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(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)動平臺打下了良好基礎(chǔ),。
關(guān)鍵詞： 液壓六自由度運(yùn)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(yùn)動平臺則是飛行模擬器的重要組成部分,。液壓六自由度運(yùn)動平臺通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，能夠向飛行員提供飛機(jī)運(yùn)動的動感信息,，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(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)動平臺組成及工作原理
1.1 運(yùn)動平臺組成
    液壓運(yùn)動平臺由控制計(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)動平臺工作原理
    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,；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)、振動等運(yùn)動信息,；同時(shí)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(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)動平臺聯(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對運(yùn)動平臺的各個(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)動平臺單通道系統(tǒng)為研究對象進(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)合起來可取長補(bǔ)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(shí)現(xiàn)連接,，圖3為運(yùn)動平臺在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并對此界面進(jìn)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(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,，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(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)動態(tài)品質(zhì)較差，不符合六自由度液壓平臺實(shí)時(shí)性要求,，需要對Simulink模型做進(jìn)一步改進(jìn),。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(qiáng)、動態(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(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)對液壓六自由度運(yùn)動平臺進(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(shí)現(xiàn)為今后的研究打下了良好基礎(chǔ)。
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