復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程通常分為液壓、機(jī)械、電子、控制等不同子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采用各自領(lǐng)域內(nèi)的商用仿真軟件進(jìn)行單點(diǎn)仿真[1]。但單點(diǎn)仿真并不能真實(shí)地反映整個(gè)系統(tǒng)之間的相互影響，而且當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)有變動(dòng)時(shí)，各子系統(tǒng)都要重新設(shè)計(jì)。而虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行精確仿真提供了有效的支持。

    虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)仿真的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，涉及到多體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)等技術(shù)，是在CAX(如CAD、CAE、CAM等)/DFX(如DFA、DFM等)技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，進(jìn)一步融合了信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)，并將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品的全生命周期[2]。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，可縮短開發(fā)周期，降低成本。
    雷達(dá)天線是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)協(xié)同仿真，在可視化的環(huán)境下觀察控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的相互影響，輸出多種仿真結(jié)果。
    本文基于ADAMS的強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真建模功能和Matlab/Simulink強(qiáng)大的控制仿真功能，利用ADAMS建立了雷達(dá)天線機(jī)械模型，并在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)了控制器，結(jié)合在ADAMS中建立雷達(dá)天線機(jī)械模型，最終建立了基于ADAMS和Matlab的協(xié)同仿真模型，通過(guò)協(xié)同仿真可保證雷達(dá)天線達(dá)到預(yù)定仰角位置，穩(wěn)定系統(tǒng)。
1 機(jī)械系統(tǒng)的虛擬建模
    本文利用ADAMS/View對(duì)雷達(dá)天線進(jìn)行建模。模型主要由天線、支架、軸承、電機(jī)、減速齒輪及機(jī)架等組成，各零件之間添加各種運(yùn)動(dòng)副，包含若干轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)齒輪副，雷達(dá)天線可以旋轉(zhuǎn)、搖擺[3]。虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)建立
    本文通過(guò)ADAMS中的Control模塊與Matlab的接口,實(shí)現(xiàn)了基于虛擬樣機(jī)模型的雷達(dá)天線控制的研究。對(duì)雷達(dá)天線虛擬樣機(jī)模型定義了兩個(gè)輸出變量：天線仰角的方位角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速；一個(gè)輸入變量：控制力矩。
    通過(guò)ADAMS的Control模塊，將雷達(dá)天線虛擬模型輸入到Matlab進(jìn)行仿真，并基于此模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。控制框圖如圖2所示。

    利用ADAMS和Matlab建立的雷達(dá)天線協(xié)同仿真模型[4]如圖3所示。
    雷達(dá)天線ADAMS子模型如圖4所示。
3 協(xié)同仿真
    首先在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，然后通過(guò)Control模塊建立了狀態(tài)變量,之后即可在Matlab的Simulink中建立控制框圖。通過(guò)Control模塊與Matlab的接口進(jìn)行ADAMS-Matlab協(xié)同仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為0.25 s，采用Matlab自帶的變步長(zhǎng)龍格-庫(kù)塔法數(shù)值積分函數(shù)ode15（stiff/NDF）進(jìn)行數(shù)值積分、仿真運(yùn)行[5]。
3.1 Simulink仿真結(jié)果分析
    關(guān)閉ADAMS軟件，在Matlab中點(diǎn)擊仿真，此時(shí)調(diào)出一個(gè)ADAMS窗口。此窗口里的雷達(dá)天線會(huì)隨著控制力矩的變化而不斷擺動(dòng)，同時(shí)在Simulink中仰角方位角以及電機(jī)的曲線、控制力矩曲線也隨著不斷變化，直到最終穩(wěn)定,并達(dá)到設(shè)定值,從而實(shí)現(xiàn)了控制的目的。Simulink中天線仰角方位角仿真結(jié)果如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖6所示。

    雙擊圖3中的“電機(jī)速度”等Scope控件，可以直觀地觀察到仰角位置和電機(jī)速度等曲線。將仿真結(jié)果保存為*.res、*.req及*.gra三種類型的文件。
3.2 ADAMS中仿真結(jié)果分析
    將上述仿真分析的結(jié)果文件*.gra導(dǎo)入ADAMS中的Posprocessor處理模塊中，即可在ADAMS中對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。圖7為ADAMS中雷達(dá)天線模型控制力矩仿真結(jié)果。
    由圖7可以看出，開始加速時(shí)，控制力矩迅速達(dá)到最大峰值，然后迅速下降，當(dāng)天線接近預(yù)先設(shè)置的位置時(shí),控制力矩此時(shí)變?yōu)樨?fù)值,從而使天線速度降低。隨后，當(dāng)天線到達(dá)設(shè)定位置時(shí),控制力矩逐漸接近為零[3]。

    本文建立了雷達(dá)天線的虛擬樣機(jī)模型,利用ADAMS/Control與Matlab/Simulink進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真，直觀地顯示了控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作的影響，獲得了各種動(dòng)態(tài)性能曲線。由此可見(jiàn)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行協(xié)同仿真，能使各自獨(dú)立的子系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，可有效地觀察復(fù)雜產(chǎn)品內(nèi)各子系統(tǒng)之間的相互影響，使仿真更逼真，從而可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本。
參考文獻(xiàn)
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