基于多系统联合仿真技术的液压系统研究

何少炜，皮嘉立（后勤工程学院 军事供油工程系，重庆，401311）

基于多系统联合仿真技术的液压系统研究

何少炜，皮嘉立
（后勤工程学院 军事供油工程系，重庆，401311）

液压泵是液压系统关键的动力元件，液压泵是否与液压控制元件与执行元件相匹配将直接影响到液压系统的效率。运用基于软件接口的方法对液压机构虚拟样机模型进行仿真计算。仿真结果显示，液压缸运行平稳，液压马达的转速在PID控制器的作用下获得良好的工作状态，液压泵的可以在正常工作压力下运行。

联合仿真；液压系统；控制系统；软件接

0 多系统联合仿真技术

液压控制系统是由机电液系统构成的复杂且涉及多个物理领域的综合模型，要实现液压控制系统整体性能仿真，不仅需要研究单个领域软件的仿真，而且还需要研究多个领域软件之间的联合仿真。液压控制系统的多系统联合仿真技术将来自于液压机构的机构动力、电磁阀的信号控制、液压系统的液压回路3个不同学科领域的模块组装成为一个整体模型，并对其进行仿真分析。本文中多系统联合仿真技术主要应用基于软件接口（Based on Interfaces）的方法建模仿真。

1 基于软件接口的仿真方法

基于软件接口的仿真方法的思路是，首先采用本领域仿真软件进行本学科领域的建模，在Adams、AMESim、MATLAB/ Simulink仿真软件中建立的多领域系统子模块，作为仿真阶段的输出模块；然后利用各领域仿真软件之间的接口实现多领域建模。最后利用“协同仿真运行”，获取仿真运行结果。AMESim通过与控制系统仿真软件MATLAB/Simulink和ADAMS的接口，通过接口实现Adams机构力与AMESim液压回路、MATLAB/Simulink信号控制系统的多领域建模仿真。仿真过程中，AMESim作为主仿真软件，在仿真离散时间点使机构动力领域和信号控制领域的仿真模型通过进程间通信等方法进行相互的信息交换。

图1 仿真模型数据传递流程Fig.1 Data transmission of united simulation

图2 ADAMS的机构动力模块Fig.2 Mechanism dynamics module of ADAMS

液压机构的Adams机构动力模块、AMESim液压回路模块、MATLAB/Simulink信号控制模块三个部分模块的输入、输出变量已经得出。如图1所示为仿真过程中进行数据传递过程。在这种模式下，主仿真AMESim软件负责控制各个软件之间数据传递的时间，其他模块的求解在各自仿真软件中进行，在固定的时间点进行数据传递，利用Adams、MATLAB/Simulink软件的求解器求解，高精度的仿真结果就可以快速得出。

2 直线式液压机构的ADAMS与AMESim联合仿真

ADAMS与AMESim液压机构的联合仿真模型由机构动力模块和液压回路模块组成，在ADAMS建立液压机构的机构动力模块，该模块由六杆机构组成如图2所示，在AMESim软件中建立液压机构的液压回路模块，该模块由机械马达、定量泵、溢流阀、三位四通阀、流量控制阀、液压缸和ADAMS嵌入式模块组成如图2所示。ADAMS机构动力和AMESim液压回路子系统的输入、输出变量的信号传递需要2个模块的接口，这2个模块的接口分别由velocity和force承担，如图3所示，velocity和force接口将机构动力模块和液压回路模块组合成液压机构的整体仿真模型。

图3 ADAMS与AMESim联合仿真模块Fig.3 Module of united simulation by ADAMS and AMESim

将液压机构液压缸的运行速度输入到图3常信号源k中，将液压缸的调定速度设定为0.12m/s，执行仿真后，液压缸运行速度曲线如图4所示，液压缸在运行一段时间后逐渐达到平稳，最终稳定于0.12m/s 。

因液压机构的机构动力、液压回路、信号控制子模块都是由线性微分方程搭建而成，故液压机构是一个线性系统，根据线性系统的叠加性质，通过在机构中轴另一侧布置对称液压缸，在液压缸举升力保持不变的情况下，可以将液压泵的工作压力减小，布置对称液压缸后，液压泵运行压力曲线如图5所示，由图可知液压泵的工作压力小于20MPA，在液压元件的正常工作压力范围内，且曲线平稳，系统的稳定性得到验证。

图4 液压缸速度运行曲线Fig.4 Speed of Hydraulic cylinder

图5 对称布置液压缸情况下液压泵的工作压力Fig.5 Pump pressure hydraulic cylinder symmetrically arranged

3 回转式液压机构的MATLAB/Simulink与AMESim联合仿真

液压机构的联合仿真模型分别由MATLAB/Simulink与AMESim软件建立，在MATLAB/Simulink中建立系统的信号控制模型，该系统由常信号源、加法器、PID控制器等信号控制元件组成如图6所示，其中PID控制器比例增益、积分增益和微分增益的取值分别为P=2，I=1，D=2。在AMESim软件中建立液压机构的液压回路模块，该模块由液压马达、定量泵、溢流阀、三位四通阀、流量控制阀、液压缸和MATLAB/Simulink嵌入模块组成。信号控制模块和液压回路模块的接口分别由Omega和sig承担，如下图7所示，Omega和sig这2个接口将2个模块组合成液压机构的整体仿真模型。

图6 MATLAB/Simulink的信号控制模块Fig.6 Signal control model of MATLAB/Simulink

图7 MATLAB/Simulink与AMESim联合仿真模型Fig.7 Model of MATLAB/Simulink and AMESim united simulation

如图8所示为液压马达的转速变化曲线，图中绿色实线motor1为液压马达的转速曲线，最终稳定在15r/min，液压工作在低速状态，黄色虚线motor1为液压马达的转速曲线，最终稳定在120r/min，液压工作在高速状态。在MATLAB/Simulink信号控制模块的PID控制器的调节作用下，由图8分析可知液压马达在2种工况下转速随时间的变化曲线比较平滑，证明比例增益、积分增益和微分增益值选取为P=2，I=1，D=2是恰当的。

图8 液压马达转速Fig.8 Revolution speed of motor

如图9所示为液压马达的转速变化曲线，图中绿色实线pump01为液压马达在低速运转时对应液压泵的压力曲线，此时液压泵压力在40MPA上下浮动，说明液压在低速状态工作时，液压泵运行比较稳定；黄色虚线pump2为液压马达转速在高速运转时对应液压泵压力的曲线，此时液压泵压力在50MPA上下浮动，说明液压高速状态工作时，液压泵运行比较稳定。通过串联一个液压马达，平均分配马达的负载力矩，可以将适当降低液压泵的流量，进而减小液压泵工作压力，串联液压马达后，液压泵在2种工况下的工作压力曲线如图9所示，由图中可知液压泵的工作压力在30MPA以内，在普通液压元件的正常工作压力范围内，且压力曲线平稳，系统的稳定性得到验证，由此也说明此机电液系统在理论上是可以实现的。

图9 双液压马达情况下液压泵的压力曲线Fig.9 Pump pressure under both motor working condition

4 结论

机电液一体化系统是一类复杂系统，对其开展性能分析、预测、优化都离不开系统建模与仿真技术的应用。在液压系统的仿真技术运用时，ADAMS软件用于创建液压机构的动力学模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出液压缸的运行速度和运动副作用力曲线；MATLAB/Simulink则用图样式编程的方式，提供信号控制的图形接口，构建出信号控制系统的模块，AMESim软件作为主仿真软件，主要实现液压回路领域的建模和仿真，针对液压机构设备的仿真研究，采用联合仿真的手段使数学模型的准确度得到提高，仿真的逼真度得到保证，系统方案论证及功能评估试验的置信度得到提升。

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Hose rolling system design research based on united simulation of multisystem

He Shaowei，Pi Jiali
（Dept.of Petroleum Supply Engineering，LEU， Chongqing，401311，China）

Hydraulic pump is critical power elements.Aiming at analyze overall performance of the hydraulic system，The simulation results show that the hydraulic cylinder running smoothly，rotating speed of the hydraulic motor under the control of PID controller obtains a good working condition，and hydraulic pump can run in a normal working pressure.

united simulation；hydraulic system；control system； software interface

TH-137.7

A

国家科技支撑计划（2012BAK05B00）