基于液壓盤式剎車的液壓與控制聯合仿真

【摘 要】介紹了利用Matlab/Simulink與AMESim各自軟件的特點，對對液壓盤式剎車系統進行液壓與控制部分的聯合仿真。液壓盤式剎車系統是一個復雜、龐大的多子系統組成的系統，其中既有液壓部分又有控制部分，根據模型的建立，液壓模型在AMESim環境下構造，而控制模型部分則在MATLAB中完成的聯合仿真的方法。仿真結果表明可以直接檢測剎車盤制動正壓力大小且便于對液壓盤式剎車系統進行制動性能分析。

【關鍵詞】液壓盤式剎車 液壓 控制 聯合仿真

Abstract ： Introduced the use of Matlab/

Simulink AMESim and the characteristics of each software， on hydraulic disc brake system and hydraulic control part of the joint simulation. Hydraulic disc brake system is a complex and huge many children system components of the system， which are part of the hydraulic control part and， according to the model， hydraulic model in AMESim environment construction， and control model in part of the MATLAB joint simulation method is complete. The simulation results show that can directly measure the disk brake is pressure size， and is convenient for hydraulic disc brake system for brake performance analysis。

Keywords：hydraulic disc brake， hydraulic， control， co-simulation

1. 仿真方法及接口設置

本文之所以采用兩個軟件來進行聯合仿真，是因為液壓盤式剎車系統是一個復雜、龐大的多子系統組成的系統，其中既包括液壓部分又有控制部分，如果單純利用Simulink進行液壓系統建模及仿真，需要做很多簡化工作，使得仿真結果往往出現較大的誤差，系統將會變得非常復雜；而將液壓盤式剎車的液壓部分在AMESim中仿真，而控制部分利用Simulink仿真，利用AMESim提供的接口將兩個仿真聯合起來，這樣就可以這樣既發揮了AMESim 突出的流體機械的仿真效能[1]，又可借助MATLAB /Simulink 強大的數值處理能力，從而使系統的仿真效果更加完善。

AMESim和MATLAB的聯合仿真是通過AMESim中的界面菜單下的創建圖標功能與Simulink中的S函數實現連接的， 其過程如圖1所示。具體實現過程是在AMESim中經過系統編譯、參數設置等生成供Simulink使用的S函數，在Simulink環境中將建好的AMESim模型當作一個普通S函數來對待，添加入系統的Simulink模型中，從而實現二者的聯合仿真[2]。

2. 仿真中需要注意的問題

2.1要實現Matlab/Simulink與AMESim的聯合仿真平臺，對于使用Windows NT，2000或Windows XP操作系統的用戶，需要先安裝Microsoft Visual C++6.0作為系統編譯器。

2.2確認在AMESim中選擇VC作為編譯器，而在MATLAB命令窗口中輸入Mex-setup命令，按所給提示選擇VC作為編譯器。

2.3在Matlab的目錄列表里加上AMESim與Matlab接口文件所在的目錄：%AME%＼matlab＼amesim，其中%AME%是AMESim的安裝目錄。

2.4 AMESim模型從參數模式進入運行模式時，會生成特定的參數文件Simulink仿真運算使用。因此，如需修改AMESim模型的任意參數，必須在修改后再進入運行模式，以便在新的仿真運算中經過修改的參數值有效。若要關閉AMESim模型，也可通過在Dos命令窗口輸入“AMEload”命令，將AMESim模型文件重新分離成聯合仿真所需的各個部分。

2.5 S函數模塊中的參數設置。S函數中的參數是為了規定AMESim模型仿真結果格式而進行設置的。S函數名稱必須設定為AMESim模型名稱加“_”形式，以實現AMESim模型與S函數的結合。在標準仿真界面中前兩個參數必須進行設置：第一個參數用于規定是否生成AMESim模型仿真結果文件，“1”代表生成該文件，其它值代表不生成該文件；第二個參數用于規定仿真結果文件的采集時間間隔，“0”或負值代表該間隔與Simulink仿真結果文件相同，若設定值為“0.001”即代表該間隔為0.001秒。

3. 液控聯合仿真模型

根據盤式剎車系統的物理模型，可將其分為液壓系統模型和控制系統[3]模型兩部分，其中液壓模型在AMESim環境下構造，而控制模型部分則在MATLAB中完成。在AMESim中選擇適當的數學模型搭建好液壓系統框架后，設定各元件參數，然后利用Interface菜單創建控制模塊，并將其和液壓模型對應部分相連接，并運行該系統模型，從而產生可在Simulink中調用得S函數。推進液壓系統在AMESim環境下的系統模型如圖2所示。其中，13為接觸正應力傳感器，14為液控聯合仿真模塊[4]。

通過在AMESim中建立輸出接觸正應力與輸入壓力調節閥電流信號關系，可搭建盤式剎車液控聯合仿真模型。

控制系統模型[5]則在MATLAB /Simulink中完成，通過Simulink中的S-Function模塊將AMESim產生的S函數加入到Simulink的模型中，同時也將Simulink中的控制算法模型連接到AMESim中的控制模塊內，從而完成整個盾構推進系統的建模。本文所采用的盤式剎車液壓系統在Simulink環境下的反饋控制系統模型如圖3所示。

4. 仿真結果及分析

在Simulink工具菜單欄中選擇Simulation菜單，然后選擇Parameters，在彈出的參數設置對話框中，設置開始時間（Start Time）為0.0，結束時間（End Time）為1.5s。在仿真類型的一個選擇欄，選擇variable step mode參數，第二個選擇欄選擇ode15S參數（剛度系統的變階次多步解法）。其余各項參數取默認值即可，仿真結果如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

從圖4至圖7可知，相應輸入輸出變化曲線非常吻合，只是在Simulink中結果曲線不是很光滑，這是因為Simulink設置求解步長和精度決定的。從圖7可知，剎車系統存在一定的接觸間隙及液壓系統滯后性，故圖最初表現為0的平行段，當剎車塊與剎車系統接觸后，接觸正應力迅速大增加一定值，不再增加而有保壓的趨勢，這是由于系統輸入的電流信號保持為30mA，曲線不是完全水平的因為活塞繼續運動會引起彈簧產生一定的回復彈力，但回復彈力不是很大，當系統收到反饋回來的正的增益信號后，系統的電流繼續上升，直至40mA不再變化，此時缸內壓力將很快達到最大值60bar，剎車力矩也達到最大。由于系統受流體粘性阻尼及回復彈力等的作用，故此階段上升的曲線不全是直線而近似直線過程，在約為0.12s時刻系統制動力矩達到最大。

結論

采用AMESim和Simulink聯合仿真，可以直接檢測剎車盤制動正壓力大小，并可將其作為反饋信號，來調制壓力調節閥的控制信號，從而構成力反饋控制系統，便于對液壓盤式剎車系統進行制動性能分析，并有助于獲得理想的壓力調節閥控制信號。

參考文獻：

[1] 王 瑜，林 立，姜建勝.基于AMESim液壓盤式剎車系統建模與仿真技術[J].石油機械.2008，36（9）：31-35.

[2] 胡安平.基于AMESim-Simulink聯合仿真的再生制動系統研究[D].[碩士學位論文].吉林大學汽車工程學院：2008.

[3] 董霞，陳康寧.機械控制理論基礎[M].西安：西安交通大學出版社，2005：274-275.

[4] 楊武雙.基于AMESim的車輛防抱死制動系統的仿真研究[D].[碩士學位論文].湖南大學機械與汽車工程學院：2008.

[5] 劉忠，楊襄璧.液壓傳動與控制實用技術[M].北京：北京大學出版社，2009：125-127.

作者簡介：胡冬輝（1989-），男，湖北黃岡人，本科生，現就讀于長江大學機械工程學院機械設計制造及其自動化專業，機械10901班。

（作者單位：長江大學 機械工程學院）