基于聯(lián)合仿真的機電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法

周建軍

[摘? ? 要]在我國工業(yè)領(lǐng)域，機電液一體化系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，這類系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計也屬于業(yè)界關(guān)注焦點?；诖耍恼潞唵谓榻B機電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵，并圍繞機電液一體化聯(lián)合仿真模型建立、智能控制算法分析開展深入研究，結(jié)合機電液一體化聯(lián)合仿真實例分析可以確定，本文研究在各子系統(tǒng)仿真模型高效集成方面表現(xiàn)突出，能夠為協(xié)同分析及設(shè)計提供平臺支持。

[關(guān)鍵詞]聯(lián)合仿真;機電液一體化系統(tǒng);Simulink

[中圖分類號]TP391.9 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Discussion on Optimization Design Method of Electromechanical

Hydraulic Integration System Based on Joint Simulation

Zhou Jian-jun

[Abstract]In China's industrial field， electromechanical hydraulic integration system is widely used， and the optimal design of this kind of system also belongs to the focus of the industry. Based on this， this paper briefly introduces the connotation of joint simulation of electromechanical hydraulic integration system， and carries out in-depth research around the establishment of electromechanical hydraulic integration joint simulation model and the analysis of intelligent control algorithm. Combined with the analysis of electromechanical hydraulic integration joint simulation examples， it can be determined that this research is outstanding in the efficient integration of simulation models of various subsystems， It can provide platform support for collaborative analysis and design.

[Keywords]joint simulation; electromechanical hydraulic integration system; simulink

1 機電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵

機電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真需要劃分一體化系統(tǒng)為子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相對獨立，具體保液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)，且各子系統(tǒng)的對應(yīng)模型建立需要得到專業(yè)軟件支持。通過連接不同仿真軟件，軟件輸入信號可選擇某軟件獲取仿真結(jié)果，以此完成模型構(gòu)建，如輸入轉(zhuǎn)速、力等信號的具體數(shù)值，在不同信號激勵作用下，模型可實現(xiàn)對應(yīng)響應(yīng)量輸出，如加速度、位移等。這類響應(yīng)量可進一步輸入其他模型中，不同領(lǐng)域軟件中的仿真數(shù)據(jù)雙向傳遞可由此實現(xiàn)。圖1為聯(lián)合仿真平臺中子系統(tǒng)間存在的具體耦合關(guān)系，結(jié)合該圖片進行分析可以發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)在其中負責提供負載、力矩/驅(qū)動力，機械系統(tǒng)基于模型約束條件及機械動力學運動原理能夠隨之進行機械運動，運動學參數(shù)能夠隨之輸出，包括加速度、位移、速度等，液壓系統(tǒng)及負載的作用情況會同時受到機械系統(tǒng)產(chǎn)生的運動參數(shù)影響。圍繞機構(gòu)位置姿態(tài)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，其位移會導致位置姿態(tài)變化，負載會隨之受到影響，油缸中壓力區(qū)體積會受到機械系統(tǒng)中位移影響，這種影響會體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)壓力方面，液壓系統(tǒng)油缸流量及馬達轉(zhuǎn)速直接受到位移速度影響。液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)耦合關(guān)系涉及參數(shù)傳遞，基于設(shè)定目標，控制系統(tǒng)能夠在各類傳感技術(shù)支持下對液壓系統(tǒng)的流量及壓力變化情況，機械輸出的速度及位移變化情況進行實時監(jiān)測，實時控制信號可結(jié)合控制策略開展計算求得，如控制液壓系統(tǒng)的壓力及流量、泵的轉(zhuǎn)速、各閥閥芯開度值，機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)可通過對輸出液力矩/壓力調(diào)整進行控制。

2 建立機電液一體化聯(lián)合仿真模型

2.1 選擇聯(lián)合仿真平臺

圍繞上文涉及的機電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵進行深入分析，該聯(lián)合仿真需要在多個軟件間進行數(shù)據(jù)的相互交換，這一過程需要關(guān)注仿真環(huán)境的科學選擇，本文研究以可視化仿真工具Simulink作為聯(lián)合仿真平臺，該可視化仿真工具能夠滿足動態(tài)系統(tǒng)建模需要，在分析和仿真方面的表現(xiàn)突出且支持離散、連續(xù)的線性/非線性系統(tǒng)。選擇該可視化仿真工具作為聯(lián)合仿真平臺，主要依據(jù)4點：①該可視化仿真工具存在簡潔編程語言，在復(fù)雜控制算法編制方面具備優(yōu)勢;②該可視化仿真工具的工具箱較為完善;③該可視化仿真工具的接口能夠與主流液壓仿真軟件、機械仿真軟件連接;④該可視化仿真工具具備多種計算算法。

2.2 搭建機械系統(tǒng)模型

在聯(lián)合仿真模型的機械系統(tǒng)模型搭建中，需優(yōu)選設(shè)計、仿真軟件，如RecurDyn、Pro/Engineer、CATIA、ADAMS。RecurDyn的基礎(chǔ)為多體動力學為理論，可實現(xiàn)對預(yù)測系統(tǒng)及機電一體化系統(tǒng)的振動、負載大小、運動等精確控制的模擬，存在控制接口Control，這使得該軟件能夠完成.mdl及.m文件生成，進而連接其他領(lǐng)域仿真軟件，通過該軟件建立模型并添加相應(yīng)復(fù)雜控制算法，即可開展聯(lián)合仿真。Pro/Engineer能夠在設(shè)計、分析、制造方面提供輔助，如實現(xiàn)機械類實體結(jié)構(gòu)快速繪制，同時可實現(xiàn)多種格式轉(zhuǎn)換，這同樣能夠為聯(lián)合仿真提供支持。

2.3 搭建液壓系統(tǒng)模型

Easy5、AMESim軟件均可用于聯(lián)合仿真模型的液壓系統(tǒng)模型搭建。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，前者屬于典型的液壓系統(tǒng)建模專用仿真軟件，該軟件的基礎(chǔ)為液壓傳動理論和粘性流體動力學理論，能夠提供健全仿真環(huán)境，滿足控制、機械、動力需要，同時其元件庫也較為豐富，在Easy5軟件支持下，設(shè)計人員可實現(xiàn)新元件的自行組合，這一過程需要得到原理級基礎(chǔ)模塊支持，進而完成模型搭建，通過運行模型則能夠得到S函數(shù)，滿足聯(lián)合仿真平臺需要。后者能夠提供健全仿真環(huán)境，模型庫同樣較為豐富，AMESim軟件在使用中可選擇基本元素法，基于實際物理系統(tǒng)和圖形化界面完成模型構(gòu)建，這一過程不涉及復(fù)雜數(shù)學模型推導，輔以智能求解器可完成最佳積分算法選擇，仿真時間及精度可通過算法動態(tài)切換控制。在具體的液壓系統(tǒng)模型搭建過程中，可通過簡化模型降低搭設(shè)難度，如忽視緩沖力和摩擦力、忽視液壓系統(tǒng)液體質(zhì)量、僅計算油缸作用力中的壓力、在機械模型部分添加液壓缸質(zhì)量、設(shè)定存在剛性的液壓缸等，液壓系統(tǒng)模型可由此更順利搭建完成。

2.4 搭建控制系統(tǒng)模型

在基于Simulink聯(lián)合仿真平臺的控制系統(tǒng)模型搭建過程中，仿真環(huán)境變量設(shè)計可采用.m文件創(chuàng)建，并通過平臺調(diào)用軟件RecurDyn，作為控制對象的.mdl文件能夠隨之生成，搭建控制對象的控制算法控制器仿真模塊，即可實現(xiàn)交互控制仿真。S函數(shù)關(guān)系著聯(lián)合仿真平臺的擴展與參數(shù)化，求解器能夠與S函數(shù)調(diào)用語法交互，聯(lián)合仿真平臺模型中S函數(shù)加入后，需要在AMESim中連接對應(yīng)的控制算法模型，以此結(jié)合聯(lián)合仿真平臺與AMESim，開展針對性仿真;控制系統(tǒng)模型搭建也可以應(yīng)用ADAMS，輸入輸出變量可由ADAMS與聯(lián)合仿真平臺確定，聯(lián)合仿真可將控制系統(tǒng)建立在聯(lián)合仿真平臺中。基于ADAMS的控制系統(tǒng)模搭建也需要應(yīng)用AMESim，需要通過其進行接口創(chuàng)建，完成輸出端口、輸入端口的具體數(shù)目設(shè)置，并對界面類型及圖標名稱進行定義。

3 智能控制算法分析

PID控制算法在實際工程中有著廣泛應(yīng)用，該算法存在固定的簡單結(jié)構(gòu)并在精確的數(shù)學模型基礎(chǔ)上建立，這使得參數(shù)實時調(diào)整在工作過程中無法實現(xiàn)。對于較為復(fù)雜的模型來說，智能控制算法聚焦模型的非線性和復(fù)雜性，具備較強的自組織功能、環(huán)境適應(yīng)能力、學習能力，遺傳算法、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均屬于典型的智能控制算法。以模糊控制為例，其基礎(chǔ)控制理論包括模糊規(guī)則、模糊邏輯推理、模糊集合論，通過結(jié)合PID控制算法與模糊理論，PID參數(shù)實時調(diào)整可基于誤差及對應(yīng)變化率實現(xiàn)，更高的控制精度能夠由此獲取。

4 機電液一體化聯(lián)合仿真實例分析

以某汽車起重機變幅系統(tǒng)為研究對象，探討本文研究的機電液一體化聯(lián)合仿真實用性，研究采用圖2所示的聯(lián)合仿真平臺框架，由仿真平臺、機械系統(tǒng)模型、液壓系統(tǒng)模型組成。

案例機電液一體化系統(tǒng)具體構(gòu)成包括控制系統(tǒng)、起重機臂架、變幅液壓油缸、車輛底盤、液壓單元。閉環(huán)反饋控制能夠依托臂架控制系統(tǒng)實現(xiàn)，臂架的變幅角度控制可通過對電磁換向閥的調(diào)節(jié)完成，結(jié)合圖2所示框架及上文內(nèi)容開展案例機電液一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。液壓系統(tǒng)模型、變幅機構(gòu)模型分別通過軟件AMESim、RecurDyn搭建，基于S函數(shù)在聯(lián)合仿真平臺中實現(xiàn)變幅控制算法，液壓系統(tǒng)模型和機械模型需依托軟件數(shù)據(jù)接口在Matlab環(huán)境集成，由此可得到一體化仿真模型，如圖3所示。

通過優(yōu)選模型求解器，完成仿真參數(shù)配置，包括最大步長、最小步長、起始時間、允許誤差等，之后依托聯(lián)合仿真平臺對案例機電液一體化系統(tǒng)的液壓、機械、控制系統(tǒng)開展聯(lián)合仿真。為驗證各仿真模型正確性及聯(lián)合仿真平臺可行性，需要測試案例機電液一體化系統(tǒng)的實際變幅角度和油缸位移，以此對比仿真結(jié)果。結(jié)合具體對比可以發(fā)現(xiàn)，通過細致觀察變幅角度的仿真曲線和測試曲線、變幅油缸位移的仿真曲線和測試曲線，能夠直觀了解變幅過程，并能夠確定系統(tǒng)要求得到較好滿足，整體存在沖擊小、運行平穩(wěn)特點，實際測試數(shù)值與仿真數(shù)值基本一致，這說明本文研究的機電液一體化聯(lián)合仿真平臺具備較高實用性。

5 結(jié)論

基于聯(lián)合仿真的機電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具備較高推廣價值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的選擇聯(lián)合仿真平臺、搭建機械系統(tǒng)模型、搭建液壓系統(tǒng)模型、搭建控制系統(tǒng)模型、實例分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的聯(lián)合仿真路徑。為更好地發(fā)揮聯(lián)合仿真優(yōu)勢，還應(yīng)關(guān)注各類新型軟件的積極應(yīng)用，以及相關(guān)不確定性因素的深入研究。

參考文獻

[1] 楊振中.傳感器技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)裝備，2021（4）：210-211.

[2] 王延申，劉順華.機電一體化系統(tǒng)在機械工程中的運用探討[J].石河子科技，2021（4）：17-18.

[3] 徐順.機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計的基本原理[J].電子測試，2021（14）：139-140，106.

[4] 鐘嵐.基于多傳感器信息融合的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（12）：6-10.