基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，西安，710032）

基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究

高 凱

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，西安，710032）

本文在研究了液壓系統(tǒng)發(fā)展的實(shí)際之后，提出了通過AMESim軟件對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模的方式，通過這種方式能夠準(zhǔn)確、便捷的對(duì)液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行整體的分析與評(píng)估。

AMESim軟件;工程機(jī)械液壓系統(tǒng);仿真;建模

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給工業(yè)領(lǐng)域帶來了新的沖擊，在當(dāng)今信息化的社會(huì)，工業(yè)必定離不開信息技術(shù)。本文在分析了液壓系統(tǒng)的建模與仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)AMESim軟件及其使用流程進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。通過使用AMESim軟件對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，大大節(jié)約了研究系統(tǒng)性能與精度的時(shí)間，同時(shí)更加直觀的展現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的工作原理與狀態(tài)。

1 液壓系統(tǒng)的建模與仿真

1.1液壓系統(tǒng)建模類型選擇

我們都知道液壓系統(tǒng)關(guān)鍵是其非線性的連續(xù)時(shí)間的動(dòng)態(tài)分析，在具體的建模過程中，可以分為兩種模型，即分布參數(shù)建模和集中參數(shù)建模。本文在研究中選擇的是集中參數(shù)建模。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于可以簡(jiǎn)化被建模對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真功能，通過這種方式有利于研究液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

圖1 液壓轉(zhuǎn)向器的功率鍵合圖

圖2 基于AMESim的液壓系統(tǒng)模型

集中參數(shù)建模又可以分為兩種，一種是基于信號(hào)流建模，另一種是基于功率流建模，前者在控制領(lǐng)域使用的比較多一些，如Matlab的Simulink模塊就是通過這種方式進(jìn)行建模的；后者主要是通過運(yùn)用功率鍵合圖實(shí)現(xiàn)的，從邏輯上來看，鍵合圖與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是相一致的，圖1即為液壓轉(zhuǎn)向器的功率鍵合圖。壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文在研究中采用的是將二者結(jié)合的方式，通過在元件之間設(shè)置端口的方式來傳遞數(shù)據(jù)，我們將這個(gè)端口稱之為多端口，通過這個(gè)端口既能夠傳遞控制數(shù)據(jù)信號(hào)，又能夠傳遞功率信號(hào)，例如本文研究中的AMESim軟件中運(yùn)用的就是這一方法，圖2即為通過AMESim軟件建立的液壓系統(tǒng)模型，為了更加直觀的說明端口在其中的作用，直接通過圖3來展示了部分元件的端口數(shù)據(jù)傳遞。

圖3 部分元件的端口數(shù)據(jù)傳遞

1.2液壓系統(tǒng)的建模過程

在液壓系統(tǒng)中，用來描述其動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型是動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)模型，一般情況下，液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立有兩種方式，即理論法與實(shí)驗(yàn)法。前者多在研究對(duì)象各相關(guān)理論較成熟的情況下使用，從其理論出發(fā)，通過機(jī)理分析尋找系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，再通過數(shù)學(xué)計(jì)算構(gòu)建其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文結(jié)合液壓系統(tǒng)的理論實(shí)際與實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為理論法能夠更精確的確定出模型結(jié)構(gòu)，因此最終本文選擇了通過理論法對(duì)其進(jìn)行研究。

建模的過程實(shí)際上就是將系統(tǒng)進(jìn)行概括、抽象和數(shù)學(xué)解析處理的過程。通常由以下三個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)：

第一，進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分。通常情況下，我們并不容易直接建立液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，因此需要先將整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分解，將其分解成若干子系統(tǒng)，他們之間可以實(shí)現(xiàn)互相連接，并進(jìn)行能量和數(shù)據(jù)信息的傳遞。

第二，建立基本模型。關(guān)于液壓系統(tǒng)的基本模型，主要包含三種，即：有阻性元模型、容性元模型和感性元模型，這三種基本模型都是基于功率流建模，通過功率流實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，其建立的目的就是為系統(tǒng)研究提供一種方式和手段。

第三，集總模型。關(guān)于集總模型的建立，主要是以上述子系統(tǒng)的建立為依據(jù)，通過相應(yīng)的程序?qū)⑵溥M(jìn)行歸納整理。當(dāng)然，這一歸納整合的過程并不是將子系統(tǒng)簡(jiǎn)單的組合，需要充分結(jié)合其工作原理進(jìn)行有效的連接，并以此為依據(jù)分析數(shù)據(jù)流向，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)元件模型的在數(shù)據(jù)信息輸入、輸出等方面功能。

2 基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)建模與仿真

2.1AMESim軟件

AMESim是一種應(yīng)用于多種領(lǐng)域的仿真集成平臺(tái)，通過創(chuàng)建多物理場(chǎng)仿真模型，并進(jìn)行計(jì)算來研究復(fù)雜的系統(tǒng)特性。它最初由Imagine公司設(shè)計(jì)，隨后該公司被LMS公司收購，并將原來AMESim升級(jí)為LMS Imagine.Lab AMESim，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和管理在不同部門的機(jī)械和控制的模型以及數(shù)據(jù)，為諸多領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的仿真平臺(tái)。他可以為用戶提供各種分析工具，如模型簡(jiǎn)化工具，頻譜分析工具，線性化分析工具，模態(tài)分析工具等，從而能夠更好的協(xié)助用戶對(duì)自身系統(tǒng)進(jìn)行精確的分析并優(yōu)化。

此外，AMESim 軟件還提供了接口，如Matlab（控制軟件接口）、dSPACE（實(shí)時(shí)仿真軟件接口）、OPTIMUS（優(yōu)化軟件接口）等。

2.2基于AMESim 的建模與仿真流程

通過AMESim軟件，能夠進(jìn)行草圖創(chuàng)建工作，還能夠更改元件和連線的子模型，設(shè)置子模型參數(shù)以及進(jìn)行運(yùn)行仿真。這些步驟的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過四個(gè)工作模式，即草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式和仿真模式。下面我們就主要分析這一流程：

①草圖模式

在草圖模式下，既可以對(duì)已經(jīng)存在的系統(tǒng)執(zhí)行修改、刪除某個(gè)元件子模塊的操作，也可以進(jìn)行新系統(tǒng)的創(chuàng)建。其中，建立新系統(tǒng)時(shí)需要從模型庫中選擇合適的模型，AMESim軟件中有十五個(gè)模型庫，四百多元件。圖4就是在這種模式下建立的液壓挖掘機(jī)模型。

圖4 草圖模式下的液壓挖掘機(jī)模型

② 子模型模式

系統(tǒng)建成之后，需要進(jìn)入下一步子模型模式，通過這一模式，根據(jù)系統(tǒng)中元件需求，選擇器合適的子模型，若上一步中建立的系統(tǒng)并不合理，那么就不可以根據(jù)AMESim要求建立正常循環(huán)，也就不能進(jìn)入到此步驟的子模型模式，一般若沒有特殊變化，可以直接選擇AMESim中圖標(biāo)，AMESim就會(huì)直接為系統(tǒng)選擇默認(rèn)的子模型。

③ 參數(shù)模式

在這一模式下，可以對(duì)子模型的參數(shù)執(zhí)行檢查、更改、設(shè)置等操作。在AMESim中直接點(diǎn)擊圖標(biāo)，便可以進(jìn)入這一模式，點(diǎn)擊之后，會(huì)彈出參數(shù)設(shè)置的對(duì)話框，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置即可。另外，這一模式下AMESim可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編譯，編譯器產(chǎn)生包含系統(tǒng)參數(shù)的可執(zhí)行文件，從而使仿真得以運(yùn)行。

④ 仿真模式

在這一模式下，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行仿真、進(jìn)行當(dāng)前系統(tǒng)的線性化、完成線性系統(tǒng)的各種分析等。在AMESim中直接點(diǎn)擊圖標(biāo)，就可以添加運(yùn)行參數(shù)了，會(huì)出現(xiàn)開始運(yùn)行、停止運(yùn)行模式。通常情況下，我們只需要將仿真開始、結(jié)束時(shí)間、通信間隔、最大時(shí)間步長以及誤差限填寫清楚，就可以開始進(jìn)行仿真，并能夠得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)工業(yè)中液壓系統(tǒng)的性能等提出了更高的要求，本文從液壓系統(tǒng)的建模與仿真入手，通過對(duì)AMESim軟件的相關(guān)介紹，著重分析研究了基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過使用AMESim對(duì)機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真是一種有效的方式。

[1] 汪宇亮.基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障仿真研究[D].武漢理工大學(xué).2012(04)

[2] 趙飛.基于AMESim的氣動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究[D].燕山大學(xué).2010(05)

[3] Cassens L,Thomas M F,Krutz G.Water hydraulic energy savings vehicle[A].Proc.of the 8th Scandinavian Intl Conf on Fluid Power[C].Tampere,Finland,2003

[4] 丁問司,黃曉東.自配流型液壓沖擊器建模與仿真[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(2):103-106.

高凱，男，1974年10月出生，陜西省西安市人，高校講師 ，研究方向：機(jī)電和汽車

AMESim engineering machinery hydraulic system modeling and simulation based on

Gao Kai
(Xi'an Vocational and Technical College Department of electrical and computer engineering,Xi'an 710032)

In this paper,after the actual research of the hydraulic system development,put forward the simulation modeling of engineering machinery hydraulic system through AMESim software,by this way can make the performance of the hydraulic system is accurate,convenient,and can analyze and evaluate the whole body.

AMESim;hydraulic system;simulation;modeling