摘 要：針對高空測試轉(zhuǎn)臺俯仰運動存在負載不平衡以及液壓缸之間的耦合效應，通過Adams和AMESim分別構(gòu)建高空測試轉(zhuǎn)臺三維俯仰轉(zhuǎn)臺的剛?cè)狁詈蟿恿W模型和電液控制系統(tǒng)模型，采用PID控制算法對測試轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)技術(shù)指標要求的工況進行聯(lián)合仿真。結(jié)果表明：俯仰平臺的實際角度能很好地跟蹤角度指令，滿足定向精度要求，為后續(xù)的試驗研究奠定了理論基礎(chǔ)。該方法彌補了單一仿真軟件不能對系統(tǒng)進行完整仿真的不足，可以更加全面、準確地反映研究對象的真實控制與運動狀態(tài)，對于復雜的機電液一體化系統(tǒng)具有普遍的適用性。

關(guān)鍵詞：高空測試轉(zhuǎn)臺；剛?cè)狁詈?；PID控制；聯(lián)合仿真

中圖分類號：TP273文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0215-04

Pitch Motion Control of High-altitude Test Turntable Based on Electro-mechanical-hydraulic Co-simulation

Abstract：Considering the load imbalance and the coupling between the hydraulic cylinders， the rigid-flexible coupling dynamics model and the electro-hydraulic control system model of the three-dimensional pitching turntable of the high-altitude test turntable were constructed by Adams and AMESim respectively. The PID control algorithm was used to co-simulate the working conditions required by the technical indicators of the test turntable pitching system. The results show that the actual angle of the pitching platform can track the angle command well and meet the requirements of orientation accuracy， which lays a theoretical foundation for subsequent experimental research. The method makes up for the deficiency that a single simulation software cannot perform a complete simulation of the system， and more accurately reflects the real control and motion state of the research object， which has universal applicability to complex electromechanical-hydraulic integrated systems.

Keywords：high-altitude test turntable; rigid-flexible coupling; PID control; co-simulation

0 引言

測試轉(zhuǎn)臺是航空航天、兵器工業(yè)等領(lǐng)域中進行半實物仿真、評價武器裝備性能效果的關(guān)鍵設(shè)備。作為一種高精尖試驗設(shè)備，某高空測試轉(zhuǎn)臺的主要作用是用來測試武器裝備防電磁脈沖的性能，其工作圖如圖1所示。由于武器裝備任意方向均可能受到如電磁脈沖攻擊等干擾，所以需要將其加裝到測試轉(zhuǎn)臺上，利用測試轉(zhuǎn)臺模擬復現(xiàn)其實際作戰(zhàn)時的任意方位、俯仰等姿態(tài)變化，在復雜環(huán)境下對相關(guān)裝備加以反復測試和研究，從而為相關(guān)裝備的方案設(shè)計和性能評估提供各種參考依據(jù)。

要想使測試轉(zhuǎn)臺獲得更好的跟蹤精度和實時性能，在其機械結(jié)構(gòu)一定的前提下，從系統(tǒng)的建模和控制方面改進是行之有效的方法。與傳統(tǒng)的基于單仿真軟件的設(shè)計分析方法相比，多學科多軟件的聯(lián)合仿真技術(shù)可以更加真實、準確、高效地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性與控制狀態(tài)，這也是目前機電液一體化領(lǐng)域中的研究熱點之一。

本文針對某高空測試轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)，通過Adams和AMESim軟件分別對俯仰系統(tǒng)中的機械、液壓和控制部分進行建模，通過聯(lián)合仿真分析獲得高空測試轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)的動態(tài)性能，以考察是否滿足技術(shù)指標要求。俯仰轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標如表1所示。

1 測試轉(zhuǎn)臺動力學模型

高空測試轉(zhuǎn)臺上的三維俯仰轉(zhuǎn)臺通過伺服閥驅(qū)動4組高精密液壓缸兩推兩拉交叉配合伸縮，輸出推力帶動俯仰平臺在-45°～+45°（規(guī)定水平面為0°）范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。雖然轉(zhuǎn)臺只有1個自由度，但是包括了4個液壓缸，整個俯仰機構(gòu)實質(zhì)上是一個多輸入單輸出系統(tǒng)，是高度非線性的，且存在大量模型不確定性和冗余驅(qū)動約束問題［1］。想要構(gòu)建其動力學方程，建立精確的數(shù)學模型是十分困難的。為此通過Adams軟件建立三維俯仰轉(zhuǎn)臺的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，為之后的聯(lián)合仿真做鋪墊。

1.1 高空測試轉(zhuǎn)臺剛?cè)狁詈峡傮w模型

高空測試轉(zhuǎn)臺的三維轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)，想要建立一個包含所有部件的完整動力學模型是不現(xiàn)實的，所以必須做出一些適當?shù)暮喕?，以建立合理的動力學模型。在建模過程中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，可將俯仰轉(zhuǎn)臺分為轉(zhuǎn)臺平臺、底座、液壓缸和俯仰機構(gòu)等幾部分。轉(zhuǎn)臺的機械幾何模型在SolidWorks軟件中建立并簡化好后導入Adams中，柔性部件通過ABAQUS建立后替換原剛性部件，再根據(jù)系統(tǒng)的運動特征添加各部件之間的運動副。所建立的高空測試轉(zhuǎn)臺三維轉(zhuǎn)臺俯仰機構(gòu)剛?cè)狁詈峡傮w模型如圖2所示。

1.2 俯仰軸和鉸接耳軸的柔性體建模

測試轉(zhuǎn)臺的俯仰運動過程中存在負載不平衡，俯仰軸存在較明顯的彈性變形。此外，多個液壓缸運動時產(chǎn)生的耦合效應可能會導致系統(tǒng)卡死。對此，將俯仰軸和鉸接耳軸柔性化。Adams軟件中柔性體建模主要包括離散化方法和引入模態(tài)中性文件方法［2］。本文借助有限元軟件ABAQUS，對俯仰軸和鉸接耳軸離散化處理，創(chuàng)建模態(tài)中性文件，步驟如下：1）定義材料參數(shù)；2）劃分六面體網(wǎng)格；3）建立與其他部件連接處的RP參考點；4）對創(chuàng)建的參考點施加約束和邊界條件；5）用Lanczos法提取模態(tài)進行模態(tài)分析；6）利用命令流生成.mnf 模態(tài)中性文件，在 Adams中通過Flex接口導入.mnf文件替換原剛性部件，完成柔性體模型的建立［3］。

柔性俯仰軸和鉸接耳軸的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.3 運動副的定義

在完成相關(guān)部件的柔性化后，為了建立有效的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，必須在各部件之間添加合適的運動副。各部件之間運動副的定義如表2所示。

2 測試轉(zhuǎn)臺液壓控制系統(tǒng)模型

2.1 控制方法

在先進的工業(yè)過程控制中，經(jīng)典控制理論中的PID控制無需建立精確的被控對象模型，且具有算法簡單、魯棒性好和適應性強等優(yōu)點，有著最為廣泛的應用。在AMESim軟件中有PID模塊可以直接調(diào)用。綜上，本文高空測試轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)中控制器采用的控制策略是PID控制。

PID控制器通過比例、積分、微分的線性組合來對給定值與實際輸出值相減得到的系統(tǒng)偏差進行控制，是一種負反饋控制［4］，其控制原理如圖4所示。

其控制算法如下：

式中：e（t）為系統(tǒng)偏差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)。

2.2 液壓系統(tǒng)模型

俯仰液壓系統(tǒng)為伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由伺服閥、伺服液壓缸、電磁開關(guān)閥、液控單向閥、壓力傳感器等組成。采用比例閉環(huán)控制形式，即通過對三維俯仰轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)進行實時檢測、反饋，調(diào)整比例伺服閥的輸出，改變各支點油缸的運動速度，以達到0.1°/s～1.0°/s 的伺服驅(qū)動能力，實現(xiàn)較高的控制精度。在油缸的進油和出油口，還裝有液控單向閥來實現(xiàn)俯仰機構(gòu)姿態(tài)的保持。在AMESim中建立的液壓控制系統(tǒng)模型即最后的聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

3 聯(lián)合仿真分析

3.1 聯(lián)合仿真的工作過程

三維轉(zhuǎn)臺俯仰運動測控系統(tǒng)工作流程如圖6所示。聯(lián)合仿真的工作過程是Adams中的俯仰機構(gòu)動力學模型接受AMESim液壓模型輸出的液壓驅(qū)動力驅(qū)動液壓缸運動，將輸出信號即缸的位移和轉(zhuǎn)臺的俯仰角度反饋給AMESim，AMESim中的控制器根據(jù)反饋得到的參數(shù)輸出信號控制AMESim中的比例伺服閥，使AMESim輸出液壓驅(qū)動力，驅(qū)動高空測試轉(zhuǎn)臺完成期望運動［5］。

3.2 聯(lián)合仿真模型的建立

以AMESim為主控軟件進行聯(lián)合仿真的核心是通過Adams和AMESim軟件之間的FMU接口模塊實現(xiàn)輸入變量與輸出變量數(shù)據(jù)的實時交換。在Adams/Control模塊中，如圖7所示，將4個液壓缸的驅(qū)動力定義為輸入變量，將轉(zhuǎn)臺的俯仰角度以及4個液壓缸活塞桿的位移定義為輸出變量。設(shè)置完成后，把生成的.fmu文件導入AMESim便可完成高空測試轉(zhuǎn)臺三維俯仰轉(zhuǎn)臺機電液一體化聯(lián)合仿真模型的建立（圖5）。

3.3 仿真結(jié)果及分析

由于轉(zhuǎn)臺在俯仰運動過程中存在負載不平衡的情況，所以在Adams中設(shè)置載荷質(zhì)心水平面投影偏離平臺中心0.4m，給定不同角速度下的斜坡指令跟蹤，考核在惡劣的偏載環(huán)境下、不同調(diào)速步進值下的控制精度是否滿足指標要求，即優(yōu)于0.1°。分別給定0.1°/s、0.5°/s、1.0°/s的斜坡指令，仿真結(jié)果如圖8—圖10所示。

從圖8—圖10中可以看到，在偏載環(huán)境下，啟動初期由于系統(tǒng)大負載的慣性作用導致震蕩較大，經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)臺俯仰運動可以很好地跟蹤期望信號，不同斜坡指令下的跟蹤精度均優(yōu)于0.1°，滿足技術(shù)指標對于俯仰軸角度調(diào)節(jié)速度和精度的要求。

4 結(jié)語

針對高空測試轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)的運動和控制需求，基于Adams和AMESim軟件進行了俯仰機構(gòu)的聯(lián)合仿真分析，結(jié)果如下。

1）聯(lián)合仿真大大簡化了建立高空測試轉(zhuǎn)臺中俯仰機構(gòu)動力學模型的計算量，通過交互模式在Adams中可以實時觀察到轉(zhuǎn)臺的實際運動狀態(tài)。

2）對鉸接耳軸和俯仰軸進行柔性化，建立高空測試轉(zhuǎn)臺的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，可以避免俯仰運動仿真過程中因負載不平衡和多個液壓缸運動時產(chǎn)生的耦合效應導致系統(tǒng)卡死的情況出現(xiàn)。

3）建立了基于Adams和AMESim的高空測試轉(zhuǎn)臺三維俯仰轉(zhuǎn)臺機電液一體化聯(lián)合仿真模型，在考慮偏載的情況下，采用PID算法對轉(zhuǎn)臺俯仰系統(tǒng)技術(shù)指標要求的工況進行了閉環(huán)反饋控制。結(jié)果表明：俯仰平臺的實際角度能很好地跟蹤角度指令，滿足定向精度要求，為后續(xù)測試轉(zhuǎn)臺的研制、試驗和實際應用等提供了理論基礎(chǔ)。

4）通過多領(lǐng)域多軟件平臺的聯(lián)合仿真可以對高空測試轉(zhuǎn)臺的整體受控狀態(tài)進行更加全面、準確的可視化分析，機械、液壓、控制系統(tǒng)設(shè)計共用一個模型進行調(diào)試和試驗，大大提高了工作效率。該方法對于復雜的機電液一體化系統(tǒng)具有普遍的適用性。

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