《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于AMESim/Matlab的液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)仿真研究
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第4期
吳健楠,王勇亮,,趙玉龍,,董智超
(空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所,,吉林 長(zhǎng)春130022)
摘要: 為了提高液壓六自由度平臺(tái)的建模精確度,改善控制效果,,采用AMESim和Matlab兩種軟件以及PID控制技術(shù)對(duì)平臺(tái)單通道系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真,。仿真結(jié)果表明,利用AMESim與Matlab各自優(yōu)勢(shì)的聯(lián)合仿真技術(shù)具有良好的仿真效果,,為進(jìn)一步開發(fā),、研制液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)打下了良好基礎(chǔ)。
Abstract:
Key words :

摘  要: 為了提高液壓六自由度平臺(tái)的建模精確度,,改善控制效果,,采用AMESimMatlab兩種軟件以及PID控制技術(shù)對(duì)平臺(tái)單通道系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明,,利用AMESim與Matlab各自優(yōu)勢(shì)的聯(lián)合仿真技術(shù)具有良好的仿真效果,,為進(jìn)一步開發(fā)、研制液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)打下了良好基礎(chǔ),。
關(guān)鍵詞: 液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),;AMESim;Matlab,;PID

    飛行模擬器是當(dāng)今軍事仿真技術(shù)的重要研究領(lǐng)域,,液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)則是飛行模擬器的重要組成部分。液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制,,能夠向飛行員提供飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)感信息,,使飛行員的感覺與真實(shí)飛行時(shí)的感覺相一致[1],其運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到飛行模擬的逼真度,。從力學(xué)角度看,,并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合,、變參數(shù)的多變量系統(tǒng)[2],,其建模難度非常大。而應(yīng)用較為廣泛的一些仿真軟件,,如AMESim,、Matlab、ADAMS等,,都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),,從而造成了依靠單一的仿真軟件建立的模型得到的仿真結(jié)果不盡如人意。
    基于AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)是近年發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù),,它利用AMESim和Matlab接口技術(shù)將兩個(gè)優(yōu)秀的專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來,,解決了復(fù)雜系統(tǒng)建模難度大的問題,廣泛應(yīng)用于汽車制造,、航空航天等領(lǐng)域的仿真研究,。為了檢驗(yàn)該聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的仿真效果,,本文以液壓六自由度單通道系統(tǒng)為例,對(duì)AMESim/Matlab系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,,獲得了良好的仿真效果,。
1 液壓六自由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成及工作原理
1.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成

    液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由控制計(jì)算機(jī),、接口系統(tǒng),、液壓汞站、液壓伺服系統(tǒng),、接口系統(tǒng)等組成,,基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

1.2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作原理
    控制計(jì)算機(jī)模擬實(shí)時(shí)接收飛行方程解算出的與控制運(yùn)動(dòng)裝置有關(guān)的各種信息(也可由實(shí)驗(yàn)者直接輸入與控制運(yùn)動(dòng)裝置有關(guān)的各種信息)并進(jìn)行處理,經(jīng)D/A變換,、前置濾波、伺服放大后成為電液伺服閥的輸入信號(hào),;電液伺服閥在液壓站的配合下,,控制液壓缸的進(jìn)油方向和流量,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓缸平滑,、穩(wěn)定地伸縮,,實(shí)時(shí)產(chǎn)生期望的過載、姿態(tài),、振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)信息,;同時(shí)液壓缸的伸長(zhǎng)量還經(jīng)位置傳感器送給比較放大器,形成硬件閉環(huán)控制,,同時(shí)也送給接口系統(tǒng),,通過A/D變換后輸入給控制計(jì)算機(jī),作為檢測(cè)和控制信息,;液壓缸上下腔的壓力差也反饋給比較放大器,,進(jìn)行壓力補(bǔ)償,提高控制精度,。
2 液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)聯(lián)合仿真
    由于AMESim軟件具有很強(qiáng)的兼容性,,同時(shí)考慮到Matlab軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算能力以及它與AMESim之間有良好的轉(zhuǎn)換接口,本文選用AMESim對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各個(gè)組成部件進(jìn)行建模,,然后將模型通過接口技術(shù)導(dǎo)入到Matlab中,,在Simulink環(huán)境下進(jìn)行控制分析。由于篇幅有限,,本文以液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單通道系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行建模仿真分析,。
2.1 AMESim環(huán)境下建模
    機(jī)電液專業(yè)仿真軟件AMESim采用面向系統(tǒng)原理圖建模方法,便于工程技術(shù)人員掌握[3],,其自帶的智能求解器能保證運(yùn)算精度并具有良好的擴(kuò)展性,。圖2所示為單通道系統(tǒng)在AMESim中的仿真模型,。具體建模步驟如下:

    (1)在AMESim/Sketch mode模式下根據(jù)系統(tǒng)物理構(gòu)成搭建清晰直觀的物理模型;
    (2)在AMESim/Submodel模式下為搭建的物理模型選擇子模型,;
    (3)在AMESim/Parameter模式下根據(jù)實(shí)際平臺(tái)的參數(shù)設(shè)置AMESim模型參數(shù),,具體設(shè)置如下:液壓缸初始位移0 mm;活塞直徑100 mm,;桿直徑70 mm,;質(zhì)量塊300 kg;黏滯摩擦系數(shù)0.000 1 N/m/s,;靜摩擦力0.6 N,;安全閥開啟壓力21 MPa;汞排量40 mL/r,;轉(zhuǎn)速1 500 r/min,;電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min;伺服閥各通路額定流量400 L/min,;對(duì)應(yīng)壓降3.5 MPa,;額定電流40 mA;伺服閥阻尼比2,;伺服閥固有頻率50 Hz,。
2.2 AMESim/Matlab下系統(tǒng)建模
    AMESim雖然可提高系統(tǒng)建模精度,但在數(shù)值處理,、控制算法設(shè)計(jì)方面功能不是很強(qiáng)大,;而Simulink借助于Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力,在數(shù)值計(jì)算及控制算法研究方面得到了廣泛應(yīng)用,,但在Matlab環(huán)境下的建模精確度不是很高,。采用聯(lián)合仿真技術(shù)將兩個(gè)專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來可取長(zhǎng)補(bǔ)短,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),,提高仿真的精確度,。
    AMESim與Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真通過AMESim的創(chuàng)建輸出圖標(biāo)功能與Simulink中的S函數(shù)[4]實(shí)現(xiàn)連接,圖3為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在Simulink環(huán)境下的仿真模型,。

    具體實(shí)現(xiàn)步驟為:
    (1)在AMESim中采用繪圖模式建立系統(tǒng)模型,,并為Simulink的控制模塊構(gòu)造一個(gè)圖標(biāo)。具體方法為在繪圖模式中點(diǎn)擊“界面”(Interface)菜單,,選擇“創(chuàng)建輸出”(Create Export Icon)圖標(biāo),,選擇輸入輸出端口數(shù)目,定義圖標(biāo)聯(lián)合仿真界面SimuCosim并對(duì)此界面進(jìn)行說明,,將模型與界面圖標(biāo)相對(duì)應(yīng)的部分連接起來完成整個(gè)模型的搭建,。
    (2)在AMESim子模型模式下為系統(tǒng)各個(gè)模塊選擇合適的子模型并保存。
    (3)在AMESim參數(shù)模式中輸入系統(tǒng)各個(gè)模塊參數(shù)。
    (4)在運(yùn)行模式下點(diǎn)擊“開始”運(yùn)行,。運(yùn)行結(jié)束即將AME-
Sim模型轉(zhuǎn)化為Simulink中可以調(diào)用的S函數(shù),。
    (5)在Simulink中構(gòu)建控制系統(tǒng)模型,在S-Function模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置函數(shù)名及生成結(jié)果文件的時(shí)間間隔,。
3 系統(tǒng)仿真分析
    在Simulink環(huán)境下輸入階躍信號(hào),,設(shè)定仿真周期為10 s,采樣周期為1 s,,聯(lián)合仿真下液壓缸的位移曲線如圖4所示,。

 

 

    由圖4可知,聯(lián)合仿真效果良好,,系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào),,但系統(tǒng)上升時(shí)間過長(zhǎng)(約8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)),。而上升時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性,,上升時(shí)間越短,控制進(jìn)行得就越快,,系統(tǒng)品質(zhì)就越好,。從圖4的仿真結(jié)果可以看出,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)較差,,不符合六自由度液壓平臺(tái)實(shí)時(shí)性要求,,需要對(duì)Simulink模型做進(jìn)一步改進(jìn)??紤]到PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、參數(shù)物理意義明確、被控對(duì)象適應(yīng)性強(qiáng),、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點(diǎn)[5],,將PID控制器添加到聯(lián)合仿真模型中,在Simulink環(huán)境下系統(tǒng)的輸入信號(hào)采用階躍信號(hào),,仿真周期和采樣周期保持不變,,通過S函數(shù)編寫PID控制算法,對(duì)建立的模型進(jìn)行控制,,通過反復(fù)調(diào)試,,確定Kp=100.32、Ki=0.25,、Kd=4.5,,聯(lián)合仿真后的液壓缸位移曲線如圖5所示。

    由圖5可知,,加入PID控制后,,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少,約0.8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)明顯得到改善,,同時(shí)保持了較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,,達(dá)到了預(yù)期目的,獲得了良好的仿真結(jié)果,。
    利用AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了建模仿真,。仿真結(jié)果表明,采用聯(lián)合仿真技術(shù)建立的模型仿真效果好,、系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào),,達(dá)到了預(yù)期的要求。同時(shí),,針對(duì)聯(lián)合仿真環(huán)境下模型特點(diǎn),,采用了PID控制,有效地提高了系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì),,改善了液壓缸的伺服控制效果,。
    聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)為今后的研究打下了良好基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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