聯合仿真技術在舉升系統控制參數優化中的應用

趙貞蓮，張彭城，倪翔宇，孫珍菊

（江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州221004）

0 引言

高空作業平臺是通過臂架舉升系統將工作人員和使用器材送達指定作業高度，進行特種作業的專用車輛。由于全球節能減排法規控制的原因及重要場合下的低噪音、零排放要求，使得以清潔能源電能為動力源的電動高空作業平臺越來越受到人們和施工方的青睞，但是控制系統復雜性高和車體所攜帶電能有限等原因，使得臂架舉升系統的平穩性和能量利用率成為制約電動高空作業平臺向高品質、高性能發展的因素[1]；為提升產品性能和部件性能，對臂架舉升系統中多參數的快速優化進行研究很有必要。

在提升產品性能的過程中，對機械、液壓、控制等復雜系統的特性進行分析是十分重要的，目前國內外仿真軟件多為機械、控制等某一領域專用軟件。為了得到系統整體的仿真結果，必然涉及多領域聯合仿真，聯合仿真是指分別用不同的軟件建立系統相應部分的模型，通過軟件之間的接口組裝成一個整體對系統進行仿真，可以對系統進行快速的仿真分析，獲得最優的系統參數[2]。本文針對電動高空作業平臺臂架舉升系統建立機、液聯合仿真平臺，對系統中的電機轉速、比例閥開度等關鍵參數進行研究，并通過仿真結果與試驗測試結果進行對比分析，驗證仿真模型準確性，為系統控制參數進一步優化奠定基礎。

1 聯合仿真模型建立

1.1 聯合仿真模型框架

針對不同領域的專業仿真工具，本文臂架舉升機械系統模型用三維實體建模軟件Pro/Engineer建立，驅動控制系統模型用AMESim軟件建立，在AMESim中建立輸入輸出變量。RecurDyn的Communicator下Co-simulation with Simulink提供Simulink Host Mode和RecurDyn Host Mode兩種嵌入聯合模式[3]，根據模型復雜度和求解效率，本文選擇以RecurDyn為主機的RecurDynHost Mode嵌入模式。聯合仿真框架如圖1所示。

圖1 聯合仿真框架示意圖

1.2 機械系統模型建立

高空作業平臺臂架舉升的機械系統三維模型用PRO/E軟件建立，在將完整的實體模型處理為RecurDyn與Pro/Engineer均識別的.x_t文件后，導入到RecurDyn進行模型的處理，模型處理主要涉及模型合并、約束添加、整機及部件材料屬性賦予等，為提高求解精度和求解效率，將沒有相對運動的部件進行合并處理。圖2為處理后RecurDyn環境中的臂架舉升系統。

圖2 RecurDyn環境下的高空作業平臺臂架舉升系統

1.3 液壓系統模型建立

電動高空作業平臺液壓舉升系統為開式系統，液壓系統主要由動力單元直流電機、液壓泵、比例閥、各動作對應的液壓管路、開關閥、各執行油缸組成。本文系統通過調節電機轉速參數來改變泵排量的大小，同時通過改變比例閥的開度參數來調節流量的大小，最后通過各支路換向閥的切換控制各執行機構完成臂架的舉升動作。

在AMESim仿真平臺中，應用Hydraulic液壓庫分別搭建單個液壓件的仿真模型[4]，并通過對液壓件進行測繪及元件樣本提供的液壓特性參數曲線，調試和修正單個液壓件的仿真模型；然后，將已調試好的液壓部件仿真模型，按照臂架舉升液壓系統對應的管路連接方式，搭建系統的仿真模型，并根據實際管路尺寸設置管路參數；最后導入RecurDyn生成的*.dll文件，生成機械與液壓的聯合仿真接口。AMESim中的聯合仿真模型如圖3所示，該模型可實現比例閥、開關閥、電機不同控制參數的組合對應的臂架舉升動作，即實現多控制參數的匹配優化。

圖3 高空作業平臺臂架舉升系統AMESim仿真模型

2 仿真與試驗測試分析

由于臂架舉升系統動作組合較多，現選取其中一個典型工況二臂上變幅動作進行分析說明，產品設計中對該動作要求在26 s內完成。

設定系統仿真時間為26 s，時間步長為0.01 s，AMEsim與RecurDyn的數據交換時間間隔為0.001 s，設置電機轉速參數R=2 250 rpm、比例閥開度參數K=0.8.油缸位移的測試曲線和仿真曲線如圖4所示，測試曲線如圖5所示，該組參數下油缸受力仿真曲線如圖6所示。

圖4 油缸位移曲線

圖5 油缸受力測試曲線

圖6 油缸受力仿真曲線

對比仿真結果與測試曲線，圖4臂架動作中實際油缸在25 s達到290.4 mm，仿真中油缸在24 s達到287 mm；圖5和圖6所示油缸運行受力過程，因該動作由開關閥控制在啟停時存在一定的沖擊，圖5中在0~4 s內油缸受力達到平穩，圖6中在0~3.8 s內油缸受力達到平穩；可見仿真曲線與對應的試驗曲線一致度很高，說明仿真模型準確可靠。聯合仿真是在對各實際模型進行相應簡化的基礎上進行的，仿真精度的提高可通過參數選擇和設置來獲得。故此可以認為該AMEsim與ADAMS的聯合仿真模型基本上反映了實際系統的動態特性，可用于進一步對控制參數的優化及部件性能的分析研究。

二臂上變幅動作的控制中電機轉速參數、比例閥開度參數是相互關聯的，需要進行多次調整修改。

3 控制參數優化

在AMESim軟件中，通過電機部件、比例閥部件的屬性設置窗口修改控制參數值，進行仿真，對上述二臂上變幅動作的控制參數電機轉速參數、比例閥開度參數進行多次調節，當電機轉速參數R=2 040 rpm、比例閥開度參數K=1時仿真結果見圖7.

圖 7R=2040rpm、K=0.8

圖7 中所示臂架在0.6~25 s內受力由39 944 N變為16 750 N變化值為23 194 N；而圖6電機轉速R=2 250 rpm、比例閥開度K=0.8參數組中，臂架在0.6~25 s內受力由43 982 N變為14 327 N變化值為29 655 N，明顯圖7一組參數下系統響應快，波動性小且平穩性明顯提高。

此外，本文臂架舉升系統電機的特性曲線如圖8所示，圖中I為電流，P為功率，n為轉速，η為效率，其中電機轉速R=2 040 rpm對應的效率η高于電機轉速R=2 250 rpm的效率，即聯合仿真結果還可以反應部件性能，提高能量利用率。

圖8 電機特性曲線圖

4 結論

（1）基于 Pro/Engineer、AMESim 軟件，分別建立了機械模型、液壓系統模型，并在RecurDyn主環境下進行了聯合仿真，通過試驗測試表明聯合仿真模型的可靠性，能反應系統真實特性。聯合仿真技術不需要推導數學模型，建模效率高，能充分發揮不同軟件在各自領域的優勢。

（2）仿真和分析表明，聯合仿真技術應用于控制系統參數的優化，可以快速驗證優化各參數，避多次測試驗證和數據采集分析，可大幅提高參數優化效率，縮短產品開發周期而且通過仿真結果可獲取系統部件如電機、閥等的特性，充分發揮部件性能并提高能量利用率，也可為部件選型提供參考。