基于機電液一體化仿真技術的發射車開蓋過程設計與優化

王增全，岳玉娜，高星斗，張宏宇，白 靜

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

基于機電液一體化仿真技術的發射車開蓋過程設計與優化

王增全，岳玉娜，高星斗，張宏宇，白 靜

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

針對某型號發射車實際工作流程，利用АDАМS、АМЕSim和МАТLАВ/Simulink軟件間的接口技術建立開蓋過程機電液一體化仿真模型，對其開蓋過程進行了聯合仿真分析。采用基于拉丁超立方試驗設計方法進行機電液聯合仿真模型參數靈敏度分析，對系統關鍵參數設置、系統性能匹配進行深入研究。通過覆蓋全作戰使用工況的仿真分析，為開蓋油缸設計提供準確的設計輸入參數，驗證了機械、液壓、控制系統匹配性。通過多種使用工況、故障工況的仿真分析，優化了控制策略和控制參數，縮短實車調試周期和研制成本，進一步降低技術風險，提高了產品的可靠性。

機電液一體化；多領域建模軟件接口技術；拉丁超立方試驗設計

0 引 言

某型號發射流程開蓋過程是典型的機電液耦合過程，前后蓋4個開蓋油缸由液壓系統驅動，液壓系統由控制系統控制，前后蓋開啟控制策略嵌入到控制流程中。本文通過基于軟件接口的方法建立某型號發射車開蓋過程聯合仿真模型，通過仿真對典型工況進行預示，指導后續整車的功能調試，并為開蓋油缸提供準確的設計載荷，指導油缸設計。

1 某型號開蓋過程聯合仿真

1.1 軟件間接口設計

基于接口的多學科建模方法[1～4]，由于有較多商用仿真軟件的支持，并且可充分發揮各軟件優勢，仿真結果較為準確，目前使用最為普遍。支持多學科建模的商用仿真軟件包括：機械結構有限元分析軟件（Nаstrаn，АNSYS）、動力學仿真軟件（АDАМS，VL mоtiоn，SIМРАСK）、控制系統仿真軟件（Маtlаb/Simulink）、電子系統仿真軟件（Меntоr，Аnsоft）、液壓、氣動仿真軟件（АМЕSim，Еаsу5）等。

基于軟件接口的多領域建模方法，首先分別采用各領域商用仿真軟件進行建模，定義各領域模型之間的輸入輸出接口參數，利用軟件間的聯合仿真接口[5]進行多領域模型聯合。當基于接口的多領域建模完成之后，即可進行協同仿真運行，獲取仿真運行結果。圖1為某液壓開蓋系統機電液聯合仿真框圖，箭頭指向接口數據流向。

圖1 某開蓋系統機電液聯合仿真框圖

1.2 聯合仿真模型建立

開蓋過程虛擬樣機的控制系統與液壓系統、機械系統靠相關狀態參數的傳遞聯系在一起?？刂葡到y主要是向液壓系統傳遞各換向閥閥芯的開度狀態；液壓系統則向控制系統傳遞壓力、流量、開蓋角度等液壓狀態值，向機械系統傳遞載荷，而機械系統需向液壓系統模型傳遞運動部件的速度位移等運動狀態值。在真實物理系統中通過傳感器測得這些參數，在集成的虛擬樣機環境中АDАМS提供有關速度位移等機構狀態值，由АМЕSim中液壓系統模型傳遞有關壓力、流量等液壓狀態值，然后將這些狀態值傳遞到控制系統模型。

建立的開蓋過程機電液聯合仿真模型如圖2所示。開蓋機械系統為剛柔耦合動力學模型，前后蓋為柔性體，起豎段、油缸等為剛體，其中前后蓋均為雙缸開蓋。液壓系統部分模型主要包括負載敏感泵、比例換向閥、螺紋插裝式平衡閥及前后頂蓋液壓缸等仿真模型；控制部分模型主要為控制流程及前后頂蓋的開蓋角度控制算法。

圖2 開蓋過程機械系統柔性體模型

2 基于拉丁超立方試驗方法的參數靈敏度分析

目前機電液一體化仿真主要集中于對動作流程的建模和仿真預示，而對于系統關鍵參數設置、系統性能匹配和綜合優化的研究尚不深入，因此有必要進行系統不確定性參數提取及敏感度分析，獲取對系統總體性能有顯著影響的參數，幫助設計人員從多方面了解系統特性。針對敏感度較大的參數，在進行元件試驗和系統調試時予以重點關注，必要時進行多次重復測量，從而提高參數辨識的準確度以及系統的性能和精度。

2.1 拉丁超立方試驗設計方法

拉丁超立方抽樣方法根據各輸入參數的分布函數和定義域范圍，采取等概率分層抽樣產生各參數隨機數樣本。首先確定模擬次數 N，然后根據模擬次數將變量的概率分布函數分成N個互不重疊的子區間，最后在每個子區間內分別進行獨立的等概率抽樣。

拉丁超立方試驗設計步驟如下：

а）選定抽樣參數，并初始化選定參數的分布區間；

b）產生隨機數，將每個變量 xi分為等概率的k個互相不搭接的區間，每個區間的概率為1/k，然后每個子區間等概率產生一個代表參數

2.2 基于拉丁超立方試驗設計的參數敏感度分析方法

本文采用基于拉丁超立方試驗設計方法進行開蓋過程機電液一體化仿真模型參數敏感度分析，步驟如下：

а）根據仿真模型確定不確定性參數及其區間；

b）利用Маtlаb Моdеl Ваsеd Саlibrаtiоn Тооlbох生成拉丁超立方試驗表格，并嚴格按照試驗設計進行試驗，記錄試驗結果；

с）利用Маtlаb Stаtistiсs Тооlbох對試驗結果進行回歸分析，獲得仿真模型 f(X )的二次近似響應面函數 g(X)。其表達式為

式中 n為自變量總數；xi為設計變量；bi，bii和 bij為多項式的待定系數，下標

對于2個變量的情況，響應面表示如下式所示：

解以上方程組可得系數向量b的無偏估計β為

確定模型中參數的敏感度，參數敏感度可用敏感度向量表示：

由于模型各參數單位均不同，為了便于比較各分量對計算結果的影響程度，采用相對敏感度向量表示：

式中 下標表示各相應量的標稱值，對相對敏感度向量進行歸一化，則有：

由式（13）計算得到的相對敏感度向量，表示各參數在其標稱值附近產生相同程度誤差時對計算結果的影響程度，數值越大表示對結果的影響程度越大。

2.3 分析結果

本文的試驗指標包括前、后頂蓋開蓋時間（從關閉狀態至頂蓋完全打開所用時間）、開蓋過程中前頂蓋兩油缸載荷差（前頂蓋為雙缸開蓋）、開蓋過程中后頂蓋油缸載荷差（后頂蓋為雙缸開蓋）；不確定性參數為定差減壓閥調壓彈簧預調壓力、調壓彈簧剛度、前頂蓋油缸多路閥最大控制量、后頂蓋油缸多路閥最大控制量。原則上，試驗次數越多，所得結果越精確，但計算代價也越大。為保證試驗點比較均勻的充滿試驗空間以及保證試驗精度要求，試驗次數至少為因素個數的2倍，本文將試驗次數定為25次，計算分析結果如表1所示。

表1 開蓋過程響應與最大影響因子

通過以上分析，得出以下結論：

а）前、后頂蓋的開蓋時間和油缸載荷差主要受前后頂蓋油缸比例閥控制量的共同作用影響，原因為開蓋控制策略限制了前頂蓋與后頂蓋的相對運動關系；

b）需要根據實際指標確定合適的開蓋控制參數，按開蓋控制時間要求，可以選擇前、后頂蓋油缸比例閥合適的控制量；

с）本次分析的定差減壓閥調壓彈簧預調壓力、調壓彈簧剛度等液壓系統模型參數對所分析的系統性能總體指標沒有明顯影響。

3 使用工況預示分析

對根據參數靈敏度分析得出的參數值進行設定，其中前、后頂蓋比例閥的控制量分別為5 750和5 000。針對開蓋60°、82°、95°急停工況的分析，對開蓋過程油缸載荷、液壓系統壓力及機械系統響應情況進性分析。

圖3為急停工況開蓋角度。圖4為急停時開蓋油缸正反腔壓力。隨開蓋角度增大正腔壓力減小，反腔壓力逐漸增大，開蓋角度越大急停時，正、反腔壓力差值越大且反腔急停壓力越大，95°急停時正、反腔壓力差值為8 МРа左右，急停最大壓力為20.6 МРа左右。

圖3 急停工況開蓋角度

圖4 急停工況開蓋油缸正反腔壓力

圖5為前蓋開蓋過程油缸載荷曲線。隨開蓋角度增大載荷逐漸較小，開蓋瞬間單缸載荷為5.54 t左右，急停時油缸波動載荷遠小于開蓋瞬間載荷。圖中3個角度的油缸1和油缸2的曲線重合。

圖6、圖7為不同角度急停工況前蓋質心橫向及垂向加速度曲線，急停時橫向加速度變化隨開蓋角度增大，95°急停時橫向加速度波動值最大為8.29 m/s2。

圖5 急停工況開蓋油缸載荷

圖6 急停工況前蓋質心橫向加速度

圖7 急停工況前蓋質心垂向加速度

從圖7中看出，前蓋質心垂向加速度受后蓋影響較大，圖中2 s附近垂向加速度有較大波動，此時為后蓋開蓋瞬間，加速度最大波動值為13.75 m/s2。

4 仿真方法應用效果分析

本文仿真實際應用效果有3點：

а）指導開蓋油缸設計，提供精確載荷。

仿真前蓋雙缸載荷曲線如圖5所示。圖5中仿真數據顯示前后蓋油缸雙缸載荷基本相同，實際狀態前蓋雙缸為連通式結構，正、反腔壓力均相等，油缸活塞桿輸出載荷也相等。

實際狀態油缸設計載荷計算時考慮質心偏心及前后蓋變形等因素影響，計算得出的兩缸載荷差距較大，沒有考慮油缸之間的連通性，設計計算得出的油缸輸入載荷與真實油缸載荷可能不符，經與油缸設計人員討論，后續油缸設計時考慮該方面因素影響，并在后續試驗過程中測試載荷數據。

b）控制系統控制策略優化驗證。

首次將控制系統控制流程及策略嵌入到仿真中，解決了以往控制程序只能通過軟件測試其流暢性，不能驗證其正確性。通過本次仿真可通過動畫的形式，驗證控制系統、控制策略的正確性，避免將不必要的錯誤引入到實車功能調試中。

控制策略驗證之后，可針對機械系統響應、技術指標等進行控制策略優化，圖 8為根據機械系統響應得到的優化前后流量曲線對比。

圖8 優化前后流量曲線

с）極限工況預示。

極限工況下產品設計載荷、結構動態響應等參數一般為總體人員或分系統設計輸入，而在產品設計時，單件產品的極限邊界條件一般為假設或增大設計余量來考慮，會造成設計載荷輸入不準確或余量偏大造成浪費等問題，增加產品的研制成本。

5 結束語

基于軟件接口的方法建立了某型號開蓋過程機電液聯合仿真模型，通過基于拉丁超立方試驗設計方法對影響開蓋時間、載荷的主要因素進行靈敏度分析，得到主要的影響參數；

對典型工況預示，通過該方法驗證了液壓系統、控制系統控制流程策略的正確性，并為油缸的設計提供了準確的載荷輸入，為后續液壓系統、控制策略優化提供支持；

本文建立的仿真模型，機械系統忽略部件間連接間隙、阻尼等參數，液壓系統中部分參數為根據經驗設定，后續對仿真模型開展修正研究，并對發射車全流程進行預示。

[1] 吳智勇, 劉海明，等. 混凝土泵車虛擬樣機的機電液一體化建模與仿真[J]. 中國工程機械學報, 2009 (01)：62-66.

[2] 孟令輝, 占金春. 機電液一體化虛擬樣機建模與協同仿真技術研究[J].機械制造, 2007, 45(516): 11-14.

[3] 黃先祥, 高欽和, 郭曉松. 大型裝置起豎過程的動力學建模研究[J]. 系統仿真學報, 2002 (3): 3-5,9.

[4] 馬長林, 黃先祥，等. 基于軟件協作的多級液壓缸起豎系統建模與仿真研究[J]. 系統仿真學報, 2006 (2): 531-533.

[5] 張平, 黃彥文, 高星斗, 李敏. 活動發射平臺大擺桿機械結構與液壓系統聯合仿真研究[J]. 導彈與航天運載技術, 2016(3): 33-35.

[6] 王安柱, 朱忠奎. 基于虛擬樣機技術壓力機曲柄滑塊機構的敏感度分析[J]. 農業裝備與車輛工程, 2010, 229(8): 34-37.

[7] 郝中軍, 扈曉翔. 基于拉丁超立方抽樣的導彈快速精度分析與誤差補償方法[J]. 兵工自動化, 2009, 28(6): 23-2.

Structural Design and Optimization of the Process of Opening of Launching Vehicle Based on Mechanical-electro Hydraulic Technology

Wаng Zеng-quаn, Yuе Yu-nа, Gао Xing-dоu, Zhаng Ноng-уu, Ваi Jing
（Веijing Institudе оf sрасе lаunсh tесhоlоgу, Веijing, 100076）

Ваsеd оn рrасtiсаl wоrk оf sоmе Lаunсhing Рlаtfоrm, thе simulаtiоn mоdеl оf hуdrоmесhаtrоniсs аbоut thе рrосеss оf ореning оf sоmе Lаunсhing Рlаtfоrm is built bу АDАМS, АМЕSim аnd МАТLАВ/Simulink sоftwаrе，аnd thе influеnсing fасtоrs оf сhаrасtеristiсs аrе studiеd bу thе Lаtin hуреrсubе dеsign оf ехреrimеntаl mеthоd. It рrоvidеs ехасt dеsign lоаds fоr hуdrаuliс суlindеr аnd vеrifiеs thе соrrесtnеss оf thе mесhаnism, hуdrаuliсs аnd соntrоl sуstеm. Ваsеd оn thе рrоvеn соntrоl strаtеgу аnd сhаrасtеristiсs, it саn hеlр usеrs tо imрrоvе dеbug еffiсiеnсу аnd rеduсе thе соst оf dеbugging fоr thе lаunсhing рlаtfоrm funсtiоns. Lаunсhing Рlаtfоrm sуstеm fаult injесtiоn is rеаlizеd thrоugh раrаmеtеr sеttings．Соnсlusiоns аrе оbtаinеd whiсh аrе rеquirеd thrоugh а lоt оf ехреrimеnts bеfоrе．

Нуdrоmесhаtrоniсs; Intеrfасе tесhniquе; Lаtin hуреrсubе mеthоd

V553

А

1004-7182(2016)06-0070-05 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160616

2015-09-20；

2016-04-12

王增全（1986-），男，工程師，主要從事機電液一體化系統建模與仿真技術研究