基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

周建軍

[摘? ? 要]在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)電液一體化系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，這類系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也屬于業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)。基于此，文章簡(jiǎn)單介紹機(jī)電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵，并圍繞機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型建立、智能控制算法分析開展深入研究，結(jié)合機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真實(shí)例分析可以確定，本文研究在各子系統(tǒng)仿真模型高效集成方面表現(xiàn)突出，能夠?yàn)閰f(xié)同分析及設(shè)計(jì)提供平臺(tái)支持。

[關(guān)鍵詞]聯(lián)合仿真;機(jī)電液一體化系統(tǒng);Simulink

[中圖分類號(hào)]TP391.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–00–02

Discussion on Optimization Design Method of Electromechanical

Hydraulic Integration System Based on Joint Simulation

Zhou Jian-jun

[Abstract]In China's industrial field， electromechanical hydraulic integration system is widely used， and the optimal design of this kind of system also belongs to the focus of the industry. Based on this， this paper briefly introduces the connotation of joint simulation of electromechanical hydraulic integration system， and carries out in-depth research around the establishment of electromechanical hydraulic integration joint simulation model and the analysis of intelligent control algorithm. Combined with the analysis of electromechanical hydraulic integration joint simulation examples， it can be determined that this research is outstanding in the efficient integration of simulation models of various subsystems， It can provide platform support for collaborative analysis and design.

[Keywords]joint simulation; electromechanical hydraulic integration system; simulink

1 機(jī)電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵

機(jī)電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真需要?jiǎng)澐忠惑w化系統(tǒng)為子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，具體保液壓子系統(tǒng)、機(jī)械子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)，且各子系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模型建立需要得到專業(yè)軟件支持。通過連接不同仿真軟件，軟件輸入信號(hào)可選擇某軟件獲取仿真結(jié)果，以此完成模型構(gòu)建，如輸入轉(zhuǎn)速、力等信號(hào)的具體數(shù)值，在不同信號(hào)激勵(lì)作用下，模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)響應(yīng)量輸出，如加速度、位移等。這類響應(yīng)量可進(jìn)一步輸入其他模型中，不同領(lǐng)域軟件中的仿真數(shù)據(jù)雙向傳遞可由此實(shí)現(xiàn)。圖1為聯(lián)合仿真平臺(tái)中子系統(tǒng)間存在的具體耦合關(guān)系，結(jié)合該圖片進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)在其中負(fù)責(zé)提供負(fù)載、力矩/驅(qū)動(dòng)力，機(jī)械系統(tǒng)基于模型約束條件及機(jī)械動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)原理能夠隨之進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)能夠隨之輸出，包括加速度、位移、速度等，液壓系統(tǒng)及負(fù)載的作用情況會(huì)同時(shí)受到機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響。圍繞機(jī)構(gòu)位置姿態(tài)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其位移會(huì)導(dǎo)致位置姿態(tài)變化，負(fù)載會(huì)隨之受到影響，油缸中壓力區(qū)體積會(huì)受到機(jī)械系統(tǒng)中位移影響，這種影響會(huì)體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)壓力方面，液壓系統(tǒng)油缸流量及馬達(dá)轉(zhuǎn)速直接受到位移速度影響。液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)耦合關(guān)系涉及參數(shù)傳遞，基于設(shè)定目標(biāo)，控制系統(tǒng)能夠在各類傳感技術(shù)支持下對(duì)液壓系統(tǒng)的流量及壓力變化情況，機(jī)械輸出的速度及位移變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)控制信號(hào)可結(jié)合控制策略開展計(jì)算求得，如控制液壓系統(tǒng)的壓力及流量、泵的轉(zhuǎn)速、各閥閥芯開度值，機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可通過對(duì)輸出液力矩/壓力調(diào)整進(jìn)行控制。

2 建立機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型

2.1 選擇聯(lián)合仿真平臺(tái)

圍繞上文涉及的機(jī)電液一體化系統(tǒng)聯(lián)合仿真內(nèi)涵進(jìn)行深入分析，該聯(lián)合仿真需要在多個(gè)軟件間進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互交換，這一過程需要關(guān)注仿真環(huán)境的科學(xué)選擇，本文研究以可視化仿真工具Simulink作為聯(lián)合仿真平臺(tái)，該可視化仿真工具能夠滿足動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模需要，在分析和仿真方面的表現(xiàn)突出且支持離散、連續(xù)的線性/非線性系統(tǒng)。選擇該可視化仿真工具作為聯(lián)合仿真平臺(tái)，主要依據(jù)4點(diǎn)：①該可視化仿真工具存在簡(jiǎn)潔編程語言，在復(fù)雜控制算法編制方面具備優(yōu)勢(shì);②該可視化仿真工具的工具箱較為完善;③該可視化仿真工具的接口能夠與主流液壓仿真軟件、機(jī)械仿真軟件連接;④該可視化仿真工具具備多種計(jì)算算法。

2.2 搭建機(jī)械系統(tǒng)模型

在聯(lián)合仿真模型的機(jī)械系統(tǒng)模型搭建中，需優(yōu)選設(shè)計(jì)、仿真軟件，如RecurDyn、Pro/Engineer、CATIA、ADAMS。RecurDyn的基礎(chǔ)為多體動(dòng)力學(xué)為理論，可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)及機(jī)電一體化系統(tǒng)的振動(dòng)、負(fù)載大小、運(yùn)動(dòng)等精確控制的模擬，存在控制接口Control，這使得該軟件能夠完成.mdl及.m文件生成，進(jìn)而連接其他領(lǐng)域仿真軟件，通過該軟件建立模型并添加相應(yīng)復(fù)雜控制算法，即可開展聯(lián)合仿真。Pro/Engineer能夠在設(shè)計(jì)、分析、制造方面提供輔助，如實(shí)現(xiàn)機(jī)械類實(shí)體結(jié)構(gòu)快速繪制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多種格式轉(zhuǎn)換，這同樣能夠?yàn)槁?lián)合仿真提供支持。

2.3 搭建液壓系統(tǒng)模型

Easy5、AMESim軟件均可用于聯(lián)合仿真模型的液壓系統(tǒng)模型搭建。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，前者屬于典型的液壓系統(tǒng)建模專用仿真軟件，該軟件的基礎(chǔ)為液壓傳動(dòng)理論和粘性流體動(dòng)力學(xué)理論，能夠提供健全仿真環(huán)境，滿足控制、機(jī)械、動(dòng)力需要，同時(shí)其元件庫(kù)也較為豐富，在Easy5軟件支持下，設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)新元件的自行組合，這一過程需要得到原理級(jí)基礎(chǔ)模塊支持，進(jìn)而完成模型搭建，通過運(yùn)行模型則能夠得到S函數(shù)，滿足聯(lián)合仿真平臺(tái)需要。后者能夠提供健全仿真環(huán)境，模型庫(kù)同樣較為豐富，AMESim軟件在使用中可選擇基本元素法，基于實(shí)際物理系統(tǒng)和圖形化界面完成模型構(gòu)建，這一過程不涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)，輔以智能求解器可完成最佳積分算法選擇，仿真時(shí)間及精度可通過算法動(dòng)態(tài)切換控制。在具體的液壓系統(tǒng)模型搭建過程中，可通過簡(jiǎn)化模型降低搭設(shè)難度，如忽視緩沖力和摩擦力、忽視液壓系統(tǒng)液體質(zhì)量、僅計(jì)算油缸作用力中的壓力、在機(jī)械模型部分添加液壓缸質(zhì)量、設(shè)定存在剛性的液壓缸等，液壓系統(tǒng)模型可由此更順利搭建完成。

2.4 搭建控制系統(tǒng)模型

在基于Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)的控制系統(tǒng)模型搭建過程中，仿真環(huán)境變量設(shè)計(jì)可采用.m文件創(chuàng)建，并通過平臺(tái)調(diào)用軟件RecurDyn，作為控制對(duì)象的.mdl文件能夠隨之生成，搭建控制對(duì)象的控制算法控制器仿真模塊，即可實(shí)現(xiàn)交互控制仿真。S函數(shù)關(guān)系著聯(lián)合仿真平臺(tái)的擴(kuò)展與參數(shù)化，求解器能夠與S函數(shù)調(diào)用語法交互，聯(lián)合仿真平臺(tái)模型中S函數(shù)加入后，需要在AMESim中連接對(duì)應(yīng)的控制算法模型，以此結(jié)合聯(lián)合仿真平臺(tái)與AMESim，開展針對(duì)性仿真;控制系統(tǒng)模型搭建也可以應(yīng)用ADAMS，輸入輸出變量可由ADAMS與聯(lián)合仿真平臺(tái)確定，聯(lián)合仿真可將控制系統(tǒng)建立在聯(lián)合仿真平臺(tái)中。基于ADAMS的控制系統(tǒng)模搭建也需要應(yīng)用AMESim，需要通過其進(jìn)行接口創(chuàng)建，完成輸出端口、輸入端口的具體數(shù)目設(shè)置，并對(duì)界面類型及圖標(biāo)名稱進(jìn)行定義。

3 智能控制算法分析

PID控制算法在實(shí)際工程中有著廣泛應(yīng)用，該算法存在固定的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)并在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立，這使得參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整在工作過程中無法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于較為復(fù)雜的模型來說，智能控制算法聚焦模型的非線性和復(fù)雜性，具備較強(qiáng)的自組織功能、環(huán)境適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力，遺傳算法、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均屬于典型的智能控制算法。以模糊控制為例，其基礎(chǔ)控制理論包括模糊規(guī)則、模糊邏輯推理、模糊集合論，通過結(jié)合PID控制算法與模糊理論，PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整可基于誤差及對(duì)應(yīng)變化率實(shí)現(xiàn)，更高的控制精度能夠由此獲取。

4 機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真實(shí)例分析

以某汽車起重機(jī)變幅系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討本文研究的機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真實(shí)用性，研究采用圖2所示的聯(lián)合仿真平臺(tái)框架，由仿真平臺(tái)、機(jī)械系統(tǒng)模型、液壓系統(tǒng)模型組成。

案例機(jī)電液一體化系統(tǒng)具體構(gòu)成包括控制系統(tǒng)、起重機(jī)臂架、變幅液壓油缸、車輛底盤、液壓?jiǎn)卧ｉ]環(huán)反饋控制能夠依托臂架控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，臂架的變幅角度控制可通過對(duì)電磁換向閥的調(diào)節(jié)完成，結(jié)合圖2所示框架及上文內(nèi)容開展案例機(jī)電液一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。液壓系統(tǒng)模型、變幅機(jī)構(gòu)模型分別通過軟件AMESim、RecurDyn搭建，基于S函數(shù)在聯(lián)合仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)變幅控制算法，液壓系統(tǒng)模型和機(jī)械模型需依托軟件數(shù)據(jù)接口在Matlab環(huán)境集成，由此可得到一體化仿真模型，如圖3所示。

通過優(yōu)選模型求解器，完成仿真參數(shù)配置，包括最大步長(zhǎng)、最小步長(zhǎng)、起始時(shí)間、允許誤差等，之后依托聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)案例機(jī)電液一體化系統(tǒng)的液壓、機(jī)械、控制系統(tǒng)開展聯(lián)合仿真。為驗(yàn)證各仿真模型正確性及聯(lián)合仿真平臺(tái)可行性，需要測(cè)試案例機(jī)電液一體化系統(tǒng)的實(shí)際變幅角度和油缸位移，以此對(duì)比仿真結(jié)果。結(jié)合具體對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，通過細(xì)致觀察變幅角度的仿真曲線和測(cè)試曲線、變幅油缸位移的仿真曲線和測(cè)試曲線，能夠直觀了解變幅過程，并能夠確定系統(tǒng)要求得到較好滿足，整體存在沖擊小、運(yùn)行平穩(wěn)特點(diǎn)，實(shí)際測(cè)試數(shù)值與仿真數(shù)值基本一致，這說明本文研究的機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真平臺(tái)具備較高實(shí)用性。

5 結(jié)論

基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具備較高推廣價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的選擇聯(lián)合仿真平臺(tái)、搭建機(jī)械系統(tǒng)模型、搭建液壓系統(tǒng)模型、搭建控制系統(tǒng)模型、實(shí)例分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的聯(lián)合仿真路徑。為更好地發(fā)揮聯(lián)合仿真優(yōu)勢(shì)，還應(yīng)關(guān)注各類新型軟件的積極應(yīng)用，以及相關(guān)不確定性因素的深入研究。

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