基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，西安，710032）

基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究

高 凱

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，西安，710032）

本文在研究了液壓系統(tǒng)發(fā)展的實際之后，提出了通過AMESim軟件對工程機械液壓系統(tǒng)進行仿真建模的方式，通過這種方式能夠準(zhǔn)確、便捷的對液壓系統(tǒng)的性能進行預(yù)測，并能夠?qū)ζ溥M行整體的分析與評估。

AMESim軟件;工程機械液壓系統(tǒng);仿真;建模

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給工業(yè)領(lǐng)域帶來了新的沖擊，在當(dāng)今信息化的社會，工業(yè)必定離不開信息技術(shù)。本文在分析了液壓系統(tǒng)的建模與仿真的基礎(chǔ)上，對AMESim軟件及其使用流程進行了較為詳細(xì)的分析。通過使用AMESim軟件對工程機械液壓系統(tǒng)進行仿真建模，大大節(jié)約了研究系統(tǒng)性能與精度的時間，同時更加直觀的展現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的工作原理與狀態(tài)。

1 液壓系統(tǒng)的建模與仿真

1.1液壓系統(tǒng)建模類型選擇

我們都知道液壓系統(tǒng)關(guān)鍵是其非線性的連續(xù)時間的動態(tài)分析，在具體的建模過程中，可以分為兩種模型，即分布參數(shù)建模和集中參數(shù)建模。本文在研究中選擇的是集中參數(shù)建模。這種方式的優(yōu)勢在于可以簡化被建模對象的數(shù)學(xué)模型，并實現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能，通過這種方式有利于研究液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性。

圖1 液壓轉(zhuǎn)向器的功率鍵合圖

圖2 基于AMESim的液壓系統(tǒng)模型

集中參數(shù)建模又可以分為兩種，一種是基于信號流建模，另一種是基于功率流建模，前者在控制領(lǐng)域使用的比較多一些，如Matlab的Simulink模塊就是通過這種方式進行建模的；后者主要是通過運用功率鍵合圖實現(xiàn)的，從邏輯上來看，鍵合圖與系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是相一致的，圖1即為液壓轉(zhuǎn)向器的功率鍵合圖。壓系統(tǒng)的特點，本文在研究中采用的是將二者結(jié)合的方式，通過在元件之間設(shè)置端口的方式來傳遞數(shù)據(jù)，我們將這個端口稱之為多端口，通過這個端口既能夠傳遞控制數(shù)據(jù)信號，又能夠傳遞功率信號，例如本文研究中的AMESim軟件中運用的就是這一方法，圖2即為通過AMESim軟件建立的液壓系統(tǒng)模型，為了更加直觀的說明端口在其中的作用，直接通過圖3來展示了部分元件的端口數(shù)據(jù)傳遞。

圖3 部分元件的端口數(shù)據(jù)傳遞

1.2液壓系統(tǒng)的建模過程

在液壓系統(tǒng)中，用來描述其動態(tài)的數(shù)學(xué)模型是動力學(xué)模型和熱力學(xué)模型，一般情況下，液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立有兩種方式，即理論法與實驗法。前者多在研究對象各相關(guān)理論較成熟的情況下使用，從其理論出發(fā)，通過機理分析尋找系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，再通過數(shù)學(xué)計算構(gòu)建其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文結(jié)合液壓系統(tǒng)的理論實際與實驗研究，認(rèn)為理論法能夠更精確的確定出模型結(jié)構(gòu)，因此最終本文選擇了通過理論法對其進行研究。

建模的過程實際上就是將系統(tǒng)進行概括、抽象和數(shù)學(xué)解析處理的過程。通常由以下三個階段來實現(xiàn)：

第一，進行子系統(tǒng)的劃分。通常情況下，我們并不容易直接建立液壓系統(tǒng)的動態(tài)模型，因此需要先將整個液壓系統(tǒng)進行分解，將其分解成若干子系統(tǒng)，他們之間可以實現(xiàn)互相連接，并進行能量和數(shù)據(jù)信息的傳遞。

第二，建立基本模型。關(guān)于液壓系統(tǒng)的基本模型，主要包含三種，即：有阻性元模型、容性元模型和感性元模型，這三種基本模型都是基于功率流建模，通過功率流實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，其建立的目的就是為系統(tǒng)研究提供一種方式和手段。

第三，集總模型。關(guān)于集總模型的建立，主要是以上述子系統(tǒng)的建立為依據(jù)，通過相應(yīng)的程序?qū)⑵溥M行歸納整理。當(dāng)然，這一歸納整合的過程并不是將子系統(tǒng)簡單的組合，需要充分結(jié)合其工作原理進行有效的連接，并以此為依據(jù)分析數(shù)據(jù)流向，同時還要實現(xiàn)元件模型的在數(shù)據(jù)信息輸入、輸出等方面功能。

2 基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)建模與仿真

2.1AMESim軟件

AMESim是一種應(yīng)用于多種領(lǐng)域的仿真集成平臺，通過創(chuàng)建多物理場仿真模型，并進行計算來研究復(fù)雜的系統(tǒng)特性。它最初由Imagine公司設(shè)計，隨后該公司被LMS公司收購，并將原來AMESim升級為LMS Imagine.Lab AMESim，實現(xiàn)了存儲和管理在不同部門的機械和控制的模型以及數(shù)據(jù)，為諸多領(lǐng)域提供了一個完整的仿真平臺。他可以為用戶提供各種分析工具，如模型簡化工具，頻譜分析工具，線性化分析工具，模態(tài)分析工具等，從而能夠更好的協(xié)助用戶對自身系統(tǒng)進行精確的分析并優(yōu)化。

此外，AMESim 軟件還提供了接口，如Matlab（控制軟件接口）、dSPACE（實時仿真軟件接口）、OPTIMUS（優(yōu)化軟件接口）等。

2.2基于AMESim 的建模與仿真流程

通過AMESim軟件，能夠進行草圖創(chuàng)建工作，還能夠更改元件和連線的子模型，設(shè)置子模型參數(shù)以及進行運行仿真。這些步驟的實現(xiàn)需要經(jīng)過四個工作模式，即草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式和仿真模式。下面我們就主要分析這一流程：

①草圖模式

在草圖模式下，既可以對已經(jīng)存在的系統(tǒng)執(zhí)行修改、刪除某個元件子模塊的操作，也可以進行新系統(tǒng)的創(chuàng)建。其中，建立新系統(tǒng)時需要從模型庫中選擇合適的模型，AMESim軟件中有十五個模型庫，四百多元件。圖4就是在這種模式下建立的液壓挖掘機模型。

圖4 草圖模式下的液壓挖掘機模型

② 子模型模式

系統(tǒng)建成之后，需要進入下一步子模型模式，通過這一模式，根據(jù)系統(tǒng)中元件需求，選擇器合適的子模型，若上一步中建立的系統(tǒng)并不合理，那么就不可以根據(jù)AMESim要求建立正常循環(huán)，也就不能進入到此步驟的子模型模式，一般若沒有特殊變化，可以直接選擇AMESim中圖標(biāo)，AMESim就會直接為系統(tǒng)選擇默認(rèn)的子模型。

③ 參數(shù)模式

在這一模式下，可以對子模型的參數(shù)執(zhí)行檢查、更改、設(shè)置等操作。在AMESim中直接點擊圖標(biāo)，便可以進入這一模式，點擊之后，會彈出參數(shù)設(shè)置的對話框，根據(jù)實際需求進行設(shè)置即可。另外，這一模式下AMESim可對系統(tǒng)進行編譯，編譯器產(chǎn)生包含系統(tǒng)參數(shù)的可執(zhí)行文件，從而使仿真得以運行。

④ 仿真模式

在這一模式下，就可以實現(xiàn)運行仿真、進行當(dāng)前系統(tǒng)的線性化、完成線性系統(tǒng)的各種分析等。在AMESim中直接點擊圖標(biāo)，就可以添加運行參數(shù)了，會出現(xiàn)開始運行、停止運行模式。通常情況下，我們只需要將仿真開始、結(jié)束時間、通信間隔、最大時間步長以及誤差限填寫清楚，就可以開始進行仿真，并能夠得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著科技的發(fā)展與進步，對工業(yè)中液壓系統(tǒng)的性能等提出了更高的要求，本文從液壓系統(tǒng)的建模與仿真入手，通過對AMESim軟件的相關(guān)介紹，著重分析研究了基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過使用AMESim對機械液壓系統(tǒng)進行建模仿真是一種有效的方式。

[1] 汪宇亮.基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)故障仿真研究[D].武漢理工大學(xué).2012(04)

[2] 趙飛.基于AMESim的氣動系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究[D].燕山大學(xué).2010(05)

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高凱，男，1974年10月出生，陜西省西安市人，高校講師 ，研究方向：機電和汽車

AMESim engineering machinery hydraulic system modeling and simulation based on

Gao Kai
(Xi'an Vocational and Technical College Department of electrical and computer engineering,Xi'an 710032)

In this paper,after the actual research of the hydraulic system development,put forward the simulation modeling of engineering machinery hydraulic system through AMESim software,by this way can make the performance of the hydraulic system is accurate,convenient,and can analyze and evaluate the whole body.

AMESim;hydraulic system;simulation;modeling