楊之江，吳林瑞，吳齊才，李德忠

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基于AMESim和ADAMS聯合仿真的發(fā)射平臺起豎控制方法研究

楊之江，吳林瑞，吳齊才，李德忠

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

建立發(fā)射平臺起豎系統機械動力學ADAMS模型，液壓AMESim模型，控制系統MATLAB/Simulink模型，實現發(fā)射平臺起豎系統的多平臺聯合仿真，在此基礎上對起豎過程控制方法進行分析研究，得到多級油缸基于角速度閉環(huán)控制方法的起豎控制模型。

發(fā)射平臺起豎系統；聯合仿真；ADAMS；AMESim；MATLAB

0 引 言

發(fā)射平臺是包含了機械、液壓、控制等多種專業(yè)技術的復雜設備，其設計開發(fā)與特性研究需要反復匹配各分系統之間的接口和參數，傳統實物試驗的開發(fā)方式工作量大、周期長，研制和開發(fā)效率較低。目前隨著各專業(yè)仿真軟件的快速發(fā)展，多專業(yè)聯合仿真系統已經可以實現。利用聯合仿真技術，可以避免將大量時間和精力投入到接口和參數的匹配工作中，從而提高研制和開發(fā)效率。

發(fā)射平臺起豎系統是發(fā)射平臺中機械、液壓、控制多專業(yè)結合的一個典型表現，為了滿足垂直或傾斜發(fā)射的發(fā)射角要求，需要將發(fā)射架從水平狀態(tài)起升至某個特定位置；同時為了實現快速平穩(wěn)起豎，還需要對控制方法進行研究，以減小起豎過程中的振動和沖擊，并滿足一定的起豎到位精度要求。

基于發(fā)射平臺起豎系統機械、液壓、控制聯合仿真的需要，需要解決MATLAB/Simulink與AMESim、ADAMS的軟件聯合和參數設置問題，本文對起豎過程控制方法進行研究，提出了基于角速度閉環(huán)的控制方法，可以較好地滿足起豎過程穩(wěn)定、快速和高精度等要求[1,2]。

1 發(fā)射平臺聯合仿真系統搭建

在專業(yè)仿真軟件ADAMS、AMESim和MATLAB/Simulink平臺下分別對發(fā)射平臺起豎系統的機械、液壓和控制部分進行建模，并通過相應的軟件接口完成聯合仿真系統的搭建[3]。

1.1 建立機械系統ADAMS模型

在ADAMS平臺下建立發(fā)射平臺起豎機械系統模型，模型主要由車架、起豎架、1個4級起豎液壓缸，4個調平支撐液壓缸組成。在起豎系統中，車架與地面之間使用調平支撐油缸支撐，在起豎過程中不考慮水平支撐帶來的影響，將車架視為與地面固定。以車架為基礎，起豎油缸、起豎架和車架之間以轉動副連接，起豎油缸通過位移驅動使起豎架繞起豎軸轉動。機械系統模型如圖1所示。

a）機械模型空載狀態(tài)

b）機械模型滿載狀態(tài)

圖1 發(fā)射平臺起豎系統多體動力學模型

機械系統中的起豎液壓缸參數在AMESim中建立的液壓模型中體現，通過輸入油缸實時位移的方法，將ADAMS建立的液壓缸模型的運動與機械系統中的液壓缸模型同步。機械系統模型對液壓系統模型輸出起豎架和發(fā)射筒負載對油缸沿運動方向的負載力的值，通過固定副將質量塊與發(fā)射筒連接后，可實現加載起豎仿真實驗[4]。

ADAMS軟件提供了與MATLAB/Simulink的聯合仿真接口。通過嵌入子模型的方式，ADAMS與MATLAB/Simulink之間可進行聯合仿真數據通訊，仿真求解時分別使用各自的求解器進行求解。聯合仿真時，ADAMS模型作為MATLAB/Simulink控制模型中的子模型，該子模型中包含實時通信模塊S函數。發(fā)射平臺起豎機械系統含有2個聯合仿真參數，分別為發(fā)射架與負載在油缸運動方向上對油缸的負載力和沿油缸運動方向的油缸位移。

1.2 建立液壓系統AMESim模型

在AMESim平臺下建立發(fā)射平臺起豎系統液壓模型，液壓系統由比例流量閥、二位四通換向閥、非對稱四級液壓缸、正腔油缸阻尼孔，液壓油源、液壓油泵、溢流閥等組成[5]。

起豎系統液壓模型主要為4級液壓缸模型，由3個缸體可移動的單級缸和1個缸體不可移動的單級缸組成，并使用AMESim機械元件庫中帶可移動套筒的質量塊來模擬缸體的質量、碰撞、摩擦特性，使用參數可變油孔來模擬油缸換級時的阻尼油孔特性，以減小油缸換級時的沖擊[6,7]。

AMESim液壓模型同時向ADAMS機械模型和MATLAB/Simulink控制模型輸出起豎液壓缸的實時位移信號，向控制模型輸出液壓缸正腔總流量和壓力信號；輸入ADAMS機械模型的發(fā)射架和負載對油缸的負載力信號、控制模型對比例流量閥的流量控制信號和對溢流閥的壓力控制信號。AMESim液壓模型以系統S函數的形式存在于MATLAB/Simulink軟件中。

1.3 搭建聯合仿真系統模型

以MATLAB/Simulink作為主平臺搭建聯合仿真系統模型，如圖2所示。

圖2 起豎系統聯合仿真系統模型

聯合仿真模型由3個主要模塊組成，分別為AMESim CoSim液壓模型系統S函數、控制系統子模型Control system和ADAMS機械系統子模型adams_sub。為避免形成代數環(huán)，添加了延時環(huán)節(jié)time delay。

液壓系統模型和機械動力學模型全部導入后，形成由AMESim CoSim S-function、Control system、ADAMS plantout subsystem構成的聯合仿真模型，可在MATLAB/Simulink中直接啟動聯合仿真。

2 建立起豎系統Simulink控制模型

發(fā)射方式的發(fā)射角要求，將發(fā)射平臺從水平狀態(tài)起升至某個位置，故需要對控制方法進行研究，保證整個起豎過程可以快速平穩(wěn)地實現。

在MATLAB/Simulink中建立控制系統模型，使用基于角速度的閉環(huán)控制方式對系統流量進行控制，使用基于角度的分段控制方式對系統壓力進行控制，并分別在空載和滿載兩種狀態(tài)下進行仿真試驗。

2.1 系統流量控制

基于角速度的流量閉環(huán)控制方式，即在起豎過程中跟蹤理想“角度-角速度”曲線，基于起豎位置對角速度進行直接控制，以滿足平穩(wěn)起豎、高到位精度的要求。為避免起豎時間過長或起豎提前停止，在起豎控制的起始階段和即將到位階段，不跟蹤理想角速度曲線，直接對流量進行控制，以保證快速起豎和到位。規(guī)劃理想角速度曲線基于如下原則[8]：

a）在起豎過程中液壓系統盡可能使用最大流量，以滿足起豎快速性要求；

b）為減小起豎過程中油缸換級機械碰撞和運動摩擦產生的沖擊，在油缸換級前適當降低起豎速度，換級完成后再將速度提高，快速起豎；

c）起豎后期的理想狀態(tài)是角度達到目標角度時角速度恰好降為0。但這種控制方法在接近目標位置時，油缸角速度很小，無法作為控制參數。為解決該問題，在起豎至與目標角度相差某個小角度時，結束角度-角速度閉環(huán)，控制系統保持以結束角速度跟蹤時的控制量起豎至目標角度并完成起豎；

d）為保證起豎過程平穩(wěn)，即角加速度連續(xù)，需要“角度-角速度”曲線滿足一階導數連續(xù)。

依據以上原則，設置理想“角度-角速度”曲線如圖4的所示，即使用分段函數表示。

圖3 發(fā)射平臺起豎過程理想實時“角度-角速度”曲線

為了使油缸起豎過程中的實時角速度與理想“角度-角速度”曲線吻合，使用閉環(huán)控制策略對液壓系統實時流量進行控制。選取PID控制策略對理想“角度-角速度”曲線進行跟蹤，以滿足控制要求。

由于不同起豎階段跟蹤曲線的特點不同，將起豎過程分為5個階段：

a）起豎啟動階段。打開比例流量閥，將起豎架由靜止狀態(tài)轉為運動狀態(tài)。此過程不跟蹤理想角速度曲線，角度范圍為0~0.5°。

b）起豎前期。開始跟蹤理想“角度-角速度”曲線，起豎架保持加速起豎，到勻速起豎為止。由于起豎前期為加速過程，為取得更好的控制效果，加快響應速度，需要較大的微分系數。角度范圍為0.5~5°。

c）起豎中期。除換級時暫時的減速和加速過程，起豎架保持勻速起豎。為避免出現超調和波動，應選取較小的微分系數。角度范圍為5~85°。

d）起豎后期。起豎架開始減速并到達與目標角度相差某個小角度。由于起豎架重心位置變化，保持相同起豎速度時，所需油缸提供的推力迅速降低。為避免出現波動，比例系數應較小。角度范圍為85~89.8°。

e）起豎到位階段。起豎即將到位時，油缸角速度很小，無法作為控制參數。在起豎至與目標角度相差某個小角度時，結束跟蹤理想“角度-角速度”曲線，控制系統保持以結束角速度跟蹤時的控制信號起豎至目標角度并完成起豎。將定為0.2°，角度范圍為89.8~90°。

在起豎過程b、c、d階段應用增量PID控制器對理想“角度-角速度”曲線進行跟蹤，采用仿真試驗方式對PID參數進行整定，得到的PID控制器參數如表1所示。

表1 基于角速度的流量閉環(huán)控制PID控制器參數

2.2 系統壓力控制

使用基于角度的分段控制方式對系統壓力進行控制，即分段控制比例溢流閥的溢流壓力，控制參數如表2所示。

表2 基于角速度的閉環(huán)控制參數

3 聯合仿真結果

應用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式，利用聯合仿真系統對發(fā)射平臺起豎進行仿真，首先在無風載荷和擾動的情況下，分別在空載、滿載兩種狀態(tài)下對發(fā)射平臺起豎過程進行仿真。仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式起豎過程角度變化

圖5 基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式起豎過程角速度變化

由圖4中的局部放大可知，空載狀態(tài)下的總起豎時間約為73.4 s，滿載狀態(tài)下的總起豎時間約為73.5 s?？蛰d狀態(tài)下和滿載狀態(tài)下的起豎總時間幾乎無差別，說明應用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式時，總起豎時間基本不受負載變化影響。另外，空載狀態(tài)下的起豎到位精度為0.04°，滿載狀態(tài)下的到位精度為0.02°。說明應用基于PID控制策略的閉環(huán)控制方式時可以滿足起豎到位精度要求。

由圖5可知，由于對理想角速度曲線進行了跟蹤，起豎過程中在油缸換級位置起豎角速度突變明顯減小，角速度曲線比較平滑。仿真結果表明可通過對控制方法的優(yōu)化降低起豎過程對液壓系統的沖擊。

4 結 論

多平臺聯合仿真可較好發(fā)揮各專業(yè)軟件在相關領域的優(yōu)勢。本文提出基于跟蹤理想角速度曲線的閉環(huán)控制方法，應用多平臺聯合仿真系統進行了仿真試驗，取得較好的控制效果。

設計開發(fā)人員可對控制方法進行進一步的優(yōu)化與研究，也可以在確定控制方法的基礎上對發(fā)射平臺機械、液壓系統進行相關參數的調整，從而進行系統參數的優(yōu)化，提高研制和開發(fā)效率。

大型裝置起豎系統智能積分控制仿真研究

[1] 韓壽松, 晁智強, 劉相波. 基于ADAMS 和AMESim 的液壓六自由度平臺聯合仿真研究[J]. 機床與液壓, 2013, (5): 157-159.

[2] 馬長林, 黃先祥, 李鋒, 等. 大型裝置起豎系統智能積分控制仿真研究[J]. 兵工學報, 2008, 29(2): 227-231.

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[4] 黃先祥, 高欽和, 郭曉松. 大型裝置起豎過程動力學建模研究[J]. 系統仿真學報, 2002, (3): 271-273.

[5] 高欽和. 大型裝置起豎過程的電液比例控制研究[J]. 機械工程學報, 2004, (2): 189-192.

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Research on the Erecting Control Method with Launcher Joint Simulation by AMESim and ADAMS

Yang Zhi-jiang, Wu Lin-rui, Wu Qi-cai, Li De-zhong

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The mechanical system model on ADAMS, the hydraulic system model on AMESim and the control system model on MATLAB/Simulink of the launcher erecting system are established. Then the joint simulation is completed. The erecting control methods is researched based on the joint simulation. The angular velocity closed loop control system model of multi-stage cylinder is obtained.

Erecting system of launcher; Joint simulation; ADAMS; AMESim; MATLAB

1004-7182(2016)02-0036-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160208

V554+.2

A

2014-09-10；

2015-04-16

楊之江（1989-），男，助理工程師，主要研究方向為控制系統仿真分析