法國Imagine公司開發(fā)的AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）全稱為系統(tǒng)工程建模和仿真平臺(tái),是當(dāng)今的傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件,它為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái),可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的數(shù)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。AMESim 友好的圖形化界面使得用戶可以通過在完整的應(yīng)用庫中選擇需要的模塊來構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型并能方便地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),非常適用于機(jī)械與液壓領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。

AMESim 軟件從方案到仿真只需四個(gè)步驟:①Sketch:從不同的應(yīng)用庫中選取現(xiàn)存的圖形模塊來建立系統(tǒng)的模型;②Sub-models:為在不同的應(yīng)用層次上的元件選擇數(shù)學(xué)模型（給定合適的模型假設(shè)）;③Parameters:為元件設(shè)置模型參數(shù);④Simulation:運(yùn)行仿真分析并繪出仿真結(jié)果。

1 振動(dòng)臺(tái)研究背景

在航空、航天、車輛等工程領(lǐng)域，產(chǎn)品在使用過程中都是在一定的振動(dòng)環(huán)境中工作振動(dòng)引起的破壞是其服役過程中發(fā)生故障的主要因素之一為此，許多國家都投入了大量的人力和物力研究模擬各種產(chǎn)品在使用過程中的振動(dòng)問題。振動(dòng)環(huán)境的研究已經(jīng)日益引起人們的重視，成為對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)*的重要環(huán)節(jié)。

2 振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

振動(dòng)臺(tái)主要是由液壓缸，液壓伺服閥，定量泵，蓄能器，溢流閥，傳感器，控制器等元件組成。通過傳感器的收集反饋信號(hào)到控制器，然后經(jīng)控制器輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)。信號(hào)可以是活塞桿位移，速度，頻率等。圖1 為但自由度振動(dòng)臺(tái)液壓伺服系統(tǒng)原理圖。

圖1 單自由度振動(dòng)臺(tái)液壓伺服系統(tǒng)原理圖

3 AMESim 在單自由度振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

下面以單自由度振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)的位移研究為例，說明AMESim 的應(yīng)用,使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移跟蹤給定的輸入信號(hào)。首先在AMESiim 的草圖模式（ Sketchmode ） 下建立該液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置控制系統(tǒng)的仿真模型（如圖2）該系統(tǒng)主要是由液壓缸、液壓伺服閥、定量泵、蓄能器、溢流閥以及信號(hào)源和增益等構(gòu)成,其液壓機(jī)械部分是一個(gè)閥控缸,從整體來看是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 單自由度振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)模型圖

其工作原理為:用位移傳感器5 將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移轉(zhuǎn)換為信號(hào)并與給定的位移信號(hào)進(jìn)行比較后形成閉環(huán)控制的誤差信號(hào),所得到的差值通過比例放大后驅(qū)動(dòng)伺服閥動(dòng)作,來接通/切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓油供應(yīng)并改變供油方向,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移的大小及方向的控制。只要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移與給定的位移存在偏差,系統(tǒng)就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出位移,直到誤差為zui小。

圖中,用分段線性信號(hào)源2 來模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）驅(qū)動(dòng)的負(fù)載阻力,期望位移信號(hào)由左端的分段線性信號(hào)源1 來給定。系統(tǒng)模型搭建完成之后,在子模型模式（sub-model mode）中根據(jù)實(shí)際需要為每個(gè)元件選擇一個(gè)數(shù)學(xué)模型即子模型,在這里為簡便起見均選擇zui簡子模型。


其中各元件參數(shù)如表 1 所示：

液壓缸無桿腔 d:100mm 活塞桿d:55mm
質(zhì)量塊 500kg
液壓伺服閥固有頻率 50Hz 阻尼率2 額定電流 30mA
泵排 量 63mL/r 轉(zhuǎn)速1470r/min
分段線性信號(hào)源2 常量1000
期望位移信號(hào)源1 0—5s 0~0.05m 5—10s 0.05~0.08m
位移傳感器5 10
增益3 10

當(dāng)各參數(shù)設(shè)置好以后，在運(yùn)行模式（run mode）中的運(yùn)行參數(shù)（run parameters）中設(shè)置運(yùn)行時(shí)間20S，采樣周期0.05S。

下面我們來研究 PID 控制對(duì)系統(tǒng)的影響：

PID 控制器是一種線性的控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID 控制器。比例P 控制的系統(tǒng)其控制結(jié)果穩(wěn)態(tài)值不為0，即存在靜差。積分I用于消除靜差。微分D 用于消除系統(tǒng)滯后。

（1） 在參數(shù)模式下設(shè)置P 為1600，I 為0，D 為0。運(yùn)行仿真，可得到活塞桿的位移曲線如圖3，圖4 所示：

圖 3 活塞桿期望位移與實(shí)際位移其中1（紅色）為期望位移，2（綠色）為實(shí)際位移

圖 4 活塞桿位移誤差曲線

由圖 4 可以看出，活塞桿的實(shí)際位移與期望位移之差在1.5×10⁻³m 以內(nèi)，但是在0~5s 和5~10s內(nèi)系統(tǒng)暫時(shí)穩(wěn)定時(shí)靜差明顯，因此考慮加入積分I控制，反復(fù)調(diào)節(jié)I 當(dāng)其值為80 時(shí)達(dá)到較好效果。誤差曲線如圖5 所示：

圖 5 活塞桿位移誤差曲線（I=80）

若系統(tǒng)要求位移誤差在1.5×10⁻³m 以內(nèi)則上述PI參數(shù)已可滿足要求但為求可嘗試加入微分控制，如圖6，圖7：

圖 6 活塞桿位移誤差曲線（D=10）

圖 7 活塞桿位移誤差曲線（D=20）

由圖6，圖7 可以看出在誤差曲線沒有明顯改變的情況下，當(dāng)D=20 時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)震蕩，因此不加入微分控制，若想繼續(xù)減小誤差可考慮改變比例P 的放大倍數(shù)。這里就不再贅述。

4 結(jié)論：

經(jīng)過以上研究分析，可以看出：AMEsim 軟件圖形化建模界面建模容易，其中的元件庫包含了大部分的液壓元件，但是軟件難點(diǎn)是在建立完模型后，在參數(shù)模式下設(shè)置正確的參數(shù)，然后運(yùn)行仿真，另外軟件還提供了各種數(shù)學(xué)函數(shù)的分析工具，在得到曲線后不必和別的分析軟件連接就可進(jìn)行分析，提高了工作效率，作為一個(gè)新興的軟件，AMEsim 在航空，交通運(yùn)輸，機(jī)械等領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的使用，相信在以后的液壓分析中其將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。