吳健楠，王勇亮，趙玉龍，董智超

（空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所，吉林 長春130022）

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)動平臺通過計算機(jī)實時控制，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飛行時的感覺相一致[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，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)展的一項新技術(shù)，它利用AMESim和Matlab接口技術(shù)將兩個優(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。

圖1 液壓運(yùn)動平臺組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 運(yùn)動平臺工作原理

控制計算機(jī)模擬實時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（也可由實驗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，實時產(chǎn)生期望的過載、姿態(tài)、振動等運(yùn)動信息；同時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，同時也送給接口系統(tǒng)，通過A/D變換后輸入給控制計算機(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，同時考慮到Matlab軟件具有強(qiáng)大的計算能力以及它與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：

圖2 液壓六自由度平臺單通道系統(tǒng)AMESim仿真模型

(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)計方面功能不是很強(qiáng)大；而Simulink借助于Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計算能力，在數(shù)值計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]實現(xiàn)連接，圖3為運(yùn)動平臺在Simulink環(huán)境下的仿真模型。

圖3 液壓六自由度運(yùn)動平臺單通道系統(tǒng)Simulink仿真模型

具體實現(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)造一個圖標(biāo)。具體方法為在繪圖模式中點擊“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模型的搭建。

(2)在AMESim子模型模式下為系統(tǒng)各個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)各個模塊參數(shù)。

(4)在運(yùn)行模式下點擊“開始”運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束即將AMESim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。

圖4 液壓缸位移曲線

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)上升時間過長(約8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài))。而上升時間反映了系統(tǒng)的快速性，上升時間越短，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時性要求，需要對Simulink模型做進(jìn)一步改進(jìn)?？紤]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[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，針對聯(lián)合仿真環(huán)境下模型特點，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。

圖5 加入PID控制液壓缸位移曲線

聯(lián)合仿真技術(shù)在液壓六自由度平臺上的實現(xiàn)為今后的研究打下了良好基礎(chǔ)。

[1]王勇亮，陳蕾.基于Matlab的液壓運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計[J].控制工程，2007，14（Z1）：145-147.

[2]楊灝泉，趙克定，吳盛林.飛行模擬器六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的實驗研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16(6)：1217-1219.

[3]李毅，谷立臣.基于AMESim仿真的液壓系統(tǒng)參數(shù)耦合研究[J].液壓與氣動，2010(11)：19-21.

[4]江玲玲，張俊俊.基于 AMESim與 Matlab/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)的接口與應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓，2008，36(1)：148-150.

[5]劉金琨.先進(jìn)PID控制 MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.