LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真实例教程(电子版)

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以相关AMESim仿真实例为基础,在AMESim软件中讲解有关软件的使用方法
序言 机械、电气、液压、气动、控制系统在国防领域和工农业生产设备中有着广泛 的应用,其技术水平和产业化程度关系到国家核心竟争力的强弱。日本曾经立 法,大力发展以机电液气控为核心的机械电子技术,经过十几年的努力,已经使其 在机器人、自动控制、照相机和录像机、液压气动、车辆和舰船以及火箭等领域都 有很大发展并处于国际领先地位。中国已经进入制造业大国行列,但是自主设计 和创新设计的能力与水平还亟待提高。现代产品的设计,要求在尽可能短的时间 内以最低的成本推出新的产品,故必须根据动态性能指标要求来设计系统,从系 统的角度优化设计元部件。这样才能设计出性能优良的产品,满足日益激烈的市 场竞争和愈加苛刻的技术要求,增强自主创新能力。 由于机械、电气、液压、气动、控制系统的非线性以及研发过程耗时和耗资巨 大,业内人士很早就开始运用仿真和优化手段进行设计。系统仿真技术从最初的 机械、液压系统仿真,逐渐发展到今天可以进行机、电、液、气、控、热、电磁等多学 科综合系统仿真,成为系统虚拟优化设计的主流技术。这样的长足进步,除了借 助于计算机技术的迅猛发展外,更决定于系统仿真工具软件自身的进步。其中比 利时LMS公司开发的系统工程高级建模和仿真软件包 LMS Imagine.L.ab AMESim,能够从元件设计出发,可以考虑摩擦、油液和气体的本身特性、环境温 度等非常难以建模的部分,直到组成部件和系统进行功能性能仿真和优化,并能 够联合其他优秀软件进行联合仿真和优化,还可以考虑控制器在环构成闭环系统 进行仿真,使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。 AMESim作为系统仿 真的标准平台,得到了世界各国用户的一致认可。 该书以“实例教程”的方式介绍了 AMESI软件的基本功能和使用方法,可 以帮助读者深入学习多学科系统建模和仿真的方法,为读者进行原创设计提供了 很好的支持。 这天大占本 2011年2月 序言二 产品的开发经历了从物理样机驱动的开发流程到模型驱动的开发流程的转 变。今天,产品设计又面临着新的挑战:一方面是系统本身越来越复杂,智能控制 系统的采用越来越多,如何有效地考虑机电一体化系统的开发,特别是如何综合 地考虑控制系统和受控对象的耦合问题,成为产品开发的关键之一;另一方面,产 品开发的全球化又要考虑来自不同地区、不同研发部门或供应商的系统如何集 成,特别是在设计的早期如何通过系统的集成确保产品设计的成熟性,已成为现 今全球产品开发面临的棘手问题。第一个问题就要求在产品的开发过程中协调 和同步物理系统和电控系统的开发,以确保产品的质量;后一个问题则要求在横 跨不同地区的部门之间无缝地共享产品方案、设计和分析,以确保协同的工作。 这两方面问题的系统解决方案就是基于模型的系统工程,即通过应用模型来支持 系统的需求定义、设计、分析、校核和验证,从概念设计阶段开始一直贯穿整个开 发流程。也就是说,现代产品的开发已经转向模型驱动的开发流程。 AMESim是由原法国 Imagine公司开发的多领域系统仿真集成平台,可以创 建和运行多物理场仿真模型,以分析复杂的系统特性;支持控制系统的设计,从早 期的技术参数确定到子系统测试(硬件在环)。2007年, Imagine公司由比利时 LMS国际公司全资收购。 AMESim作为LMS公司重点开发的基于模型的系统 工程设计解决方案的重要组成部分,在2007年由LMS国际公司推出了全新的多 领域系统仿真集成平台 LMS Imagine.Lab,同时作为平台的重要组成, AMESim 也升级为全新的软件产品 LMS Imagine. Lab amesim。在延续了 AMESim原有 功能和特点的基础上, LMS Imagine. Lab amesim功能更加强大,覆盖的应用领 域更加宽广。另外,结合 LMS Imagine.Lab平台中的 LMS Imagine. Lab SysEM, 用户可以实现存储和管理横跨不同部门的机械和控制的模型以及数据;通过LMs Imagine. Lab System Synthesis,可以支持配置管理、系统集成和架构验证。这样, LMS国际公司为模型驱动的开发提供了突破性的、完整的解决方案。 为了更好地为中国用户服务,LMS北京航空航天大学教研培训中心于2006 年出版了《 AMESim系统建模和仿真—从入门到精通》一书。该书得到了广大 工程师的好评,为国内工程师熟练掌握多领域系统仿真奠定了坚实的基础。随着 LMS Imagine. Lab amesim的不断升级,其在软件平台、分析工具、 Modelica支 持、软件接口以及专用的解决方案等各方面功能上得到进一步加强。为了帮助国 内的工程师尽快掌握和应用这些新的功能,LMS北京航空航天大学教研培训中 心对《 AMESim系统建模和仿真—从入门到精通》一书进行了全面地升级修订 针对不同读者对象,改为《 LMS Imagine. Lab amesim系统建模和仿真实例教 程》和《 LMS Imagine. Lab amesim系统建模和仿真参考手册》两本书相继出版。 书中既有理论说明,又有实例佐证;既可以作为 AMESim初级用户的指导老师, 又是 AMESim高级用户的得力助手,同时也可作为广大科学工作者和工程技术 人员进行系统建模和仿真工作的重要参考书 随着国内工程师应用水平逐步提高,LMS北京航空航天大学教研培训中心 还将陆续出版关于 LMS Imagine.Iab的系列书籍,以帮助中国用户迅速掌握基于 模型的系统工程设计平台,为提高中国用户的产品设计能力尽微薄之力。 再次感谢以付永领教授为代表的LMS北京航空航天大学教研培训中心的辛 勤工作 LMS中国区总经理 2011年6月于北京 前言 LMS Imagine. Lab AMESim( Advanced Modeling Environment for Simula- tion of engineering systems)为多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可以在 这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型,并在此基础上进行仿真计算 和深入分析,也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。 AMESim最早由法国 Imagine公司于1995年推出,2007年被比利时LMS公司收 购。其最新版本是 LMS Imagine. Lab amesim rev10,由比利时LMS公司于 2010年11月推出。 AMESim采用基于物理模型的图形化建模方式,为用户提供了可以直接使用 的丰富的元件应用库,使用户从繁琐的数学建模中解放出来,从而专注于物理系 统本身的设计。 目前, AMESim已经成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领 域,成为包括流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂系统建模和仿真的优 选平台。 由于 AMESim的特点及其具有的优势,它在国外的某些大学、研究设计单位 和工业部门早已成为一种建模和仿真的标准软件。在我国也有越来越多的科学 工作者参加到学习和倡导这种软件应用的行列中。笔者很早就开始接触并使用 AMESin,在使用过程中意识到,其作为一种高级建模和仿真平台,必将有助于我 国建模和仿真领域的发展,为自主创新提供一种很好的借鉴。 本书是编者2006年出版的《 AMESim系统建模和仿真——从入门到精通》的 升级版中文教材。书中未涉及的 AMESim软件使用特性,可以参考《 LMS Imag ine. Lab amesim系统建模和仿真参考手册》。 本书主要由付永领、齐海涛编著,李庆审校。参加编写的还有祁晓野、李万 国、于黎明、陈娟、马俊功、马纪明、王岩以及课题组的研究生等。另外,本书的出 版得到了比利时LMS公司及其中国总部的大力支持,在此一并表示感谢! 由于编者水平及时间有限,错误和不妥之处在所难免,望广大读者批评指正。 编者 2011年2月 本书为读者免费提供相关资料( LMS Imagine. Lab aMesim论文集),如申请索取或咨询与本书相 关的其他问题,请联系理工事业部,电子邮箱goodtextbook@126.com,联系电话010-82317036。 目录 第1章引言 第2章初级实例……………… .···· 2.1启动 AMESim……………………… 3 2.2创建新草图……………………………………………………………4 2.2.1创建新系统…………………………… .,,,,·,,,,,,,,,,, 2.2.2锁定按钮 2.2.3库与类 …,………………·*..· 2.3实例1:质量块-弹簧系统的仿真… 45577 2.3.1搭建质量块-弹簧系统模型… · 2.3.2给元件分配子模型… 2.3.3设置参数… 2.3.4运行仿真… 14 2.3.5绘制仿真结果曲线 16 2.3.6使用回放功能…………………………………………………………19 2.3.7保存和退出 AMESim …………………………………21 2.4实例2:一个简单的机械系统 …21 2.4.1搭建连线………… …22 2.4.2在草图上显示标注… ……………………………23 2.4.3参数设定…… 25 2.4.4改变参数数值…………………………………………"… 27 2.4.5子模型、参数名和变量名的别名 …………………………………………27 2.4.6设置参数并运行仿真… ……………………………29 2.4.7使用 External variables(外部变量)功能 30 2.4.8绘制曲线 ·,, ,…,……………………31 2.4.9使用旧的最终值………… 33 2.4.10放大图形 34 2.4.11连续运行… ·…·::·…:· 34 2.4.12使用模型历史功能…… ………………………………35 2.4.13模型属性 ………36 2.5实例3:使用隐含变量的系统… ,“+.,,,,,,·,,·, …42 2.5.1一个图标的多个子模型…………… …………………………42 2.5.2信号端口 …·…··········“· …………………43 LMS Imagine. Lab amesim系统建模和仿真实例教程 2.5.3隐含变量…………………………… 46 2.6实例4:有代数环的系统… 47 第3章高级实例…… 50 3.1简介 50 3.2获取 AMESim演示实例……… 0 3.3实例1:四分之一车模型(续)……………………………………………50 3.3.1状态计数工具 ……………………50 3.3.2动态运行和稳态运行…… 53 3.3.3存储/加载数据………………………………………………………………57 3.3.4向图中添加文本…… ………………………………58 3.4使用结果管理器… 58 3.4.1创建后处理变量· ………………………………59 3.4.2创建多回路后处理变量……………………………………………………………60 3.4.3与保存的曲线数据对比… …62 3.5使用实验视图…… 62 3.6实例2:转动惯量………… 66 3.6.1用于转速和扭矩的符号法则… 67 3.6.2数据采样中的失真 68 3.6.3不连续性和不连续性的输出……………………………………………………68 3.7实例3:汽车悬挂系统 B国B重重 ………69 3.7.1同时显示两个或更多 AMESim系统 71 3.7.2选择元件、连线和文本 3.7.3复制、删除、剪切和粘贴操作………172 3.7.4比较不同悬挂系统的车体位移… 75 3.7.5编辑现有文本……………………………………… 75 3.8实例4:凸轮操纵阀……………………………………………76 3.8.1系统描述……… …………76 3.8.2系统仿真………………… 77 3.8.3创建X-Y曲线… …………………………………80 3.8.4使用绘图管理器… 8·,,,,·,,,·· 81 3.8.5修改已绘制曲线的特征……… 82 3.9实例5:车辆传动系统…………………………………………………84 3.9.1使用表格编辑器创建1D表格数据文件……………………………84 3.9.2建立系统并设置参数… 85 3.9.3运行仿真 .,、 87 3.9.4动态模块 ………………………88 目录 第4章批处理运行和线性分析……………………………………………………………90 4.1简介……………………………………………………………………………90 4.2实例1:四分之一车模型 Q 4.2.1选择性保存…………… Q 4.2.2批处理运行… 0127 4.2.3使用后处理和交叉结果… ,,,,., 4.3实例2:以弹射器为例讲解锁定状态 …101 4.3.1锁定状态介绍………………………………………………………………………101 4.3.2实例……………………………………………………………………………101 4.3.3锁定状态 104 4.3.4误差类型 …………107 4.4实例3:一个简单的质量块-弹簧系统的线性分析…………………………………107 4.4.1线性分析………… 面BB国面 108 4.4.2特征值分析 110 4.4.3平衡位置……13 4.5实例4:一个质量块-弹簧阻尼系统的频率响应分析…………………113 4.5.1Bode图、 Nichols图和N yquist 图 …114 4.5.2根轨迹分析……………… ……116 4.6实例5:一个机械系统的模态分析……18 第5章超级元件工具…… 126 5.1简介………………………………………………………………………126 5.2创建并配置一个超级元件 126 5.3使用标准图标来构造PID控制器的超级元件……… 129 5.3.1平面系统和包含超级元件系统的比较 ………………………129 5.3.2创建一个超级元件 .,,,,,,,, …………131 5.3.3为超级元件设置图片 134 5.4超级元件工具………… 136 5.4.1使用超级元件子模型 ……………………………………136 5.4.2展开超级元件……… 136 5.4.3改变超级元件的参数… …137 5.4.4绘制超级元件的变量曲线…………………………………………137 5.5管理超级元件… 139 5.5.1超级元件的类型 ∴…139 5.5.2多层次的超级元件…………… ………………………139 5.5.3显示可用的超级元件及其所属的库 ………………………140 5.5.4删除一个超级元件或库 ………………· 140 5.5.5修改一个超级元件 ,………………………………………141 LMS Imagine. Lab amesim系统建模和仿真实例教程 5.6使用自己的图标构建一个PID控制器的超级元件 142 5.6.1创建超级元件库 ………………………………………………………143 56.2创建超级元件图标 …145 5.7创建一个包含全局变量参数的通用超级元件 150 5.8为通用超级元件的全局变量赋值………156 第6章 AMESin脚本工具…………158 6.1简介 ………………………………………………………………………158 6.2系统要求 158 6.3设置使用环境… ······· 159 6.3.1使用 Python… ……………………159 6.3.2使用 MATLAB……… ·,,,,,,,,,,,着.,,、,,, ………………………………159 6.3.3使用 Scilab 159 6.3.4使用VBA 160 6.4设置工作区…………………………………………………………………………………160 6.5实例 ……………………………………………………160 6.5.1基本概念 …160 6.5.2自动操作任务的脚本编写…………………………………………………………173 6.5.3使用标识符……………………………………………………………………188 6.5.4响应面模型RSM的使用……………… ………………………………192 6.5.5将线性系统模型导入 AMESim…………………………………………………202 第7章应用程序接口API…………………………………………………………………………209 7.1启动API………………………………………………………………………………209 7.2使用API函数… 210 7.2.1列出模块中的可用函数 210 7.2.2获取函数的详细信息 211 7.2.3创建一个脚本文件 211 7.3创建一个包含API的 AMESim仿真模型 …211 7.3.1创建系统…………………… 212 7.3.2给系统添加元件…………………………………………………………212 7.3.3设置子模型……… .,,,,,,, …………………………………………215 7.3.4连接部件………………… …216 7.3.5设置参数值……………………… 217 7.3.6创建全局参数… ,·,,,·····,· …………………………………………222 7.3.7编译代码…………………… ………………………222 7.3.8设置运行参数……………………………… 223 7.3.9运行仿真 ……… 223 7.3.10获取变量值… ………………………………224

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