液壓機械系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim及其應(yīng)用

1、液壓機械系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim及其應(yīng)用液壓仿真軟件AMESim及其應(yīng)用liiJ在現(xiàn)代工業(yè)中，隨著對液壓機械設(shè)備的性能 要求以及機電液一體化程度的不斷提高，對液壓 傳動與控制系統(tǒng)的性能和控制精度等提出了更 高的要求，傳統(tǒng)的以完成設(shè)備工作循環(huán)和滿足靜 態(tài)特性為目的的液壓系統(tǒng)設(shè)計方法已不能適應(yīng) 現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計和性能要求。如果要對液壓機械 系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析和采用動態(tài)設(shè)計方法，就 需要運用計算機仿真技術(shù)，它是利用計算機技術(shù) 研究液壓機械系統(tǒng)動態(tài)特性的一種新方法。計算 機仿真技術(shù)不僅可以在設(shè)計中預(yù)測系統(tǒng)性能，縮 短設(shè)計周期，降低成本，還可以通過仿真對所涉 及的系統(tǒng)進行整體分析和評估，從而達到優(yōu)化

2、設(shè) 計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的目的。仿真首要任務(wù)就是建立數(shù)學(xué)模型，重點和難 點也是進行建模，然后才可能進行計算機仿真研 究，而建模是一件相當復(fù)雜的工作。目前常用的 建模方法有傳遞函數(shù)法、狀態(tài)空間法、功率鍵合 圖法等。模型建立的好壞直接關(guān)系到仿真的結(jié) 果，不恰當?shù)哪Ｐ陀锌赡艿贸鱿喾吹慕Y(jié)論。目前絕大多數(shù)軟件采用狀態(tài)方程建模，這些對一般的 液壓工作者來說，要求較高，有相當?shù)碾y度。1建模仿真軟件一一AMESim基于建模過程的復(fù)雜性以及給仿真研究帶來 的不便，近幾年來國外尤其是歐洲陸續(xù)研制出一 些更為實用的液壓機械仿真軟件，并獲得了成功 的應(yīng)用。AMESim就是其中杰出的代表。它是法 國IMAGINE

3、公司于1995年推出基于鍵合圖的液 壓/機械系統(tǒng)建模仿真及動力學(xué)分析軟件。它由 一系列軟件構(gòu)成，其中包括AMESim、AMESet、A MECustom和AMERun。這4部分有其各自的用途 和特性。AMESim圖形化工程系統(tǒng)建模、仿真和 動態(tài)性能分析工具AMESim是一個圖形化的開發(fā)環(huán)境，用于工程 系統(tǒng)建模、仿真和動態(tài)性能分析。使用者完全可 以應(yīng)用集成的一整套AMESim應(yīng)用庫來設(shè)計一個 系統(tǒng)，所有的模型都經(jīng)過嚴格的測試和實驗驗 證。AMESim不僅可以令使用者迅速達到建模仿 真的最終目標，而且還可以分析和優(yōu)化設(shè)計。A MESim使得工程師從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而專注于物理系統(tǒng)本身的

4、設(shè)計，不需要書 寫程序代碼。AMESet模型與文檔生成器AMESet是一個模型和文檔生成器，用于開發(fā) 和維護用戶自己的模型庫。AMESet提供了一個 綜合的圖形化界面，用戶不僅可以直接訪問AME Sim所有模型的源代碼，而且還可以把自己開發(fā) 的新圖標和模型集成到AMESim軟件包或生成標 準化的C或FORTRAN代碼并為此生成相應(yīng)的標準 的幫助文檔。AMESet不僅是一個工具，而且它 確保了在開發(fā)過程中的標準化和規(guī)范化。借助于 AMESet，用戶可以自己開發(fā)標準的、可重復(fù)使用 的、便于維護的、并附有完整文檔的模型庫。AMECustom數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建工具=JliiJAMECustom是一個數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建

5、工具，用戶在其 中可以為子模型或超模型創(chuàng)建定制的用戶界面 和參數(shù)設(shè)置，使用AMECustom可以建立專有的模 型數(shù)據(jù)庫。通過AMECustom的定制功能，最終的 用戶只允許訪問相關(guān)有用的信息，涉及到技術(shù)敏 感性的信息可以進行加密。AMERun用戶運行版本AMERun是一個AMESim的只運行版本。AMERu n使得工程師廣泛地和最終用戶共享驗證和定制 過的模型。AMERun的用戶可以修改模型的參數(shù) 和仿真的參數(shù)，執(zhí)行穩(wěn)態(tài)或動態(tài)仿真，輸出結(jié)果 圖形和分析仿真結(jié)果。AMERun通過禁止最終用 戶修改模型結(jié)構(gòu)和建模假設(shè)來保護模型。AMERu n使得使用者可以安全地和內(nèi)部或外部合作伙伴 分享可重復(fù)使用

6、的模型。hiliiJ該軟件的主要特點可歸納為以下3點：一是 模型庫豐富，多達14類，涵蓋了機械、液壓、 控制、液壓管路、液壓元件設(shè)計、液壓阻力、氣 動、熱流體、冷卻、動力傳動等領(lǐng)域，且采用易 于識別的標準ISO圖標和簡單直觀的多端口框 圖，方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)；二是具有與Matla b、Simulink、Adams等多種軟件的接口，可方 便地與這些軟件進行聯(lián)合仿真3；三是有開 放性，AMESim語言是底層開放的，可以通過查 看編譯產(chǎn)生的C語言和FORTRAN語言源代碼和幫 助文件理解軟件的建模思想。內(nèi)置與C (或Fo rtran )和其它系統(tǒng)仿真軟件的接口，用戶可以 在AMESim環(huán)境中訪問任

7、何C或Fortran程序。2.AMESim應(yīng)用舉例下面以一液壓位置控制系統(tǒng)為例說明AMESim 的應(yīng)用，使液壓執(zhí)行機構(gòu)的輸出位移跟蹤給定的 輸入信號。=1liiJ=1首先在AMESim的草圖模式(Sketch mode) 下建立該液壓執(zhí)行機構(gòu)位置控制系統(tǒng)的仿真模 型，該系統(tǒng)主要是由液壓缸、三位四通液壓伺服 閥、定量泵、蓄能器、溢流閥以及信號源和增益 等構(gòu)成，其液壓機械部分是一個開關(guān)型閥控缸系 統(tǒng)，從整體來看又是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 如圖1所示。其工作原理為：用位移傳感器x將 執(zhí)行機構(gòu)的位移轉(zhuǎn)換為信號并與給定的位移信 號進行比較后形成閉環(huán)控制的誤差信號，所得到 的差值通過比例放大后驅(qū)動伺服閥

8、動作，來接通 /切斷執(zhí)行機構(gòu)的液壓油供應(yīng)并改變供油方向， 從而實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)位移的大小及方向的控 制。只要執(zhí)行機構(gòu)的輸出位移與給定的位移存在 偏差，系統(tǒng)就可以自動調(diào)節(jié)輸出位移，直到誤差 為零。圖1液壓機械位置控制系統(tǒng)圖1中，用分段線性信號源2來模擬執(zhí)行機構(gòu)(液壓缸)驅(qū)動的負 載阻力，期望位移信號由左端的分段線性信號源 1來給定。系統(tǒng)模型搭建完成之后，在子模型模式(sub model mode)中根據(jù)實際需要為每個元件選擇一 個數(shù)學(xué)模型即子模型，在這里為簡便起見均選擇 最簡子模型。接下來在參數(shù)模式(parameter mode)中為 每個子模型設(shè)置參數(shù)。將液壓缸活塞宜徑設(shè)置為 30mm，活塞桿

9、的直徑設(shè)置為20mm，所連質(zhì)量塊 的質(zhì)量設(shè)置為250kg；設(shè)置電磁換向閥的固有頻l=Jl=Jw=1率為50Hz，阻尼率為2,額定電流為200mA；泵 的排量設(shè)置為35mL/r；泵的轉(zhuǎn)速為1500r/min； 分段線性信號源2設(shè)置為常量1000，則經(jīng)過由 信號到力的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行機構(gòu)活塞桿就能得到一個 恒為1000N的阻力；將給定的期望位移信號設(shè)置 在01之間，執(zhí)行機構(gòu)的位移也將在01m之間， 為了提高測量精度，用位移傳感器將這一位移放 大了 10倍，因此將增益3設(shè)置為10，這樣給定 的期望位移將與執(zhí)行機構(gòu)的實際輸出位移在相 同的范圍內(nèi)變化。將分段線性信號源1設(shè)置為在 05s內(nèi)從0變化到0.5,在5

10、10s內(nèi)從0.5變化 到0.8并保持不變。其它參數(shù)均按默認值來設(shè) 置。liiJ系統(tǒng)所要求達到的性能指標為：在運行時間3 0s內(nèi)，動態(tài)跟蹤誤差不超過0.015m，穩(wěn)態(tài)誤差 不超過0.0005m。因為在AMESim中，三位四通 液壓伺服閥的閥芯的動態(tài)特性由一個二階振蕩 系統(tǒng)來表示，由自控原理可知，由二階系統(tǒng)構(gòu)成 的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，二階系統(tǒng)的前置放大器放大 倍數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響是比較大的，在這 里，前置放大器即增益4,通過調(diào)節(jié)增益4的大 小，觀察液壓缸活塞桿的實際輸出位移與所給定的期望值之差，找到滿足性能指標的增益范圍。 最后在運行模式(run mode )中的運行參數(shù)(r un paramet

11、ers)中設(shè)置運行時間為30s，采樣 周期為005s。點擊開始運行(start run)， 得到仿真結(jié)果。9876543210 OOOOOOOOO350時的液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望值UILU/8101520?/s圖 3 k4=350口 HYPERLINK 1 p時的液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望值之 差（1）當k4=350時，給定的位移信號與執(zhí)行 機構(gòu)活塞桿實際位移的關(guān)系曲線如圖2、圖3所 示?？梢?，這時的穩(wěn)態(tài)誤差是滿足要求的，但動 態(tài)跟蹤誤差超過了0 015m。（2）當k4=500時， 給定的位移信號與執(zhí)行機構(gòu)活塞桿實際位移之 差如圖4所示。圖 4 k4=500時的液壓缸活塞桿的實

12、際輸出位移與期望值之14.0112.0 Rx.10.0-=&0 IE 6.0與4.02.00.01-2* 0|差 53 圖 5 k4=500時的液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望值之 差 可見，這時的動態(tài)跟蹤誤差是滿足要求的， 但穩(wěn)態(tài)誤差超出了 0.0005m，仍未能達到性能指 標。=1調(diào)整增益4的值，得到滿足系統(tǒng)性能指標的 增益值范圍為443 5478。在這個范圍內(nèi)，位 置跟蹤系統(tǒng)具有較好的閉環(huán)跟蹤效果。通過反復(fù) 調(diào)整、分析可以得出：k4值越大，響應(yīng)速度越 快，動態(tài)跟蹤誤差越?。坏玨4值過大，運行10 s之后，跟隨曲線會出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)存在明顯的 振蕩，不穩(wěn)定。因此，在實際調(diào)節(jié)過程中，為了 使系

13、統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性，可以根據(jù)精度和具體 要求來確定最佳的增益值。=1另外，液壓缸油腔死區(qū)油量越大，油液的可 壓縮效果就越明顯，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。在其它子模 型參數(shù)完全相同的情況下，將液壓缸油腔死區(qū)油 量從默認值50cm3改為10cm3仿真運行后得到圖 5,與圖4進行比較可以驗證此結(jié)論。而且，液 壓伺服閥的固有頻率對系統(tǒng)穩(wěn)定性也有較大的 影響，此值越大，閥的響應(yīng)速度就越快，會加劇 系統(tǒng)的振蕩，增大穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)更加不穩(wěn)定； 但是閥固有頻率過小，響應(yīng)速度太慢，會導(dǎo)致動 態(tài)跟蹤誤差過大，跟蹤效果不好。因此，合理選 擇具有適當固有頻率對液壓伺服閥非常重要。=1蓄能器在系統(tǒng)中主要作為泵的輔助能源，同 時作

14、為系統(tǒng)的補油器。它可以在液壓缸不工作時 將泵輸出的油儲存起來，在液壓缸工作時釋放儲 油以完成整個循環(huán)。從系統(tǒng)無蓄能器時的運行結(jié) 果來看，如果增益4在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，系統(tǒng)仍能 夠達到性能要求，但在相同條件下，與有蓄能器 時的運行結(jié)果相比，系統(tǒng)會出現(xiàn)明顯的振蕩，穩(wěn) 定性不夠。因此在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器是很有必要 的，它可以減小壓力脈動，使系統(tǒng)更加平穩(wěn)。3結(jié)論liiJ通過對液壓機械建模仿真軟件AMESim的應(yīng)用 研究，可得到以下結(jié)論：(1)AMESim的圖形化建模仿真界面直觀易懂， 使用方便，容易掌握。AMESim的圖形處理功能比較完善，可以將 所感興趣的數(shù)據(jù)直接圖形化并進行各種疊加處 理，還可以對所得圖線進行動態(tài)實時更新，減少 了重復(fù)操作，有利于提高工作效率。(3)用AMESim對液