液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用

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1、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

2、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

3、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)

4、 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

5、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

6、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Mat lab、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Fortra

7、n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(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动作，来接通/切断执行机 构的

8、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(submodel 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 活塞直径设置为30mm，活塞杆的直径设置为20mm

9、，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0~1之间，执行机构的位移也将在0~1m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0~5s内从0变化到0.5，在5~10s内从0.5变化到0.8 并保持不变

10、。其它参数均按默认值来设置。 系统所要求达到的性能指标为：在运行时间30s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(run parameters)中设置运行时间为30s，采样 周期为0.05s。

11、点击开始运行(start run)，得到仿真结果。 °-91期望位移信号 ＞；£ 中閨豪訪科拽网 3 www.81 tecn.c«m 图2 k4=350时的液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值 图3 k4=350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。

12、 图4 k4=500时的液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值之差 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。 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 5~478。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

13、 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，

14、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

15、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用。 液压系统讲座报告 题 目： 液压仿真软件AMESim及其应用 院 系： 机电工程学院 班 级： 0808107 姓 名： 赵宸翦 学 号： 1080810710 哈尔滨工业大学