摘  要： 為了提高液壓六自由度平臺(tái)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(duì)平臺(tái)單通道系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，利用AMESim與Matlab各自優(yōu)勢(shì)的聯(lián)合仿真技術(shù)具有良好的仿真效果，為進(jìn)一步開發(fā)、研制液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)打下了良好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；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(yùn)動(dòng)平臺(tái)則是飛行模擬器的重要組成部分。液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，能夠向飛行員提供飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)感信息，使飛行員的感覺與真實(shí)飛行時(shí)的感覺相一致[1]，其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)非線性、強(qiáng)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(diǎn)，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(xiàng)新技術(shù)，它利用AMESim和Matlab接口技術(shù)將兩個(gè)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(yàn)該聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的仿真效果，本文以液壓六自由度單通道系統(tǒng)為例，對(duì)AMESim/Matlab系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，獲得了良好的仿真效果。
1 液壓六自由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成及工作原理
1.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成
    液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由控制計(jì)算機(jī)、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(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作原理
    控制計(jì)算機(jī)模擬實(shí)時(shí)接收飛行方程解算出的與控制運(yùn)動(dòng)裝置有關(guān)的各種信息（也可由實(shí)驗(yàn)者直接輸入與控制運(yùn)動(dòng)裝置有關(guān)的各種信息）并進(jìn)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(hào)；電液伺服閥在液壓站的配合下，控制液壓缸的進(jìn)油方向和流量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓缸平滑、穩(wěn)定地伸縮，實(shí)時(shí)產(chǎn)生期望的過載、姿態(tài)、振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)信息；同時(shí)液壓缸的伸長(zhǎng)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(shí)也送給接口系統(tǒng)，通過A/D變換后輸入給控制計(jì)算機(jī)，作為檢測(cè)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(jìn)行壓力補(bǔ)償，提高控制精度。
2 液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)聯(lián)合仿真
    由于AMESim軟件具有很強(qiáng)的兼容性，同時(shí)考慮到Matlab軟件具有強(qiáng)大的計(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各個(gè)組成部件進(jìn)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(jìn)行控制分析。由于篇幅有限，本文以液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單通道系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行建模仿真分析。
2.1 AMESim環(huán)境下建模
    機(jī)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(yùn)算精度并具有良好的擴(kuò)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(shí)際平臺(tái)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(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min；伺服閥各通路額定流量400 L/min；對(duì)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(jì)方面功能不是很強(qiáng)大；而Simulink借助于Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，在數(shù)值計(jì)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(gè)專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來可取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)連接，圖3為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在Simulink環(huán)境下的仿真模型。

    具體實(shí)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(gè)圖標(biāo)。具體方法為在繪圖模式中點(diǎn)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(duì)此界面進(jìn)行說明，將模型與界面圖標(biāo)相對(duì)應(yīng)的部分連接起來完成整個(gè)模型的搭建。
    (2)在AMESim子模型模式下為系統(tǒng)各個(gè)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(gè)模塊參數(shù)。
    (4)在運(yùn)行模式下點(diǎn)擊“開始”運(yùn)行。運(yùn)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(duì)話框中設(shè)置函數(shù)名及生成結(jié)果文件的時(shí)間間隔。
3 系統(tǒng)仿真分析
    在Simulink環(huán)境下輸入階躍信號(hào)，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(shí)間過長(zhǎng)(約8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài))。而上升時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性，上升時(shí)間越短，控制進(jìn)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(dòng)態(tài)品質(zhì)較差，不符合六自由度液壓平臺(tái)實(shí)時(shí)性要求，需要對(duì)Simulink模型做進(jìn)一步改進(jìn)?？紤]到PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)物理意義明確、被控對(duì)象適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點(diǎn)[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(hào)采用階躍信號(hào)，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(duì)建立的模型進(jìn)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(shí)間明顯減少，約0.8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)明顯得到改善，同時(shí)保持了較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，達(dá)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(duì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)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(dá)到了預(yù)期的要求。同時(shí)，針對(duì)聯(lián)合仿真環(huán)境下模型特點(diǎn)，采用了PID控制，有效地提高了系統(tǒng)的精度和動(dòng)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(tái)上的實(shí)現(xiàn)為今后的研究打下了良好基礎(chǔ)。
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