基于多軟件平臺(tái)的機(jī)電液一體化虛擬試驗(yàn)方法

趙君偉， 張 程， 裘群海

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

機(jī)電液一體化系統(tǒng)通常是機(jī)械、控制、液壓、氣動(dòng)、電子、軟件等多個(gè)不同學(xué)科子系統(tǒng)的綜合組合體。隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電液一體化系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、船舶車輛、工程機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛。目前針對(duì)機(jī)械、控制、液壓領(lǐng)域，國內(nèi)外開發(fā)了多種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件與數(shù)字仿真工具，但多為單獨(dú)領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)軟件。傳統(tǒng)的基于單領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析軟件在面對(duì)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)仿真分析時(shí)將難以滿足精度與效率的需求?；诖?，出現(xiàn)了機(jī)電液一體化系統(tǒng)多軟件聯(lián)合仿真技術(shù)，最大限度發(fā)揮各軟件優(yōu)勢(shì)[1]。本文在MATLAB/Simulink、ADAMS、AMESim軟件間兩兩聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)上，提出了一種基于MATLAB/Simulink為主仿真平臺(tái)的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)搭建方法，通過軟件間的協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)的虛擬試驗(yàn)。

1 機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真現(xiàn)狀

機(jī)電液系統(tǒng)主流仿真軟件主要有ADAMS、AMESim、MATLAB/Simulink，其中ADAMS是目前CAE領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛、應(yīng)用行業(yè)最多的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真工具，用戶可用該軟件方便地對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。AMESim是液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與數(shù)字仿真的主流軟件，AMESim為流體動(dòng)力、機(jī)械和控制提供了一個(gè)完善的仿真環(huán)境，具有豐富的模型庫，用戶采用基本元素法，通過圖形化的界面按照實(shí)際物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立仿真模型，不需要推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。Simulink是MATLAB提供的一個(gè)圖形化仿真環(huán)境，可以方便地對(duì)專用傳遞函數(shù)、微分方程和狀態(tài)方程描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。目前，機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真最為普遍的是基于ADAMS、AMESim、MATLAB/Simulink軟件間接口技術(shù)，通過軟件間兩兩聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)[2]。

不同軟件間的聯(lián)合仿真能否成功在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谑欠裼行?。目前，ADAMS、AMESim與MATLAB/Simulink軟件間的接口技術(shù)己經(jīng)成熟。

ADAMS與AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，既可以采用AMESim作為仿真主界面，也可以采用ADAMS作為仿真主界面。采用AMESim作為仿真主界面需要將ADAMS模型導(dǎo)入AMESim軟件進(jìn)行仿真，一般適用于ADAMS模型不太復(fù)雜的仿真計(jì)算，將ADAMS模型導(dǎo)入AMESim軟件需要ADAMS/Control接口模塊支持。采用ADAMS作為仿真主界面一般是AMESim模型較為簡(jiǎn)單，而機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)ADAMS模型較為復(fù)雜，將AMESim模型導(dǎo)入ADAMS中求解不需要ADAMS/Control接口，對(duì)AMESim軟件也只需要runtime license。ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真通常ADAMS模型輸出速度或位移至AMESim模型，而AMESim模型則輸出力或力矩至ADAMS模型。

ADAMS與MATLAB/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真需要通過ADAMS/Control模塊進(jìn)行。ADAMS與MATLAB/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，ADAMS中建立的機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型有3種導(dǎo)入形式，分別為S-function形式、State-Space形式，以及adams-sub子模型形式[3]。二者聯(lián)仿過程中，一般是機(jī)械系統(tǒng)模型中定義的測(cè)量數(shù)值，如速度、位移、加速度作為ADAMS的輸出變量即Simulink的輸入變量，Simulink 控制模型返回的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)的機(jī)電控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為ADAMS的輸入變量[4]。

AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真既可以將MATLAB/Simulink模型導(dǎo)入至AMESim中，也可以將AMESim模型導(dǎo)入至MATLAB/Simulink中。將AMESim模型導(dǎo)入至MATLAB/Simulink中通過采取將AMESim模型編譯為S函數(shù)進(jìn)行。兩者仿真過程中，可利用AMESim模型庫中的傳感器測(cè)量出位移、力、速度等作為Simulink控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)[5]。

鑒于機(jī)電液系統(tǒng)的復(fù)雜程度，雖然ADAMS、AMESim、MATLAB/Simulink軟件間的兩兩聯(lián)合仿真能在一定程度上減少系統(tǒng)仿真分析的工作量，但在開展機(jī)電液一體化仿真過程中，仍然需要建立至少一個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)耦合分析時(shí)仍存在精度和效率較低的問題。

2 基于多軟件聯(lián)合的機(jī)電液一體化仿真原理

在MATLAB/Simulink、ADAMS、AMESim軟件間兩兩聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)上，充分利用各仿真軟件專業(yè)優(yōu)勢(shì)，提出一種基于MATLAB/Simulink為主仿真平臺(tái)的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)搭建方法，通過虛擬仿真試驗(yàn)的方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)仿真，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)代替理產(chǎn)品進(jìn)行性能評(píng)估和測(cè)試，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本[6]。

虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)以MATLAB/Simulink作為主仿真平臺(tái)，分別在ADAMS軟件中建立機(jī)械子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，AMESim軟件中建立液壓子系統(tǒng)非線性模型，MATLAB/Simulink軟件中建立控制子系統(tǒng)模型。通過各仿真軟件間的接口技術(shù)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共享通道，通過軟件間的協(xié)同仿真，試驗(yàn)復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)的虛擬試驗(yàn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、控制策略選擇奠定基礎(chǔ)。

通過仿真軟件間的接口技術(shù)，將ADAMS機(jī)械子系統(tǒng)模型以ADAMS-Sub形式，AMESim液壓子系統(tǒng)模型以S-Function形式導(dǎo)入至Simulink中。ADAMS與AMESim軟件問的數(shù)據(jù)交換以 Simulink 作為轉(zhuǎn)接平臺(tái)，ADAMS機(jī)械子系統(tǒng)模型中的驅(qū)動(dòng)力引用AMESim液壓子系統(tǒng)中液壓缸輸出力，同時(shí)在AMESim液壓子系統(tǒng)模型中各元件的壓力和流量力一程中引用ADAMS機(jī)械子系統(tǒng)模型中各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的速度和位移函數(shù)，各軟件間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系如圖1所示。

圖1 多軟件協(xié)同仿真虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸圖

3 機(jī)電液系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)仿真實(shí)例

本仿真實(shí)例以飛機(jī)舵面控制模型為研究對(duì)象，通過機(jī)載控制系統(tǒng)控制液壓缸推動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)至指定角度并保持鎖定。

將模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，設(shè)置環(huán)境參數(shù)、模型材料，添加約束與運(yùn)動(dòng)副，添加包括預(yù)緊力、重力、摩擦力在內(nèi)的約束力，添加虛擬傳感器與測(cè)量量，設(shè)置聯(lián)合仿真接口變量，完成動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建。模型搭建完成后，通過ADAMS/Control模塊設(shè)置與Simulink的接口文件，ADAMS模型的輸入為驅(qū)動(dòng)力，輸出為液壓缸的位移和舵面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。ADAMS模型接口變量及含義如表1所示。

表1 ADAMS模型接口變量及含義

由ADAMS軟件建立機(jī)械子系統(tǒng)三維模型，如圖2所示。

圖2 舵面控制機(jī)械子系統(tǒng)三維模型

AMESim采用基本元素法，通過圖形化的界面按照實(shí)際物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立仿真模型，液壓系統(tǒng)模型可在AMESim軟件中直接搭建，模型搭建過程包括草圖創(chuàng)建，液壓元件子模型選擇，液壓元件參數(shù)設(shè)置，聯(lián)合仿真接口變量設(shè)置等內(nèi)容，AMESim接口變量設(shè)置如表2所示，模型輸入為液壓缸的位移以及控制子系統(tǒng)模型輸出的控制量，控制伺服閥的型以adams_sub子模型形式導(dǎo)入至Simulink主仿真平臺(tái)，搭建控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)采用PID進(jìn)行控制?？刂谱酉到y(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 控制子系統(tǒng)模型

表2 AMESim模型接口變量及定義

開度[7]；模型輸出為液壓缸輸出力。創(chuàng)建的AMESim模型如圖3所示。

圖3 AMESim液壓子系統(tǒng)仿真模型

將AMESim液壓模型以S函數(shù)形式導(dǎo)入至Simulink主仿真平臺(tái)，同時(shí)將ADAMS機(jī)械系統(tǒng)模

4 仿真結(jié)果

給定輸入角度信號(hào)為20°，在主仿真平臺(tái)Simulink中運(yùn)行仿真，系統(tǒng)輸出角度曲線如圖5所示。圖中可以看出，系統(tǒng)在0.4 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)超調(diào)量符合設(shè)計(jì)要求，控制參數(shù)選擇合理。

圖5 系統(tǒng)輸出角度仿真曲線

液壓缸位移曲線如圖6所示，仿真結(jié)果既可以在Simulink中進(jìn)行查看，也可以在AMESim中進(jìn)行查看。Simulink和AMESim中仿真結(jié)果一致。

圖6 系統(tǒng)液壓缸輸入位移曲線

5 結(jié)論

基于ADAMS、AMESim、MATLAB/Simulink協(xié)同仿真的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)充分利用了ADAMS軟件在多體動(dòng)力學(xué)建模、AMESim軟件在液壓系統(tǒng)建模以及MATLAB/Simulink在控制系統(tǒng)建模的優(yōu)勢(shì)，將復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)通過各專業(yè)軟件分解為相互獨(dú)立的單領(lǐng)域系統(tǒng)，從而快速、精確地建立各分系統(tǒng)的模型，避免了建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過軟件間的接口技術(shù)，建立數(shù)據(jù)共享通道，搭建虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)的虛擬仿真試驗(yàn)。該方法對(duì)于復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)仿真分析具有普遍適用性，對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本、減輕仿真工作復(fù)雜性具有重要意義。