聯(lián)合仿真技術(shù)在舉升系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

趙貞蓮，張彭城，倪翔宇，孫珍菊

（江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州221004）

0 引言

高空作業(yè)平臺(tái)是通過臂架舉升系統(tǒng)將工作人員和使用器材送達(dá)指定作業(yè)高度，進(jìn)行特種作業(yè)的專用車輛。由于全球節(jié)能減排法規(guī)控制的原因及重要場(chǎng)合下的低噪音、零排放要求，使得以清潔能源電能為動(dòng)力源的電動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)越來越受到人們和施工方的青睞，但是控制系統(tǒng)復(fù)雜性高和車體所攜帶電能有限等原因，使得臂架舉升系統(tǒng)的平穩(wěn)性和能量利用率成為制約電動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)向高品質(zhì)、高性能發(fā)展的因素[1]；為提升產(chǎn)品性能和部件性能，對(duì)臂架舉升系統(tǒng)中多參數(shù)的快速優(yōu)化進(jìn)行研究很有必要。

在提升產(chǎn)品性能的過程中，對(duì)機(jī)械、液壓、控制等復(fù)雜系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析是十分重要的，目前國(guó)內(nèi)外仿真軟件多為機(jī)械、控制等某一領(lǐng)域?qū)Ｓ密浖榱说玫较到y(tǒng)整體的仿真結(jié)果，必然涉及多領(lǐng)域聯(lián)合仿真，聯(lián)合仿真是指分別用不同的軟件建立系統(tǒng)相應(yīng)部分的模型，通過軟件之間的接口組裝成一個(gè)整體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速的仿真分析，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)[2]。本文針對(duì)電動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)臂架舉升系統(tǒng)建立機(jī)、液聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、比例閥開度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，并通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 聯(lián)合仿真模型建立

1.1 聯(lián)合仿真模型框架

針對(duì)不同領(lǐng)域的專業(yè)仿真工具，本文臂架舉升機(jī)械系統(tǒng)模型用三維實(shí)體建模軟件Pro/Engineer建立，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)模型用AMESim軟件建立，在AMESim中建立輸入輸出變量。RecurDyn的Communicator下Co-simulation with Simulink提供Simulink Host Mode和RecurDyn Host Mode兩種嵌入聯(lián)合模式[3]，根據(jù)模型復(fù)雜度和求解效率，本文選擇以RecurDyn為主機(jī)的RecurDynHost Mode嵌入模式。聯(lián)合仿真框架如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真框架示意圖

1.2 機(jī)械系統(tǒng)模型建立

高空作業(yè)平臺(tái)臂架舉升的機(jī)械系統(tǒng)三維模型用PRO/E軟件建立，在將完整的實(shí)體模型處理為RecurDyn與Pro/Engineer均識(shí)別的.x_t文件后，導(dǎo)入到RecurDyn進(jìn)行模型的處理，模型處理主要涉及模型合并、約束添加、整機(jī)及部件材料屬性賦予等，為提高求解精度和求解效率，將沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件進(jìn)行合并處理。圖2為處理后RecurDyn環(huán)境中的臂架舉升系統(tǒng)。

圖2 RecurDyn環(huán)境下的高空作業(yè)平臺(tái)臂架舉升系統(tǒng)

1.3 液壓系統(tǒng)模型建立

電動(dòng)高空作業(yè)平臺(tái)液壓舉升系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力單元直流電機(jī)、液壓泵、比例閥、各動(dòng)作對(duì)應(yīng)的液壓管路、開關(guān)閥、各執(zhí)行油缸組成。本文系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)來改變泵排量的大小，同時(shí)通過改變比例閥的開度參數(shù)來調(diào)節(jié)流量的大小，最后通過各支路換向閥的切換控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成臂架的舉升動(dòng)作。

在AMESim仿真平臺(tái)中，應(yīng)用Hydraulic液壓庫分別搭建單個(gè)液壓件的仿真模型[4]，并通過對(duì)液壓件進(jìn)行測(cè)繪及元件樣本提供的液壓特性參數(shù)曲線，調(diào)試和修正單個(gè)液壓件的仿真模型；然后，將已調(diào)試好的液壓部件仿真模型，按照臂架舉升液壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的管路連接方式，搭建系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)實(shí)際管路尺寸設(shè)置管路參數(shù)；最后導(dǎo)入RecurDyn生成的*.dll文件，生成機(jī)械與液壓的聯(lián)合仿真接口。AMESim中的聯(lián)合仿真模型如圖3所示，該模型可實(shí)現(xiàn)比例閥、開關(guān)閥、電機(jī)不同控制參數(shù)的組合對(duì)應(yīng)的臂架舉升動(dòng)作，即實(shí)現(xiàn)多控制參數(shù)的匹配優(yōu)化。

圖3 高空作業(yè)平臺(tái)臂架舉升系統(tǒng)AMESim仿真模型

2 仿真與試驗(yàn)測(cè)試分析

由于臂架舉升系統(tǒng)動(dòng)作組合較多，現(xiàn)選取其中一個(gè)典型工況二臂上變幅動(dòng)作進(jìn)行分析說明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)該動(dòng)作要求在26 s內(nèi)完成。

設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為26 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，AMEsim與RecurDyn的數(shù)據(jù)交換時(shí)間間隔為0.001 s，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)R=2 250 rpm、比例閥開度參數(shù)K=0.8.油缸位移的測(cè)試曲線和仿真曲線如圖4所示，測(cè)試曲線如圖5所示，該組參數(shù)下油缸受力仿真曲線如圖6所示。

圖4 油缸位移曲線

圖5 油缸受力測(cè)試曲線

圖6 油缸受力仿真曲線

對(duì)比仿真結(jié)果與測(cè)試曲線，圖4臂架動(dòng)作中實(shí)際油缸在25 s達(dá)到290.4 mm，仿真中油缸在24 s達(dá)到287 mm；圖5和圖6所示油缸運(yùn)行受力過程，因該動(dòng)作由開關(guān)閥控制在啟停時(shí)存在一定的沖擊，圖5中在0~4 s內(nèi)油缸受力達(dá)到平穩(wěn)，圖6中在0~3.8 s內(nèi)油缸受力達(dá)到平穩(wěn)；可見仿真曲線與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)曲線一致度很高，說明仿真模型準(zhǔn)確可靠。聯(lián)合仿真是在對(duì)各實(shí)際模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，仿真精度的提高可通過參數(shù)選擇和設(shè)置來獲得。故此可以認(rèn)為該AMEsim與ADAMS的聯(lián)合仿真模型基本上反映了實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可用于進(jìn)一步對(duì)控制參數(shù)的優(yōu)化及部件性能的分析研究。

二臂上變幅動(dòng)作的控制中電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)、比例閥開度參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，需要進(jìn)行多次調(diào)整修改。

3 控制參數(shù)優(yōu)化

在AMESim軟件中，通過電機(jī)部件、比例閥部件的屬性設(shè)置窗口修改控制參數(shù)值，進(jìn)行仿真，對(duì)上述二臂上變幅動(dòng)作的控制參數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)、比例閥開度參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)R=2 040 rpm、比例閥開度參數(shù)K=1時(shí)仿真結(jié)果見圖7.

圖 7R=2040rpm、K=0.8

圖7 中所示臂架在0.6~25 s內(nèi)受力由39 944 N變?yōu)?6 750 N變化值為23 194 N；而圖6電機(jī)轉(zhuǎn)速R=2 250 rpm、比例閥開度K=0.8參數(shù)組中，臂架在0.6~25 s內(nèi)受力由43 982 N變?yōu)?4 327 N變化值為29 655 N，明顯圖7一組參數(shù)下系統(tǒng)響應(yīng)快，波動(dòng)性小且平穩(wěn)性明顯提高。

此外，本文臂架舉升系統(tǒng)電機(jī)的特性曲線如圖8所示，圖中I為電流，P為功率，n為轉(zhuǎn)速，η為效率，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速R=2 040 rpm對(duì)應(yīng)的效率η高于電機(jī)轉(zhuǎn)速R=2 250 rpm的效率，即聯(lián)合仿真結(jié)果還可以反應(yīng)部件性能，提高能量利用率。

圖8 電機(jī)特性曲線圖

4 結(jié)論

（1）基于 Pro/Engineer、AMESim 軟件，分別建立了機(jī)械模型、液壓系統(tǒng)模型，并在RecurDyn主環(huán)境下進(jìn)行了聯(lián)合仿真，通過試驗(yàn)測(cè)試表明聯(lián)合仿真模型的可靠性，能反應(yīng)系統(tǒng)真實(shí)特性。聯(lián)合仿真技術(shù)不需要推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，建模效率高，能充分發(fā)揮不同軟件在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

（2）仿真和分析表明，聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，可以快速驗(yàn)證優(yōu)化各參數(shù)，避多次測(cè)試驗(yàn)證和數(shù)據(jù)采集分析，可大幅提高參數(shù)優(yōu)化效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期而且通過仿真結(jié)果可獲取系統(tǒng)部件如電機(jī)、閥等的特性，充分發(fā)揮部件性能并提高能量利用率，也可為部件選型提供參考。