摘 要： 為了提高液壓六自由度平臺的建模精確度，改善控制效果，采用AMESim和Matlab兩種軟件以及PID控制技術(shù)對平臺單通道系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，利用AMESim與Matlab各自優(yōu)勢的聯(lián)合仿真技術(shù)具有良好的仿真效果，為進一步開發(fā)、研制液壓六自由度運動平臺打下了良好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 液壓六自由度運動平臺；AMESim；Matlab；PID
飛行模擬器是當(dāng)今軍事仿真技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，液壓六自由度運動平臺則是飛行模擬器的重要組成部分。液壓六自由度運動平臺通過計算機實時控制，能夠向飛行員提供飛機運動的動感信息，使飛行員的感覺與真實飛行時的感覺相一致[1]，其運動性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到飛行模擬的逼真度。從力學(xué)角度看，并聯(lián)六自由度運動系統(tǒng)是一個非線性、強耦合、變參數(shù)的多變量系統(tǒng)[2]，其建模難度非常大。而應(yīng)用較為廣泛的一些仿真軟件，如AMESim、Matlab、ADAMS等，都有各自的優(yōu)缺點，從而造成了依靠單一的仿真軟件建立的模型得到的仿真結(jié)果不盡如人意。
基于AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)是近年發(fā)展的一項新技術(shù)，它利用AMESim和Matlab接口技術(shù)將兩個優(yōu)秀的專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來，解決了復(fù)雜系統(tǒng)建模難度大的問題，廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天等領(lǐng)域的仿真研究。為了檢驗該聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度運動平臺上的仿真效果，本文以液壓六自由度單通道系統(tǒng)為例，對AMESim/Matlab系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，獲得了良好的仿真效果。
1 液壓六自由運動平臺組成及工作原理
1.1 運動平臺組成
液壓運動平臺由控制計算機、接口系統(tǒng)、液壓汞站、液壓伺服系統(tǒng)、接口系統(tǒng)等組成，基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 運動平臺工作原理
控制計算機模擬實時接收飛行方程解算出的與控制運動裝置有關(guān)的各種信息（也可由實驗者直接輸入與控制運動裝置有關(guān)的各種信息）并進行處理，經(jīng)D/A變換、前置濾波、伺服放大后成為電液伺服閥的輸入信號；電液伺服閥在液壓站的配合下，控制液壓缸的進油方向和流量，進而驅(qū)動液壓缸平滑、穩(wěn)定地伸縮，實時產(chǎn)生期望的過載、姿態(tài)、振動等運動信息；同時液壓缸的伸長量還經(jīng)位置傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環(huán)控制，同時也送給接口系統(tǒng)，通過A/D變換后輸入給控制計算機，作為檢測和控制信息；液壓缸上下腔的壓力差也反饋給比較放大器，進行壓力補償，提高控制精度。
2 液壓六自由度運動平臺聯(lián)合仿真
由于AMESim軟件具有很強的兼容性，同時考慮到Matlab軟件具有強大的計算能力以及它與AMESim之間有良好的轉(zhuǎn)換接口，本文選用AMESim對運動平臺的各個組成部件進行建模，然后將模型通過接口技術(shù)導(dǎo)入到Matlab中，在Simulink環(huán)境下進行控制分析。由于篇幅有限，本文以液壓六自由度運動平臺單通道系統(tǒng)為研究對象進行建模仿真分析。
2.1 AMESim環(huán)境下建模
機電液專業(yè)仿真軟件AMESim采用面向系統(tǒng)原理圖建模方法，便于工程技術(shù)人員掌握[3]，其自帶的智能求解器能保證運算精度并具有良好的擴展性。圖2所示為單通道系統(tǒng)在AMESim中的仿真模型。具體建模步驟如下：
(1)在AMESim/Sketch mode模式下根據(jù)系統(tǒng)物理構(gòu)成搭建清晰直觀的物理模型；
(2)在AMESim/Submodel模式下為搭建的物理模型選擇子模型；
(3)在AMESim/Parameter模式下根據(jù)實際平臺的參數(shù)設(shè)置AMESim模型參數(shù)，具體設(shè)置如下：液壓缸初始位移0 mm；活塞直徑100 mm；桿直徑70 mm；質(zhì)量塊300 kg；黏滯摩擦系數(shù)0.000 1 N/m/s；靜摩擦力0.6 N；安全閥開啟壓力21 MPa；汞排量40 mL/r；轉(zhuǎn)速1 500 r/min；電機轉(zhuǎn)速1 500 r/min；伺服閥各通路額定流量400 L/min；對應(yīng)壓降3.5 MPa；額定電流40 mA；伺服閥阻尼比2；伺服閥固有頻率50 Hz。
2.2 AMESim/Matlab下系統(tǒng)建模
AMESim雖然可提高系統(tǒng)建模精度，但在數(shù)值處理、控制算法設(shè)計方面功能不是很強大；而Simulink借助于Matlab強大的數(shù)值計算能力，在數(shù)值計算及控制算法研究方面得到了廣泛應(yīng)用，但在Matlab環(huán)境下的建模精確度不是很高。采用聯(lián)合仿真技術(shù)將兩個專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來可取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高仿真的精確度。
AMESim與Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真通過AMESim的創(chuàng)建輸出圖標(biāo)功能與Simulink中的S函數(shù)[4]實現(xiàn)連接，圖3為運動平臺在Simulink環(huán)境下的仿真模型。
具體實現(xiàn)步驟為：
(1)在AMESim中采用繪圖模式建立系統(tǒng)模型，并為Simulink的控制模塊構(gòu)造一個圖標(biāo)。具體方法為在繪圖模式中點擊“界面”(Interface)菜單，選擇“創(chuàng)建輸出”(Create Export Icon)圖標(biāo)，選擇輸入輸出端口數(shù)目，定義圖標(biāo)聯(lián)合仿真界面SimuCosim并對此界面進行說明，將模型與界面圖標(biāo)相對應(yīng)的部分連接起來完成整個模型的搭建。
(2)在AMESim子模型模式下為系統(tǒng)各個模塊選擇合適的子模型并保存。
(3)在AMESim參數(shù)模式中輸入系統(tǒng)各個模塊參數(shù)。
(4)在運行模式下點擊“開始”運行。運行結(jié)束即將AME-
Sim模型轉(zhuǎn)化為Simulink中可以調(diào)用的S函數(shù)。
(5)在Simulink中構(gòu)建控制系統(tǒng)模型，在S-Function模塊參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置函數(shù)名及生成結(jié)果文件的時間間隔。
3 系統(tǒng)仿真分析
在Simulink環(huán)境下輸入階躍信號，設(shè)定仿真周期為10 s，采樣周期為1 s，聯(lián)合仿真下液壓缸的位移曲線如圖4所示。
由圖4可知，聯(lián)合仿真效果良好，系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào)，但系統(tǒng)上升時間過長(約8 s達到穩(wěn)態(tài))。而上升時間反映了系統(tǒng)的快速性，上升時間越短，控制進行得就越快，系統(tǒng)品質(zhì)就越好。從圖4的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)較差，不符合六自由度液壓平臺實時性要求，需要對Simulink模型做進一步改進。考慮到PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)物理意義明確、被控對象適應(yīng)性強、動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點[5]，將PID控制器添加到聯(lián)合仿真模型中，在Simulink環(huán)境下系統(tǒng)的輸入信號采用階躍信號，仿真周期和采樣周期保持不變，通過S函數(shù)編寫PID控制算法，對建立的模型進行控制，通過反復(fù)調(diào)試，確定Kp=100.32、Ki=0.25、Kd=4.5，聯(lián)合仿真后的液壓缸位移曲線如圖5所示。
由圖5可知，加入PID控制后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間明顯減少，約0.8 s達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)明顯得到改善，同時保持了較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，達到了預(yù)期目的，獲得了良好的仿真結(jié)果。
利用AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)對液壓六自由度運動平臺進行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，采用聯(lián)合仿真技術(shù)建立的模型仿真效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào)，達到了預(yù)期的要求。同時，針對聯(lián)合仿真環(huán)境下模型特點，采用了PID控制，有效地提高了系統(tǒng)的精度和動態(tài)品質(zhì)，改善了液壓缸的伺服控制效果。
聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度平臺上的實現(xiàn)為今后的研究打下了良好基礎(chǔ)。
參考文獻
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