液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用

1、液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用液压仿真软件AMESim及其应用liiJ在现代工业中，随着对液压机械设备的性能 要求以及机电液一体化程度的不断提高，对液压 传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更 高的要求，传统的以完成设备工作循环和满足静 态特性为目的的液压系统设计方法已不能适应 现代产品的设计和性能要求。如果要对液压机械 系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，就 需要运用计算机仿真技术，它是利用计算机技术 研究液压机械系统动态特性的一种新方法。计算 机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，缩 短设计周期，降低成本，还可以通过仿真对所涉 及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化

2、设 计，提高系统稳定性及可靠性的目的。仿真首要任务就是建立数学模型，重点和难 点也是进行建模，然后才可能进行计算机仿真研 究，而建模是一件相当复杂的工作。目前常用的 建模方法有传递函数法、状态空间法、功率键合 图法等。模型建立的好坏直接关系到仿真的结 果，不恰当的模型有可能得出相反的结论。目前绝大多数软件采用状态方程建模，这些对一般的 液压工作者来说，要求较高，有相当的难度。1建模仿真软件一一AMESim基于建模过程的复杂性以及给仿真研究带来 的不便，近几年来国外尤其是欧洲陆续研制出一 些更为实用的液压机械仿真软件，并获得了成功 的应用。AMESim就是其中杰出的代表。它是法 国IMAGINE

3、公司于1995年推出基于键合图的液 压/机械系统建模仿真及动力学分析软件。它由 一系列软件构成，其中包括AMESim、AMESet、A MECustom和AMERun。这4部分有其各自的用途 和特性。AMESim图形化工程系统建模、仿真和 动态性能分析工具AMESim是一个图形化的开发环境，用于工程 系统建模、仿真和动态性能分析。使用者完全可 以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个 系统，所有的模型都经过严格的测试和实验验 证。AMESim不仅可以令使用者迅速达到建模仿 真的最终目标，而且还可以分析和优化设计。A MESim使得工程师从繁琐的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的

4、设计，不需要书 写程序代码。AMESet模型与文档生成器AMESet是一个模型和文档生成器，用于开发 和维护用户自己的模型库。AMESet提供了一个 综合的图形化界面，用户不仅可以直接访问AME Sim所有模型的源代码，而且还可以把自己开发 的新图标和模型集成到AMESim软件包或生成标 准化的C或FORTRAN代码并为此生成相应的标准 的帮助文档。AMESet不仅是一个工具，而且它 确保了在开发过程中的标准化和规范化。借助于 AMESet，用户可以自己开发标准的、可重复使用 的、便于维护的、并附有完整文档的模型库。AMECustom数据库创建工具=JliiJAMECustom是一个数据库创建

5、工具，用户在其 中可以为子模型或超模型创建定制的用户界面 和参数设置，使用AMECustom可以建立专有的模 型数据库。通过AMECustom的定制功能，最终的 用户只允许访问相关有用的信息，涉及到技术敏 感性的信息可以进行加密。AMERun用户运行版本AMERun是一个AMESim的只运行版本。AMERu n使得工程师广泛地和最终用户共享验证和定制 过的模型。AMERun的用户可以修改模型的参数 和仿真的参数，执行稳态或动态仿真，输出结果 图形和分析仿真结果。AMERun通过禁止最终用 户修改模型结构和建模假设来保护模型。AMERu n使得使用者可以安全地和内部或外部合作伙伴 分享可重复使用

6、的模型。hiliiJ该软件的主要特点可归纳为以下3点：一是 模型库丰富，多达14类，涵盖了机械、液压、 控制、液压管路、液压元件设计、液压阻力、气 动、热流体、冷却、动力传动等领域，且采用易 于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框 图，方便用户建立复杂系统；二是具有与Matla b、Simulink、Adams等多种软件的接口，可方 便地与这些软件进行联合仿真3；三是有开 放性，AMESim语言是底层开放的，可以通过查 看编译产生的C语言和FORTRAN语言源代码和帮 助文件理解软件的建模思想。内置与C (或Fo rtran )和其它系统仿真软件的接口，用户可以 在AMESim环境中访问任

7、何C或Fortran程序。2.AMESim应用举例下面以一液压位置控制系统为例说明AMESim 的应用，使液压执行机构的输出位移跟踪给定的 输入信号。=1liiJ=1首先在AMESim的草图模式(Sketch mode) 下建立该液压执行机构位置控制系统的仿真模 型，该系统主要是由液压缸、三位四通液压伺服 阀、定量泵、蓄能器、溢流阀以及信号源和增益 等构成，其液压机械部分是一个开关型阀控缸系 统，从整体来看又是一个典型的闭环控制系统， 如图1所示。其工作原理为：用位移传感器x将 执行机构的位移转换为信号并与给定的位移信 号进行比较后形成闭环控制的误差信号，所得到 的差值通过比例放大后驱动伺服阀

8、动作，来接通 /切断执行机构的液压油供应并改变供油方向， 从而实现了对执行机构位移的大小及方向的控 制。只要执行机构的输出位移与给定的位移存在 偏差，系统就可以自动调节输出位移，直到误差 为零。图1液压机械位置控制系统图1中，用分段线性信号源2来模拟执行机构(液压缸)驱动的负 载阻力，期望位移信号由左端的分段线性信号源 1来给定。系统模型搭建完成之后，在子模型模式(sub model mode)中根据实际需要为每个元件选择一 个数学模型即子模型，在这里为简便起见均选择 最简子模型。接下来在参数模式(parameter mode)中为 每个子模型设置参数。将液压缸活塞宜径设置为 30mm，活塞杆

9、的直径设置为20mm，所连质量块 的质量设置为250kg；设置电磁换向阀的固有频l=Jl=Jw=1率为50Hz，阻尼率为2,额定电流为200mA；泵 的排量设置为35mL/r；泵的转速为1500r/min； 分段线性信号源2设置为常量1000，则经过由 信号到力的转换，执行机构活塞杆就能得到一个 恒为1000N的阻力；将给定的期望位移信号设置 在01之间，执行机构的位移也将在01m之间， 为了提高测量精度，用位移传感器将这一位移放 大了 10倍，因此将增益3设置为10，这样给定 的期望位移将与执行机构的实际输出位移在相 同的范围内变化。将分段线性信号源1设置为在 05s内从0变化到0.5,在5

10、10s内从0.5变化 到0.8并保持不变。其它参数均按默认值来设 置。liiJ系统所要求达到的性能指标为：在运行时间3 0s内，动态跟踪误差不超过0.015m，稳态误差 不超过0.0005m。因为在AMESim中，三位四通 液压伺服阀的阀芯的动态特性由一个二阶振荡 系统来表示，由自控原理可知，由二阶系统构成 的闭环控制系统中，二阶系统的前置放大器放大 倍数对系统动态性能的影响是比较大的，在这 里，前置放大器即增益4,通过调节增益4的大 小，观察液压缸活塞杆的实际输出位移与所给定的期望值之差，找到满足性能指标的增益范围。 最后在运行模式(run mode )中的运行参数(r un paramet

11、ers)中设置运行时间为30s，采样 周期为005s。点击开始运行(start run)， 得到仿真结果。9876543210 OOOOOOOOO350时的液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值UILU/8101520?/s图 3 k4=350口 HYPERLINK 1 p时的液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值之 差（1）当k4=350时，给定的位移信号与执行 机构活塞杆实际位移的关系曲线如图2、图3所 示。可见，这时的稳态误差是满足要求的，但动 态跟踪误差超过了0 015m。（2）当k4=500时， 给定的位移信号与执行机构活塞杆实际位移之 差如图4所示。图 4 k4=500时的液压缸活塞杆的实

12、际输出位移与期望值之14.0112.0 Rx.10.0-=&0 IE 6.0与4.02.00.01-2* 0|差 53 图 5 k4=500时的液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值之 差 可见，这时的动态跟踪误差是满足要求的， 但稳态误差超出了 0.0005m，仍未能达到性能指 标。=1调整增益4的值，得到满足系统性能指标的 增益值范围为443 5478。在这个范围内，位 置跟踪系统具有较好的闭环跟踪效果。通过反复 调整、分析可以得出：k4值越大，响应速度越 快，动态跟踪误差越小；但k4值过大，运行10 s之后，跟随曲线会出现超调，系统存在明显的 振荡，不稳定。因此，在实际调节过程中，为了 使系

13、统保持一定的稳定性，可以根据精度和具体 要求来确定最佳的增益值。=1另外，液压缸油腔死区油量越大，油液的可 压缩效果就越明显，系统越不稳定。在其它子模 型参数完全相同的情况下，将液压缸油腔死区油 量从默认值50cm3改为10cm3仿真运行后得到图 5,与图4进行比较可以验证此结论。而且，液 压伺服阀的固有频率对系统稳定性也有较大的 影响，此值越大，阀的响应速度就越快，会加剧 系统的振荡，增大稳态误差，使系统更加不稳定； 但是阀固有频率过小，响应速度太慢，会导致动 态跟踪误差过大，跟踪效果不好。因此，合理选 择具有适当固有频率对液压伺服阀非常重要。=1蓄能器在系统中主要作为泵的辅助能源，同 时作

14、为系统的补油器。它可以在液压缸不工作时 将泵输出的油储存起来，在液压缸工作时释放储 油以完成整个循环。从系统无蓄能器时的运行结 果来看，如果增益4在适当的范围内，系统仍能 够达到性能要求，但在相同条件下，与有蓄能器 时的运行结果相比，系统会出现明显的振荡，稳 定性不够。因此在系统中设置蓄能器是很有必要 的，它可以减小压力脉动，使系统更加平稳。3结论liiJ通过对液压机械建模仿真软件AMESim的应用 研究，可得到以下结论：(1)AMESim的图形化建模仿真界面直观易懂， 使用方便，容易掌握。AMESim的图形处理功能比较完善，可以将 所感兴趣的数据直接图形化并进行各种叠加处 理，还可以对所得图线进行动态实时更新，减少 了重复操作，有利于提高工作效率。(3)用AMESim对液