基于多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)的液壓系統(tǒng)研究

何少煒，皮嘉立（后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶，401311）

基于多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)的液壓系統(tǒng)研究

何少煒，皮嘉立
（后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶，401311）

液壓泵是液壓系統(tǒng)關(guān)鍵的動(dòng)力元件，液壓泵是否與液壓控制元件與執(zhí)行元件相匹配將直接影響到液壓系統(tǒng)的效率。運(yùn)用基于軟件接口的方法對(duì)液壓機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果顯示，液壓缸運(yùn)行平穩(wěn)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在PID控制器的作用下獲得良好的工作狀態(tài)，液壓泵的可以在正常工作壓力下運(yùn)行。

聯(lián)合仿真；液壓系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；軟件接

0 多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)

液壓控制系統(tǒng)是由機(jī)電液系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜且涉及多個(gè)物理領(lǐng)域的綜合模型，要實(shí)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)整體性能仿真，不僅需要研究單個(gè)領(lǐng)域軟件的仿真，而且還需要研究多個(gè)領(lǐng)域軟件之間的聯(lián)合仿真。液壓控制系統(tǒng)的多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)將來(lái)自于液壓機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力、電磁閥的信號(hào)控制、液壓系統(tǒng)的液壓回路3個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域的模塊組裝成為一個(gè)整體模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。本文中多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)主要應(yīng)用基于軟件接口（Based on Interfaces）的方法建模仿真。

1 基于軟件接口的仿真方法

基于軟件接口的仿真方法的思路是，首先采用本領(lǐng)域仿真軟件進(jìn)行本學(xué)科領(lǐng)域的建模，在Adams、AMESim、MATLAB/ Simulink仿真軟件中建立的多領(lǐng)域系統(tǒng)子模塊，作為仿真階段的輸出模塊；然后利用各領(lǐng)域仿真軟件之間的接口實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模。最后利用“協(xié)同仿真運(yùn)行”，獲取仿真運(yùn)行結(jié)果。AMESim通過(guò)與控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB/Simulink和ADAMS的接口，通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)Adams機(jī)構(gòu)力與AMESim液壓回路、MATLAB/Simulink信號(hào)控制系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模仿真。仿真過(guò)程中，AMESim作為主仿真軟件，在仿真離散時(shí)間點(diǎn)使機(jī)構(gòu)動(dòng)力領(lǐng)域和信號(hào)控制領(lǐng)域的仿真模型通過(guò)進(jìn)程間通信等方法進(jìn)行相互的信息交換。

圖1 仿真模型數(shù)據(jù)傳遞流程Fig.1 Data transmission of united simulation

圖2 ADAMS的機(jī)構(gòu)動(dòng)力模塊Fig.2 Mechanism dynamics module of ADAMS

液壓機(jī)構(gòu)的Adams機(jī)構(gòu)動(dòng)力模塊、AMESim液壓回路模塊、MATLAB/Simulink信號(hào)控制模塊三個(gè)部分模塊的輸入、輸出變量已經(jīng)得出。如圖1所示為仿真過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程。在這種模式下，主仿真AMESim軟件負(fù)責(zé)控制各個(gè)軟件之間數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間，其他模塊的求解在各自仿真軟件中進(jìn)行，在固定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，利用Adams、MATLAB/Simulink軟件的求解器求解，高精度的仿真結(jié)果就可以快速得出。

2 直線式液壓機(jī)構(gòu)的ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真

ADAMS與AMESim液壓機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真模型由機(jī)構(gòu)動(dòng)力模塊和液壓回路模塊組成，在ADAMS建立液壓機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力模塊，該模塊由六桿機(jī)構(gòu)組成如圖2所示，在AMESim軟件中建立液壓機(jī)構(gòu)的液壓回路模塊，該模塊由機(jī)械馬達(dá)、定量泵、溢流閥、三位四通閥、流量控制閥、液壓缸和ADAMS嵌入式模塊組成如圖2所示。ADAMS機(jī)構(gòu)動(dòng)力和AMESim液壓回路子系統(tǒng)的輸入、輸出變量的信號(hào)傳遞需要2個(gè)模塊的接口，這2個(gè)模塊的接口分別由velocity和force承擔(dān)，如圖3所示，velocity和force接口將機(jī)構(gòu)動(dòng)力模塊和液壓回路模塊組合成液壓機(jī)構(gòu)的整體仿真模型。

圖3 ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真模塊Fig.3 Module of united simulation by ADAMS and AMESim

將液壓機(jī)構(gòu)液壓缸的運(yùn)行速度輸入到圖3常信號(hào)源k中，將液壓缸的調(diào)定速度設(shè)定為0.12m/s，執(zhí)行仿真后，液壓缸運(yùn)行速度曲線如圖4所示，液壓缸在運(yùn)行一段時(shí)間后逐漸達(dá)到平穩(wěn)，最終穩(wěn)定于0.12m/s 。

因液壓機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力、液壓回路、信號(hào)控制子模塊都是由線性微分方程搭建而成，故液壓機(jī)構(gòu)是一個(gè)線性系統(tǒng)，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加性質(zhì)，通過(guò)在機(jī)構(gòu)中軸另一側(cè)布置對(duì)稱液壓缸，在液壓缸舉升力保持不變的情況下，可以將液壓泵的工作壓力減小，布置對(duì)稱液壓缸后，液壓泵運(yùn)行壓力曲線如圖5所示，由圖可知液壓泵的工作壓力小于20MPA，在液壓元件的正常工作壓力范圍內(nèi)，且曲線平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。

圖4 液壓缸速度運(yùn)行曲線Fig.4 Speed of Hydraulic cylinder

圖5 對(duì)稱布置液壓缸情況下液壓泵的工作壓力Fig.5 Pump pressure hydraulic cylinder symmetrically arranged

3 回轉(zhuǎn)式液壓機(jī)構(gòu)的MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真

液壓機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真模型分別由MATLAB/Simulink與AMESim軟件建立，在MATLAB/Simulink中建立系統(tǒng)的信號(hào)控制模型，該系統(tǒng)由常信號(hào)源、加法器、PID控制器等信號(hào)控制元件組成如圖6所示，其中PID控制器比例增益、積分增益和微分增益的取值分別為P=2，I=1，D=2。在AMESim軟件中建立液壓機(jī)構(gòu)的液壓回路模塊，該模塊由液壓馬達(dá)、定量泵、溢流閥、三位四通閥、流量控制閥、液壓缸和MATLAB/Simulink嵌入模塊組成。信號(hào)控制模塊和液壓回路模塊的接口分別由Omega和sig承擔(dān)，如下圖7所示，Omega和sig這2個(gè)接口將2個(gè)模塊組合成液壓機(jī)構(gòu)的整體仿真模型。

圖6 MATLAB/Simulink的信號(hào)控制模塊Fig.6 Signal control model of MATLAB/Simulink

圖7 MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真模型Fig.7 Model of MATLAB/Simulink and AMESim united simulation

如圖8所示為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化曲線，圖中綠色實(shí)線motor1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線，最終穩(wěn)定在15r/min，液壓工作在低速狀態(tài)，黃色虛線motor1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線，最終穩(wěn)定在120r/min，液壓工作在高速狀態(tài)。在MATLAB/Simulink信號(hào)控制模塊的PID控制器的調(diào)節(jié)作用下，由圖8分析可知液壓馬達(dá)在2種工況下轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線比較平滑，證明比例增益、積分增益和微分增益值選取為P=2，I=1，D=2是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖8 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速Fig.8 Revolution speed of motor

如圖9所示為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化曲線，圖中綠色實(shí)線pump01為液壓馬達(dá)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)液壓泵的壓力曲線，此時(shí)液壓泵壓力在40MPA上下浮動(dòng)，說(shuō)明液壓在低速狀態(tài)工作時(shí)，液壓泵運(yùn)行比較穩(wěn)定；黃色虛線pump2為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)液壓泵壓力的曲線，此時(shí)液壓泵壓力在50MPA上下浮動(dòng)，說(shuō)明液壓高速狀態(tài)工作時(shí)，液壓泵運(yùn)行比較穩(wěn)定。通過(guò)串聯(lián)一個(gè)液壓馬達(dá)，平均分配馬達(dá)的負(fù)載力矩，可以將適當(dāng)降低液壓泵的流量，進(jìn)而減小液壓泵工作壓力，串聯(lián)液壓馬達(dá)后，液壓泵在2種工況下的工作壓力曲線如圖9所示，由圖中可知液壓泵的工作壓力在30MPA以內(nèi)，在普通液壓元件的正常工作壓力范圍內(nèi)，且壓力曲線平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到驗(yàn)證，由此也說(shuō)明此機(jī)電液系統(tǒng)在理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖9 雙液壓馬達(dá)情況下液壓泵的壓力曲線Fig.9 Pump pressure under both motor working condition

4 結(jié)論

機(jī)電液一體化系統(tǒng)是一類復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)其開(kāi)展性能分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化都離不開(kāi)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用。在液壓系統(tǒng)的仿真技術(shù)運(yùn)用時(shí)，ADAMS軟件用于創(chuàng)建液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出液壓缸的運(yùn)行速度和運(yùn)動(dòng)副作用力曲線；MATLAB/Simulink則用圖樣式編程的方式，提供信號(hào)控制的圖形接口，構(gòu)建出信號(hào)控制系統(tǒng)的模塊，AMESim軟件作為主仿真軟件，主要實(shí)現(xiàn)液壓回路領(lǐng)域的建模和仿真，針對(duì)液壓機(jī)構(gòu)設(shè)備的仿真研究，采用聯(lián)合仿真的手段使數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度得到提高，仿真的逼真度得到保證，系統(tǒng)方案論證及功能評(píng)估試驗(yàn)的置信度得到提升。

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Hose rolling system design research based on united simulation of multisystem

He Shaowei，Pi Jiali
（Dept.of Petroleum Supply Engineering，LEU， Chongqing，401311，China）

Hydraulic pump is critical power elements.Aiming at analyze overall performance of the hydraulic system，The simulation results show that the hydraulic cylinder running smoothly，rotating speed of the hydraulic motor under the control of PID controller obtains a good working condition，and hydraulic pump can run in a normal working pressure.

united simulation；hydraulic system；control system； software interface

TH-137.7

A

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAK05B00）