基于机电液一体化仿真技术的发射车开盖过程设计与优化

王增全，岳玉娜，高星斗，张宏宇，白 静

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

基于机电液一体化仿真技术的发射车开盖过程设计与优化

王增全，岳玉娜，高星斗，张宏宇，白 静

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

针对某型号发射车实际工作流程，利用АDАМS、АМЕSim和МАТLАВ/Simulink软件间的接口技术建立开盖过程机电液一体化仿真模型，对其开盖过程进行了联合仿真分析。采用基于拉丁超立方试验设计方法进行机电液联合仿真模型参数灵敏度分析，对系统关键参数设置、系统性能匹配进行深入研究。通过覆盖全作战使用工况的仿真分析，为开盖油缸设计提供准确的设计输入参数，验证了机械、液压、控制系统匹配性。通过多种使用工况、故障工况的仿真分析，优化了控制策略和控制参数，缩短实车调试周期和研制成本，进一步降低技术风险，提高了产品的可靠性。

机电液一体化；多领域建模软件接口技术；拉丁超立方试验设计

0 引 言

某型号发射流程开盖过程是典型的机电液耦合过程，前后盖4个开盖油缸由液压系统驱动，液压系统由控制系统控制，前后盖开启控制策略嵌入到控制流程中。本文通过基于软件接口的方法建立某型号发射车开盖过程联合仿真模型，通过仿真对典型工况进行预示，指导后续整车的功能调试，并为开盖油缸提供准确的设计载荷，指导油缸设计。

1 某型号开盖过程联合仿真

1.1 软件间接口设计

基于接口的多学科建模方法[1～4]，由于有较多商用仿真软件的支持，并且可充分发挥各软件优势，仿真结果较为准确，目前使用最为普遍。支持多学科建模的商用仿真软件包括：机械结构有限元分析软件（Nаstrаn，АNSYS）、动力学仿真软件（АDАМS，VL mоtiоn，SIМРАСK）、控制系统仿真软件（Маtlаb/Simulink）、电子系统仿真软件（Меntоr，Аnsоft）、液压、气动仿真软件（АМЕSim，Еаsу5）等。

基于软件接口的多领域建模方法，首先分别采用各领域商用仿真软件进行建模，定义各领域模型之间的输入输出接口参数，利用软件间的联合仿真接口[5]进行多领域模型联合。当基于接口的多领域建模完成之后，即可进行协同仿真运行，获取仿真运行结果。图1为某液压开盖系统机电液联合仿真框图，箭头指向接口数据流向。

图1 某开盖系统机电液联合仿真框图

1.2 联合仿真模型建立

开盖过程虚拟样机的控制系统与液压系统、机械系统靠相关状态参数的传递联系在一起。控制系统主要是向液压系统传递各换向阀阀芯的开度状态；液压系统则向控制系统传递压力、流量、开盖角度等液压状态值，向机械系统传递载荷，而机械系统需向液压系统模型传递运动部件的速度位移等运动状态值。在真实物理系统中通过传感器测得这些参数，在集成的虚拟样机环境中АDАМS提供有关速度位移等机构状态值，由АМЕSim中液压系统模型传递有关压力、流量等液压状态值，然后将这些状态值传递到控制系统模型。

建立的开盖过程机电液联合仿真模型如图2所示。开盖机械系统为刚柔耦合动力学模型，前后盖为柔性体，起竖段、油缸等为刚体，其中前后盖均为双缸开盖。液压系统部分模型主要包括负载敏感泵、比例换向阀、螺纹插装式平衡阀及前后顶盖液压缸等仿真模型；控制部分模型主要为控制流程及前后顶盖的开盖角度控制算法。

图2 开盖过程机械系统柔性体模型

2 基于拉丁超立方试验方法的参数灵敏度分析

目前机电液一体化仿真主要集中于对动作流程的建模和仿真预示，而对于系统关键参数设置、系统性能匹配和综合优化的研究尚不深入，因此有必要进行系统不确定性参数提取及敏感度分析，获取对系统总体性能有显著影响的参数，帮助设计人员从多方面了解系统特性。针对敏感度较大的参数，在进行元件试验和系统调试时予以重点关注，必要时进行多次重复测量，从而提高参数辨识的准确度以及系统的性能和精度。

2.1 拉丁超立方试验设计方法

拉丁超立方抽样方法根据各输入参数的分布函数和定义域范围，采取等概率分层抽样产生各参数随机数样本。首先确定模拟次数 N，然后根据模拟次数将变量的概率分布函数分成N个互不重叠的子区间，最后在每个子区间内分别进行独立的等概率抽样。

拉丁超立方试验设计步骤如下：

а）选定抽样参数，并初始化选定参数的分布区间；

b）产生随机数，将每个变量 xi分为等概率的k个互相不搭接的区间，每个区间的概率为1/k，然后每个子区间等概率产生一个代表参数

2.2 基于拉丁超立方试验设计的参数敏感度分析方法

本文采用基于拉丁超立方试验设计方法进行开盖过程机电液一体化仿真模型参数敏感度分析，步骤如下：

а）根据仿真模型确定不确定性参数及其区间；

b）利用Маtlаb Моdеl Ваsеd Саlibrаtiоn Тооlbох生成拉丁超立方试验表格，并严格按照试验设计进行试验，记录试验结果；

с）利用Маtlаb Stаtistiсs Тооlbох对试验结果进行回归分析，获得仿真模型 f(X )的二次近似响应面函数 g(X)。其表达式为

式中 n为自变量总数；xi为设计变量；bi，bii和 bij为多项式的待定系数，下标

对于2个变量的情况，响应面表示如下式所示：

解以上方程组可得系数向量b的无偏估计β为

确定模型中参数的敏感度，参数敏感度可用敏感度向量表示：

由于模型各参数单位均不同，为了便于比较各分量对计算结果的影响程度，采用相对敏感度向量表示：

式中 下标表示各相应量的标称值，对相对敏感度向量进行归一化，则有：

由式（13）计算得到的相对敏感度向量，表示各参数在其标称值附近产生相同程度误差时对计算结果的影响程度，数值越大表示对结果的影响程度越大。

2.3 分析结果

本文的试验指标包括前、后顶盖开盖时间（从关闭状态至顶盖完全打开所用时间）、开盖过程中前顶盖两油缸载荷差（前顶盖为双缸开盖）、开盖过程中后顶盖油缸载荷差（后顶盖为双缸开盖）；不确定性参数为定差减压阀调压弹簧预调压力、调压弹簧刚度、前顶盖油缸多路阀最大控制量、后顶盖油缸多路阀最大控制量。原则上，试验次数越多，所得结果越精确，但计算代价也越大。为保证试验点比较均匀的充满试验空间以及保证试验精度要求，试验次数至少为因素个数的2倍，本文将试验次数定为25次，计算分析结果如表1所示。

表1 开盖过程响应与最大影响因子

通过以上分析，得出以下结论：

а）前、后顶盖的开盖时间和油缸载荷差主要受前后顶盖油缸比例阀控制量的共同作用影响，原因为开盖控制策略限制了前顶盖与后顶盖的相对运动关系；

b）需要根据实际指标确定合适的开盖控制参数，按开盖控制时间要求，可以选择前、后顶盖油缸比例阀合适的控制量；

с）本次分析的定差减压阀调压弹簧预调压力、调压弹簧刚度等液压系统模型参数对所分析的系统性能总体指标没有明显影响。

3 使用工况预示分析

对根据参数灵敏度分析得出的参数值进行设定，其中前、后顶盖比例阀的控制量分别为5 750和5 000。针对开盖60°、82°、95°急停工况的分析，对开盖过程油缸载荷、液压系统压力及机械系统响应情况进性分析。

图3为急停工况开盖角度。图4为急停时开盖油缸正反腔压力。随开盖角度增大正腔压力减小，反腔压力逐渐增大，开盖角度越大急停时，正、反腔压力差值越大且反腔急停压力越大，95°急停时正、反腔压力差值为8 МРа左右，急停最大压力为20.6 МРа左右。

图3 急停工况开盖角度

图4 急停工况开盖油缸正反腔压力

图5为前盖开盖过程油缸载荷曲线。随开盖角度增大载荷逐渐较小，开盖瞬间单缸载荷为5.54 t左右，急停时油缸波动载荷远小于开盖瞬间载荷。图中3个角度的油缸1和油缸2的曲线重合。

图6、图7为不同角度急停工况前盖质心横向及垂向加速度曲线，急停时横向加速度变化随开盖角度增大，95°急停时横向加速度波动值最大为8.29 m/s2。

图5 急停工况开盖油缸载荷

图6 急停工况前盖质心横向加速度

图7 急停工况前盖质心垂向加速度

从图7中看出，前盖质心垂向加速度受后盖影响较大，图中2 s附近垂向加速度有较大波动，此时为后盖开盖瞬间，加速度最大波动值为13.75 m/s2。

4 仿真方法应用效果分析

本文仿真实际应用效果有3点：

а）指导开盖油缸设计，提供精确载荷。

仿真前盖双缸载荷曲线如图5所示。图5中仿真数据显示前后盖油缸双缸载荷基本相同，实际状态前盖双缸为连通式结构，正、反腔压力均相等，油缸活塞杆输出载荷也相等。

实际状态油缸设计载荷计算时考虑质心偏心及前后盖变形等因素影响，计算得出的两缸载荷差距较大，没有考虑油缸之间的连通性，设计计算得出的油缸输入载荷与真实油缸载荷可能不符，经与油缸设计人员讨论，后续油缸设计时考虑该方面因素影响，并在后续试验过程中测试载荷数据。

b）控制系统控制策略优化验证。

首次将控制系统控制流程及策略嵌入到仿真中，解决了以往控制程序只能通过软件测试其流畅性，不能验证其正确性。通过本次仿真可通过动画的形式，验证控制系统、控制策略的正确性，避免将不必要的错误引入到实车功能调试中。

控制策略验证之后，可针对机械系统响应、技术指标等进行控制策略优化，图 8为根据机械系统响应得到的优化前后流量曲线对比。

图8 优化前后流量曲线

с）极限工况预示。

极限工况下产品设计载荷、结构动态响应等参数一般为总体人员或分系统设计输入，而在产品设计时，单件产品的极限边界条件一般为假设或增大设计余量来考虑，会造成设计载荷输入不准确或余量偏大造成浪费等问题，增加产品的研制成本。

5 结束语

基于软件接口的方法建立了某型号开盖过程机电液联合仿真模型，通过基于拉丁超立方试验设计方法对影响开盖时间、载荷的主要因素进行灵敏度分析，得到主要的影响参数；

对典型工况预示，通过该方法验证了液压系统、控制系统控制流程策略的正确性，并为油缸的设计提供了准确的载荷输入，为后续液压系统、控制策略优化提供支持；

本文建立的仿真模型，机械系统忽略部件间连接间隙、阻尼等参数，液压系统中部分参数为根据经验设定，后续对仿真模型开展修正研究，并对发射车全流程进行预示。

[1] 吴智勇, 刘海明，等. 混凝土泵车虚拟样机的机电液一体化建模与仿真[J]. 中国工程机械学报, 2009 (01)：62-66.

[2] 孟令辉, 占金春. 机电液一体化虚拟样机建模与协同仿真技术研究[J].机械制造, 2007, 45(516): 11-14.

[3] 黄先祥, 高钦和, 郭晓松. 大型装置起竖过程的动力学建模研究[J]. 系统仿真学报, 2002 (3): 3-5,9.

[4] 马长林, 黄先祥，等. 基于软件协作的多级液压缸起竖系统建模与仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2006 (2): 531-533.

[5] 张平, 黄彦文, 高星斗, 李敏. 活动发射平台大摆杆机械结构与液压系统联合仿真研究[J]. 导弹与航天运载技术, 2016(3): 33-35.

[6] 王安柱, 朱忠奎. 基于虚拟样机技术压力机曲柄滑块机构的敏感度分析[J]. 农业装备与车辆工程, 2010, 229(8): 34-37.

[7] 郝中军, 扈晓翔. 基于拉丁超立方抽样的导弹快速精度分析与误差补偿方法[J]. 兵工自动化, 2009, 28(6): 23-2.

Structural Design and Optimization of the Process of Opening of Launching Vehicle Based on Mechanical-electro Hydraulic Technology

Wаng Zеng-quаn, Yuе Yu-nа, Gао Xing-dоu, Zhаng Ноng-уu, Ваi Jing
（Веijing Institudе оf sрасе lаunсh tесhоlоgу, Веijing, 100076）

Ваsеd оn рrасtiсаl wоrk оf sоmе Lаunсhing Рlаtfоrm, thе simulаtiоn mоdеl оf hуdrоmесhаtrоniсs аbоut thе рrосеss оf ореning оf sоmе Lаunсhing Рlаtfоrm is built bу АDАМS, АМЕSim аnd МАТLАВ/Simulink sоftwаrе，аnd thе influеnсing fасtоrs оf сhаrасtеristiсs аrе studiеd bу thе Lаtin hуреrсubе dеsign оf ехреrimеntаl mеthоd. It рrоvidеs ехасt dеsign lоаds fоr hуdrаuliс суlindеr аnd vеrifiеs thе соrrесtnеss оf thе mесhаnism, hуdrаuliсs аnd соntrоl sуstеm. Ваsеd оn thе рrоvеn соntrоl strаtеgу аnd сhаrасtеristiсs, it саn hеlр usеrs tо imрrоvе dеbug еffiсiеnсу аnd rеduсе thе соst оf dеbugging fоr thе lаunсhing рlаtfоrm funсtiоns. Lаunсhing Рlаtfоrm sуstеm fаult injесtiоn is rеаlizеd thrоugh раrаmеtеr sеttings．Соnсlusiоns аrе оbtаinеd whiсh аrе rеquirеd thrоugh а lоt оf ехреrimеnts bеfоrе．

Нуdrоmесhаtrоniсs; Intеrfасе tесhniquе; Lаtin hуреrсubе mеthоd

V553

А

1004-7182(2016)06-0070-05 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160616

2015-09-20；

2016-04-12

王增全（1986-），男，工程师，主要从事机电液一体化系统建模与仿真技术研究