基于多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)的液壓系統(tǒng)研究

何少煒，皮嘉立（后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶，401311）

基于多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)的液壓系統(tǒng)研究

何少煒，皮嘉立
（后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶，401311）

液壓泵是液壓系統(tǒng)關(guān)鍵的動力元件，液壓泵是否與液壓控制元件與執(zhí)行元件相匹配將直接影響到液壓系統(tǒng)的效率。運用基于軟件接口的方法對液壓機構(gòu)虛擬樣機模型進行仿真計算。仿真結(jié)果顯示，液壓缸運行平穩(wěn)，液壓馬達的轉(zhuǎn)速在PID控制器的作用下獲得良好的工作狀態(tài)，液壓泵的可以在正常工作壓力下運行。

聯(lián)合仿真；液壓系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；軟件接

0 多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)

液壓控制系統(tǒng)是由機電液系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜且涉及多個物理領(lǐng)域的綜合模型，要實現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)整體性能仿真，不僅需要研究單個領(lǐng)域軟件的仿真，而且還需要研究多個領(lǐng)域軟件之間的聯(lián)合仿真。液壓控制系統(tǒng)的多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)將來自于液壓機構(gòu)的機構(gòu)動力、電磁閥的信號控制、液壓系統(tǒng)的液壓回路3個不同學(xué)科領(lǐng)域的模塊組裝成為一個整體模型，并對其進行仿真分析。本文中多系統(tǒng)聯(lián)合仿真技術(shù)主要應(yīng)用基于軟件接口（Based on Interfaces）的方法建模仿真。

1 基于軟件接口的仿真方法

基于軟件接口的仿真方法的思路是，首先采用本領(lǐng)域仿真軟件進行本學(xué)科領(lǐng)域的建模，在Adams、AMESim、MATLAB/ Simulink仿真軟件中建立的多領(lǐng)域系統(tǒng)子模塊，作為仿真階段的輸出模塊；然后利用各領(lǐng)域仿真軟件之間的接口實現(xiàn)多領(lǐng)域建模。最后利用“協(xié)同仿真運行”，獲取仿真運行結(jié)果。AMESim通過與控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB/Simulink和ADAMS的接口，通過接口實現(xiàn)Adams機構(gòu)力與AMESim液壓回路、MATLAB/Simulink信號控制系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模仿真。仿真過程中，AMESim作為主仿真軟件，在仿真離散時間點使機構(gòu)動力領(lǐng)域和信號控制領(lǐng)域的仿真模型通過進程間通信等方法進行相互的信息交換。

圖1 仿真模型數(shù)據(jù)傳遞流程Fig.1 Data transmission of united simulation

圖2 ADAMS的機構(gòu)動力模塊Fig.2 Mechanism dynamics module of ADAMS

液壓機構(gòu)的Adams機構(gòu)動力模塊、AMESim液壓回路模塊、MATLAB/Simulink信號控制模塊三個部分模塊的輸入、輸出變量已經(jīng)得出。如圖1所示為仿真過程中進行數(shù)據(jù)傳遞過程。在這種模式下，主仿真AMESim軟件負責(zé)控制各個軟件之間數(shù)據(jù)傳遞的時間，其他模塊的求解在各自仿真軟件中進行，在固定的時間點進行數(shù)據(jù)傳遞，利用Adams、MATLAB/Simulink軟件的求解器求解，高精度的仿真結(jié)果就可以快速得出。

2 直線式液壓機構(gòu)的ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真

ADAMS與AMESim液壓機構(gòu)的聯(lián)合仿真模型由機構(gòu)動力模塊和液壓回路模塊組成，在ADAMS建立液壓機構(gòu)的機構(gòu)動力模塊，該模塊由六桿機構(gòu)組成如圖2所示，在AMESim軟件中建立液壓機構(gòu)的液壓回路模塊，該模塊由機械馬達、定量泵、溢流閥、三位四通閥、流量控制閥、液壓缸和ADAMS嵌入式模塊組成如圖2所示。ADAMS機構(gòu)動力和AMESim液壓回路子系統(tǒng)的輸入、輸出變量的信號傳遞需要2個模塊的接口，這2個模塊的接口分別由velocity和force承擔(dān)，如圖3所示，velocity和force接口將機構(gòu)動力模塊和液壓回路模塊組合成液壓機構(gòu)的整體仿真模型。

圖3 ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真模塊Fig.3 Module of united simulation by ADAMS and AMESim

將液壓機構(gòu)液壓缸的運行速度輸入到圖3常信號源k中，將液壓缸的調(diào)定速度設(shè)定為0.12m/s，執(zhí)行仿真后，液壓缸運行速度曲線如圖4所示，液壓缸在運行一段時間后逐漸達到平穩(wěn)，最終穩(wěn)定于0.12m/s 。

因液壓機構(gòu)的機構(gòu)動力、液壓回路、信號控制子模塊都是由線性微分方程搭建而成，故液壓機構(gòu)是一個線性系統(tǒng)，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加性質(zhì)，通過在機構(gòu)中軸另一側(cè)布置對稱液壓缸，在液壓缸舉升力保持不變的情況下，可以將液壓泵的工作壓力減小，布置對稱液壓缸后，液壓泵運行壓力曲線如圖5所示，由圖可知液壓泵的工作壓力小于20MPA，在液壓元件的正常工作壓力范圍內(nèi)，且曲線平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到驗證。

圖4 液壓缸速度運行曲線Fig.4 Speed of Hydraulic cylinder

圖5 對稱布置液壓缸情況下液壓泵的工作壓力Fig.5 Pump pressure hydraulic cylinder symmetrically arranged

3 回轉(zhuǎn)式液壓機構(gòu)的MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真

液壓機構(gòu)的聯(lián)合仿真模型分別由MATLAB/Simulink與AMESim軟件建立，在MATLAB/Simulink中建立系統(tǒng)的信號控制模型，該系統(tǒng)由常信號源、加法器、PID控制器等信號控制元件組成如圖6所示，其中PID控制器比例增益、積分增益和微分增益的取值分別為P=2，I=1，D=2。在AMESim軟件中建立液壓機構(gòu)的液壓回路模塊，該模塊由液壓馬達、定量泵、溢流閥、三位四通閥、流量控制閥、液壓缸和MATLAB/Simulink嵌入模塊組成。信號控制模塊和液壓回路模塊的接口分別由Omega和sig承擔(dān)，如下圖7所示，Omega和sig這2個接口將2個模塊組合成液壓機構(gòu)的整體仿真模型。

圖6 MATLAB/Simulink的信號控制模塊Fig.6 Signal control model of MATLAB/Simulink

圖7 MATLAB/Simulink與AMESim聯(lián)合仿真模型Fig.7 Model of MATLAB/Simulink and AMESim united simulation

如圖8所示為液壓馬達的轉(zhuǎn)速變化曲線，圖中綠色實線motor1為液壓馬達的轉(zhuǎn)速曲線，最終穩(wěn)定在15r/min，液壓工作在低速狀態(tài)，黃色虛線motor1為液壓馬達的轉(zhuǎn)速曲線，最終穩(wěn)定在120r/min，液壓工作在高速狀態(tài)。在MATLAB/Simulink信號控制模塊的PID控制器的調(diào)節(jié)作用下，由圖8分析可知液壓馬達在2種工況下轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線比較平滑，證明比例增益、積分增益和微分增益值選取為P=2，I=1，D=2是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖8 液壓馬達轉(zhuǎn)速Fig.8 Revolution speed of motor

如圖9所示為液壓馬達的轉(zhuǎn)速變化曲線，圖中綠色實線pump01為液壓馬達在低速運轉(zhuǎn)時對應(yīng)液壓泵的壓力曲線，此時液壓泵壓力在40MPA上下浮動，說明液壓在低速狀態(tài)工作時，液壓泵運行比較穩(wěn)定；黃色虛線pump2為液壓馬達轉(zhuǎn)速在高速運轉(zhuǎn)時對應(yīng)液壓泵壓力的曲線，此時液壓泵壓力在50MPA上下浮動，說明液壓高速狀態(tài)工作時，液壓泵運行比較穩(wěn)定。通過串聯(lián)一個液壓馬達，平均分配馬達的負載力矩，可以將適當(dāng)降低液壓泵的流量，進而減小液壓泵工作壓力，串聯(lián)液壓馬達后，液壓泵在2種工況下的工作壓力曲線如圖9所示，由圖中可知液壓泵的工作壓力在30MPA以內(nèi)，在普通液壓元件的正常工作壓力范圍內(nèi)，且壓力曲線平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到驗證，由此也說明此機電液系統(tǒng)在理論上是可以實現(xiàn)的。

圖9 雙液壓馬達情況下液壓泵的壓力曲線Fig.9 Pump pressure under both motor working condition

4 結(jié)論

機電液一體化系統(tǒng)是一類復(fù)雜系統(tǒng)，對其開展性能分析、預(yù)測、優(yōu)化都離不開系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用。在液壓系統(tǒng)的仿真技術(shù)運用時，ADAMS軟件用于創(chuàng)建液壓機構(gòu)的動力學(xué)模型，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出液壓缸的運行速度和運動副作用力曲線；MATLAB/Simulink則用圖樣式編程的方式，提供信號控制的圖形接口，構(gòu)建出信號控制系統(tǒng)的模塊，AMESim軟件作為主仿真軟件，主要實現(xiàn)液壓回路領(lǐng)域的建模和仿真，針對液壓機構(gòu)設(shè)備的仿真研究，采用聯(lián)合仿真的手段使數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度得到提高，仿真的逼真度得到保證，系統(tǒng)方案論證及功能評估試驗的置信度得到提升。

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Hose rolling system design research based on united simulation of multisystem

He Shaowei，Pi Jiali
（Dept.of Petroleum Supply Engineering，LEU， Chongqing，401311，China）

Hydraulic pump is critical power elements.Aiming at analyze overall performance of the hydraulic system，The simulation results show that the hydraulic cylinder running smoothly，rotating speed of the hydraulic motor under the control of PID controller obtains a good working condition，and hydraulic pump can run in a normal working pressure.

united simulation；hydraulic system；control system； software interface

TH-137.7

A

國家科技支撐計劃（2012BAK05B00）