基于AMESim的機液仿真設計與應用

鄒瓊

摘要：機電液系統廣泛應用于各種機械中。隨著時代的發展，對機械產品的負載要求越來越大，而又要求產品結構輕型化，且具有良好的動力學性能，傳統的設計方法已無法滿足現今的要求。機電液系統仿真技術在其系統設計與控制中具有重要應用，其中AMESim仿真軟件得到了行業廣泛的認可。該軟件提供了一種圖形編程方式，將具體的模塊執行程序封裝起來，通過模塊圖形接口提供給用戶。軟件集成了包括機械、液壓、電子、熱工等多個模塊及其子單元，可應用于多種機液仿真場合，且集成有與其他三方軟件聯合分析接口，大大擴展了其分析與計算能力。

Abstract： Electromechanical hydraulic system is widely used in all kinds of machinery. With the development of the times， the load requirements of mechanical products are more and more big， and the product structure is required to be light， and has good dynamic performance. The traditional design method has been unable to meet the requirements of today. The simulation technology of electro-mechanical hydraulic system has an important application in its system design and control， among which AMESim simulation software has been widely recognized by the industry. The software provides a kind of graphic programming mode， which encapsulates the specific module execution program and provides it to the user through the module graphic interface. The software integrates many modules and their sub units， including mechanical， hydraulic， electronic， thermal and so on. It can be applied to many kinds of machine hydraulic simulation occasions， and integrates the joint analysis interface with other three-party software， greatly expanding its analysis and calculation ability.

關鍵詞：機電液系統;仿真;AMESim;液壓系統;控制

Key words： electro hydraulic system;simulation;AMESim;hydraulic system;control

0? 引言

機電液系統具有大力大矩的顯著特點，是許多機床產品、航天器械、工程機械等的必須動力裝備，而隨著時代的發展，機械工況變得越來越復雜，負載也變得越來越大，對機械的要求則是越來越輕巧，同時能夠擁有優良的動力學品質[1，2]。傳統的機電液系統設計方法往往根據經驗公式進行推導或計算，其計算結果可能誤差較大，有時甚至偏離實際。隨著計算機技術的飛躍發展，采用計算機仿真技術進行機電液系統的設計與分析是目前較流行的設計方式[3，4]。在機電液系統領域，AMESim軟件使用較為廣泛，呂安生[5]等分析了一種抓臂式清污機工作特點，設計了其工作裝置液壓系統，采用一種閥前補償液壓系統，AMESim中建立了液壓仿真系統，配置了與ADAMS進行聯合的接口，分析了系統的動態特性。魏建華[6]等基于連通式油氣懸架振動模型，在模型中考慮了蓄能器、液阻、單向閥及管路非線性特性，建立了ADAMS動力學模型、AMESim液壓系統模型、MATLAB路面譜模型，得出管路長度對道路破壞系數影響較小的結論等。基于AMESim的機液仿真研究方法對降低物理實驗成本，較快地觀測系統的靜動態特性具有重要作用。

1? AMESim的軟件組成與功能

AMESim （Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems）是一款多學科交叉的系統建模與仿真軟件。可進行制動系統、液壓系統、機電系統、熱系統等的建模與仿真。在AMESim軟件中，主要包含了六大系統模塊：流體系統、電氣系統、電機系統、熱系統、機械系統和信號系統。

流體系統中包括了多種流體單元，包括流體設置單元、管道、過濾器、蓄能器、液壓缸、液壓泵、恒壓泵、液壓閥等。其中在流體設置單元中可設置流體的類型、粘度、溫度、壓力、體積模量等;在管道設置中可設置管道的界面半徑、管道長度、管道兩端的初始壓力等;液壓缸包括單作用液壓缸、雙作用液壓缸、帶負載的單作用液壓缸、有彈簧輔助的單作用液壓缸等，在液壓缸設置中，可設置活塞桿直徑、鋼筒直徑、活塞桿行程等參數。液壓泵包括定量泵、變量泵等，可與液壓閥進行組合連接形成變量柱塞泵等。液壓閥模塊包括單向閥、兩位三通閥、三位四通閥、減壓閥、調速閥、梭閥、三位四通電液伺服閥等。

電氣系統中包括了多種電氣單元，包括二極管、電阻、電容、電感、發電機、電動機、電池與儲能裝置、開關、電壓表、電流表等。其中在二極管中可設置耗散功率、正向電壓等;發電機包括三相發電機、單相發電機等，可設置發電機工作頻率、相電壓、轉速、內阻等參數。電池與儲能裝置包括鋰離子電池、電解電容等，可設置電池的額定輸出電壓與最大輸出電流，即可作為放電裝置，也可作為充電裝置。電氣線路中的線路電壓和電流可通過電壓傳感器、電流傳感器進行測量。

電機系統包括了多種電機單元，包括交流發電機、三相交流電動機、單相交流電動機、直流電動機、電機控制單元等。其中電機控制單元包括是永磁直流電機轉矩控制模塊（PMDC），端口輸入為扭矩指令（N·m）、最大電樞電壓（V）和轉速（rev/min）。通過使用這些輸入，可計算出電樞繞組電流（A）;單獨勵磁直流電機的轉矩控制塊（SEDC），可選擇兩種控制策略之一：最大轉矩、最小損耗;內部和表面安裝的永磁同步電機或等效設備的扭矩控制塊（PMSM），此控制將轉矩設定為電壓和電流的函數;繞線轉子同步電機轉矩控制模塊（WRSM），該模塊不考慮鐵損耗、磁飽和或阻尼效應等;永磁同步電機（PMSM）根據永磁同步電機的轉速，利用校正器建立電流控制回路，閉環電流響應可以是一階或二階系統，如圖1所示。

熱系統模塊中包括了多種熱單元，包括溫度計、環境參數設置單元、固體材料熱單元、導線熱單元、熱輻射交換單元、固體熱電容、濕空氣源、濕空氣混合器、濕空氣物理特性通用傳感器等。其中環境參數設置單元允許設置與環境條件相關的計算參數，這些計算需要觀測點的時間和空間參數以及環境參數;熱輻射交換單元;固體熱電容計算了一個固體質量的溫度動力學與入射熱流的關系。

機械系統模塊中包括了多種機械單元，包括機架、彈簧、阻尼、電動機、摩擦力矩發生器、齒輪系統、多種信號傳感器、3D機械模型庫等。其中摩擦力矩發生器可選擇具有雙曲正切的庫侖摩擦模型、通過重置積分器模型、達爾模型、盧格模型之一;3D機械模型庫將平面機械結構轉為三維機械結構模型，可更加真實地模擬物理系統，但需消耗更多的計算時間和內存。

信號系統模塊中包括了多種信號單元，包括定值信號輸出、正弦信號輸出、停止信號、傳遞函數塊、函數塊、方波信號塊、濾波器等。其中傳遞函數塊基于模型的傳遞函數，在線路中與輸入信號進行連接，其輸出為經過傳遞函數計算后的輸出;函數塊可設置一個函數模型f（x），輸入信號經過函數模塊中的函數處理后進行輸出;濾波器可設置為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。

2? AMESim的應用

AMESim作為一款強大的機電液系統仿真軟件，其提供了多個領域的解決方案。在汽車自動化領域，可進行汽車發動機、發動機熱管理、地盤、傳動系統、車身、電氣與電子系統、電其與液壓系統等相關的仿真建模與分析;在航空航天領域，可進行飛行控制、飛行動力學、環境控制系統、電氣與電子系統、發動機裝備、著陸系統、液壓系統等相關的仿真建模與分析;在機械工程方面，可進行車身集成、發動機及其熱管理、電氣、電子與液壓系統、機器人系統、熱交換系統等的仿真建模與分析。AMESim 提供了多種可以其他三方軟件進行聯合建模與仿真的接口技術，可與MATLAB、ADAMS、LMS Motion、Excel等進行連接，模型連接后可使得每個接口模塊都能發揮自身的優勢，提高計算性能和擴展更多的功能等。

3? 結束語

機電液系統是許多相關產品的必不可少的組成部分。AMESim提供了豐富的機電液系統仿真建模與分析的解決方案，文中介紹了AMESim的六大基本系統模塊及其模塊組件、單元與功能，參數設置等，并介紹了AMESim的在多種應用領域中的應用，和與其他三方軟件進行聯合仿真建模與分析功能等，可為基于AMESim的機電液系統建模與仿真設計提供參考。

參考文獻：

[1]朱小晶，權龍，王新中，等.大型液壓挖掘機工作特性聯合仿真研究[J].農業機械學報，2011，42（04）：27-32.

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[3]尹方辰，孫杰，馬更生，等.基于ADAMS-MATLAB聯合仿真的液壓活套多變量解耦控制[J].東北大學學報（自然科學版）， 2016，37（04）：500-503，507.

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[5]陳遠龍，呂安生，侯亭波，等.基于AMESim與ADAMS的抓臂式清污機工作裝置聯合仿真研究[J].液壓與氣動，2020（01）： 137-141.

[6]魏建華，杜恒，方向，等.基于ADAMS/Simulink/AMESim的油氣懸架道路友好性分析[J].農業機械學報，2010，41（10）：11-17.