機電液聯(lián)合仿真在農機設備研發(fā)中的應用研究

摘 要：為提高農機設備研究工作中機械、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，提出了一種對復雜系統(tǒng)的機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制策略進行聯(lián)合仿真的技術方案， 并通過了仿真驗證，為農機設備研發(fā)過程中機電液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種解決方案。

關鍵詞：AMESim;Simulink;聯(lián)合仿真;主動懸架

中圖分類號：S-3文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730022

引言

十三五規(guī)劃明確提出，我國將全面推進農業(yè)現(xiàn)代化，提高農業(yè)技術裝備和信息化水平，因此，農業(yè)裝備的現(xiàn)代化是實現(xiàn)我國農業(yè)現(xiàn)代化的重要保障。隨著電子技術的發(fā)展，特別是微控制技術、物聯(lián)網技術和信息技術的飛速發(fā)展，智能控制技術與傳統(tǒng)的機械技術的結合越來越緊密，農業(yè)機械也由傳統(tǒng)的液壓傳動技術為主轉向機電液一體化方向發(fā)展，進而實現(xiàn)農業(yè)機械的自動化、網絡化和智能化。

現(xiàn)代農機設備越來越趨向于機電液集成化，與之對應的仿真技術也朝著機電液聯(lián)合仿真的方向發(fā)展。本文在對AMESim和Simulink的特性及其外部接口進行深入研究分析后，提出了一種對復雜系統(tǒng)的機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制策略進行聯(lián)合仿真的技術方案[1，2]。

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

AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真有2種實現(xiàn)方式：在AMESim中搭建機械、液壓系統(tǒng)模型，經過AMESim的仿真參數設置及編譯，生成能在Simulink中調用的S-Function，在Simulink環(huán)境中完成控制算法模型搭建，然后像調用普通S-Function一樣將在AMESim生成的機械、液壓系統(tǒng)模型S-Function調入到Simulink中，從而完成整個仿真系統(tǒng)的搭建，仿真運行于Simulink環(huán)境之中，使用Simulink的求解器進行計算仿真;在Simulink環(huán)境中完成控制算法的設計，通過編譯后調用由MTALAB提供的SL2AME函數，將在Simulink環(huán)境中完成的控制算法轉換為能在AMESim中調用的用戶自定義元件模型，在AMESim中，將機械、液壓系統(tǒng)模型搭建后，像使用普通元件模型一樣調用由SL2AME函數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中運行仿真運算[3]。

筆者通過2種聯(lián)合方式實驗的對比發(fā)現(xiàn)：在機械及液壓系統(tǒng)規(guī)模較小、元件不多的情況下，2種聯(lián)合仿真方式沒有明顯的差異;若機械及液壓系統(tǒng)組成較復雜、元件比較多，則采用第1種方式仿真時，會出現(xiàn)仿真速度特別慢，甚至于出現(xiàn)計算機死機的現(xiàn)象，此時采用第2種方式，即，將在Simulink中生成的控制算法模型導入到AMESim中運行時，仿真能達到比較滿意的效果?；谝陨蠈Ρ确治?，本文將闡述第2種聯(lián)合仿真方案（下文稱作SL2AME方式）的具體實施步驟。

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

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

設置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設置：

d）MATLAB命令里運行 mex-setup 安裝VC++編譯器。

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

f）sl2ame（%AME%代表計算機中安裝AMESim 的路徑）。

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

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

2 聯(lián)合仿真模型的建立

主動懸架不僅能較大程度隔離因路面不平導致的車身振動，而且能通過自身的主動輸出對車身姿態(tài)進行調節(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]。

在進行主動懸架相關技術研究時，在動力學分析時常采用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行動力學建模，如若要對車輛俯仰、側傾以及垂直跳動等運動姿態(tài)控制和整車控制效果進行全面研究，一般采用7自由度的整車模型進行動力學建模分析，本文的聯(lián)合仿真即基于整車主動懸架控制來進行的[5，6]。

整車主動懸架機電液聯(lián)合仿真平臺包括3部分：懸架機械結構、液壓系統(tǒng)及控制策略。機械系統(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中主動懸架機械結構的建立

為方便研究，在進行主動懸架系統(tǒng)研究時，將主動懸架的機構簡化為簧上車體質量、車輪及簧下質量、懸架彈簧、阻尼器、液壓缸。

2.1.1 輪胎模型

根據懸架數學模型，將輪胎模型簡化成為質量、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

本文所述主動懸架采用被動減震機構與主動液壓缸并聯(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的機械結構模型常用于一維機械結構仿真，在進行整車主動懸架研究時需要對車體的三維姿態(tài)進行調控，因此本文根據整車動力學模型建立了針對整車主動懸架研究和控制的仿真模型（如圖4所示機械機構部分），該模型可以輸出車身側傾角及其角加速度、車身質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)數據[7，8]。

2.2 AMESim中液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

本文主動懸架結構上采用的是在被動獨立懸架上并聯(lián)一個輸出主動控制力的液壓缸，其優(yōu)點在于能在主動與被動模式之間切換，當主動控制系統(tǒng)損壞時，懸架系統(tǒng)能工作在被動模式。根據此思路，在AMESim中建立主動懸架的液壓系統(tǒng)仿真模型，整車主動懸架液壓系統(tǒng)原理如圖4液壓機構部分所示。

2.3 Simulink中控制策略模型的建立

主動懸架的控制核心在于控制策略的設計，為驗證本文的聯(lián)合仿真平臺的可行性，本文的整車主動懸架控制采用基于模糊自整定參數PID的大系統(tǒng)分散控制策略，由于主動架控制的算法不是本文的研究內容，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校正模塊，所以模塊中編寫了3個S函數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)及振動數據的分散變換，“Fuzzy_ParameterAdjuster”和“PID_Controller”2個模塊組成子系統(tǒng)控制器，即模糊自整定參數PID控制器。

2.4 機電液聯(lián)合仿真平臺的搭建

在完成了基于AMESim的主動懸架機械、液壓系統(tǒng)的設計和基于Simulink的整車主動懸架控制器的設計之后，接下來就需要完成整車液壓主動懸架系統(tǒng)仿真平臺的聯(lián)合。

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

3 聯(lián)合仿真驗證

本文采用理想光滑包塊路面在模糊自整定參數PID控制器控制下對懸架系統(tǒng)進行仿真，以驗證聯(lián)合仿真平臺的可行性，仿真時，在AMESim中設置仿真時間為10s，步長為0.001s，車速為20m/s。

包塊路面輸入產生一個高度為10cm的光滑凸起包塊，路面曲線如圖5所示。主動懸架研究中常用包塊路面分析主動懸架對路面障礙物的適應性能及抖動收斂性能。

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

4 小結

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

參考文獻

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