基于AMESim/RecurDyn/Simulink的自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化聯(lián)合仿真

陸繼山，馮廣斌，孫華剛，張云峰

（1.軍械工程學院，石家莊　050003；2.軍械技術(shù)研究所，石家莊　050003）

基于AMESim/RecurDyn/Simulink的自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化聯(lián)合仿真

陸繼山1，馮廣斌2，孫華剛2，張云峰1

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.軍械技術(shù)研究所，石家莊050003）

利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件分別建立自動供輸彈系統(tǒng)的液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)仿真模型，利用多軟件接口技術(shù)將3種軟件耦合建立機電液一體化聯(lián)合仿真平臺，同時也得出自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型，通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置對模型進行仿真分析，并通過實驗測試驗證了一體化仿真模型具有較高的精度。

自動供輸彈系統(tǒng)，聯(lián)合仿真，AMESim，RecurDyn，Simulink

0　引言

由于自動供輸彈系統(tǒng)在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用，因此，自裝備之日起就成為世界各國相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯康闹攸c，到目前為止，國內(nèi)外對自動供輸彈系統(tǒng)的研究成果主要集中在對系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的研究方面，完整的研究供輸彈機械子系統(tǒng)的成果比較少，而在自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真研究方面幾乎還是一片空白［1-4］。

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，利用多軟件接口技術(shù)建立聯(lián)合仿真平臺對大型復雜系統(tǒng)進行機電液一體化聯(lián)合仿真分析，已成為近年來系統(tǒng)聯(lián)合仿真領(lǐng)域的一大熱點工程［6-8］。多軟件聯(lián)合仿真平臺能夠結(jié)合各軟件的優(yōu)點實現(xiàn)優(yōu)勢互補，得出更為精確可信的結(jié)果。本文擬利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件建立聯(lián)合仿真平臺對供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型進行仿真分析［9-10］，力求得出準確合理的供輸彈系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，為后續(xù)研究打下一定基礎(chǔ)。

1　聯(lián)合仿真平臺

1.1聯(lián)合仿真平臺概述

本文利用接口技術(shù)建立多軟件聯(lián)合仿真平臺對供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型進行仿真分析能夠充分發(fā)揮各軟件的建模和仿真優(yōu)勢，得到精確度較高的虛擬樣機模型和令人信服的仿真計算結(jié)果。

AMESim軟件是由法國IMAGINE公司于1995年推出的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真集成平臺，專門用于液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析的優(yōu)秀軟件［12］?？梢詣?chuàng)建和運行多物理場仿真模型，進行復雜的系統(tǒng)特性分析，支持控制系統(tǒng)設(shè)計，該軟件不要求用戶具備完備的仿真專業(yè)知識，采用面向系統(tǒng)原理圖建模的方法，便于工程技術(shù)人員掌握和使用。該軟件具有如下主要特點：①擁有豐富的模型庫；②采用C或FORTRAN編程，元件代碼底層開放，用戶可自行開發(fā)或構(gòu)建符合個人需求的元件；③擁有與Matlab/Smiulink、Adams、RecurDyn等軟件的接口，便于在應用中發(fā)揮各自優(yōu)勢；④擁有4個級別的建模方式：數(shù)學方程級、方塊圖級、基本元素級和元件級，可供不同特點和專長的用戶來選擇。本文中，使用AMESim對自動供輸彈系統(tǒng)中的液壓部分進行建模，同時利用自身與Matlab/Smiulink和RecurDyn的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺。

Smiulink系統(tǒng)是Mathtools公司產(chǎn)品Matlab的一個重要分支，是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。Smiulink軟件還可提供能與RecurDyn軟件、AMESim軟件實現(xiàn)互聯(lián)互調(diào)的特定接口，可處理包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)等。本文中，使用Smiulink對自動供輸彈系統(tǒng)中的控制部分進行建模。同時利用RecurDyn軟件生成機械系統(tǒng)的M文件，利用AMESim軟件生成液壓系統(tǒng)的C文件，在Smiulink軟件中打開M文件并運行，輸入相關(guān)命令實現(xiàn)機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結(jié)，在Smiulink軟件中打開C文件并運行，輸入相關(guān)命令實現(xiàn)液壓和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結(jié)［11］。

RecurDyn是由韓國FunctionBay公司基于相對坐標系建模和遞歸求解，充分利用最新的多體動力學理論開發(fā)的一個優(yōu)秀多學科協(xié)同仿真軟件，其特點是具有令人震撼的求解速度和穩(wěn)定性，方便快捷的建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)與液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的有機融合，實現(xiàn)復雜機械系統(tǒng)的機電液一體化仿真研究［13］。本文利用RecurDyn軟件建立自動供輸彈系統(tǒng)的機械系統(tǒng)虛擬樣機模型［14］，同時利用自身與Matlab/Smiulink和AMESim軟件的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺。

1.2聯(lián)合仿真平臺建立

要實現(xiàn)AMESim、RecurDyn和Simulink三軟件建立聯(lián)合仿真平臺需要將其中任意兩個軟件實現(xiàn)互聯(lián)互通，其聯(lián)合仿真模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　聯(lián)合仿真平臺結(jié)構(gòu)示意圖

①AMESim軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過添加約束副和運動副建立機械系統(tǒng)虛擬樣機模型，并通過動態(tài)校核和靜態(tài)校核驗證樣機模型的正確性，然后在RcurDyn/Communicator/Hydraulic中對Hydraulic Inputs行創(chuàng)建并定義相關(guān)表達式如圖2所示，然后定義Hydraulic outputs，具體做法是在Hydraulic outputs菜單中定義輸出接口以及相關(guān)名稱，然后對每一個確定的元素創(chuàng)建輸出表達式，同時定義ID如圖3所示。

圖2　HydraulicInput示意圖

圖3　Hydraulicoutputs示意圖

圖4　AMESim接口

建立輸入輸出接口之后，也即完成了兩個軟件之間聯(lián)合仿真接口的創(chuàng)建，然后在AMESim軟件中建立液壓系統(tǒng)模型，將AMESim軟件與所創(chuàng)建的Hydraulic Inputs接口連接，如圖4所示，創(chuàng)建聯(lián)合仿真環(huán)境。然后進行聯(lián)合仿真：首先運行AMESim軟件，在AMESim軟件正常運行后，對RecurDyn軟件中的模型進行仿真，通過RecurDyn軟件中的Plot觀察結(jié)果曲線變化情況。

②Simulink軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過添加約束副和運動副建立機械系統(tǒng)虛擬樣機模型，并通過動態(tài)校核和靜態(tài)校核驗證樣機模型的正確性，然后通過RcurDyn/Communicator/Control中對plant inputs和plant outputs進行輸入和輸出的定義和創(chuàng)建如下頁圖5和圖6所示，輸入和輸出的對象一般是速度、位移和加速度等。然后通過Communicator/Control/CoSim輸出相應的M文件，在MATLAB中打開M文件并運行，同時在命令窗口輸入radlib命令，再運行Simulink軟件，創(chuàng)建控制框圖。先在Simulink中運行聯(lián)合仿真，待聯(lián)合仿真成功后，可以運行RcurDyn在Plot中查看仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖5　plant inputs示意圖

圖6　plant outputs示意圖

圖7　M文件的輸出

③AMESim軟件和Simulink軟件的耦合。建模過程首先通過在AMESim中充分發(fā)揮其在機械液壓建模方面的專長建立系統(tǒng)機械液壓部分的模型，并將此部分模型經(jīng)過系統(tǒng)編譯后轉(zhuǎn)化為Smiulink中常用的S函數(shù)形式，從而實現(xiàn)與Smiulink的聯(lián)合；其次，在Smiulink中再建立系統(tǒng)余下的控制部分線性或非線性模型；最后，在Smiulink中通過調(diào)用上述S函數(shù)作為被控對象，實現(xiàn)整個系統(tǒng)模型的聯(lián)合要實現(xiàn)AMESim與Matlab/Smiulink的聯(lián)合仿真。

1.3聯(lián)合仿真平臺的特點

該聯(lián)合仿真平臺的特點主要體現(xiàn)在：①平臺建立過程具有較強針對性，發(fā)揮了3種軟件分別在機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模方面的優(yōu)勢，使系統(tǒng)的機械部分、液壓部分與控制部分既相互獨立又合為一體；②3種軟件集成的聯(lián)合仿真算法具有很好的靈活性，比如機械部分和液壓部分的仿真運算過程既可選擇使用AMESim中默認的優(yōu)化算法（Co-smi ula-tion interface），也可選擇使用Smiulink中的其他各類算法；③操作過程具有較好的便捷性，使操作者工作量大大降低，并能取得好的仿真效果。

2　仿真模型的建立及仿真分析

2.1機械系統(tǒng)虛擬樣機模型建立

自動供輸彈系統(tǒng)主要由供彈機、協(xié)調(diào)器和輸彈機三大部分組成。其中供彈機主要由自動化彈倉、彈架本體、彈架前橋、主動鏈輪組合、從動鏈輪組合、推彈器、導軌和蝸輪蝸桿等部分組成；協(xié)調(diào)器由本體、托彈盤、行程開關(guān)、行軍固定器、擺彈油缸、氣液小平衡機等部分組成；輸彈機主要由鏈盒、鏈條、推殼機構(gòu)、大鏈輪、輸彈槽等部分組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。將Pro/E軟件中建立的自動供輸彈系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)三維模型導入RcurDyn軟件中，通過添加相應的約束和載荷建立其虛擬樣機模型。

圖8　供輸彈機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2液壓系統(tǒng)AMESim模型建立

液壓系統(tǒng)中主要元部件包括：液壓馬達、雙聯(lián)葉片泵、直流電機、疊加式液控單向閥、集流板電磁閥組件、單向節(jié)流閥、安全閥芯等。于是可以利用AMESim軟件按照相關(guān)建模步驟建立自動供輸彈液壓系統(tǒng)仿真模型如下頁圖9所示。

2.3電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型建立

本文采用電液速度控制系統(tǒng)對自動供輸彈系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)中驅(qū)動彈丸運動的主要部件的速度進行控制，根據(jù)伺服閥的增益和相關(guān)參數(shù)，可以確定伺服閥的傳遞函數(shù)為：

液壓缸的固有頻率：

則可得出控制液壓缸的傳遞函數(shù)為：

圖9　供輸彈液壓系統(tǒng)AMESim模型

取傳感器增益為4×10-2V/m，則可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

于是根據(jù)傳遞函數(shù)及相關(guān)參數(shù)可以建立控制系統(tǒng)的Smiulink模型如圖10所示。

圖10　電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型

2.4聯(lián)合仿真分析及實驗驗證

利用上述聯(lián)合仿真平臺建模方法對自動供輸彈系統(tǒng)機械、液壓及控制子系統(tǒng)進行一體化聯(lián)合仿真分析。自動供輸彈系統(tǒng)在工作過程中主要有自動化彈倉選彈、協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)擺彈、輸彈機輸彈幾個較為重要的過程，因此，聯(lián)合仿真分析得出3個主要階段的彈丸速度變化曲線如圖11～圖13所示。同時利用模擬彈和速度傳感器對供輸彈系統(tǒng)進行實驗研究，通過實驗測試得出的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

圖11　供彈機10號彈筒速度變化曲線

從圖6中可以比較明顯地看出，由于自動化彈倉鏈傳動的多邊效應，10號彈筒速度變化過程中，會有小范圍內(nèi)的周期性波動，大約在2.8 s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，其速度的最大值不能超過350 mm/s，在1.5 s時速度有一個小范圍的劇烈波動，這是由于自動化彈倉每1.5 s走一個彈距，在1.5 s時由于臨近彈丸受到推彈器的推送作用出現(xiàn)振動引起的，符合實際情況，運動規(guī)律與實際相符。

表1　供彈機10號彈筒速度變化測試結(jié)果

圖12　協(xié)調(diào)器速度變化曲線

表2　協(xié)調(diào)器速度變化測試結(jié)果

圖12中協(xié)調(diào)器經(jīng)歷從協(xié)調(diào)到擺彈的兩個關(guān)鍵過程，前1.2 s協(xié)調(diào)器的速度從0變至0，顯然是協(xié)調(diào)階段，從1.2 s～1.9 s協(xié)調(diào)器速度從0變至1 480 mm/s，這是協(xié)調(diào)器將彈丸從協(xié)調(diào)器擺至輸彈線路的階段，1.9 s之后至2.0 s彈丸速度處于穩(wěn)定狀態(tài)，這符合協(xié)調(diào)器設(shè)計時0.7 s擺彈，0.1 s緩沖的原則和原理，因此，運動規(guī)律與實際相符。

根據(jù)輸彈機輸彈速度的相關(guān)要求，最大速度不能超過4 000 mm/s，最大推彈時間不超過1 s，而從圖中可以看出，除去在0.5 s和0.9 s時輸彈鏈頭受到兩次較大的沖擊，其速度短暫的超過最大速度的數(shù)值，其余時間均在要求范圍時間之內(nèi)，運動規(guī)律與實際相符。

圖13　輸彈機輸彈速度變化曲線

表3　輸彈機輸彈速度變化測試結(jié)果

對比各階段圖表進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同的時間節(jié)點，彈丸的運動速度極為接近，并且較傳統(tǒng)的單個子系統(tǒng)的虛擬樣機仿真結(jié)果具有更高的精度，說明所建立的基于聯(lián)合仿真平臺的自動供輸彈系統(tǒng)一體化仿真模型具有較高的可信度，可以用于進行更深入的仿真研究。

3　結(jié)論

本文以自動供輸彈系統(tǒng)作為研究對象，在RecurDyn軟件中建立其機械子系統(tǒng)，在Matlab軟件中建立電液控制子系統(tǒng)，利用AMESim、RecurDyn和Simulink三種軟件耦合進行一體化聯(lián)合仿真的方法對機電液各子系統(tǒng)之間的交互參數(shù)進行設(shè)置，從而建立起系統(tǒng)的機電液一體化仿真模型，通過仿真計算和實驗測試驗證了模型的正確性，為供輸彈系統(tǒng)的深入研究打下了一定基礎(chǔ)。將機械系統(tǒng)仿真工具與液壓控制系統(tǒng)仿真工具結(jié)合起來進行機電液一體化仿真分析的方法能大大提高裝備研發(fā)效率，降低研究成本，而且具有較高的可信度?？梢詾楣┹攺椣到y(tǒng)的勤務保障提供參考。

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Co-simulating of Mechanical and Electro-hydraulic System for Virtual Auto-feeding Mechanism Prototyping Technology Based on AMESim/RecurDyn/Simulink

LU Ji-shan1，F(xiàn)ENG Guang-bin2，SUN Hua-gang2，ZHANG Yun-feng1
（1.School of Ordnance Engineering，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Technical Institution，Shijiazhuang 050003，China）

The different systems of auto-feeding mechanism are built by the software AMESim，RecurDyn and Simulink.The Co-simulating virtual environment is built within RecurDyn，AMESim and Simulink.The interface method between the three types of software is studied and with the integration of the mechanical，hydraulic and control systems，the co-simulation with this technology is studied in the end.

auto-feeding mechanism，Co-simulating，AMESim，recurDyn，Simulink

TP391.9；TJ410

A

1002-0640（2016）07-0188-05

2015-06-03

2015-07-10

陸繼山（1988-）男，云南宣威人，碩士研究生。研究方向：火炮、彈藥及自動武器。