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——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、AMECustom和AMERun。这4部分有其各自的用途和特性。(1)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。AMESim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设计，不需要书写程序代码。(2)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AMESim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。(3)AMECustom——数据库创建工具AMECustom是一个数据库创建工具，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。(4)AMERun——用户运行版本AMERun是一个AMESim的只运行版本。AMERun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。AMERun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的模型。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Matlab、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Fortran）和其它系统仿真软件的接口，用户可以在AMESim环境中访问任何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。首先在AMESim的草图模式（Sketchmode）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（submodelmode）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（parametermode）中为每个子模型设置参数。将液压缸活塞直径设置为30mm，活塞杆的直径设置为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；泵的转速图5k4=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。调整增益4的值，得到满足系统性能指标的增益值范围为4435~478。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10s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。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。蓄能器在系统中主要作为泵的辅助能源，同时作为系统的补油器。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。(2)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对液压系统进行仿真时，不仅系统整体结构的数学模型起着决定性作用，各个元件子模型中的结构参数也同样重要，精确地设定这些参数往往比较困难。因此，设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节。该软件适用范围很广，尤其在液压机械系统的仿真研究方面具有很强的针对性和优越性。必将在此领域得到广泛的应