基于Simscape的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動軌跡仿真研究

殷煒棋，楊魯義，朱國仁

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

1 引 言

曲柄連桿機(jī)構(gòu)能可靠地保證機(jī)構(gòu)的傳動效率，廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)、壓裝機(jī)及機(jī)械手等各類設(shè)備中，是工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一類傳動機(jī)構(gòu)。作為汽車發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵傳動部分，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以起到傳遞動力的作用。圖1所示為汽車發(fā)動機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)示意圖，其工作過程為：燃料燃燒后將產(chǎn)生的高壓氣體作用于活塞上，形成的膨脹壓力轉(zhuǎn)換為曲軸向外輸出的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而輸出動力，最終帶動車輪轉(zhuǎn)動。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)示意圖

Simscape作為Matlab/Simulink軟件平臺的重要組成部分，能夠快速完成涉及物理、機(jī)械工程等領(lǐng)域的仿真工作，簡化建模過程，提高仿真效率。通過可視化的模型構(gòu)建，自動構(gòu)造微分代數(shù)方程，描述系統(tǒng)的動態(tài)性能。Simscape包含F(xiàn)luids、Electrical及Multibody等工具箱，可應(yīng)對復(fù)雜的多學(xué)科混合建模和仿真，進(jìn)而實現(xiàn)聯(lián)合仿真。通過轉(zhuǎn)換模塊，Simscape模型可與Simulink模型進(jìn)行集成，完成物理系統(tǒng)協(xié)同控制器的建模仿真工作。李珊珊等[1]基于Simscape對汽車制冷系統(tǒng)進(jìn)行了仿真；楚娜娜等[2]基于Simscape對航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了物理建模，并對其安全性進(jìn)行了分析；黃宏俊等[3]利用Simscape Multibody對六自由度機(jī)器人的運動軌跡規(guī)劃進(jìn)行了誤差分析；唐之堯等[4]基于Simscape對AMT車輛傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真，提高了控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

工業(yè)領(lǐng)域中所應(yīng)用的控制器種類繁多，PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的自動控制器之一，其實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運算，運算結(jié)果用以控制輸出，最終達(dá)到理想的目標(biāo)值。

本文以Simscape為物理建模平臺，結(jié)合PID控制器算法，對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動軌跡進(jìn)行仿真研究，驗證了機(jī)構(gòu)內(nèi)控制器設(shè)計的合理性和準(zhǔn)確性。本文提出的基于物理系統(tǒng)協(xié)同控制器的仿真方法，可為后續(xù)其他類型的控制器設(shè)計提供一定的參考和依據(jù)。

2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)物理建模

曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，由機(jī)架、曲柄、連桿及滑塊等單件組成。通過曲柄回轉(zhuǎn)運動與滑塊往復(fù)直線運動之間的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)成機(jī)構(gòu)的運動要求。圖2為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平面示意圖，對如圖所示機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析[5]，找出曲柄OA與滑塊B間的運動關(guān)系。設(shè)曲柄OA長度為r，連桿AB長度為l，B端用銷釘與滑塊B相連，曲柄OA與機(jī)架OB之間的角度為α，連桿AB與機(jī)架OB之間的角度為β，曲柄OA的角速度為ω。

圖2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖

滑塊B做往復(fù)直線運動，可用直角坐標(biāo)法建立其運動方程。設(shè)O點為坐標(biāo)原點，建立如圖所示的Oxy直角坐標(biāo)系。由A點向x軸作垂線，交于C點。設(shè)滑塊B在某一瞬時的位置為XB，則有：

XB=OC+CB=r·cosα+l·cosβ

(1)

在三角形OAB中，根據(jù)正弦定理，有：

(2)

(3)

將式(3)代入到式(1)中，得到滑塊B的運動方程為：

(4)

將式(4)對時間進(jìn)行一階求導(dǎo)，進(jìn)而得到滑塊B的速度為：

(5)

3 基于Simscape對系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真

根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的物理建模結(jié)果，在Simscape環(huán)境下搭建仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)由Plant系統(tǒng)、Controller系統(tǒng)以及Observer系統(tǒng)等3部分組成。整體框架如圖3所示。

圖3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)整體框架

3.1 Plant系統(tǒng)

為方便建模，預(yù)先在PTC_Creo三維機(jī)械設(shè)計軟件中對機(jī)構(gòu)內(nèi)各單件(機(jī)架、曲柄、連桿及滑塊等)進(jìn)行三維建模，進(jìn)而通過約束裝配得到裝配體-曲柄連桿機(jī)構(gòu)。通過Creo與Simscape聯(lián)合應(yīng)用插件Simscape Multibody link將模型導(dǎo)入至Simscape環(huán)境。模型導(dǎo)入后，基于各單件間的約束關(guān)系以及空間坐標(biāo)相對位置，對相關(guān)的轉(zhuǎn)動副、移動副以及坐標(biāo)變換進(jìn)行設(shè)置，由此構(gòu)建出如圖4所示的Plant系統(tǒng)。

圖4 Plant系統(tǒng)

3.2 Controller系統(tǒng)

根據(jù)上文所述的機(jī)構(gòu)運動關(guān)系，參考PD(比例微分控制)控制算法的應(yīng)用原理，構(gòu)造出Controller系統(tǒng)，圖5所示為其系統(tǒng)流程框圖。

圖5 Controller系統(tǒng)

3.3 Observer系統(tǒng)

Observer系統(tǒng)(見圖6)架構(gòu)比較簡單，由一個命名為Tracking的Scope觀測器以及兩個From模塊組成。兩個From模塊分別接收預(yù)先給定的參考運動角度(Reference)以及曲柄OA的實際運動角度(Actual)。最終將二者的運動軌跡呈現(xiàn)到Tracking觀測器中，便于觀察仿真機(jī)構(gòu)及分析仿真結(jié)果。

圖6 Observer系統(tǒng)

3.4 仿真流程

基于以上，整個機(jī)構(gòu)的仿真流程如下：

(1)根據(jù)Plant系統(tǒng)內(nèi)曲柄OA的轉(zhuǎn)動副運動狀態(tài)，實時獲取其某一瞬態(tài)的轉(zhuǎn)動角度α以及轉(zhuǎn)動角速度ω。通過式(4)及式(5)中的數(shù)學(xué)關(guān)系變換，可得到該瞬態(tài)下滑塊B的位移XB以及速度VB。

(2)同理，通過預(yù)先給定機(jī)構(gòu)的階躍信號，即參考旋轉(zhuǎn)角度αRef及參考旋轉(zhuǎn)角速度ωRef，通過數(shù)學(xué)關(guān)系變換，可得到滑塊B的參考位移XBRef以及參考速度VBRef。

(3)根據(jù)以上描述，獲取誤差值Err及一階微分誤差值Err_dot的結(jié)果，表達(dá)式如下：

Err=XBRef-XB

(6)

Err_dot=VBRef-VB

(7)

(4)在Controller系統(tǒng)中通過預(yù)設(shè)定PD控制器的比例因子及微分因子，進(jìn)而得到控制信號，作為驅(qū)動力F作用于滑塊B的移動副上，從而完成機(jī)構(gòu)的軌跡追蹤工作。

3.5 仿真分析示例

根據(jù)以上所述建模原理和仿真方法，現(xiàn)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行軌跡仿真驗證。首先，指定參考角度及參考角速度。應(yīng)用Simulink環(huán)境中的Signal Builder模塊，以階躍信號(以2s為時間間隔)給定參考，具體如圖7所示。

(a)參考角度

(b)參考角速度

根據(jù)經(jīng)驗，預(yù)設(shè)PD控制器比例因子為1200，微分因子為80。設(shè)置曲柄OA的初始角度為75°，仿真運行時間為10s。運行仿真后，實時觀察機(jī)構(gòu)運動窗口，在Tracking觀測器中將得到參考轉(zhuǎn)動角度及實際轉(zhuǎn)動角度的實時對比運動軌跡，如圖8所示。

圖8 演示界面(機(jī)構(gòu)運動窗口及觀測器)

由軌跡圖分析可知，機(jī)構(gòu)在獲取轉(zhuǎn)動角度的誤差值后，立刻通過Controller系統(tǒng)做出反應(yīng)，控制器在接收指令后，發(fā)出控制信號，施加驅(qū)動力于滑塊B，帶動曲柄OA做出動作，快速并準(zhǔn)確地向參考角度靠近，完成軌跡追蹤。仿真結(jié)果驗證了本文所設(shè)計控制器的可靠性，為基于軌跡追蹤的其他類型控制器開發(fā)提供了一定的支持和參考。

4 結(jié) 論

本文提出了一種物理系統(tǒng)控制器的仿真分析方法，能方便、快速、準(zhǔn)確地得到機(jī)構(gòu)的運動、動力數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成軌跡追蹤。本文的研究結(jié)果可為后續(xù)類似機(jī)構(gòu)的選型、優(yōu)化設(shè)計及控制器設(shè)計提供一定的參考。