段云龍

(駐某地區(qū)軍代室, 河北 張家口 075041)

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

基于AMESim和Matlab/Simulink的耦合振動(dòng)臺(tái)建模仿真

段云龍

(駐某地區(qū)軍代室, 河北 張家口 075041)

運(yùn)用AMESim仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模，利用AMESim和Matlab/Simulink接口功能建立伺服系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在兩個(gè)自由度上譜再現(xiàn)車輛運(yùn)輸過(guò)程中的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。

AMESim；Matlab/Simulink；二自由度耦合；振動(dòng)臺(tái)；仿真

車輛在地面行駛中的實(shí)際振動(dòng)是一種寬帶隨機(jī)振動(dòng)[1],它可以分解為三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的六自由度振動(dòng)。電液伺服道路模擬振動(dòng)臺(tái)由一個(gè)或幾個(gè)液壓缸組成的振動(dòng)臺(tái)面組成。試驗(yàn)時(shí)，將被試零部件裝夾在臺(tái)面上，通過(guò)臺(tái)面振動(dòng)，模擬路面不平度對(duì)零部件的激勵(lì)[2]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)設(shè)備進(jìn)行，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，避免設(shè)備條件的限制。

實(shí)驗(yàn)研究表明，車體在運(yùn)輸過(guò)程中，六個(gè)自由度隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度差別很大，其中上下振動(dòng)與俯仰振動(dòng)的功率譜密度遠(yuǎn)大于其他四個(gè)自由度。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度出發(fā)，本文結(jié)合某工程實(shí)際需要構(gòu)思了一種可實(shí)現(xiàn)上下振動(dòng)和俯仰振動(dòng)的二自由度耦合電液振動(dòng)臺(tái)，并運(yùn)用AMESim和Matlab/Simulink接口功能建立了伺服系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在兩個(gè)自由度上譜再現(xiàn)車輛運(yùn)輸過(guò)程中的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。

1 機(jī)構(gòu)的組成與自由度分析

機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件是兩個(gè)液壓缸，一個(gè)液壓缸底部固定在地面上，另一個(gè)液壓缸底部連接一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，兩缸的輸出端分別連接轉(zhuǎn)動(dòng)副，共同支撐起振動(dòng)臺(tái)面，通過(guò)兩液壓缸的不同輸出，實(shí)現(xiàn)臺(tái)面的上下振動(dòng)和俯仰振動(dòng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。若將其視為平面機(jī)構(gòu)，它的本質(zhì)是一種平面連桿機(jī)構(gòu)的演化形式，如圖2所示。OD為機(jī)架，搖桿OA與機(jī)架OD組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，桿DE垂直固定在機(jī)架上，A，B分別與桿OA和DE組成移動(dòng)副。兩個(gè)移動(dòng)副為機(jī)構(gòu)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)副，當(dāng)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)移動(dòng)副作為輸入時(shí)，連桿AB的位置發(fā)生變化[3]。

圖1 耦合機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 平面連桿機(jī)構(gòu)原理圖

由圖2可知該機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=4，低副數(shù)p1=5，高副數(shù)ph=0，帶入平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F為

F=3n-2p1-ph=2

式中：n為機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)；p1為低副數(shù)目；ph為高副數(shù)目[4]。所以本機(jī)構(gòu)為兩自由度機(jī)構(gòu)，滿足上下振動(dòng)和俯仰振動(dòng)同時(shí)存在的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在這個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)中有兩個(gè)原動(dòng)件，模擬得到二自由度振動(dòng)的振幅小，搖桿OA和連桿AB不共線，不存在有效驅(qū)動(dòng)力矩為零，因此在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不存在死點(diǎn)位置[5]。

2 耦合振動(dòng)模擬系統(tǒng)的建模仿真

AMESim軟件提供了一個(gè)圖形化的時(shí)域仿真建模環(huán)境，用于工程系統(tǒng)建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析，適用于機(jī)械與液壓領(lǐng)域的設(shè)計(jì)[6]。針對(duì)控制系統(tǒng)，Matlab/Simulink擁有非常強(qiáng)大的控制系統(tǒng)建模能力，其中包括了模糊控制器的設(shè)計(jì)模塊。因此，利用AMESim軟件擁有的與Matlab/Simulink軟件的接口，建立伺服系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型。

針對(duì)耦合振動(dòng)臺(tái)的雙液壓缸驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，利用AMESim軟件建立聯(lián)合仿真模型，對(duì)每個(gè)臺(tái)面都加一個(gè)隨機(jī)信號(hào)和階躍信號(hào)來(lái)仿真試驗(yàn)過(guò)程中的不確定性干擾，如圖3所示。

1.隨機(jī)干擾；2.階躍干擾；3.聯(lián)合仿真接口；4.比例伺服閥；5.溢流閥；6.位移傳感器；7.負(fù)載和臺(tái)面質(zhì)量；8.油缸；9.蓄能器；10.單向閥；11.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；12.定量泵；13.濾油器；14.油箱

圖3 聯(lián)合仿真模型圖

Simulink整體仿真模型中作為控制元件的“Fuzzy PID Control”和執(zhí)行元件的“Subsystem”都是通過(guò)“Create subsystem”功能建立封裝后的元件，其核心部分是根據(jù)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)方程編寫(xiě)的兩個(gè)“S-Function”組件，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

3 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)效果，進(jìn)行仿真分析。如圖2所示，將振動(dòng)臺(tái)演化成平面連桿機(jī)構(gòu)形式，假設(shè)兩液壓缸不作動(dòng)時(shí)，a與b的初始值均為1 m，振動(dòng)臺(tái)面長(zhǎng)L=3 m，兩液壓缸底端水平距離H=3 m。將解放牌運(yùn)輸車在普通平板公路以30 km/h車速行駛時(shí)車廂的振動(dòng)環(huán)境作為仿真對(duì)象，模擬車廂的俯仰和垂直上下兩個(gè)自由度的振動(dòng)。通過(guò)真實(shí)環(huán)境下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出圖2中的液壓缸端點(diǎn)的輸入位移信號(hào)，作為仿真模型的輸入信號(hào)，設(shè)置聯(lián)合仿真終止時(shí)間為 5 s[7]。振動(dòng)臺(tái)面的仿真信號(hào)與系統(tǒng)原始輸入信號(hào)對(duì)比如圖5和圖6所示。

圖5 垂直上下振動(dòng)信號(hào)對(duì)比(m)

圖6 俯仰角信號(hào)對(duì)比(rad)

將原始輸入數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)利用Matlab軟件編程計(jì)算，仿真環(huán)境下的臺(tái)面俯仰角和垂直上下位移的功率譜密度對(duì)比，如圖7所示。從功率譜曲線可以看出，原始信號(hào)與仿真信號(hào)的功率譜密度一致。

通過(guò)以上分析，可根據(jù)計(jì)算得到的臺(tái)面中點(diǎn)及端點(diǎn)位置的即時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Matlab中的“drawnow”函數(shù)畫(huà)出振動(dòng)臺(tái)面的動(dòng)態(tài)示意圖，更加直觀表達(dá)二自由度振動(dòng)臺(tái)面的運(yùn)行形式。以仿真運(yùn)輸車在普通平板公路行駛時(shí)的振動(dòng)環(huán)境為例，如圖8至圖11為示意動(dòng)畫(huà)中臺(tái)面運(yùn)動(dòng)到四個(gè)不同位置的截圖。

圖7 普通平板公路振動(dòng)環(huán)境功率譜密度對(duì)比

圖8 (a)

圖9 (b)

圖10 (c)

圖11 (d)

4 結(jié)論

提出了一種適用于電液伺服道路模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于控制的二自由度耦合振動(dòng)臺(tái)。該振動(dòng)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，并且造價(jià)和使用費(fèi)都較低，模擬實(shí)現(xiàn)的自由度數(shù)目少，可靠性較強(qiáng)；對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)基于AMESim和Matlab/Simulink軟件的聯(lián)合仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)適用于公路運(yùn)輸?shù)日穹^小的振動(dòng)模擬系統(tǒng)。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:202-211.

[2] 楊云.電液道路模擬振動(dòng)臺(tái)及功率譜再現(xiàn)控制的研究[D].西安:西安交通大學(xué),2003:3-12.

[3] 李盛海.液壓機(jī)構(gòu)及其組合[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992:8-12.

[4] 安子軍.機(jī)械原理教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:10-14.

[5] 張靜,許忠華,臧文福.確定平面低副四桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置的新方法[J].森林工程,2007,23(4):28-29.

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[7] 段云龍,韓保紅,馬英忱,等.一種二自由度并聯(lián)電液振動(dòng)臺(tái)的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].機(jī)械傳動(dòng),2011,35(6):34-36.

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Simulation for Coupled Shaking Table Based on AMESim and Matlab/Simulink

DUAN Yun-long

(The Military Representative Section in a Certain Area, Zhangjiakou 075041, China)

The hydraulic system of simulation is modeled by using software AMESim. The joint simulation model of servo system is established by using AMESim and Matlab/Simulink interface function, and then simulation test is analyzed in comparison. Co-simulating results show that the system can reproduce the random vibration environment of ammunition transportation in two degrees of freedom.

AMESim; Matlab/Simulink; two-DOF coupled; shaking table; simulation

2017-02-15；

2017-03-16

段云龍(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事振動(dòng)測(cè)試研究。

10.11809/scbgxb2017.06.026

format:DUAN Yun-long.Simulation for Coupled Shaking Table Based on AMESim and Matlab/Simulink[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):117-120.

TJ06

A

2096-2304(2017)06-0117-04

本文引用格式：段云龍.基于AMESim和Matlab/Simulink的耦合振動(dòng)臺(tái)建模仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):117-120.