基于AMEsim的单自由度振动台液压系统建模仿真研究 - 文章

基于AMEsim的单自由度振动台液压系统建模仿真研究

作者：郭辉孟爱红

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摘要：近年来，液压仿真已成为研究液压系统的重要手段，本文介绍了一种新型的仿真软件AMESim，并以单自由度振动台液压系统为例，对其位置控制进行了建模和仿真，说明了该软件的应用。
关键词：AMESim；液压系统；建模；仿真。

引言

法国Imagine公司开发的AMESim(Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering)全称为系统工程高级建模和仿真平台,是当今领先的传动系统和液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件,它为用户提供了一个系统工程设计的完整平台,可以建立复杂的多学科领域系统的数模型,并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。AMESim 友好的图形化界面使得用户可以通过在完整的应用库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型并能方便地进行优化设计,非常适用于机械与液压领域的设计。

AMESim 软件从方案到仿真只需四个步骤:①Sketch:从不同的应用库中选取现存的图形模块来建立系统的模型;②Sub-models:为在不同的应用层次上的元件选择数学模型(给定合适的模型假设);③Parameters:为元件设置模型参数;④Simulation:运行仿真分析并绘出仿真结果。

1 振动台研究背景

在航空、航天、车辆等工程领域，产品在使用过程中都是在一定的振动环境中工作振动引起的破坏是其服役过程中发生故障的主要因素之一为此，许多国家都投入了大量的人力和物力研究模拟各种产品在使用过程中的振动问题。振动环境的研究已经日益引起人们的重视，成为对产品进行动态设计必不可少的重要环节。

2 振动台结构原理

振动台主要是由液压缸，液压伺服阀，定量泵，蓄能器，溢流阀，传感器，控制器等元件组成。通过传感器的收集反馈信号到控制器，然后经控制器输出控制信号调节液压缸的运动。信号可以是活塞杆位移，速度，频率等。图1 为但自由度振动台液压伺服系统原理图。

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图1 单自由度振动台液压伺服系统原理图

3 AMESim 在单自由度振动台液压系统中的应用

下面以单自由度振动台液压系统的位移研究为例，说明AMESim 的应用,使液压执行机构的输出位移跟踪给定的输入信号。首先在AMESiim 的草图模式( Sketchmode ) 下建立该液压执行机构位置控制系统的仿真模型（如图2）该系统主要是由液压缸、液压伺服阀、定量泵、蓄能器、溢流阀以及信号源和增益等构成,其液压机械部分是一个阀控缸,从整体来看是一个典型的闭环控制系统。

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图2 单自由度振动台液压系统模型图

其工作原理为:用位移传感器5 将执行机构的位移转换为信号并与给定的位移信号进行比较后形成闭环控制的误差信号,所得到的差值通过比例放大后驱动伺服阀动作,来接通/切断执行机构的液压油供应并改变供油方向,从而实现了对执行机构位移的大小及方向的控制。只要执行机构的输出位移与给定的位移存在偏差,系统就可以自动调节输出位移,直到误差为最小。

图中,用分段线性信号源2 来模拟执行机构(液压缸)驱动的负载阻力,期望位移信号由左端的分段线性信号源1 来给定。系统模型搭建完成之后,在子模型模式(sub-model mode)中根据实际需要为每个元件选择一个数学模型即子模型,在这里为简便起见均选择最简子模型。

其中各元件参数如表 1 所示：

液压缸无杆腔 d:100mm 活塞杆d:55mm
质量块 500kg
液压伺服阀固有频率 50Hz 阻尼率2 额定电流 30mA
泵排量 63mL/r 转速1470r/min
分段线性信号源2 常量1000
期望位移信号源1 0—5s 0~0.05m 5—10s 0.05~0.08m
位移传感器5 10
增益3 10

当各参数设置好以后，在运行模式（run mode）中的运行参数(run parameters)中设置运行时间20S，采样周期0.05S。

下面我们来研究 PID 控制对系统的影响：

PID 控制器是一种线性的控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。比例P 控制的系统其控制结果稳态值不为0，即存在静差。积分I用于消除静差。微分D 用于消除系统滞后。

（1）在参数模式下设置P 为1600，I 为0，D 为0。运行仿真，可得到活塞杆的位移曲线如图3，图4 所示：

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图 3 活塞杆期望位移与实际位移其中1（红色）为期望位移，2（绿色）为实际位移

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图 4 活塞杆位移误差曲线

由图 4 可以看出，活塞杆的实际位移与期望位移之差在1.5×10⁻³m 以内，但是在0~5s 和5~10s内系统暂时稳定时静差明显，因此考虑加入积分I控制，反复调节I 当其值为80 时达到较好效果。误差曲线如图5 所示：

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图 5 活塞杆位移误差曲线（I=80）

若系统要求位移误差在1.5×10⁻³m 以内则上述PI参数已可满足要求但为求最好可尝试加入微分控制，如图6，图7：

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图 6 活塞杆位移误差曲线（D=10）

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图 7 活塞杆位移误差曲线（D=20）

由图6，图7 可以看出在误差曲线没有明显改变的情况下，当D=20 时，系统已经出现震荡，因此不加入微分控制，若想继续减小误差可考虑改变比例P 的放大倍数。这里就不再赘述。

4 结论：

经过以上研究分析，可以看出：AMEsim 软件图形化建模界面建模容易，其中的元件库包含了大部分的液压元件，但是软件难点是在建立完模型后，在参数模式下设置正确的参数，然后运行仿真，另外软件还提供了各种数学函数的分析工具，在得到曲线后不必和别的分析软件连接就可进行分析，提高了工作效率，作为一个新兴的软件，AMEsim 在航空，交通运输，机械等领域已经有了大量的使用，相信在以后的液压分析中其将会有更广泛的应用。

参考文献：
[01] 晁智强、刘相波、孟爱红、牛祎洁、韩寿松、李赢波编.装甲车辆液压传动。北京：装甲兵工程学院,2004.7
[02] 付永领、祁晓野. AMESim 系统建模和仿真. 北京: 航空航天大学出版社，2006.6
[03] 王尚勇、杨青。柴油机电子控制技术。机械工业出版社，2005.1
[04] 陶永华、尹怡欣、葛芦生。新型PID 控制及其应用。机械工业出版社，1998.9
[05] 董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤。控制工程基础。清华大学出版社，2003.8(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/10/2011)


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