基于AMESim/Matlab的液壓六自由度運動平臺仿真研究

吳健楠，王勇亮，趙玉龍，董智超

（空軍航空大學 軍事仿真技術研究所，吉林 長春130022）

飛行模擬器是當今軍事仿真技術的重要研究領域，液壓六自由度運動平臺則是飛行模擬器的重要組成部分。液壓六自由度運動平臺通過計算機實時控制，能夠向飛行員提供飛機運動的動感信息，使飛行員的感覺與真實飛行時的感覺相一致[1]，其運動性能的優劣將直接關系到飛行模擬的逼真度。從力學角度看，并聯六自由度運動系統是一個非線性、強耦合、變參數的多變量系統[2]，其建模難度非常大。而應用較為廣泛的一些仿真軟件，如AMESim、Matlab、ADAMS等，都有各自的優缺點，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果不盡如人意。

基于AMESim和Matlab聯合仿真技術是近年發展的一項新技術，它利用AMESim和Matlab接口技術將兩個優秀的專業仿真軟件聯合起來，解決了復雜系統建模難度大的問題，廣泛應用于汽車制造、航空航天等領域的仿真研究。為了檢驗該聯合仿真技術在液壓六自由度運動平臺上的仿真效果，本文以液壓六自由度單通道系統為例，對AMESim/Matlab系統進行數學建模，獲得了良好的仿真效果。

1 液壓六自由運動平臺組成及工作原理

1.1 運動平臺組成

液壓運動平臺由控制計算機、接口系統、液壓汞站、液壓伺服系統、接口系統等組成，基本組成結構如圖1所示。

圖1 液壓運動平臺組成結構圖

1.2 運動平臺工作原理

控制計算機模擬實時接收飛行方程解算出的與控制運動裝置有關的各種信息（也可由實驗者直接輸入與控制運動裝置有關的各種信息）并進行處理，經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；電液伺服閥在液壓站的配合下，控制液壓缸的進油方向和流量，進而驅動液壓缸平滑、穩定地伸縮，實時產生期望的過載、姿態、振動等運動信息；同時液壓缸的伸長量還經位置傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環控制，同時也送給接口系統，通過A/D變換后輸入給控制計算機，作為檢測和控制信息；液壓缸上下腔的壓力差也反饋給比較放大器，進行壓力補償，提高控制精度。

2 液壓六自由度運動平臺聯合仿真

由于AMESim軟件具有很強的兼容性，同時考慮到Matlab軟件具有強大的計算能力以及它與AMESim之間有良好的轉換接口，本文選用AMESim對運動平臺的各個組成部件進行建模，然后將模型通過接口技術導入到Matlab中，在Simulink環境下進行控制分析。由于篇幅有限，本文以液壓六自由度運動平臺單通道系統為研究對象進行建模仿真分析。

2.1 AMESim環境下建模

機電液專業仿真軟件AMESim采用面向系統原理圖建模方法，便于工程技術人員掌握[3]，其自帶的智能求解器能保證運算精度并具有良好的擴展性。圖2所示為單通道系統在AMESim中的仿真模型。具體建模步驟如下：

圖2 液壓六自由度平臺單通道系統AMESim仿真模型

(1)在AMESim/Sketch mode模式下根據系統物理構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模式下根據實際平臺的參數設置AMESim模型參數，具體設置如下：液壓缸初始位移 0 mm；活塞直徑 100 mm；桿直徑 70 mm；質量塊300 kg；黏滯摩擦系數 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；轉速 1 500 r/min；電機轉速1 500 r/min；伺服閥各通路額定流量400 L/min；對應壓降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下系統建模

AMESim雖然可提高系統建模精度，但在數值處理、控制算法設計方面功能不是很強大；而Simulink借助于Matlab強大的數值計算能力，在數值計算及控制算法研究方面得到了廣泛應用，但在Matlab環境下的建模精確度不是很高。采用聯合仿真技術將兩個專業仿真軟件聯合起來可取長補短，發揮各自的優勢，提高仿真的精確度。

AMESim與Matlab/Simulink的聯合仿真通過AMESim的創建輸出圖標功能與Simulink中的S函數[4]實現連接，圖3為運動平臺在Simulink環境下的仿真模型。

圖3 液壓六自由度運動平臺單通道系統Simulink仿真模型

具體實現步驟為：

(1)在AMESim中采用繪圖模式建立系統模型，并為Simulink的控制模塊構造一個圖標。具體方法為在繪圖模式中點擊“界面”(Interface)菜單，選擇“創建輸出”(Create Export Icon)圖標，選擇輸入輸出端口數目，定義圖標聯合仿真界面SimuCosim并對此界面進行說明，將模型與界面圖標相對應的部分連接起來完成整個模型的搭建。

(2)在AMESim子模型模式下為系統各個模塊選擇合適的子模型并保存。

(3)在AMESim參數模式中輸入系統各個模塊參數。

(4)在運行模式下點擊“開始”運行。運行結束即將AMESim模型轉化為Simulink中可以調用的S函數。

(5)在Simulink中構建控制系統模型，在 S-Function模塊參數設置對話框中設置函數名及生成結果文件的時間間隔。

3 系統仿真分析

在Simulink環境下輸入階躍信號，設定仿真周期為10 s，采樣周期為1 s，聯合仿真下液壓缸的位移曲線如圖4所示。

圖4 液壓缸位移曲線

由圖4可知，聯合仿真效果良好，系統穩定無超調，但系統上升時間過長(約8 s達到穩態)。而上升時間反映了系統的快速性，上升時間越短，控制進行得就越快，系統品質就越好。從圖4的仿真結果可以看出，系統動態品質較差，不符合六自由度液壓平臺實時性要求，需要對Simulink模型做進一步改進。考慮到PID控制器具有結構簡單、參數物理意義明確、被控對象適應性強、動態和靜態特性優良等顯著特點[5]，將PID控制器添加到聯合仿真模型中，在Simulink環境下系統的輸入信號采用階躍信號，仿真周期和采樣周期保持不變，通過S函數編寫PID控制算法，對建立的模型進行控制，通過反復調試，確定 Kp=100.32、Ki=0.25、Kd=4.5，聯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，系統的調節時間明顯減少，約0.8 s達到穩態，系統的動態品質明顯得到改善，同時保持了較好的穩定性和準確性，達到了預期目的，獲得了良好的仿真結果。

利用AMESim和Matlab聯合仿真技術對液壓六自由度運動平臺進行了建模仿真。仿真結果表明，采用聯合仿真技術建立的模型仿真效果好、系統穩定無超調，達到了預期的要求。同時，針對聯合仿真環境下模型特點，采用了PID控制，有效地提高了系統的精度和動態品質，改善了液壓缸的伺服控制效果。

圖5 加入PID控制液壓缸位移曲線

聯合仿真技術在液壓六自由度平臺上的實現為今后的研究打下了良好基礎。

[1]王勇亮，陳蕾.基于Matlab的液壓運動平臺控制系統設計[J].控制工程，2007，14（Z1）：145-147.

[2]楊灝泉，趙克定，吳盛林.飛行模擬器六自由度運動系統的實驗研究[J].系統仿真學報，2004，16(6)：1217-1219.

[3]李毅，谷立臣.基于AMESim仿真的液壓系統參數耦合研究[J].液壓與氣動，2010(11)：19-21.

[4]江玲玲，張俊俊.基于 AMESim與 Matlab/Simulink聯合仿真技術的接口與應用研究[J].機床與液壓，2008，36(1)：148-150.

[5]劉金琨.先進PID控制 MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.