我是一个狂热的F1方程式赛车迷。这个赛季的F1厂商拉力赛，我们看到了两种设计策略的对比：一种设计策略将计算机仿真作为F1 赛车上所有重要的空气动力学系统的设计过程的一部分，另一种设计策略完全依赖于计算机仿真进行空气动力学设计。位列第一的队伍使用了一种均衡的方法——包括计算机流体力学（CFD）建模和风洞经验原型测试。仅仅使用CFD策略（不包含风洞测试）的队伍排在了最后。
        虽然这可能仅仅是个巧合，但是仿真软件需要被有效合理地使用，这是毋庸置疑的。推出了MATLAB 和Simulink 的MathWorks 公司工业自动化经理Tony Lennon警告道：“仿真结果有时候明显是错误的！在迭代设计和硬 件测试的过程中，我们将仿真看成早期的工作。合理使用，仿真可以快速地优化理念，并且减运动控制仿真软件 C.G. Masi 如何应用运动控制仿真软件：计算机仿真可以将设计和配置运动控制系统所需的花费与时间极大地降低。但是CONTROL ENGINEERING China版权所有，必须谨慎应用，否则会导致灾难的发生。少硬件测试的次数，但是这并不意味着无需测试！”

推荐的运动控制系统设计/开发策略以1个或者更多的框图级概念设计开始，经过1次或多次重复的计算机建模和经验模型结果验证，结束于经过全面优化和测试的最终设计，用于投运或者生产。

        设计过程的仿真
        “ 运动控制仿真软件的功能越来越强大，”Lennon 解释道：“同时也越来越容易使用。工程师可以轻松应对复杂控制系统，包括电子、机械和控制策略，仿真模型框图可以提供多种方法来描述系统代码。” 这些工具遍及从设计到试运行的全过程。工程师们使用软件模块替代经验原型测试，快速并低价地预测运动控制系统的性能控制工程网版权所有， 在没有这些工具的从前，经验原型测试是必须的。
        然而，Lennon 紧接着指出，在整个过程的关键部分，仿真结果仍旧需要经过反复确认。
        “推荐的设计/ 开发步骤”流程图是针对复杂运动控制系统的推荐方法。它始于一种设计概念。事实上，计算机仿真允许设计流程以多种设计概念并行开始。例如，一种设计概念可能同时考虑使用丝杠、线性电机或气动执行机构来驱动机器人轴。如果这是一个六轴运动系统，可以对不同轴使用不同的驱动方法组合。这样一来，设计人员在建模过程中可以自由地开发多种多样的设计方案。

这些工具确保控制工程师能够开发计算机仿真模型，用于实现框图级运动控制系统。

        迅速确定方案
        Procter & Gamble Company (P&G) 公司的上游工艺过程和设备开发部门经理Jon McLaughlin 报告称：“运动系统仿真可以应用于各种层级。你可以使用基础仿真来估算运动系统和机械/ 过程设备之间的设计参数。可以使用特定供应商提供的仿真工具来选择特定的运动控制元件，以满足你的作业需要。可以使用高仿真度的仿真工具，推演过程、 机械系统和运动控制平台之间的交互作用，确保在实施投资之前能够完成复杂系统的有效设计。”
        P&G 公司生产多种用户产品，McLaughlin 的团队搭建了多种运动控制系统，覆盖了输送、包装和生产设备的领域，解决了很多非常复杂的运动控制问题。
        National Instruments 公司LabVIEW 仿真和控制设计工具高级产品经理Javier Gutierrez 说：“通过搭建系统 模型，用户甚至可以在系统搭建完成之前，获得系统性能、产量等信息，这些信息可以反馈给设计团队的其他部门，用于优化设计。”
        Lennon 说道：“有了这些软件的帮助，设计参数和开发方法变得更加透明，因为所有的约束条件都能在仿真过程中得以展示。系统开发人员在设计早期使用较低仿真度的模型来排除不好的设计方案，并随着设计过程的深入，逐渐提高模型的仿真度。”
        更少的花费和时间；找到平衡点
        计算机仿真应该在全开发周期内广泛使用。但是CONTROL ENGINEERING China版权所有，它也应该和仔细筹划并执行的原型测试保持平衡。只有在两者达到完美平衡时，才能取得成效（几十个百分点的开发成本降低、成月的开发周期的减少）。而且，最佳的办法是让一个有经验的工程师来平衡这两种方法，判断仿真结果的可信度，进而判断何时将资源用于昂贵的原型测试。

计算机仿真的结果和使用原型运动控制系统模型测试的结果类似，也可以使用相同的格式，便于进行简单的对比

        McLaughlin 说道：“如果由有经验的人员进行仿真，那是非常有帮助的。对系统进行仿真，通常要求用户能够理解系统的网络框架，这是很必要的。如果你能够将对系统框架的理解与实际经验和模型验证结合起来，通常你就能得到实际系统的真实可用的概貌，如此一来你就可以放心大胆地设计系统，不用把精力浪费在反复修改设计上。”
        机器人系统和部件制造商Yaskawa美国公司的项目工程师Nishant Unnikrishnan 赞同道：“使用仿真编程的设备开发人员，可以在设备运动部件到位之前，就准备好代码。这样一来，当部件整合成设备之后，开发人员就可以将精力集中于机械结构的优化。项目时间缩短了，项目完成的压力就极大地减少了。”

例如MathWorks公司的很多仿真工具，都能与CAD/CAM设计工具兼容，跨平台传递设计数据。图片为一台工业打印机工作路径示意图。

        当然，原型测试是检验工程设计的试金石。一句老话“实践出真知”仍是不变的真理。问题是，如果没有理论模型的指导经验程序，那么测试很快就会沦为无的放矢，原型一旦建成、测试最终变成无用之物，代价将是昂贵和耗时的。
        并行：比串行更快速
        来自B&R Industrial Automation 公司的自动化技术部总监Robert Muehlfellner 说道：“仿真可以并行完 成，不必按照设备的搭建顺序进行。无需首先搭建设备的机械结构，然后再配备电气电子部件控制工程网版权所有，最终交由控制工程师开发并测试应用代码。很多调试可以在搭建设备机械和电子结构的同时在仿真中完成。”
        Gutierrez 说道：“运 动控制算法只是运动系统代码的一小部分。对于运动系统而言，有很多嵌入式方面的工作，例如嵌入执行功能、实时性能、回路抖动、通讯、驱动等等很多问题。”
        Muehlfellner 回应这些观点道：“ 现代仿真技术允许在仿真环境中使用机械负载模型，甚至能区分驱动器的尺 寸、预测扭矩值和测试前馈算法。然而，在很多应用中，对系统的机械数据的认知至今并不完全，例如摩擦和惯量。 因此，模型并不准确，而以这些模型为基础的仿真结果也并不准确。”
        Unnikrishnan 说道：“很多设备制造商在开发项目时CONTROL ENGINEERING China版权所有，并没有在数据采集、计划和整理上投入足够时间。如果在欲开发设备的相关信息的采集上投入足够的时间，并对这些信息进行整理，那么仿真就可以分担一部分的工作量，为项目构建基础。仿真可以构建出框架，在此框架上，项目可以进一步实施。”
        仿真可以提供设备性能的理论结果。Unnikrishnan 认为：“仿真结果可能和设备的实际性能大相径庭，设计工程师在使用仿真工具进行开发时，必须知晓这一点。”
        并非仅仅为了设计
        计算机仿真并非仅仅为了辅助设计。在系统编程和测试环境它都有用武之地。McLaughlin 称：“仿真可以帮助开发人员快速找到控制和机械设计参数的最优值。它可以确保你为应用选择了合适的设备。仿真可以帮助开发人员理解流程、机械系统和控制系统动力学之间的复杂交互关系，以设计出复杂的系统，确保系统一次成型。仿真，或者说模拟，可以加快软件产品的测试周期。”
        另一方面，Muehlfellner 警告道：“要小心仿真环境和模型的极限值和精度。仿真是一种伟大的工具， 有了它，在实际系统不存在的时候，你就可以预测结果。然而，模型的真实程度限制了仿真结果的准确程度。如此一来，又产生了一个问题CONTROL ENGINEERING China版权所有，模型与实际设备越接近，就需要付出越多努力，效率就越低。”
        McLaughlin 说道：“实际上，仿真和实际验证的结合才是最好的方法。仿真专家不屑于实际运行结果的挑战，工程师也对基于仿真结果的论断不屑一顾，这限制了双方的能力。只有将仿真作为工具，结合现场操作的经验，才能达到效果的最大化，才是实现商业的最优途径。