基于AMESim與ADAMS的機(jī)液伺服聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉同偉

摘要：電液伺服控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)高精度運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，是觀測(cè)系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性、預(yù)測(cè)故障、設(shè)計(jì)控制參數(shù)等的重要手段。AMESim提供了一套機(jī)電液一體化仿真建模與分析的解決方案，主要包括了六大系統(tǒng)模塊。ADAMS提供了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真建模與分析的環(huán)境，可進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的約束設(shè)置、動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力加載等。通過(guò)接口技術(shù)可實(shí)現(xiàn)AMESim與ADAMS的聯(lián)合，充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢(shì)。建立一種變幅機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真模型，采用PID控制方法進(jìn)行定值角度控制，結(jié)果表明聯(lián)合仿真接口穩(wěn)定，可作為機(jī)液聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)的參考。

Abstract： Electro-hydraulic servo control is the key technology to achieve high-precision movement of mechanism. The simulation of mechanism is an important means to observe the static and dynamic characteristics of the system， predict faults， design control parameters， etc. AMESim provides a set of Mechatronics simulation modeling and analysis solutions， mainly including six system modules. Adams provides an environment for dynamic simulation modeling and analysis of multi-body system， which can be used for constraint setting， dynamic parameter setting， motion and dynamic loading of mechanical structure. The combination of AMESim and Adams can be realized through the interface technology， and the advantages of each software can be brought into full play. A joint simulation model of luffing mechanism is established， and PID control method is used to control the fixed angle. The results show that the joint simulation interface is stable， which can be used as a reference for the joint simulation design of mechanical and hydraulic systems.

關(guān)鍵詞：電液伺服控制;聯(lián)合仿真;AMESim;ADAMS;PID

Key words： electro hydraulic servo control;co-simulation;AMESim;ADAMS;PID

0 ?引言

機(jī)液伺服控制往往使用在對(duì)位置、力等控制精度要求較高的場(chǎng)合，如多液壓缸驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺(tái)、液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人等[1，2]。因此，電液伺服控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行高精度運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，其組成通常為檢測(cè)裝置、運(yùn)算單元、伺服閥、伺服缸、激勵(lì)信號(hào)等。由于電液伺服系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性等往往難以測(cè)量，而隨著計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）技術(shù)的發(fā)展，采用仿真手段研究電液伺服系統(tǒng)特性是目前流行的方式[3，4]。AMESim提供了較為豐富的機(jī)液仿真領(lǐng)域的解決方案，在AMESim中可進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模、液壓泵模型仿真、閥結(jié)構(gòu)建模與仿真、熱仿真、電機(jī)仿真、3D機(jī)械模型仿真、控制信號(hào)產(chǎn)生等。ADAMS是一款多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真軟件[5，6]，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造三維可視化機(jī)械系統(tǒng)的模型，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、航空航天、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械制造業(yè)等。ADAMS軟件的基本組成模塊主要包括三部分：ADAMS/View、ADAMS/Solver、ADAMS/PostProcessor。

1 ?聯(lián)合仿真軟件實(shí)現(xiàn)

1.1 AMESim液壓系統(tǒng)仿真

AMESim是一款多學(xué)科交叉的系統(tǒng)建模與仿真軟件，軟件組成主要包括：流體系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)。提供了工程中常見(jiàn)的液壓系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，已在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真。通過(guò)調(diào)取元件建立新的部件子模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)的建模與優(yōu)化。

其中，流體系統(tǒng)由多種流體單元組成，如管道、過(guò)濾器、液壓缸、液壓泵、閥等。液壓缸包括單作用液壓缸、雙作用液壓缸等，可設(shè)置活塞桿直徑、鋼筒直徑、活塞桿行程等參數(shù)。液壓泵包括定量泵、變量泵等。閥模塊包括單向閥、三位四通閥、調(diào)速閥、梭閥、電液伺服閥等。機(jī)械系統(tǒng)模塊由多種機(jī)械單元組成，如機(jī)架、彈簧、阻尼、摩擦力矩發(fā)生器、齒輪、傳感器、3D機(jī)械模型等。其中3D機(jī)械模型庫(kù)將平面機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為三維機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。信號(hào)系統(tǒng)模塊由多種信號(hào)單元組成，包括信號(hào)發(fā)生器、傳遞函數(shù)塊、函數(shù)塊、濾波器等。其中，在傳遞函數(shù)塊中可建立傳遞函數(shù)模型，模型包括一個(gè)輸入信號(hào)端口和一個(gè)輸出信號(hào)端口，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)模型后的輸出;函數(shù)塊與傳遞函數(shù)塊類似，可設(shè)置一個(gè)函數(shù)模型;濾波器可設(shè)置為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。

AMESim基于圖形編程方式將C或Fortran代碼模型通過(guò)圖形化模塊的方式融入AMESim軟件包中，實(shí)現(xiàn)了代碼的直接調(diào)用。AMESet可用于生成C或Fortran語(yǔ)言代碼。AMESim可與數(shù)學(xué)和控制軟件MATLAB、MatrixX;多維系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS、Motion;實(shí)時(shí)仿真軟件xPC、Dspace;優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件OPTIMUS、iSIGHT;數(shù)據(jù)處理軟件Excel 等實(shí)現(xiàn)接口連接，大大擴(kuò)展了仿真研究的功能，同時(shí)又能發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢(shì)。

1.2 ADAMS動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是由美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析軟件，主要包括三大模塊，如圖 1所示。

其中，模塊ADAMS/View可建立機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，支持參數(shù)化建模，可實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)的變化和模型的運(yùn)動(dòng)等。ADAMS/Solver可自動(dòng)建立并解算用于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真方程，提供了用于解算復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值方法，可對(duì)由機(jī)械部件、控制系統(tǒng)和柔性部件組成的多域問(wèn)題進(jìn)行分析，并支持多種分析類型，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、線性和非線性動(dòng)力學(xué)等。ADAMS/PostProcessor采用可視化圖形界面方式顯示ADAMS仿真結(jié)果，可采用不同的方式回放仿真的結(jié)果。頁(yè)面設(shè)置以及數(shù)據(jù)曲線格式都能保存起來(lái)，反復(fù)使用，有利于節(jié)省時(shí)間和整理標(biāo)準(zhǔn)化的格式報(bào)告，同時(shí)可以方便地顯示和比較多個(gè)仿真結(jié)果。

2 ?聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)AMESim建立某變幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)ADAMS建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析模型，采用PID控制方式對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，如圖2所示，機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)模型及聯(lián)合接口。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定幅度信號(hào)激勵(lì)，使變幅機(jī)構(gòu)從初始位置移動(dòng)到指定期望位置，并一直保持下去，仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明聯(lián)合仿真的接口設(shè)置是正確的，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求，達(dá)到了預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況、選擇合適的控制參數(shù)等的研究目的。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

電液伺服系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的高精度運(yùn)動(dòng)控制，進(jìn)行其機(jī)液聯(lián)合仿真時(shí)研究機(jī)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵技術(shù)手段，文中介紹了AMESim液壓系統(tǒng)仿真軟件和ADAMS動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析軟件，并對(duì)某變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合仿真建模，對(duì)模型進(jìn)行激勵(lì)響應(yīng)研究，結(jié)果表明仿真接口設(shè)置正確，達(dá)到了預(yù)期效果和目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂安生.抓臂式清污機(jī)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

[2]尹方辰，孫杰，馬更生，等.基于ADAMS-MATLAB聯(lián)合仿真的液壓活套多變量解耦控制[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016，37（04）：500-503，507.

[3]Zhao， P.-Y.， Chen， Y.-L.， Zhou， H.Simulation Analysis of Potential Energy Recovery System of Hydraulic Hybrid Excavator[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2017，18（11）： 1575-1589.

[4]Xiao， C.， Zhang， G.Dynamic simulation analysis of working device for hydraulic excavator based on ADAMS[J].Telkomnika （Telecommunication Computing Electronics and Control）， 2016，14（3A）： 194-201.

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

[6]張桂菊，肖才遠(yuǎn)，譚青，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)分析及仿真[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，45（6）：1827-1833.