零部件上，点击右键，依次选择：浮动菜单的第一项part—modify，打开修改对话框；，将鼠标放在绘图视窗内，按下左键，移动鼠标，显

② 在category栏选择mass properties；在define mass by栏选择geometry and material type；在material type 栏，输入零件的材料

③ 点击修改对话框下角的show calculated inertia，计算零件的质量和转动惯量等参数；

④ Ok退出，即完成零件的物性修改，其它零件类推。

3）根据前面仿真分析方法对导入后的装载机工作装置进行仿真分析。4）测量输出起升油缸的作用力，保存文件，退出系统。

第三篇：基于adams和matlab的一级倒立摆联合仿真

基于PRO/E,ADAMS和MATLAB/SIMULINK的双回路PID控制一级倒立摆联合仿真

目录

一、倒立摆简介

1、概述

2、倒立摆分类

3、倒立摆控制方法

二、联合仿真流程

三、基于PRO/E的一级倒立摆三维建模

四、基于ADAMS的一级倒立摆模型设计

五、ADAMS和MATLAB/SIMULINK的联合仿真 六、一级倒立摆的双回路PID控制策略

1、一级倒立摆的角度控制

2、一级倒立摆的双闭环控制

3、一级倒立摆摆杆长度参数对控制策略的影响

七、问题总结

参考文献

一、倒立摆简介

1、概述

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。

倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。

图1.1 一级倒立摆

2、倒立摆分类

（1）直线型倒立摆

它是最常见倒立摆系统,也称车摆装置,根据目前的研究它又分为1，2，3，4级车摆,典型结构图如图11.2所示,图中以三级车摆为例,它是由可以沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车之上的匀质长杆组成的系统,小车可以通过转动装置由力矩电机、步进电机、直流电机或者交流伺服电机驱动,车的导轨一般有固定的行程,因而小车的运动范围都是受到限制的。

图1.2 直线型倒立摆

（2）环型倒立摆

环型倒立摆也称摆杆式倒立摆,如图1.3所示,图中以二级为例,一般是由水平放置的摆杆和连在其端接的自由倒摆组成,原理上也可以看成是车摆的轨道为圆轨情况,摆杆是通过传动电机带动旋转的。此摆设计好了可以摆脱普通车摆的行程限制,但是同时带来了一个新的非线性因素:离心力作用。

图1.3 环形倒立摆

（3）旋转式倒立摆

环型摆也叫旋转式倒立摆,但是这里的旋转式倒立摆不同于第二种的环型摆,它的摆杆(旋臂)是在竖直平面内旋转的,而环型摆摆杆是在水平面旋转的,如图1.4所示。图中倒立摆系统是单级旋转倒立摆,将摆杆安装在与电机转轴相连的旋臂上,通过电机带动旋臂的转动来控制倒摆的倒立,整个系统复杂，不稳定。

图1.4 单级旋转式倒立摆

（4）复合倒立摆系列

复合倒立摆为一类新型倒立摆,由运动本体和摆杆组件组成,其运动本体可以很方便的调整成三种模式,一是（2）中所述的环形倒立摆,还可以把本体翻转90度,连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。

3、倒立摆控制方法

控制器设计是倒立摆系统的核心内容,因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统,为了实现倒立摆稳定性控制并且可以承受一定的干扰,需要给系统设计控制器,目前典型的控制器设计理论有: a.PID控制。通过机理分析建立动力学模型,使用状态空间理论推导出非线性模型,并在平衡点处进行线性化得到系统的状态方程和输出方程,从而设计出PID控制器实现控制。

b.状态反馈控制。使用状态空间理论推导出状态方程和输出方程,应用状态反馈实现控制“如刘珊中等应用状态反馈和Kalman滤波相结合的方法,对二级倒立摆平衡系统进行控制。

c.利用云模型实现对倒立摆的控制。用云模型构成语言值,用语言值构成规则,形成一种定性的推理机制。

d.模糊控制。模糊控制是采用模糊化，模糊推理，解模糊运算等的模糊控制方法。其主要工作是模糊控制器的设计。现以倒立摆控制来简单说明模糊控制器设计的一般方法。以摆杆的倾角和速度作为输入变量”可以将倾角描述成:向左倾角大;中;小;向右倾角小;中;大。速度描述成:倒得非常快;快;慢;静止;升得慢;快;非常决。它们都可以用模糊语言变量来表示用类似的模糊集合可以对控制小车运动的输出进行定义。接着定义某些隶属函数,这个安排隶属度的过程就是对变量实现模糊化的过程“接着是建立一系列的模糊规则,如:如果摆杆向左倾斜大并倒的非常快,那么向左作快运动;如果摆杆向左倾斜大并升的慢,那么向左作慢运动,等等。最后,模糊输出被分解成可以加到小车上的确切的驱动电压,这个过程为解模糊判决。此外,还有对倒立摆的双闭环模糊控制方案。

e.神经网络控制。神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系,它能够学习和适应严重不确定性系统的动态特性,所有定量或定性的信息按等势分布储存与网络内的神经元,有很强的鲁棒性和容错性,也可将Q学习算法和BP神经网络有效结合,实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。以及杨振强等为解决模糊神经网络在控制多变量系统时的规则组合爆炸问题,提出用状态变量合成模糊神经网络控制倒立摆。

f.自适应控制。主要为倒立摆设计各种自适应控制器。上述控制算法大都针对倒立摆工作在平衡点的稳定控制”本论文设计的控制器首先是能实现倒立摆的起摆,在摆起到平衡位置附近时再切换至稳定控制。

二、联合仿真流程

本文以一级倒立摆为研究对象，建立的倒立摆由轨道，滑块，摆杆和转轴组成，滑块在轨道上做往复的直线运动，摆杆绕滑块做转动。具体的联合仿真流程如下：

1、在PRO/E软件里建立上述各个零件的三维模型，然后进行装配。装配后的组件另存为x_t文件，输入到ADAMS里。

2、将PRO/E的生成的三维模型导入ADAMS中，在ADAMS中定义各零件的质量，施加固定副、移动副和转动副，然后建立输入和输出的状态变量（输入为作用在滑块上的水平力，输出为滑块的位移和摆杆相对于竖直方向的角度），最后将生成的adm文件导出到MATLAB。

3、将ADAMS生成的倒立摆模型导入MATLAB，建立控制模型（采用PID双闭环的控制方法），设置好参数之后进行联合仿真。

三、基于PRO/E的一级倒立摆三维建模

1、在PRO/E中建立一级倒立摆的三维模型，摆杆的初始位置为竖直方向。

2、在组装零件时需要注意，为了保证倒立摆模型导入ADAMS里面之后位置正确（即摆杆摆动平面为X-Y平面），需要使导轨安装的长度方向沿组件默认坐标轴的x轴方向，其中心与组件坐标轴中心重合。

3、建立倒立摆之后，保存副本，选择x_t文件格式保存。

图3.1 一级倒立摆的PRO/E模型

四、基于ADAMS的一级倒立摆模型设计

1、将PRO/E生成的x_t文件导入ADAMS中，选择file-import，文件类型选择x_t，找到PRO/E的文件导入。导入的文件如下图所示，可以看到，摆杆的运动平面在x-y平面内，轨道的质心与ADAMS的默认坐标轴原点重合。图4.1 导入ADAMS的倒立摆三维模型

2、设置文件的保存路径。为了避免PRO/E文件导入和MATLAB程序运行失败，我们将ADAMS的保存路径设在根目录下，文件名为英文字符，PRO/E的所有文件放入此目录下。

3、将导入的PART2，PART3，PART4和PART5分别命名为guidao,huakuai,baigan和zhou。然后定义各零件质量，材料选择steel.4、添加约束。这里需要添加的约束有三个：

（1）ground和guidao之间的固定副，用来固定轨道。

图4.2 固定副定义界面

图4.3 固定副

（2）huakuai和baigan之间的转动副，保证摆杆相对滑块作转动。

图4.4 转动副定义界面

图4.5 转动副（3）guidao和huakuai之间的移动副，保证滑块沿轨道作水平运动。

图4.6 移动副定义界面

图4.7 移动副

5、定义作用力。初始力作用在滑块上，方向选择与摆杆偏移方向一致。

图4.8 滑块上的水平作用力

6、建立输入和输出状态变量。建立三个system elements，包括输入变量（force），输出变量（angle，position）。（1）Force的参数设为零，由MATLAB输入。

图4.9 定义状态变量force（2）Angle为摆杆距离竖直方向的角度，使用AZ函数测量。选取的参考点为摆杆上的MARKER_16和滑块上的MARKER_17。

图4.10 定义状态变量angle

（3）Position为滑块质心到全局坐标原点的距离。位移的测量值使用DZ函数。需要注意的是，由于轨道在PRO/E 中的坐标轴与ADAMS的默认坐标系不一致，所以要修改MARKER_20以保持和滑块的质心坐标一致。修改方式见下图的orientation参数栏。

图4.11 定义状态变量position

图4.12MARKER点定义界面

（4）完成状态变量的设置后，需要将force与上面建立的作用力SFORCE_1关联，使用函数VARVAL。

图4.13 SFORCE_1与force关联

7、创建输出文件。这一步我们要创建一个可以输入到MATLAB的文件。（1）首先要创建输入和输出元素，选择build—-data elements---plant---plant input，设置输入文件名和变量名。输出元素同理。

图4.14 创建plant input

图4.15 创建plant output（2）打开controls---plant export New controls plant一栏中填入inverted_pendulum，file prefix同理。输入和输出信号选择刚才建立的两个变量。Target software选择MATLAB。其他选项默认。点击OK即可。这样就会有相关的文件在我们最初设置的保存路径中生成。

图4.16 设置ADAMS和MATLAB接口

图4.17 ADAMS输出文件

这一步完成之后就完成了ADAMS里的建模。下图为倒立摆的完成模型。

图4.18 ADAMS的倒立摆最终模型

五、ADAMS和MATLAB/SIMULINK的联合仿真

完成ADAMS建模之后，我们将输出的文件导入到MATLAB里进行仿真。

使用ADAMS和MATLAB/SIMULINK的联合仿真有一个好处，即不用对物理模型进行分析，再建立传递函数。ADAMS导出的模型直接包含其所有的力学特性，更加方便进行相关控制。联合仿真的步骤：

1、将MATLAB的当前文件夹设为ADAMS的文件夹，然后在命令窗口输入inverted_pendulum（即ADAMS输出的文件名），会导入倒立摆的参数和变量。最后输入adams_sys指令，会弹出一个SIMULINK的仿真窗口，我们可以在里面添加控制模块进行倒立摆仿真。

图5.1 MATLAB导入ADAMS文件命令

图5.2 生成的adams_sys

2、MATLAB控制方法设计。

在这里我们采用双闭环的PID控制方法，一路是角度控制，一路是位移控制。

首先给倒立摆系统一个扰动，这里用阶跃信号实现（持续时间0.1秒，幅值为1），使系统不稳定，然后通过角度和位移反馈控制系统，达到稳态。摆杆角度给定值设定为0度，位移给定值设为0，分别与模型输出的实际角度和实际位移进行比对，差值输入到PID中进行反馈控制，控制的结果输入到force接口，实现系统的控制。建立的模块图如下：

图5.3 MATLAB/SIMULINK的倒立摆PID控制模块图

3、动态仿真。先确定PID参数（PID参数设置下一章会讲到）。然后设置adams sub模块参数，将animation mode改为interactive，communication interval设为0.005。最后将仿真时间设为10秒，开始仿真。仿真时会打开ADAMS软件，动画演示倒立摆的平衡控制过程。

图5.4联合仿真时调用的ADAMS界面 六、一级倒立摆的PID控制策略

1、一级倒立摆的角度控制

前面我们提到了对一级倒立摆的控制目标有摆角和滑块位移，下面先对角度控制的PID参数进行设置，然后再加上位移控制环。

首先使用PI调节，调节比例参数使系统出现震荡，然后加上积分环节进行微调，最后取Kp=20，Ki=0.1，系统的摆角响应曲线如下：

10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.800.511.522.533.544.55图6.1 采用PI控制方案的角度响应曲线 从输出曲线可以看出，尽管PI的控制作用总是趋于消除稳态误差，但由于积分环节的缺陷而延缓了响应速度，所以不能及时地将超调遏制住，控制效果也就不怎么好了。

基于上述问题，可以加入微分环节（相当于加入了角速度反馈），参数设置为Kp=20，Ki=0.1，Kd=3。进行动态仿真后，得到的角度响应曲线如下。

0.035

0.030.0250.020.0150.010.0050-0.00500.511.522.533.544.55图6.2 采用PID控制方案的角度响应曲线

可以看到加入微分环节后，系统的动态特性得到了很大的改善，系统受到0.1s的扰动后，在0.6s左右就达到了稳态，而且稳态精度也大大提高。

但是由于角度有稳态误差的存在，所以不加位置反馈控制的话，滑块会一直向一个方向偏移，如图6.4所示为滑块的位移曲线。

-4x 10420-2-4-611.051.11.15图6.3 采用PID控制方案后角度的稳态误差

500-50-100-150-200-250-300

00.511.522.533.544.55图6.4 采用PID控制方案的位移响应曲线

2、一级倒立摆的双闭环控制

在角度反馈的基础上，加入位置反馈。由于两路反馈并不是相互独立的，所以单单设置位移的PID参数必定会影响到角度的反馈。所以这里PID参数的设置思想是，先调好角度反馈，然后根据角度的稳态误差设定位移的PID参数，使两路的反馈可以将这一稳态误差抵消，最后微调两路的参数优化控制效果。经过调试，确定角度反馈的PID参数为Kp=40，Ki=0.02，Kd=10；位移反馈的PID参数为Kp=-0.04，Ki=-0.01，Kd=-0.02。经过仿真后，得到的摆杆摆角和滑块位移的响应曲线如下

0.030.020.010-0.01-0.02-0.03012345678910图6.5 双回路PID控制的角度响应曲线（L=500mm）

50-5-10-***910图6.6 双回路PID控制的位移响应曲线（L=500mm）

双回路控制的平衡时间比单独的角度控制要长，但是在2s左右也基本达到了平衡，控制效果很好。

3、一级倒立摆摆杆长度参数对控制策略的影响

之前我们建立的一级倒立摆模型的摆杆长度是L=500mm，下面将摆杆长度设为L=250mm，分析上面PID的控制策略对该系统动态响应的影响。

使用PRO/E对一级倒立摆重新建模，将摆杆长度设为250mm，然后将模型导入到ADAMS中，完成系统力学定义后导入MATLAB进行仿真。

系统的控制策略仍采用双回路的PID控制。这里将上一节得到的角度和位移PID参数输入到此模型，观察其动态响应与之前的模型有何不同。

经过联合仿真，得到的角度和位移响应曲线如下

0.0150.010.0050-0.005-0.01012345678910图6.7双回路PID控制的角度响应曲线（L=250mm）

420-2-4-6-8

012345678910图6.8双回路PID控制的位移响应曲线（L=250mm）

分析：

角度响应：L=500模型的超调量和二次超调量分别为0.025和0.02，平衡时间大概为2.5s；L=250模型的超调量和二次超调量分别为0.015和0.008，平衡时间为4.5s。

位移响应：L=500模型的超调量和二次超调量分别为7和13，平衡时间为6s；L=250模型的超调量和二次超调量分别为2和7，平衡时间为8s。

可以看出来，L=250模型要比L=500模型容易稳定，即在受到相同的扰动状况下，使用较小的PID参数就可以达到平衡。

七、问题总结

本文利用PRO/E、ADAMS和MATLAB软件成功地对一级倒立摆控制系统进行了仿真分析.在仿真过程中不需要推导机械系统的复杂微分方程,直接用ADAMS建立的虚拟模型进行分析,大大方便了建模过程.而且通过ADAMS软件建立的虚拟模型能更好地接近实际物理模型,与那些近似线性化的简易数学模型相比,这为我们以后的物理样机试验提供了更为可靠的依据。

在联合仿真过程中，遇到了一些问题：

1、PRO/E导入ADAMS会有模型位置放错的情况，这个时候需要保证两个软件里设定的坐标轴一致。

2、对于各零件的MARKER点局部坐标和ADAMS全局坐标不一样情况，需要修改orientation，否则会出现测量错误的情况。

3、在使用角度测量函数AZ和DZ时，如果将FROM MARKER 和TO MARKER位置搞反的话，后面输出的角度值可能为负，后面的PID参数也随之改变。

4、使用PID调节，发现如果时间足够长的话，倒立摆不能保持位置上的稳定，滑块也会越走越远，直到脱离轨道。这是因为使用PID控制角度时，总会有微小的稳态误差，这个误差最终会导致位置上的不平衡。

5、本文PID参数的确定采用的是试凑法，即通过控制经验和多次系统调试来确定参数，往往比较繁琐，难以达到期望的精度。而且双回路控制比单回路控制的难度更大。这种情况下可以采用极点配置法或扩充临界比例法等。

参考文献

1、范成建等(2006).虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高.北京市, 机械工业出版社.2、贾长治,殷军辉(2010).MD ADAMS虚拟样机从入门到精通.北京市, 机械工业出版社.3、姜学军（2009）.计算机控制技术.北京市,清华大学出版社.4、应再恩,平雪良.(2012).“基于ADAMS和MATLAB的双回路PID控制倒立摆联合仿真.” 机械传动(08): 64-67.5、杨世勇,徐莉苹.(2007).“单级倒立摆的PID控制研究.” 控制工程(S1): 23-24+53.6、肖力龙(2007).直线一级倒立摆起摆与稳摆控制研究及控制系统设计, 中南大学.硕士: 77.

第四篇：关于ADAMS重型自卸车举升机构的仿真优化研究论文

引 言

近年来,随着经济的发展,市场对重型自卸车的需求量大大增加,这类自卸车广泛应用于使用条件比较恶劣的矿山工地,举升机构是自卸车的核心机构,设计时既要考虑运动学问题,又要考虑机构的强度问题。若举升机构设计不当,容易发生结构的早期断裂现象。自卸车的举升机构可分为直推式和连杆组合式两大类。直推式设计简单,易于计算,但油缸行程长,一般采用多级油缸,成本高。连杆组合式油缸行程短,可采用单级油缸,制造工艺简单,机构经优化后可得到较小的油缸力曲线,但由于其结构复杂,设计计算比较困难。

传统的设计方法是采用“作图法” ,效率低且精度差。近来出现利用计算机编制优化程序进行设计的一些方法,计算精度得到了提高,但程序一般只针对一种类型的举升机构,程序通用性差而调试工作量大,如何保证程序的可靠性也是令人头疼的问题。随着CAE技术的成熟,虚拟样机技术得到了广泛应用,工程技术人员可以利用CAD软件建立三维机构模型,在CAE软件中对其施加铰链及运动约束,模拟现实中的机构运动并进行仿真优化,得到所需的设计数据,精确度高并大大缩短开发周期,降低了成本。

采用世界一流的多体动力学仿真软件—— ADAM S的虚拟样机技术,对某汽车厂重型自卸车的浮动油缸式举升机构进行仿真优化研究,目的是对原有机构进行优化,在给定举升质量和满足最大举升角的前提下,改变机构尺寸,使油缸举升力最小,降低油缸的制造成本。虚拟样机的建立

1.1 建立模型

ADAMS软件的建模能力不强,虚拟样机的三维模型可利用Catia、UG等三维CAD软件建立,再导入ADAMS软件中。本次设计为了简化模型、加快设计进度,在ADAM S直接建立图1所示的抽象模型,并不影响计算结果。

长方体为装载货物的车箱,总质量为40 t,假设在工作过程中总质量不发生变化;A 为后铰链点, BD为拉杆, CE为油缸, DEF为三角板。A～ F 点均为圆柱副连接,油缸CE由两个连杆组成,相对运动为滑动副,施加平移驱动。施加运动副时,要注意其方向正确性并不得有多余约束,否则不能完成运动仿真。

要找到一个最佳位置,使油缸举升力最小,并满足自卸车其它方面的要求。各点的初始位置可以由原车型各点的设计位置来确定, A 点为原点。

1.2 虚拟样机的仿真

模型建立后进行一次仿真,油缸行程按850 mm,输出油缸举升力随活塞行程的变化曲线(见图2)。油缸举升力最大值为(6.88× 105)N.1.3 模型的参数化

进行优化要定义设计变量,设计变量的值是可以改变的。以B～ F 点的x、y 坐标作为设计变量,当各点的坐标变化时,杆件和结构尺寸也发生相应的改变,系统自动修改模型,不需要人工干预,提高了优化效率。

定义设计变量的值时要注意它们的取值范围,这个取值范围取决于车箱底架及副车架的结构布置,并不与举升机构产生干涉。将定义好的设计变量代入各点坐标中,即完成了虚拟样机的参数化过程。

1.4 建立约束条件

为了使自卸车能将货物卸干净,举升角应大于货物的安息角。该型自卸车主要用于运载煤炭,煤炭的安息角为27°～ 45°,设计时最大举升角取50°,在优化过程中需要满足这一约束条件。定义约束条件时首先定义一个“测量”(取名ME A_ AN GL E)以获得仿真过程中的举升角.优化计算

前述工作完成后便可进行优化分析。在满足约束条件的前提下,优化程序在设计变量的取值范围内自动对其进行调整,最终得到使油缸力最小的设计变量值。软件ADAMS /View 提供了一个友好的用户界面,可以输出各种力、位移、速度、加速度等曲线,便于用户直观了解在优化过程中约束条件、目标函数等“测量”的变化情况。

本次优化涉及十个设计变量,要在一次计算中同时对这么多的设计变量进行优化,往往由于计算过程中各设计变量的取值产生矛盾,而使计算失败。因此,对于这种设计变量较多的情况,应先对部分设计变量进行优化,得到一个优化结果,再对其它设计变量进行优化。

为了确定第一次优化的设计变量,需要对每一个设计变量进行分析,研究其敏感度,即对目标函数的影响程度,选择最高的变量作为第一次优化的设计变量结束语

本次优化的结果,确定了关键点的坐标,也就确定了机构的最佳尺寸。ADAMS仿真的另一个应用是求出支点(A、B、C、F 点)的反力,为车架和车箱的结构计算提供载荷条件。而举升机构的进一步有限元计算也可以在ADAMS中进行,这时要建立机构的实体模型,通过CAE软件(如Nastran、AN SYS等)转换为中性文件,再导入ADAMS中计算。

第五篇：基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验

基于ADAMS与MATLAB的倒立摆联合仿真实验

一、实验目的

在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们各自都需要建立自己的模型，然后分别采用不同的分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验，最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试，如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改，然后再联合调试，显然这种方式费时费力。

基于多领域的建模与联合仿真技术很好的解决了这个问题，为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法。机械工程师和控制工程师就可以享有同一个样机模型，进行设计、调试和试验，可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复联合调试，直到获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造和调试。

ADAMS与MATLAB是机械系统仿真和控制系统仿真领域应用较为广泛的软件，其中ADAMS为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，具有十分强大的运动学和动力学分析功能；而MATLAB具有强大的计算功能、极高的编程效率及模块化的建模方式，因此，把ADAMS与MATLAB联合起来仿真，可以充分将两者的优势相结合，将机械系统仿真分析同控制系统设计有机结合起来，实现机电一体化的联合分析。

本实验以倒立摆为例，进行ADAMS与MATLAB的联合仿真，对倒立摆的运动性能和运动规律进行分析。

二、实验方法

软件环境：MD ADAMS R3，MATLAB R2009b 2.1 建立倒立摆的动力学模型

启动ADAMS/View模块弹出如图1所示对话框，建立小车及摆杆模型。首先选择“Create a new model”选项，创建一个新的模型，将该文件保存在相应的文件夹下，本实验将结果保存在E:daolibai_adams文件夹下，将文件名取为“daolibai_adams”，其余选项保持默认。注意，在ADAMS中路径名和文件名最好采用英文字符，否则有可能在运行的过程中出现意想不到的错误。

图1 启动ADAMS/View模块

进入ADAMS/View界面后，需要对相关参数进行设置。选择菜单栏中的“Settings→Working Grid”选项，弹出如图2所示的对话框，设置网格的大小。将“Spacing”设置为X:10mm，Y:10mm，其余参数保持默认。在“Settings”选项中还可以设置图标的大小，单位等等参数，在本实验中这些参数都保持默认即可。

图2 设置网格的大小

与此同时，单击菜单栏“View”选项下的“Coordinate Window”（或者按下键盘上的F4按钮）,如图3所示。可随时在窗口中观察鼠标的当前空间坐标位置，方便我们进行建模。

图3 打开鼠标当前空间位置观察窗口

右键点击ADAMS建模工具箱中的图标，选择工具Box,在视图中（0,0,0）处建一个长、宽、高分别为30cm，20cm，20cm的长方体代替小车模型，如图4所示。

图4 长方体尺寸设置

图5 在视图中建立的长方体前视图

长方体建立完毕后，需要进一步在视图中调整其位置。在当前视角下，点击工具箱中的图标，进入如图6所示的界面。在Distance选项中输入15cm，选择长方体，然后点击向左的箭头，小车模型即向左平移15cm。单击工具箱中的按钮，即可返回工具箱主界面。点击图标，切换到右视角视图，再次运用按钮，在Distance选项中输入10cm，选择长方体，然后点击向右的箭头，将小车模型向右平移10cm，如图7所示。

图6 将小车模型向左平移15cm

图7 将小车模型向右平移10cm

小车模型位置修改完毕后，右键点击小车模型，选择Rename，将模型的名称修改为xiaoche，如图8所示。与此同时，在右键菜单中选择Modify，将小车的质量修改为0.5KG，其修改方法如图9所示。

图8 修改模型名称

图9 修改小车模型的质量

至此，小车模型及参数设置完毕，接下来建立摆杆的模型。在建模工具箱中选择（Cylinder）工具建立摆杆模型，其参数设置如图10所示。

图10 摆杆参数的设置

摆杆参数设置完毕后，沿小车垂直向上的方向建立该圆柱体，建好后单击右键修改其特性参数，将部件名称修改为baigan，将摆杆质量修改为0.2kg，转动惯量修改为0.006kg·㎡。建好后，运用工具箱中的顺时针旋转5°，建完后的模型如图11所示。

工具，将摆杆绕端点

图11 倒立摆模型前视图与三维视图

倒立摆的三维模型建立好后，我们需要为模型添加相应的运动副和运动。小车与地面用平移副约束，右键单击图标，在弹出菜单中选择工具，添加方式选择2 Bod-1 Loc方式，分别选择小车和大地，在小车质心处添加水平方向的平移约束副，如图12。

图12 在小车与大地之间添加移动副

摆杆与小车之间存在旋转运动，故需要在小车与摆杆之间添加一个转动副。单击工具中的图标，添加方式选择2 Bod-1 Loc方式，分别选择摆杆和小车，在摆杆与小车的铰接处建立旋转副，如图13所示。

图13 在摆杆与小车之间建立旋转副JOINT_2

倒立摆模型的约束添加完毕之后，我们可以对模型进行运动测试。点击工具，进入运动仿真测试对话框，设置仿真时间为1秒，步长为1000，如图14所示。

图14 运动仿真参数设置

点击按钮开始运动仿真测试，可以看到小车沿着水平方向作直线运动，摆杆绕着铰接点作旋转运动。

2.2 定义倒立摆机械系统的输入输出变量

1）定义输入变量

本实验中需要在ADAMS中定义一个状态变量接收控制小车运动的水平力。选择Build菜单下的System Elements创建一个名为controlforce的状态变量，如图15所示。

图15 创建输入状态变量

由图15可以看出F（time，„）后面输入栏中的数值为0，表示该控制力的数值将从控制软件的输出获得。

给小车定义一个水平力，单击ADAMS工具箱中的工具，选择Body Moving的建模方式，一次选择小车质心作为力的作用点，选择水平向右作为其加载方向（如图16），这样该水平力将一直随着小车的移动而移动。

图16 为小车添加水平方向作用力

上述过程完成以后，右键单击该水平力，选择Modify，将其函数值定义为VARVAL(.daolibai_adams.controlforce),以实时从状态变量controlforce中接收力的数值，如图17。

图17 函数值的定义

2）定义输出变量

定义输出变量的方法与定义输入变量的方法相同，定义ADAMS状态变量以输出动力学模型的运动状态至控制软件，本实验就是要输出摆杆的摆角。选择Build菜单下的System Elements创建一个名为rotateangle的状态变量，选择摆杆的上端点和小车的铰接点出的MARKER点为摆杆绕Z轴旋转运动的参考点，如图18所示。

图18 定义输出变量

其中，在F（time，„）后面的文本输入栏输入摆杆摆角表达式AZ(MARKER_11，MARKER_12),AZ函数用来测量绕Z轴旋转的角度，本实验中即表示摆杆绕着Z轴旋转的角度。利用ADAMS工具箱中的工具，在摆杆的上端点创建一个测点MARKER_11，在小车上创建测点MARKER_12，此点为小车与摆杆的铰接点。设置完毕后单击OK按钮保存设置。3）将状态变量指定为输入/输出变量

上述状态变量定义完成之后，还需要将定义好的状态变量指定为输入或输出变量。

指定状态变量controlforce为输入变量。单击主菜单Build→Data Elements→Plant→Plant Input→New后，弹出输入变量定义对话框，如图19所示。将Variable Name栏中输入controlforce，然后单击OK按钮即完成设置。

图19 输入变量定义对话框

指定状态变量rotateangle为输入变量。单击主菜单Build→Data Elements→Plant→Plant Output→New后，弹出输入变量定义对话框，如图20所示。将Variable Name栏中输入rotateangle，然后单击OK按钮即完成设置。

图20 输出变量定义对话框 4）导出ADAMS模型

通过以上工作，已经在ADAMS机械系统模型中定义了同控制系统交互的相关状态变量和函数，接下来需要利用ADAMS/Controls模块将这些状态变量定义为输入输出信号，并将相关信息导出，以便和其他控制程序连接。

单击Controls菜单下的Plant Export子菜单，弹出如图21所示的设置窗口。将输出文件名修改为test123；在输入信号定义栏中，单击From Input按钮后，弹出数据库浏览窗口，选择定义的PINPUT_1为输入项，双击后，定义的状态变量controlforce将自动出现在输入信号一栏中，同理，输出信号的设置方法同上。目标控制软件下拉菜单可以根据需要选取，本实验目标软件选为MATLAB，其他选项保持默认。单击OK按钮，ADAMS将导出*.m文件，同时产生调用ADAMS/Solver的cmd文件和*.adm的ADAMS模型文件。

图21 ADAMS变量导出设置 上述过程完成后，MATLAB已经可以读取ADAMS模型的相关信息了。

2.3 在MATLAB/Simulink中导入ADAMS模型

1）变量的导入

启动MATLAB后，在命令窗口中输入导出的ADAMS模型名称test123，在MATLAB窗口将出现如下信息：

>> clear all >> test123 ans = 26-Jun-2013 08:53:34 %%% INFO : ADAMS plant actuators names : 1 controlforce %%% INFO : ADAMS plant sensors names : 1 rotateangle 在MATLAB命令提示符下输入who命令，显示文件中定义的变量列表，在MATLAB命令窗口中返回如下结果：

Your variables are: ADAMS_cwd ADAMS_mode ADAMS_solver_type arch ADAMS_exec ADAMS_outputs ADAMS_static flag ADAMS_host ADAMS_pinput ADAMS_sysdir machine ADAMS_init ADAMS_poutput ADAMS_uy_ids temp_str ADAMS_inputs ADAMS_prefix ans topdir 可以选择以上显示的任何一个变量名，检验变量，例如，如果输入ADAMS_outputs，则MATLAB将显示在ADAMS中定义的输出变量：

ADAMS_outputs = Rotateangle 注意：ADAMS导出的文件必须置于MATLAB工作目录下，即ADAMS与MATLAB共用同一个工作目录，否则上述过程不能进行。与此同时，还要把ADAMS/win32文件夹下的“adams_plant.mexw32”及ADAMS/Controls/win32/文件夹下的“plant.lib”放在ADMAS与MATLAB的共用工作目录下。这两个文件是adams_sub模块的核心。ADAMS提供一个S函数，用于ADAMS和simulink联合仿真的调度和通信，如果simulink找不到它，联合仿真就不能进行。2）ADAMS模块的导入

在MATLAB命令窗口中输入“adams_sys”命令，即可导入ADAMS模块，如图22所示。

图22 adams_sys模块

3）仿真参数的设置

点击图22中的adams_sys模块，即可进入adams_sub模块，如图23所示。

图23 adams_sub模块 点击图23中的MSC.Software模块，弹出如图24所示的对话框，在对话框中设置如下参数：

图24 仿真参数的设置

将联合仿真的通信间隔Communication Interval选项设置为0.001，该选项定义了ADAMS与MATLAB/Simulink交换数据的通信间隔，调整该参数将控制联合仿真的速度，并影响计算的速度。

将simulation mode选项设置为continuous，即连续仿真模式。其余参数保持默认，单击OK按钮，保存参数设置。3）联合仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立如下控制框图（图25），设置仿真时间为5s。

图25 联合仿真控制框图

点击start命令，开始进行联合仿真，几秒钟后，将弹出一个DOS窗口，显示ADAMS在联合仿真分析中的各种数据。联合仿真结束后，仿真结果既可以在MATLAB/Simulink中查看，也可以在ADAMS后处理器中查看。图26和图27分别为Simulink模型中示波器输出的摆杆摆角随时间变换曲线和输入力矩随时间变化曲线。

图26 摆杆摆角随时间变化曲线 图27 输入力矩随时间变化曲线

一、实验结果

由图26和图27可以看出，摆杆的摆角在输入力矩的作用下，转角由0逐渐增大，当到达最大摆角（5°）时，保持不变。