ADAMS与Matlab联合仿真.docx
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ADAMS与Matlab联合仿真
7.1机械夹紧机构建模使用实例
机械系统建模实例将创建一种机械夹紧机构模型，是阿波罗登月计划中用于夹紧登月舱和宇宙飞船的十二个夹紧机构之一。
夹紧机构包括：
摇臂（Pivot）、手柄（Handle）、锁钩（Hook）、连杆（Slider）和固定块（groundBlock）等物体。
夹紧机构的工作原理是：
如图7-1所示，在夹紧机构手柄（Handle）处施加一个作用力，驱动机构运动，使其锁钩（Hook）处产生十倍于作用力的夹紧力，用于夹紧登月舱和宇宙飞船。
夹紧机构的设计要求是：
至少产生800N的夹紧力；施加在手柄上的力应不大于80N；释放手柄的力应最小；在振动环境中夹紧机构应安全可靠。
手柄Handle
锁钩Hook
图7-1夹紧机构三维模型图
以下将从创建几何构件、添加约束、添加载荷及结果后处理等几个方面详细介绍机械夹紧机构模型的建立。
通过本实例的学习，能够详细了解ADAMS软件设计流程及使用方法。
7.1.1创建几何构件
1、创建新模型
本实例将使用ADAMS/View的零件库、约束库和力库创建夹紧机构模型。
首先打开ADAMS/View，选择“Createanewmodel”，模型名称（ModelName）：
Latch，点击OK，创建新模型完毕。
其它设置如图7-2所示：
图7-2创建新模型
2、设置工作环境
选择菜单栏【Settings】→【Units】命令，设置模型物理量单位，如图7-3所示：
图7-3设置模型物理量单位
选择菜单栏【Settings】→【WorkingGrid】命令，设置工作网格，如图7-4所示：
图7-4设置工作网格
3、创建设计点
设计点是几何构件形状设计和位置定位的参考点。
本实例将通过设计点列表编辑器创建几何构件模型所需要的全部设计点。
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的点（Point），下拉菜单选择（AddtoGround）、（Don’tAttach），并单击PointTable列表编辑器，创建并生成Point_1、Point_2等六个设计点，如图7-5、图7-6所示：
图7-5设计点列表编辑器
图7-6创建设计点
4、创建摇臂（Pivot）
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的平板（Plate），设置平板厚度值（Thickness）为1，圆角半径（Radius）为1，用鼠标左键选择设计点：
Point_1、Point_2、Point_3，按鼠标右键完成摇臂（Pivot）的创建，将其重新命名（Rename）为Pivot，如图7-7所示：
图7-7创建摇臂
5、创建手柄（Handle）
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的连杆（Link），用鼠标左键选择设计点：
Point_3和Point_4，完成手柄（Handle）的创建，将其重新命名（Rename）为Handle，如图7-8所示：
图7-8创建手柄
6、创建锁钩（Hook）
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的拉伸体（Extrusion），选择“NewPart”和“Clsoed”，拉伸体长度（Lengh）设为1，用鼠标左键选择表7-1所示的11个位置，按鼠标右键完成锁钩的创建，将其重新命名（Rename）为Hook，如图7-9示：
表7-1锁钩节点坐标
X坐标
Y坐标
Z坐标
1
5
3
0
2
3
5
0
3
-6
6
0
4
-14
6
0
5
-15
5
0
6
-15
3
0
7
-14
1
0
8
-12
1
0
9
-12
3
0
10
-5
3
0
11
4
2
0
图7-9创建锁钩
7、创建连杆（Slider）
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的连杆（Link），用鼠标左键选择设计点：
Point_5和Point_6，完成连杆（Slider）的创建，将其重新命名（Rename）为Slider，如图7-10所示：
图7-10创建连杆
8、创建固定块（GroundBlock）
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的长方体（Box），选择“OnGround”，使其与大地（Ground）固结在一起，按下图创建固定体用鼠标左键选择设计点：
Point_5和Point_6，完成连杆（Slider）的创建，将其重新命名（Rename）为Slider，如图7-11所示：
图7-11创建固定块
7.1.2添加约束
1、添加旋转约束副
选择并点击约束库（Joints）中的旋转副（RevoluteJoints）；
选择“1Location”（一个位置），“NormalToGrid”（垂直于工作网络），用鼠标左键选择Point_1，创建摇臂和大地的约束副；
选择“2Bodies-1Location”（两个物体一个位置），“NormalToGrid”（垂直于工作网络），选择摇臂和锁钩两个物体，左键选择Point_2，创建摇臂和锁钩的约束副；
同理选择摇臂和手柄，位置为Point_3，手柄和连杆，位置为Point_5，创建摇臂和手柄、手柄和连杆的旋转约束副。
如图7-12所示：
图7-12添加旋转约束副和圆柱约束副
2、添加圆柱约束副
选择并点击约束库（Joints）中的圆柱副（CylindricalJoints）；
选择“2Bodies-1Location”（两个物体一个位置），“NormalToGrid”（垂直于工作网络），在连杆和锁钩之间创建圆柱副，位置为Point_6，如图7-11所示。
3、添加点--面约束副
选择并点击约束库（Joints）中的点--面副（In-PlanePrimitiveJoints）；
选择“2Bodies-1Location”（两个物体一个位置），“PickGeometryFeature”（通过几何体特征确定约束副方向），用鼠标左键首先选择锁钩，然后选择固定块，设置约束副的位置（-12，1，0），确定约束副的方向垂直向上，如图7-13所示，创建点—面约束副，使锁钩上的一点可以在固定块的一个平面内移动。
图7-13添加点--面约束副
7.1.3添加载荷
1、添加弹簧
选择并点击载荷库（CreateForces）中的弹簧（Spring-Damper），设置弹簧刚度（K）为800，阻尼（C）为0.5，用鼠标左键选择位置（-14，1，0）、（-23，1，0），创建锁钩和大地之间的弹簧，如图7-14所示。
图7-14添加弹簧
2、添加单向力
选择并点击几何模型库（GeometricModeling）中的连体坐标系（Marker），在位置（-18，14，0）处创建“Mar_5”；
选择并点击载荷库（CreateForces）中的单向力（Force），设置力的方向为“BodyMoving”与物体固连，初始方向选择“PickGeometryFeature”，力设为“Constant”，数值为80；
用鼠标左键选择手柄为参考物体，然后选择Point_4为力的作用点，选择“Mar_5”确定为力的方向，如图7-15所示：
图7-15添加单向力
至此，夹紧机构模型已经成功创建。
选择主工具栏（MainTools）中仿真运行（RunSimulation），设置仿真终止时间（EndTime）为0.2，仿真工作步长（Steps）为100，然后开始仿真，观测模型的运行情况。
7.1.4结果后处理
本小节将通过测量弹簧力的大小测试夹紧机构的夹紧力，通过测量三个点的角度值测试手柄的运动轨迹，并通过创建一个传感器确定夹紧机构的锁止位置。
1、测量弹簧力
将鼠标放置在夹紧机构模型中的弹簧上，按右键选择“Spring_1”中的测量（Measure）命令，并将测量对话框中特性（Characteristic）选项设为力（Force）；
系统生成弹簧力变化曲线，如图7-16所示：
图7-16弹簧力测试曲线
2、测量角度
选择菜单栏【Build】→【Measure】→【Angle】→【New】，在测量角度对话框中，鼠标右键单击（FirstPoint）栏，选择“Marker”中的“Pick”，选择Point_5处的Marker作为测量角度的第一点；相同的方法选择（MiddlePoint）和（LastPoint）为Point_3和Point_6处的Marker。
如图7-17所示：
图7-17测量角度对话框设置示意图
系统生成三个点形成的角度变化曲线，如图7-18所示：
图7-18角度测量曲线
3、创建传感器
选择菜单栏【Simulate】→【Sensor】→【New】，设置传感器对话框，如图7-19所示，表示当“Angle_Mea_4”等于或小于（Lessthanandequal）0，系统将终止（Stop）仿真。
图7-19传感器对话框设置示意图
运行仿真模型，测量的弹簧力和测量角度变化情况如图7-20、图7-21所示，当角度等于0时，系统终止了仿真。
[1]
图7-20弹簧力变化曲线
图7-21测量角度变化曲线
7.2ADAMS/Controls使用实例
本实例以MATLAB作为外部控制程序，以偏心连杆模型为例，讲解ADAMS与MATLAB的联合仿真过程。
主要包括创建机械系统模型、模型参数设置、建立MATLAB控制模型以及结果后处理四个步骤。
机械模型建立、模型参数设置这两步为了导出一个可在MATLAB软件Simulink中使用的模块，这个模块包含了所建立ADAMS模型的信息参数，并有输入输出接口。
利用这个模块在MALTAB中建立控制系统，就可以控制ADAMS模型，在仿真结束后，可以直接在MATLAB中得到所需的数据结果进行后处理。
偏心连杆的形心与大地以铰链相连，连杆可以绕着铰链转动。
连杆右端连接有一个小球，由于小球的存在，使整个机构的质心与形心不重合，若在连杆左端没有力矩作用，连杆将做顺时针运动。
本例通过测量连杆运动的角速度、角度，对左端力矩的大小进行不断控制，最终使连杆相对平衡，即其角速度为零。
图7-22偏心连杆模型
以下将详细介绍联合仿真的详细步骤。
通过本实例的学习，能够详细了解ADAMS软件与MATLAB联合控制的使用方法。
7.2.1创建机械系统模型
1、设置单位
启动ADAMS/View，选择新模型，在模型名输入MODEL_1。
选择菜单栏【Settings】→【Units】命令，设置模型物理量单位，将单位设置成MMKS，长度和力的单位设置成毫米和牛顿，如图7-23所示：
图7-23设置模型物理量单位
2、创建连杆
单击几何工具包中的连杆按钮，将连杆参数设置为Length=400，Width=20，Depth=20，然后在图形区水平拖动鼠标，创建一个连杆，如图7-24。
图7-24创建连杆
3、创建旋转副
单击运动副工具包中的旋转副按钮，将旋转副的参数设置为1Location和Normaltogird，单击连杆质心处的Marker点，将连杆和大地关联起来，如图7-25所示。
图7-25创建旋转副
4、创建球体
单击几何工具包中的球体按钮，将球体的选项设置为AddtoPart，半径设置为20，然后在图形区单击连杆，再单击连杆右侧处的Marker点，将球体加入到连杆上，如图7-26所示。
此时连杆的质心产生了移动。
图7-26创建球体
5、创建单分量力矩
单击载荷工具包中的单分量力矩按钮，将单分量力矩的选项设置为SpaceFixed和NormaltoGrid，将Characteristic设置为Constant，勾选Torque并输入0，然后在图形区单击连杆，再单击连杆左侧的Marker点，在连杆上创建一个单分量力矩，如图7-27所示。
图7-27创建单分量力矩
至此，偏心连杆模型已经建好。
7.2.2模型参数设置
1、创建输入状态变量
单击菜单【Build】→【SystemElements】→【StateVariable】→【New】，弹出创建状态变量对话框。
如图7-28，将Name输入框改成.MODEL_1.Torque（MODEL_1为文件名，Torque为变量名）。
单击OK按钮后创建状态变量Torque作为输入变量。
图7-28创建输入变量Torque
3、将状态变量与模型关联
在图形区双击单分量力矩的图标，打开编辑对话框，如图7-28所示，在Function输入框中输入VARVAL（.MODEL_1.Torque），这里VARVAL（）是一个ADAMS函数，它返回变量.MODEL_1.Torque的值。
通过函数把状态变量Torque与力矩关联起来，力矩取值将来自于状态变量Torque。
图7-28编辑单分量力矩对话框
4、指定状态变量Torque为输入变量
单击菜单【Build】→【ControlsToolkit】→【PlantInput】后，弹出定义控制输入对话框，如图7-29所示。
将PlantInputName输入框改成.MODEL_1.PINPUT_Torque,在VariableName输入框中，用鼠标右键快捷菜单输入状态变量.MODEL_1.Torque,单击OK按钮。
图7-29定义控制输入对话框
5、创建输出状态变量
单击菜单【Build】→【SystemElements】→【StateVariable】→【New】，弹出创建状态变量对话框。
如图7-30所示，将Name输入框修改成.MODEL_1.Angle，在F（time,…）=输入框中输入表达式AZ（MARKER_3,MARKER_4）*180/PI，单击Apply按钮创建状态变量Angle作为第一个输出变量，然后将Name修改成.MODEL_1.Velocity，在F（time,…）=输入框中输入表达式WZ（MARKER_3,MARKER_4）*180/PI，如图7-31所示。
其中AZ（）函数返回绕Z轴旋转的转角，这里代表连杆相对于转轴的转角，WZ（）函数返回绕Z轴旋转的角速度，这里代表连杆的角速度。
图7-30创建输出变量Angle图7-31创建输出变量Velocity
6、指定状态变量angle、Velocity为输出变量
单击菜单【Build】→【ControlsTookit】→【PlantOutput】后，弹出创建控制输出对话框，如图7-32所示。
将PlantOutputName输入框修改成.MODEL_1.PINPUT_output。
在VariableName输入框中，用鼠标右键快捷菜单输入状态变量Angel和Velocity，单击OK按钮。
图7-32创建控制输出对话框
7、导出控制参数
如果还没有加载ADAMS/Controls模块，单击菜单【Tools】→【PluginManager】，在弹出的插件管理对话框中选择ADAMS/Controls模块，并单击OK按钮，之后出现一个新的菜单Controls。
单击菜单【Controls】→【PlantExport】，弹出导出控制参数对话框，如图7-33所示。
在FilePrefix输入框中输入controlspid，在PlantInput输入框中用鼠标右键快捷菜单输入PINPUT_Torque，在PlantOutput输入框中用鼠标右键快捷菜单输入.PINPUT_output，将Controlpackage选择为MATLAB，Type选择为non_linear，InitialStaticAnalysis选择NO,ADAMS/SolverChoice选择为Fortran。
单击OK按钮后，在ADAMS的工作目录下将生成controlspid.m、controlspid.cmd、controlspid.adm这3个文件。
图7-33导出控制参数对话框
7.2.3建立MATLAB控制模型
1、导出ADAMS模型在MATLAB里的模块
启动MATLAB，先将MATLAB的工作目录指向ADAMS的工作目录，方法是单击工作栏中CurrentDirection后的
按钮，弹出选择路径对话框。
在MATLAB命令窗口的>>提示符下，输入controlspid，也就是controlspid.m的文件名，然后在>>提示符下输入命令ADAMS_sys,该命令是ADAMS与MATLAB的接口命令。
在输入ADAMS_sys命令后，弹出一个新的窗口，该窗口是MATLAB/Simulink的选择窗口，其中S-Function方框表示ADAMS模型的非线性模型，即进行动力学计算的模型，State-Space表示ADAMS模型的线性化模型，在ADAMS_sub包含有非线性方程，也包含许多有用的变量。
2、建立控制方案
在MATLAB/Simulink选择窗口中，单击菜单【File】→【New】→【Model】后，弹出一个新的窗口，单击工具栏中的保存按钮，将新窗口存盘为control_model.mdl（不能与.m文件同名）,将ADAMS_sub方框拖拽到control_model.mdl窗口中，并参考图7-34完成控制系统的搭建，也可采用其他的控制方案。
图7-34连接后的控制方案
3、设置MATLAB与ADAMS之间的数据交换参数
在control_model.mdl窗口中双击ADAMS_sub方框，在弹出的新的窗口中双击MSCSDoftware，弹出数据交换参数设置对话框，将Interprocess设置为PIPE（DDE），如果不是在一台计算机上，选择TCP/IP，将CommunicationInterval输入框中输入0.005，表示每隔0.005s在MATLAB和ADAMS之间进行一次数据交换，若仿真过慢，可以适当改大该参数，将SimulationMode设置为continuous，Animationmode设置成interactive，表示交互式计算，在计算过程中会自动启动ADAMS/View，以便观察仿真动画，如果设置成batch，则用批处理的形式，看不到仿真动画，其他使用默认设置即可。
4仿真设置和仿真计算。
单击窗口中菜单【Simulation】→【SimulationParameters】,弹出仿真设置对话框，在Solver页中将Starttime设置为0，将Stoptime设置为20，将Type设置为Variable-step,其他使用默认选项，单击OK按钮。
最后单击开始按钮，开始仿真。
（若出现错误，重启MATLAB即可。
每次启动MATLAB都需要选择路径到包含controlspid.m、controlspid.cmd、controlspid.adm的文件夹，并输入controlspid（.m文件名）和ADAMS_sys（ADAMS与MATLAB的接口命令））。
7.2.4结果后处理
在MATLAB示波器中，可以得到角度和力矩的曲线。
得到的Velocity变量曲线和Torque变量曲线分别如图7-35和图7-36所示。
此模型初始受重力作用，产生转动，通过控制力矩的大小，最终角速度为零，模型达到平衡。
图7-35变量Velocity随时间的变化
图7-36变量Torque随时间的变化
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