陸繼山，馮廣斌，孫華剛，張?jiān)品?/p>

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊　050003；2.軍械技術(shù)研究所，石家莊　050003）

基于AMESim/RecurDyn/Simulink的自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真

陸繼山1，馮廣斌2，孫華剛2，張?jiān)品?

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.軍械技術(shù)研究所，石家莊050003）

利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件分別建立自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的液壓子系統(tǒng)、機(jī)械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)仿真模型，利用多軟件接口技術(shù)將3種軟件耦合建立機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真平臺(tái)，同時(shí)也得出自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)機(jī)電液一體化仿真模型，通過(guò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了一體化仿真模型具有較高的精度。

自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)，聯(lián)合仿真，AMESim，RecurDyn，Simulink

0　引言

由于自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此，自裝備之日起就成為世界各國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯康闹攸c(diǎn)，到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的研究成果主要集中在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的研究方面，完整的研究供輸彈機(jī)械子系統(tǒng)的成果比較少，而在自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)機(jī)電液一體化仿真研究方面幾乎還是一片空白［1-4］。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，利用多軟件接口技術(shù)建立聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真分析，已成為近年來(lái)系統(tǒng)聯(lián)合仿真領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)工程［6-8］。多軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)能夠結(jié)合各軟件的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得出更為精確可信的結(jié)果。本文擬利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件建立聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)供輸彈系統(tǒng)機(jī)電液一體化仿真模型進(jìn)行仿真分析［9-10］，力求得出準(zhǔn)確合理的供輸彈系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，為后續(xù)研究打下一定基礎(chǔ)。

1　聯(lián)合仿真平臺(tái)

1.1聯(lián)合仿真平臺(tái)概述

本文利用接口技術(shù)建立多軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)供輸彈系統(tǒng)機(jī)電液一體化仿真模型進(jìn)行仿真分析能夠充分發(fā)揮各軟件的建模和仿真優(yōu)勢(shì)，得到精確度較高的虛擬樣機(jī)模型和令人信服的仿真計(jì)算結(jié)果。

AMESim軟件是由法國(guó)IMAGINE公司于1995年推出的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真集成平臺(tái)，專門(mén)用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的優(yōu)秀軟件［12］?？梢詣?chuàng)建和運(yùn)行多物理場(chǎng)仿真模型，進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)特性分析，支持控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該軟件不要求用戶具備完備的仿真專業(yè)知識(shí)，采用面向系統(tǒng)原理圖建模的方法，便于工程技術(shù)人員掌握和使用。該軟件具有如下主要特點(diǎn)：①擁有豐富的模型庫(kù)；②采用C或FORTRAN編程，元件代碼底層開(kāi)放，用戶可自行開(kāi)發(fā)或構(gòu)建符合個(gè)人需求的元件；③擁有與Matlab/Smiulink、Adams、RecurDyn等軟件的接口，便于在應(yīng)用中發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)；④擁有4個(gè)級(jí)別的建模方式：數(shù)學(xué)方程級(jí)、方塊圖級(jí)、基本元素級(jí)和元件級(jí)，可供不同特點(diǎn)和專長(zhǎng)的用戶來(lái)選擇。本文中，使用AMESim對(duì)自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)中的液壓部分進(jìn)行建模，同時(shí)利用自身與Matlab/Smiulink和RecurDyn的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺(tái)。

Smiulink系統(tǒng)是Mathtools公司產(chǎn)品Matlab的一個(gè)重要分支，是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。Smiulink軟件還可提供能與RecurDyn軟件、AMESim軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互調(diào)的特定接口，可處理包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)等。本文中，使用Smiulink對(duì)自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)中的控制部分進(jìn)行建模。同時(shí)利用RecurDyn軟件生成機(jī)械系統(tǒng)的M文件，利用AMESim軟件生成液壓系統(tǒng)的C文件，在Smiulink軟件中打開(kāi)M文件并運(yùn)行，輸入相關(guān)命令實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結(jié)，在Smiulink軟件中打開(kāi)C文件并運(yùn)行，輸入相關(guān)命令實(shí)現(xiàn)液壓和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結(jié)［11］。

RecurDyn是由韓國(guó)FunctionBay公司基于相對(duì)坐標(biāo)系建模和遞歸求解，充分利用最新的多體動(dòng)力學(xué)理論開(kāi)發(fā)的一個(gè)優(yōu)秀多學(xué)科協(xié)同仿真軟件，其特點(diǎn)是具有令人震撼的求解速度和穩(wěn)定性，方便快捷的建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)與液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)電液一體化仿真研究［13］。本文利用RecurDyn軟件建立自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型［14］，同時(shí)利用自身與Matlab/Smiulink和AMESim軟件的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺(tái)。

1.2聯(lián)合仿真平臺(tái)建立

要實(shí)現(xiàn)AMESim、RecurDyn和Simulink三軟件建立聯(lián)合仿真平臺(tái)需要將其中任意兩個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其聯(lián)合仿真模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　聯(lián)合仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

①AMESim軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過(guò)添加約束副和運(yùn)動(dòng)副建立機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)動(dòng)態(tài)校核和靜態(tài)校核驗(yàn)證樣機(jī)模型的正確性，然后在RcurDyn/Communicator/Hydraulic中對(duì)Hydraulic Inputs行創(chuàng)建并定義相關(guān)表達(dá)式如圖2所示，然后定義Hydraulic outputs，具體做法是在Hydraulic outputs菜單中定義輸出接口以及相關(guān)名稱，然后對(duì)每一個(gè)確定的元素創(chuàng)建輸出表達(dá)式，同時(shí)定義ID如圖3所示。

圖2　HydraulicInput示意圖

圖3　Hydraulicoutputs示意圖

圖4　AMESim接口

建立輸入輸出接口之后，也即完成了兩個(gè)軟件之間聯(lián)合仿真接口的創(chuàng)建，然后在AMESim軟件中建立液壓系統(tǒng)模型，將AMESim軟件與所創(chuàng)建的Hydraulic Inputs接口連接，如圖4所示，創(chuàng)建聯(lián)合仿真環(huán)境。然后進(jìn)行聯(lián)合仿真：首先運(yùn)行AMESim軟件，在AMESim軟件正常運(yùn)行后，對(duì)RecurDyn軟件中的模型進(jìn)行仿真，通過(guò)RecurDyn軟件中的Plot觀察結(jié)果曲線變化情況。

②Simulink軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過(guò)添加約束副和運(yùn)動(dòng)副建立機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)動(dòng)態(tài)校核和靜態(tài)校核驗(yàn)證樣機(jī)模型的正確性，然后通過(guò)RcurDyn/Communicator/Control中對(duì)plant inputs和plant outputs進(jìn)行輸入和輸出的定義和創(chuàng)建如下頁(yè)圖5和圖6所示，輸入和輸出的對(duì)象一般是速度、位移和加速度等。然后通過(guò)Communicator/Control/CoSim輸出相應(yīng)的M文件，在MATLAB中打開(kāi)M文件并運(yùn)行，同時(shí)在命令窗口輸入radlib命令，再運(yùn)行Simulink軟件，創(chuàng)建控制框圖。先在Simulink中運(yùn)行聯(lián)合仿真，待聯(lián)合仿真成功后，可以運(yùn)行RcurDyn在Plot中查看仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖5　plant inputs示意圖

圖6　plant outputs示意圖

圖7　M文件的輸出

③AMESim軟件和Simulink軟件的耦合。建模過(guò)程首先通過(guò)在AMESim中充分發(fā)揮其在機(jī)械液壓建模方面的專長(zhǎng)建立系統(tǒng)機(jī)械液壓部分的模型，并將此部分模型經(jīng)過(guò)系統(tǒng)編譯后轉(zhuǎn)化為Smiulink中常用的S函數(shù)形式，從而實(shí)現(xiàn)與Smiulink的聯(lián)合；其次，在Smiulink中再建立系統(tǒng)余下的控制部分線性或非線性模型；最后，在Smiulink中通過(guò)調(diào)用上述S函數(shù)作為被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)模型的聯(lián)合要實(shí)現(xiàn)AMESim與Matlab/Smiulink的聯(lián)合仿真。

1.3聯(lián)合仿真平臺(tái)的特點(diǎn)

該聯(lián)合仿真平臺(tái)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①平臺(tái)建立過(guò)程具有較強(qiáng)針對(duì)性，發(fā)揮了3種軟件分別在機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模方面的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的機(jī)械部分、液壓部分與控制部分既相互獨(dú)立又合為一體；②3種軟件集成的聯(lián)合仿真算法具有很好的靈活性，比如機(jī)械部分和液壓部分的仿真運(yùn)算過(guò)程既可選擇使用AMESim中默認(rèn)的優(yōu)化算法（Co-smi ula-tion interface），也可選擇使用Smiulink中的其他各類算法；③操作過(guò)程具有較好的便捷性，使操作者工作量大大降低，并能取得好的仿真效果。

2　仿真模型的建立及仿真分析

2.1機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型建立

自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)主要由供彈機(jī)、協(xié)調(diào)器和輸彈機(jī)三大部分組成。其中供彈機(jī)主要由自動(dòng)化彈倉(cāng)、彈架本體、彈架前橋、主動(dòng)鏈輪組合、從動(dòng)鏈輪組合、推彈器、導(dǎo)軌和蝸輪蝸桿等部分組成；協(xié)調(diào)器由本體、托彈盤(pán)、行程開(kāi)關(guān)、行軍固定器、擺彈油缸、氣液小平衡機(jī)等部分組成；輸彈機(jī)主要由鏈盒、鏈條、推殼機(jī)構(gòu)、大鏈輪、輸彈槽等部分組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。將Pro/E軟件中建立的自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的機(jī)械子系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入RcurDyn軟件中，通過(guò)添加相應(yīng)的約束和載荷建立其虛擬樣機(jī)模型。

圖8　供輸彈機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2液壓系統(tǒng)AMESim模型建立

液壓系統(tǒng)中主要元部件包括：液壓馬達(dá)、雙聯(lián)葉片泵、直流電機(jī)、疊加式液控單向閥、集流板電磁閥組件、單向節(jié)流閥、安全閥芯等。于是可以利用AMESim軟件按照相關(guān)建模步驟建立自動(dòng)供輸彈液壓系統(tǒng)仿真模型如下頁(yè)圖9所示。

2.3電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型建立

本文采用電液速度控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)的主要部件的速度進(jìn)行控制，根據(jù)伺服閥的增益和相關(guān)參數(shù)，可以確定伺服閥的傳遞函數(shù)為：

液壓缸的固有頻率：

則可得出控制液壓缸的傳遞函數(shù)為：

圖9　供輸彈液壓系統(tǒng)AMESim模型

取傳感器增益為4×10-2V/m，則可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

于是根據(jù)傳遞函數(shù)及相關(guān)參數(shù)可以建立控制系統(tǒng)的Smiulink模型如圖10所示。

圖10　電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型

2.4聯(lián)合仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述聯(lián)合仿真平臺(tái)建模方法對(duì)自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)機(jī)械、液壓及控制子系統(tǒng)進(jìn)行一體化聯(lián)合仿真分析。自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)在工作過(guò)程中主要有自動(dòng)化彈倉(cāng)選彈、協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)擺彈、輸彈機(jī)輸彈幾個(gè)較為重要的過(guò)程，因此，聯(lián)合仿真分析得出3個(gè)主要階段的彈丸速度變化曲線如圖11～圖13所示。同時(shí)利用模擬彈和速度傳感器對(duì)供輸彈系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

圖11　供彈機(jī)10號(hào)彈筒速度變化曲線

從圖6中可以比較明顯地看出，由于自動(dòng)化彈倉(cāng)鏈傳動(dòng)的多邊效應(yīng)，10號(hào)彈筒速度變化過(guò)程中，會(huì)有小范圍內(nèi)的周期性波動(dòng)，大約在2.8 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，其速度的最大值不能超過(guò)350 mm/s，在1.5 s時(shí)速度有一個(gè)小范圍的劇烈波動(dòng)，這是由于自動(dòng)化彈倉(cāng)每1.5 s走一個(gè)彈距，在1.5 s時(shí)由于臨近彈丸受到推彈器的推送作用出現(xiàn)振動(dòng)引起的，符合實(shí)際情況，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際相符。

表1　供彈機(jī)10號(hào)彈筒速度變化測(cè)試結(jié)果

圖12　協(xié)調(diào)器速度變化曲線

表2　協(xié)調(diào)器速度變化測(cè)試結(jié)果

圖12中協(xié)調(diào)器經(jīng)歷從協(xié)調(diào)到擺彈的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，前1.2 s協(xié)調(diào)器的速度從0變至0，顯然是協(xié)調(diào)階段，從1.2 s～1.9 s協(xié)調(diào)器速度從0變至1 480 mm/s，這是協(xié)調(diào)器將彈丸從協(xié)調(diào)器擺至輸彈線路的階段，1.9 s之后至2.0 s彈丸速度處于穩(wěn)定狀態(tài)，這符合協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)時(shí)0.7 s擺彈，0.1 s緩沖的原則和原理，因此，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際相符。

根據(jù)輸彈機(jī)輸彈速度的相關(guān)要求，最大速度不能超過(guò)4 000 mm/s，最大推彈時(shí)間不超過(guò)1 s，而從圖中可以看出，除去在0.5 s和0.9 s時(shí)輸彈鏈頭受到兩次較大的沖擊，其速度短暫的超過(guò)最大速度的數(shù)值，其余時(shí)間均在要求范圍時(shí)間之內(nèi)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際相符。

圖13　輸彈機(jī)輸彈速度變化曲線

表3　輸彈機(jī)輸彈速度變化測(cè)試結(jié)果

對(duì)比各階段圖表進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，彈丸的運(yùn)動(dòng)速度極為接近，并且較傳統(tǒng)的單個(gè)子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果具有更高的精度，說(shuō)明所建立的基于聯(lián)合仿真平臺(tái)的自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)一體化仿真模型具有較高的可信度，可以用于進(jìn)行更深入的仿真研究。

3　結(jié)論

本文以自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在RecurDyn軟件中建立其機(jī)械子系統(tǒng)，在Matlab軟件中建立電液控制子系統(tǒng)，利用AMESim、RecurDyn和Simulink三種軟件耦合進(jìn)行一體化聯(lián)合仿真的方法對(duì)機(jī)電液各子系統(tǒng)之間的交互參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而建立起系統(tǒng)的機(jī)電液一體化仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了模型的正確性，為供輸彈系統(tǒng)的深入研究打下了一定基礎(chǔ)。將機(jī)械系統(tǒng)仿真工具與液壓控制系統(tǒng)仿真工具結(jié)合起來(lái)進(jìn)行機(jī)電液一體化仿真分析的方法能大大提高裝備研發(fā)效率，降低研究成本，而且具有較高的可信度?？梢詾楣┹攺椣到y(tǒng)的勤務(wù)保障提供參考。

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Co-simulating of Mechanical and Electro-hydraulic System for Virtual Auto-feeding Mechanism Prototyping Technology Based on AMESim/RecurDyn/Simulink

LU Ji-shan1，F(xiàn)ENG Guang-bin2，SUN Hua-gang2，ZHANG Yun-feng1
（1.School of Ordnance Engineering，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Technical Institution，Shijiazhuang 050003，China）

The different systems of auto-feeding mechanism are built by the software AMESim，RecurDyn and Simulink.The Co-simulating virtual environment is built within RecurDyn，AMESim and Simulink.The interface method between the three types of software is studied and with the integration of the mechanical，hydraulic and control systems，the co-simulation with this technology is studied in the end.

auto-feeding mechanism，Co-simulating，AMESim，recurDyn，Simulink

TP391.9；TJ410

A

1002-0640（2016）07-0188-05

2015-06-03

2015-07-10

陸繼山（1988-）男，云南宣威人，碩士研究生。研究方向：火炮、彈藥及自動(dòng)武器。