运动控制中的仿真软件
如何将仿真软件应用于运动控制：计算机仿真软件可以大大降低设计和部署下一个运动控制系统所需的成本和时间，但如果您不小心，它可以引导您沿着灾害的报春花途径。查看图形和图像。2010年9月，控制工程，功能文章。
我是一名F1赛车爱好者。这一点很重要，因为在本赛季的F1制造商冠军赛中，我们看到了两种设计策略的比较:一种是将计算机模拟作为F1赛车至关重要的空气动力系统开发过程的一部分;另一种完全依靠计算机模拟的空气动力学组件。
该团队首先使用了一种平衡的方法——包括计算机流体动力学(CFD)建模和风洞中经验原型测试。使用纯cfd策略的团队(SAN.风洞测试）在最后的位置。
虽然这可能是巧合的，但毫无疑问，需要有效且适当地应用仿真软件。作为Tony Lennon，Mathworks，Matlab生产商的工业自动化，Matlab和Simulink的生产者，警告说：“模拟可以为您提供一些非常令人信服的错误答案！我们将模拟作为迭代设计和硬件测试过程中的早期步骤。使用得当，模拟有助于更快地改进想法并减少硬件测试，但它不会消除执行测试的需要！“
设计过程中的模拟
“用于模拟运动控制的软件越来越强大，”列侬解释道，“但也更容易使用。使用提供多种方式来表达系统动力学的框图仿真模型，工程师可以更容易地描述涉及电气、机械和控制学科的复杂控制系统。”
这些工具在整个设计和调试过程中提供了重要的输入。它们允许工程师快速，并且廉价地使用更换大多数的软件模型来预测运动控制系统性能，如果不是大多数，则在这些工具可用之前被迫执行的实证原型测试工程师。
然而，列侬很快就指出了结果模拟，在此过程中仍然需要在重要的里程碑中验证。
“推荐设计/开发过程”图显示了复杂运动控制系统的建议方法。它从一个设计概念开始。事实上，计算机模拟允许过程从多个设计概念开始，这些设计概念可以并行探索。例如，可以同时考虑使用丝杠，或直线电机，甚至气动执行器来驱动机器人轴。如果它是一个六轴运动系统，可以探索不同轴的驱动方法的多种组合。通过这种方式，建模为设计师提供了极大的自由，以探索不同的设计选项。
快速找到权衡
“运动系统的仿真可能发生在许多级别上，”Jon McLaughlin，Procter＆Gamble Company（P＆G）的上游流程和设备开发部分头部。“您可以使用基本仿真来了解运动系统和机械/工艺设备之间的设计参数中的近似权衡。您可以使用特定于供应商的模拟来确定满足您的操作需求所需的特定运动控制组件。您可以使用高保真仿真来更好地了解过程，机械系统和运动控制平台之间的复杂相互作用，以便在任何资本花费之前有效地设计复杂的系统。“
P＆G制造各种消费品，因此MCLaughlin的集团将运动控制系统建立成各种转换，包装和制造设备。他们跨越并解决一些非常复杂的运动控制问题。
LabVIEW仿真和控制设计工具的高级产品经理Javier Gutierrez，国家仪器表示，“通过构建系统的模型，用户可以拥有有关系统性能和吞吐量的信息，可以馈送回到设计团队的其他部分改善机器。“
“使用这样的软件可用，”Lennon表示，“设计权衡和开发路径变得更加透明，因为所有学科都在模拟中表示。系统开发人员可以在过程中早期使用较低的保真机模型介绍较弱的想法，并将更多的车型保真度添加为设计方向成熟。“
成本较低，时间;平衡
最后，在开发过程的所有阶段，计算机模拟都应该作为一种强大的工具来使用。但是，它也应该通过一个仔细计划和执行的原型测试程序来平衡。实质性的收益(开发成本减少了几十个百分点，并节省了几个月的日历时间)只会增加到平衡这两种方法的组织。而且，最好的方法是将两个程序放在一起，由一个经验丰富的工程师指导，他可以判断模拟结果的可信度，并知道何时花费资源进行昂贵的原型测试。
McLaughlin说:“如果由熟练的从业者来完成，模拟将非常有用。”“模拟一个系统通常需要用户理解系统的理论框架，这总是很有价值的。如果你结合实际经验和模型验证，那么你就会对真实系统有一个真正有用的理解，这让你能够自信地设计出不会浪费设计迭代的系统。”
Nishant Unnikrishnan，机器人系统和组件制造商Yaskawa America的应用工程师同意：“使用用于编程模拟的机器开发人员已经能够在将机器运动执行器的每个组件提前准备好代码。这有助于一旦执行器集成在机器上，它们会集中精确调整机器的机械方面。节省了时间，并随着时间推送项目的压力急剧下降。“
当然，原型测试是最终确定工程设计的金标准。古老的说法，“布丁的证据是在吃饭中”今天是真实的，因为它是数百年前的。问题是，在没有理论上的模型来指导经验计划，测试可以快速退化到一个命中和错过的命题，这是昂贵且耗时的原型，原型建造，测试和报废。
平行:比顺序快
罗伯特Muehlfellner，自动化技术，B＆R工业自动化主任表示：“模拟允许并行而不是顺序机调试。而不是机械地建造机械，然后配备所有电气和电子元件，并且最终交给控件工程师用于开发和测试应用程序代码，可以在机械和电气构建的同时模拟大量调试正在进行中。“
“运动控制算法只是需要部署在运动系统中的代码的一小部分，”Gutierrez说。“像嵌入式执行，实时性能，循环抖动，通信，驱动程序等，嵌入式的运动控制方面有很多更多。”
Muehlfellner呼应了这些观点:“现代仿真技术……允许机械负载模型集成到仿真环境中甚至验证驱动器尺寸，预测调谐值和测试前向前算法。然而，在许多应用中，系统的机械数据（例如摩擦和惯性）都不完全在前前方。因此，模型并不准确，基于这些模型的仿真结果并不准确。“
“很多机器制造商，”Unnikrishnan说，“在开发项目时没有花足够的时间在数据收集、计划和组织上。如果将时间花在收集有关正在开发的机器的相关信息和组织信息上，则可以使用模拟来错开工作负载并准备基础工作。模拟被用来准备项目围绕的框架。”
仿真可以为机器性能提供理论结果，Unnikrishnan承认。“这可能远非机器的实际性能。设计工程师应该在将模拟用作发展中的工具时理解这一点。“
不仅仅是设计
计算机模拟不仅仅用于实现设计努力。在编程系统以及在测试阶段时，它也有用。MCLaughlin报道，“模拟可以帮助设计师快速迭代最佳的相互关联控制和机械设计参数。它可以确保您为应用程序选择/尺寸适当的设备。仿真可以帮助设计者了解过程，机械系统和控制系统动态之间的复杂相互作用，然后允许它们设计一个完整的系统，这将在第一次构造时正常工作。模拟或仿真，也可用于通过测试生产软件来加速调试。“
另一方面，Muehlfellner警告说，“注意您的模拟环境和模型的局限性和准确性。仿真是一种很好的工具，可以在任何金属在真实系统中削减任何金属之前快速预测结果。但是，您的仿真结果仅与他们所基于的模型一样好。还有一个重构模型更紧密地更像实际设备的观点变得效率低下。“
“实际上，”McLaughlin说：“这是一种融合和地板验证的混合，导致最佳结果。不欣赏实施的挑战的仿真专家，以及不欣赏理论上基于模拟优惠的根本见解的工程师都限制了他们可以提供的结果。当您将一个人使用模拟作为他们的工具之一时，以及他们的动作技能，您真的可以最大限度地提高他们对业务的理解和影响的增长。“
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