基于AMESim和ADAMS聯(lián)合仿真的發(fā)射平臺(tái)起豎控制方法研究

楊之江，吳林瑞，吳齊才，李德忠

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基于AMESim和ADAMS聯(lián)合仿真的發(fā)射平臺(tái)起豎控制方法研究

楊之江，吳林瑞，吳齊才，李德忠

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

建立發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)機(jī)械動(dòng)力學(xué)ADAMS模型，液壓AMESim模型，控制系統(tǒng)MATLAB/Simulink模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)的多平臺(tái)聯(lián)合仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)起豎過程控制方法進(jìn)行分析研究，得到多級(jí)油缸基于角速度閉環(huán)控制方法的起豎控制模型。

發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)；聯(lián)合仿真；ADAMS；AMESim；MATLAB

0 引 言

發(fā)射平臺(tái)是包含了機(jī)械、液壓、控制等多種專業(yè)技術(shù)的復(fù)雜設(shè)備，其設(shè)計(jì)開發(fā)與特性研究需要反復(fù)匹配各分系統(tǒng)之間的接口和參數(shù)，傳統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)的開發(fā)方式工作量大、周期長(zhǎng)，研制和開發(fā)效率較低。目前隨著各專業(yè)仿真軟件的快速發(fā)展，多專業(yè)聯(lián)合仿真系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。利用聯(lián)合仿真技術(shù)，可以避免將大量時(shí)間和精力投入到接口和參數(shù)的匹配工作中，從而提高研制和開發(fā)效率。

發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)是發(fā)射平臺(tái)中機(jī)械、液壓、控制多專業(yè)結(jié)合的一個(gè)典型表現(xiàn)，為了滿足垂直或傾斜發(fā)射的發(fā)射角要求，需要將發(fā)射架從水平狀態(tài)起升至某個(gè)特定位置；同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)起豎，還需要對(duì)控制方法進(jìn)行研究，以減小起豎過程中的振動(dòng)和沖擊，并滿足一定的起豎到位精度要求。

基于發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)機(jī)械、液壓、控制聯(lián)合仿真的需要，需要解決MATLAB/Simulink與AMESim、ADAMS的軟件聯(lián)合和參數(shù)設(shè)置問題，本文對(duì)起豎過程控制方法進(jìn)行研究，提出了基于角速度閉環(huán)的控制方法，可以較好地滿足起豎過程穩(wěn)定、快速和高精度等要求[1,2]。

1 發(fā)射平臺(tái)聯(lián)合仿真系統(tǒng)搭建

在專業(yè)仿真軟件ADAMS、AMESim和MATLAB/Simulink平臺(tái)下分別對(duì)發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)的機(jī)械、液壓和控制部分進(jìn)行建模，并通過相應(yīng)的軟件接口完成聯(lián)合仿真系統(tǒng)的搭建[3]。

1.1 建立機(jī)械系統(tǒng)ADAMS模型

在ADAMS平臺(tái)下建立發(fā)射平臺(tái)起豎機(jī)械系統(tǒng)模型，模型主要由車架、起豎架、1個(gè)4級(jí)起豎液壓缸，4個(gè)調(diào)平支撐液壓缸組成。在起豎系統(tǒng)中，車架與地面之間使用調(diào)平支撐油缸支撐，在起豎過程中不考慮水平支撐帶來的影響，將車架視為與地面固定。以車架為基礎(chǔ)，起豎油缸、起豎架和車架之間以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，起豎油缸通過位移驅(qū)動(dòng)使起豎架繞起豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械系統(tǒng)模型如圖1所示。

a）機(jī)械模型空載狀態(tài)

b）機(jī)械模型滿載狀態(tài)

圖1 發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)械系統(tǒng)中的起豎液壓缸參數(shù)在AMESim中建立的液壓模型中體現(xiàn)，通過輸入油缸實(shí)時(shí)位移的方法，將ADAMS建立的液壓缸模型的運(yùn)動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)中的液壓缸模型同步。機(jī)械系統(tǒng)模型對(duì)液壓系統(tǒng)模型輸出起豎架和發(fā)射筒負(fù)載對(duì)油缸沿運(yùn)動(dòng)方向的負(fù)載力的值，通過固定副將質(zhì)量塊與發(fā)射筒連接后，可實(shí)現(xiàn)加載起豎仿真實(shí)驗(yàn)[4]。

ADAMS軟件提供了與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真接口。通過嵌入子模型的方式，ADAMS與MATLAB/Simulink之間可進(jìn)行聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)通訊，仿真求解時(shí)分別使用各自的求解器進(jìn)行求解。聯(lián)合仿真時(shí)，ADAMS模型作為MATLAB/Simulink控制模型中的子模型，該子模型中包含實(shí)時(shí)通信模塊S函數(shù)。發(fā)射平臺(tái)起豎機(jī)械系統(tǒng)含有2個(gè)聯(lián)合仿真參數(shù)，分別為發(fā)射架與負(fù)載在油缸運(yùn)動(dòng)方向上對(duì)油缸的負(fù)載力和沿油缸運(yùn)動(dòng)方向的油缸位移。

1.2 建立液壓系統(tǒng)AMESim模型

在AMESim平臺(tái)下建立發(fā)射平臺(tái)起豎系統(tǒng)液壓模型，液壓系統(tǒng)由比例流量閥、二位四通換向閥、非對(duì)稱四級(jí)液壓缸、正腔油缸阻尼孔，液壓油源、液壓油泵、溢流閥等組成[5]。

起豎系統(tǒng)液壓模型主要為4級(jí)液壓缸模型，由3個(gè)缸體可移動(dòng)的單級(jí)缸和1個(gè)缸體不可移動(dòng)的單級(jí)缸組成，并使用AMESim機(jī)械元件庫中帶可移動(dòng)套筒的質(zhì)量塊來模擬缸體的質(zhì)量、碰撞、摩擦特性，使用參數(shù)可變油孔來模擬油缸換級(jí)時(shí)的阻尼油孔特性，以減小油缸換級(jí)時(shí)的沖擊[6,7]。

AMESim液壓模型同時(shí)向ADAMS機(jī)械模型和MATLAB/Simulink控制模型輸出起豎液壓缸的實(shí)時(shí)位移信號(hào)，向控制模型輸出液壓缸正腔總流量和壓力信號(hào)；輸入ADAMS機(jī)械模型的發(fā)射架和負(fù)載對(duì)油缸的負(fù)載力信號(hào)、控制模型對(duì)比例流量閥的流量控制信號(hào)和對(duì)溢流閥的壓力控制信號(hào)。AMESim液壓模型以系統(tǒng)S函數(shù)的形式存在于MATLAB/Simulink軟件中。

1.3 搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型

以MATLAB/Simulink作為主平臺(tái)搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 起豎系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型

聯(lián)合仿真模型由3個(gè)主要模塊組成，分別為AMESim CoSim液壓模型系統(tǒng)S函數(shù)、控制系統(tǒng)子模型Control system和ADAMS機(jī)械系統(tǒng)子模型adams_sub。為避免形成代數(shù)環(huán)，添加了延時(shí)環(huán)節(jié)time delay。

液壓系統(tǒng)模型和機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型全部導(dǎo)入后，形成由AMESim CoSim S-function、Control system、ADAMS plantout subsystem構(gòu)成的聯(lián)合仿真模型，可在MATLAB/Simulink中直接啟動(dòng)聯(lián)合仿真。

2 建立起豎系統(tǒng)Simulink控制模型

發(fā)射方式的發(fā)射角要求，將發(fā)射平臺(tái)從水平狀態(tài)起升至某個(gè)位置，故需要對(duì)控制方法進(jìn)行研究，保證整個(gè)起豎過程可以快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)。

在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)模型，使用基于角速度的閉環(huán)控制方式對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行控制，使用基于角度的分段控制方式對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制，并分別在空載和滿載兩種狀態(tài)下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.1 系統(tǒng)流量控制

基于角速度的流量閉環(huán)控制方式，即在起豎過程中跟蹤理想“角度-角速度”曲線，基于起豎位置對(duì)角速度進(jìn)行直接控制，以滿足平穩(wěn)起豎、高到位精度的要求。為避免起豎時(shí)間過長(zhǎng)或起豎提前停止，在起豎控制的起始階段和即將到位階段，不跟蹤理想角速度曲線，直接對(duì)流量進(jìn)行控制，以保證快速起豎和到位。規(guī)劃理想角速度曲線基于如下原則[8]：

a）在起豎過程中液壓系統(tǒng)盡可能使用最大流量，以滿足起豎快速性要求；

b）為減小起豎過程中油缸換級(jí)機(jī)械碰撞和運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生的沖擊，在油缸換級(jí)前適當(dāng)降低起豎速度，換級(jí)完成后再將速度提高，快速起豎；

c）起豎后期的理想狀態(tài)是角度達(dá)到目標(biāo)角度時(shí)角速度恰好降為0。但這種控制方法在接近目標(biāo)位置時(shí)，油缸角速度很小，無法作為控制參數(shù)。為解決該問題，在起豎至與目標(biāo)角度相差某個(gè)小角度時(shí)，結(jié)束角度-角速度閉環(huán)，控制系統(tǒng)保持以結(jié)束角速度跟蹤時(shí)的控制量起豎至目標(biāo)角度并完成起豎；

d）為保證起豎過程平穩(wěn)，即角加速度連續(xù)，需要“角度-角速度”曲線滿足一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。

依據(jù)以上原則，設(shè)置理想“角度-角速度”曲線如圖4的所示，即使用分段函數(shù)表示。

圖3 發(fā)射平臺(tái)起豎過程理想實(shí)時(shí)“角度-角速度”曲線

為了使油缸起豎過程中的實(shí)時(shí)角速度與理想“角度-角速度”曲線吻合，使用閉環(huán)控制策略對(duì)液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)流量進(jìn)行控制。選取PID控制策略對(duì)理想“角度-角速度”曲線進(jìn)行跟蹤，以滿足控制要求。

由于不同起豎階段跟蹤曲線的特點(diǎn)不同，將起豎過程分為5個(gè)階段：

a）起豎啟動(dòng)階段。打開比例流量閥，將起豎架由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此過程不跟蹤理想角速度曲線，角度范圍為0~0.5°。

b）起豎前期。開始跟蹤理想“角度-角速度”曲線，起豎架保持加速起豎，到勻速起豎為止。由于起豎前期為加速過程，為取得更好的控制效果，加快響應(yīng)速度，需要較大的微分系數(shù)。角度范圍為0.5~5°。

c）起豎中期。除換級(jí)時(shí)暫時(shí)的減速和加速過程，起豎架保持勻速起豎。為避免出現(xiàn)超調(diào)和波動(dòng)，應(yīng)選取較小的微分系數(shù)。角度范圍為5~85°。

d）起豎后期。起豎架開始減速并到達(dá)與目標(biāo)角度相差某個(gè)小角度。由于起豎架重心位置變化，保持相同起豎速度時(shí)，所需油缸提供的推力迅速降低。為避免出現(xiàn)波動(dòng)，比例系數(shù)應(yīng)較小。角度范圍為85~89.8°。

e）起豎到位階段。起豎即將到位時(shí)，油缸角速度很小，無法作為控制參數(shù)。在起豎至與目標(biāo)角度相差某個(gè)小角度時(shí)，結(jié)束跟蹤理想“角度-角速度”曲線，控制系統(tǒng)保持以結(jié)束角速度跟蹤時(shí)的控制信號(hào)起豎至目標(biāo)角度并完成起豎。將定為0.2°，角度范圍為89.8~90°。

在起豎過程b、c、d階段應(yīng)用增量PID控制器對(duì)理想“角度-角速度”曲線進(jìn)行跟蹤，采用仿真試驗(yàn)方式對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，得到的PID控制器參數(shù)如表1所示。

表1 基于角速度的流量閉環(huán)控制PID控制器參數(shù)

2.2 系統(tǒng)壓力控制

使用基于角度的分段控制方式對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制，即分段控制比例溢流閥的溢流壓力，控制參數(shù)如表2所示。

表2 基于角速度的閉環(huán)控制參數(shù)

3 聯(lián)合仿真結(jié)果

應(yīng)用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式，利用聯(lián)合仿真系統(tǒng)對(duì)發(fā)射平臺(tái)起豎進(jìn)行仿真，首先在無風(fēng)載荷和擾動(dòng)的情況下，分別在空載、滿載兩種狀態(tài)下對(duì)發(fā)射平臺(tái)起豎過程進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式起豎過程角度變化

圖5 基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式起豎過程角速度變化

由圖4中的局部放大可知，空載狀態(tài)下的總起豎時(shí)間約為73.4 s，滿載狀態(tài)下的總起豎時(shí)間約為73.5 s。空載狀態(tài)下和滿載狀態(tài)下的起豎總時(shí)間幾乎無差別，說明應(yīng)用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式時(shí)，總起豎時(shí)間基本不受負(fù)載變化影響。另外，空載狀態(tài)下的起豎到位精度為0.04°，滿載狀態(tài)下的到位精度為0.02°。說明應(yīng)用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式時(shí)可以滿足起豎到位精度要求。

由圖5可知，由于對(duì)理想角速度曲線進(jìn)行了跟蹤，起豎過程中在油缸換級(jí)位置起豎角速度突變明顯減小，角速度曲線比較平滑。仿真結(jié)果表明可通過對(duì)控制方法的優(yōu)化降低起豎過程對(duì)液壓系統(tǒng)的沖擊。

4 結(jié) 論

多平臺(tái)聯(lián)合仿真可較好發(fā)揮各專業(yè)軟件在相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。本文提出基于跟蹤理想角速度曲線的閉環(huán)控制方法，應(yīng)用多平臺(tái)聯(lián)合仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，取得較好的控制效果。

設(shè)計(jì)開發(fā)人員可對(duì)控制方法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與研究，也可以在確定控制方法的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)射平臺(tái)機(jī)械、液壓系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，從而進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，提高研制和開發(fā)效率。

大型裝置起豎系統(tǒng)智能積分控制仿真研究

[1] 韓壽松, 晁智強(qiáng), 劉相波. 基于ADAMS 和AMESim 的液壓六自由度平臺(tái)聯(lián)合仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2013, (5): 157-159.

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[3] 高欽和, 黃先祥. 多級(jí)缸起豎系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, (7): 1563-1568.

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Research on the Erecting Control Method with Launcher Joint Simulation by AMESim and ADAMS

Yang Zhi-jiang, Wu Lin-rui, Wu Qi-cai, Li De-zhong

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The mechanical system model on ADAMS, the hydraulic system model on AMESim and the control system model on MATLAB/Simulink of the launcher erecting system are established. Then the joint simulation is completed. The erecting control methods is researched based on the joint simulation. The angular velocity closed loop control system model of multi-stage cylinder is obtained.

Erecting system of launcher; Joint simulation; ADAMS; AMESim; MATLAB

1004-7182(2016)02-0036-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160208

V554+.2

A

2014-09-10；

2015-04-16

楊之江（1989-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)仿真分析