機(jī)電液聯(lián)合仿真在農(nóng)機(jī)設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用研究

摘 要：為提高農(nóng)機(jī)設(shè)備研究工作中機(jī)械、電子、液壓聯(lián)合仿真的效率，分析了AMESim及Simulink外部接口的特點(diǎn)，提出了一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真的技術(shù)方案， 并通過了仿真驗(yàn)證，為農(nóng)機(jī)設(shè)備研發(fā)過程中機(jī)電液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：AMESim;Simulink;聯(lián)合仿真;主動(dòng)懸架

中圖分類號(hào)：S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730022

引言

十三五規(guī)劃明確提出，我國(guó)將全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備和信息化水平，因此，農(nóng)業(yè)裝備的現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要保障。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是微控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，農(nóng)業(yè)機(jī)械也由傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)技術(shù)為主轉(zhuǎn)向機(jī)電液一體化方向發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)備越來越趨向于機(jī)電液集成化，與之對(duì)應(yīng)的仿真技術(shù)也朝著機(jī)電液聯(lián)合仿真的方向發(fā)展。本文在對(duì)AMESim和Simulink的特性及其外部接口進(jìn)行深入研究分析后，提出了一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真的技術(shù)方案[1，2]。

1 AMESim與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真接口? AMESim在機(jī)械系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)仿真方面有著突出的優(yōu)勢(shì)，隨著機(jī)器設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，各種控制算法、控制策略被越來越多的應(yīng)用于其控制系統(tǒng)中。因此，在系統(tǒng)仿真時(shí)，往往希望能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械、液壓、控制算法進(jìn)行聯(lián)合的仿真，對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行研究、分析。然而，目前來看AMESim只提供了非常簡(jiǎn)單的幾種控制算法模型，無法滿足越來越復(fù)雜的算法仿真要求。而Simulink在邏輯運(yùn)算、算法建模方面有著顯著的成就，因此，將AMESim與Simulink聯(lián)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在機(jī)械、液壓及其控制系統(tǒng)的仿真中將取得單個(gè)軟件難以比擬的效果[3]。

AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真有2種實(shí)現(xiàn)方式：在AMESim中搭建機(jī)械、液壓系統(tǒng)模型，經(jīng)過AMESim的仿真參數(shù)設(shè)置及編譯，生成能在Simulink中調(diào)用的S-Function，在Simulink環(huán)境中完成控制算法模型搭建，然后像調(diào)用普通S-Function一樣將在AMESim生成的機(jī)械、液壓系統(tǒng)模型S-Function調(diào)入到Simulink中，從而完成整個(gè)仿真系統(tǒng)的搭建，仿真運(yùn)行于Simulink環(huán)境之中，使用Simulink的求解器進(jìn)行計(jì)算仿真;在Simulink環(huán)境中完成控制算法的設(shè)計(jì)，通過編譯后調(diào)用由MTALAB提供的SL2AME函數(shù)，將在Simulink環(huán)境中完成的控制算法轉(zhuǎn)換為能在AMESim中調(diào)用的用戶自定義元件模型，在AMESim中，將機(jī)械、液壓系統(tǒng)模型搭建后，像使用普通元件模型一樣調(diào)用由SL2AME函數(shù)生成的控制算法元件模型，完整的仿真系統(tǒng)搭建完畢后，在AMESim中運(yùn)行仿真運(yùn)算[3]。

筆者通過2種聯(lián)合方式實(shí)驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在機(jī)械及液壓系統(tǒng)規(guī)模較小、元件不多的情況下，2種聯(lián)合仿真方式?jīng)]有明顯的差異;若機(jī)械及液壓系統(tǒng)組成較復(fù)雜、元件比較多，則采用第1種方式仿真時(shí)，會(huì)出現(xiàn)仿真速度特別慢，甚至于出現(xiàn)計(jì)算機(jī)死機(jī)的現(xiàn)象，此時(shí)采用第2種方式，即，將在Simulink中生成的控制算法模型導(dǎo)入到AMESim中運(yùn)行時(shí)，仿真能達(dá)到比較滿意的效果。基于以上對(duì)比分析，本文將闡述第2種聯(lián)合仿真方案（下文稱作SL2AME方式）的具體實(shí)施步驟。

為實(shí)現(xiàn)AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真，除正確安裝好AMESim、MATLAB/Simulink外，還需要做以下準(zhǔn)備：

由于SL2AME接口是將在實(shí)時(shí)工作空間中的Simulink模型轉(zhuǎn)換為能在AMESim中執(zhí)行的C代碼，需要確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝有Microsoft Visual C++。

設(shè)置MATLAB，AMESim環(huán)境變量：

a）MSSDK C：＼＼Program Files＼＼Microsoft Visual Studio。

b）MATLAB C：＼＼MATLAB＼＼R2008a。

c）Path 加上;C：＼＼WINDOWS＼＼system32。

MATLAB設(shè)置：

d）MATLAB命令里運(yùn)行 mex-setup 安裝VC++編譯器。

e）在Matlab路徑設(shè)置里添加：%AME%＼＼scripting＼＼matlab＼＼amesim ; %AME%＼＼interfaces＼＼。

f）sl2ame（%AME%代表計(jì)算機(jī)中安裝AMESim 的路徑）。

在AMESim中，將Microsoft Visual C++設(shè)置為當(dāng)前編譯器（Options menu/ AMESim Preferences /Compilation /Parameters）。

至此，AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真接口設(shè)置已全部完成。接下來，本文以主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真為例，說明聯(lián)合仿真的步驟并驗(yàn)證此方案的可行性。

2 聯(lián)合仿真模型的建立

主動(dòng)懸架不僅能較大程度隔離因路面不平導(dǎo)致的車身振動(dòng)，而且能通過自身的主動(dòng)輸出對(duì)車身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，甚至在惡劣的路況、劇變的車速等特殊工況下，仍能使車輛保持良好的平順性和安全性[4]。

在進(jìn)行主動(dòng)懸架相關(guān)技術(shù)研究時(shí)，在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)常采用2自由度的1/4車體模型、4自由度的半車模型或7自由度的整車模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，如若要對(duì)車輛俯仰、側(cè)傾以及垂直跳動(dòng)等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制和整車控制效果進(jìn)行全面研究，一般采用7自由度的整車模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析，本文的聯(lián)合仿真即基于整車主動(dòng)懸架控制來進(jìn)行的[5，6]。

整車主動(dòng)懸架機(jī)電液聯(lián)合仿真平臺(tái)包括3部分：懸架機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及控制策略。機(jī)械系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的仿真模型在AMESim中建立，控制算法模型在Simulink環(huán)境中建立。

2.1 AMESim中主動(dòng)懸架機(jī)械結(jié)構(gòu)的建立

為方便研究，在進(jìn)行主動(dòng)懸架系統(tǒng)研究時(shí)，將主動(dòng)懸架的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為簧上車體質(zhì)量、車輪及簧下質(zhì)量、懸架彈簧、阻尼器、液壓缸。

2.1.1 輪胎模型

根據(jù)懸架數(shù)學(xué)模型，將輪胎模型簡(jiǎn)化成為質(zhì)量、剛度和阻尼的系統(tǒng)，在AMESim利用組件建立的輪胎模型如圖1所示。

2.1.2 懸架模型

本文所述主動(dòng)懸架采用被動(dòng)減震機(jī)構(gòu)與主動(dòng)液壓缸并聯(lián)的形式，即由彈簧、阻尼器以及液壓缸并聯(lián)而成，在AMESim利用組件建立的懸架模型如圖2所示。

2.1.3 車身

一般來說，AMESim的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型常用于一維機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真，在進(jìn)行整車主動(dòng)懸架研究時(shí)需要對(duì)車體的三維姿態(tài)進(jìn)行調(diào)控，因此本文根據(jù)整車動(dòng)力學(xué)模型建立了針對(duì)整車主動(dòng)懸架研究和控制的仿真模型（如圖4所示機(jī)械機(jī)構(gòu)部分），該模型可以輸出車身側(cè)傾角及其角加速度、車身質(zhì)心垂向位移及其加速度、車身俯仰角及其角加速度等車身姿態(tài)數(shù)據(jù)[7，8]。

2.2 AMESim中液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

本文主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)上采用的是在被動(dòng)獨(dú)立懸架上并聯(lián)一個(gè)輸出主動(dòng)控制力的液壓缸，其優(yōu)點(diǎn)在于能在主動(dòng)與被動(dòng)模式之間切換，當(dāng)主動(dòng)控制系統(tǒng)損壞時(shí)，懸架系統(tǒng)能工作在被動(dòng)模式。根據(jù)此思路，在AMESim中建立主動(dòng)懸架的液壓系統(tǒng)仿真模型，整車主動(dòng)懸架液壓系統(tǒng)原理如圖4液壓機(jī)構(gòu)部分所示。

2.3 Simulink中控制策略模型的建立

主動(dòng)懸架的控制核心在于控制策略的設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證本文的聯(lián)合仿真平臺(tái)的可行性，本文的整車主動(dòng)懸架控制采用基于模糊自整定參數(shù)PID的大系統(tǒng)分散控制策略，由于主動(dòng)架控制的算法不是本文的研究?jī)?nèi)容，所以在此不作詳述。

在Simulink中搭建的控制器如圖3所示，由于Simulink中沒有現(xiàn)成的分散變換以及參數(shù)校正模塊，所以模塊中編寫了3個(gè)S函數(shù)完成整車懸架控制懸。

該仿真模型中，“DecentralizedTransform”為分散變換器，用于整車姿態(tài)及振動(dòng)數(shù)據(jù)的分散變換，“Fuzzy_ParameterAdjuster”和“PID_Controller”2個(gè)模塊組成子系統(tǒng)控制器，即模糊自整定參數(shù)PID控制器。

2.4 機(jī)電液聯(lián)合仿真平臺(tái)的搭建

在完成了基于AMESim的主動(dòng)懸架機(jī)械、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和基于Simulink的整車主動(dòng)懸架控制器的設(shè)計(jì)之后，接下來就需要完成整車液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真平臺(tái)的聯(lián)合。

如前文所述，本文采用SL2AME的方式進(jìn)行聯(lián)合仿真，即在Simulink環(huán)境中完成主動(dòng)懸架基于模糊自整定參數(shù)PID的大系統(tǒng)分散控制策略的設(shè)計(jì)，通過編譯后調(diào)用由MTALAB提供的SL2AME函數(shù)，將該控制算法轉(zhuǎn)換為能在AMESim中調(diào)用的用戶自定義元件模型，在AMESim中，將主動(dòng)懸架機(jī)械、液壓系統(tǒng)模型搭建后，調(diào)用由SL2AME函數(shù)生成的上述控制算法元件模型，完成聯(lián)合仿真平臺(tái)的搭建，之后的聯(lián)合仿真在AMESim中運(yùn)行[3]。

3 聯(lián)合仿真驗(yàn)證

本文采用理想光滑包塊路面在模糊自整定參數(shù)PID控制器控制下對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證聯(lián)合仿真平臺(tái)的可行性，仿真時(shí)，在AMESim中設(shè)置仿真時(shí)間為10s，步長(zhǎng)為0.001s，車速為20m/s。

包塊路面輸入產(chǎn)生一個(gè)高度為10cm的光滑凸起包塊，路面曲線如圖5所示。主動(dòng)懸架研究中常用包塊路面分析主動(dòng)懸架對(duì)路面障礙物的適應(yīng)性能及抖動(dòng)收斂性能。

圖6～8為光滑包塊路面輸入下主被動(dòng)懸架俯仰、側(cè)傾和垂向振動(dòng)對(duì)比曲線。從曲線對(duì)比中可以看到，相對(duì)于同一光滑包塊路面沖擊，主動(dòng)懸架的俯仰、側(cè)傾和垂向振動(dòng)幅度及振動(dòng)的收斂速度都優(yōu)于被動(dòng)懸架，與預(yù)期設(shè)想一致，由此可以看出，本文所提出的AMESim與Simulink的機(jī)電液聯(lián)合仿真方案是可行的。

4 小結(jié)

本文分析了AMESim及Simulink外部接口的特點(diǎn)，提出了基于S-Function的Simulink與AMESim的機(jī)電液聯(lián)合仿真方案，并以液壓主動(dòng)懸架為例，在AMESim中建立了主動(dòng)懸架機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模型、主動(dòng)懸架液壓系統(tǒng)仿真模型，在Simulink中建立了基于模糊自整定參數(shù)PID的大系統(tǒng)分散控制策略仿真模型，然后調(diào)用由MTALAB提供的SL2AME函數(shù)，將在Simulink中建立的控制算法轉(zhuǎn)換為能在AMESim中調(diào)用的用戶自定義元件模型，最后在AMESim中調(diào)用上述控制算法元件模型，完成聯(lián)合仿真平臺(tái)的搭建，通過仿真驗(yàn)證，得到主動(dòng)和被動(dòng)懸架的振動(dòng)曲線圖，通過分析可知，主動(dòng)懸架的性能明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架，同時(shí)也證明了本文所提出的基于AMESim及Simulink的機(jī)電液聯(lián)合仿真平臺(tái)方案是可行的，為農(nóng)機(jī)設(shè)備研發(fā)過程中機(jī)電液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳銀衛(wèi). 拖拉機(jī)電液懸掛控制系統(tǒng)研究[D]. 湖北工業(yè)大學(xué)， 2017.

[2] 路少中.電子控制技術(shù)在拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38（08）：93.

[3] 李力. 基于慣性調(diào)控的主動(dòng)懸架技術(shù)研究[D]. 吉林大學(xué)，2011.

[4] 嚴(yán)翩. 環(huán)衛(wèi)機(jī)械手的電液伺服系統(tǒng)研究與仿真[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 盛云，吳光強(qiáng).7自由度主動(dòng)懸架整車模型最優(yōu)控制的研究[J].汽車技術(shù)，2007（06）：12-16.

[6] 王靜. 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析[D].太原科技大學(xué)，2010.

[7] 陳蔣， 王淼森， 趙明，等. 玉米播種機(jī)電液播深調(diào)節(jié)裝置運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化[J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2017， 39（10）：128-132.

[8] 姚國(guó)慶. 簡(jiǎn)述智能農(nóng)機(jī)液壓系常見故障的排除方式[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)信息， 2017（15）：87-88.