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AMESim在液压系统中的应用

余佑官,龚国芳,胡国良
(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州 310027)

摘要: AMESim是法国Imagine公司推出的基于键合图的液/机械系统建模、仿真及动力学分析软件,它以其强大的仿真和分析能力在各个领域得到了广泛的应用。本文对AMESim软件及其基本特征做了介绍,并例举了它在液压系统中的应用。
关键词:  AMESim,仿真,液压系统
Simulation technique of AMESim and its application in hydraulic system 
YU You-guan, GONG Guo-fang,HU Guo-liang
( State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
 
Abstract: AMESim is a software of modeling, simulation and dynamic analysis of hydraulic and mechanical system based on bond graph, which is a production of Imagine corporation of France. It makes great progress with its powerful simulation and analysis. AMESim software and its basic characteristics are introduced in this paper, and its application in hydraulic system are also exemplified.
Keywords: AMESim, Simulation, Hydraulic system
 
1 前言
 
      随着科学技术、仿真理论及计算机的不断发展,仿真技术不断提高。在如今的科学研究中,仿真技术提高了科学研究水平,缩短了研究周期、降低了科学研究成本及风险、促进了各个不同领域的融合、加速了科研成果转化为生产力。可以说仿真技术已成为科学研究中必不可少的实用技术。
      AMESim作为一种非常优秀的仿真软件,为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案。
 
2 AMESim介绍
      AMESim(英文缩写:Advanced Modeling Enviroment for performing Simulation of engineering systems)是法国Imagine公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件,至今天已经发展到4.2版本。AMESim为用户提供了一个时域仿真建模环境,可使用已有模型和(或)建立新的子模型元件,来构建优化设计所需的实际原型,采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图,方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例,可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果,界面比较友好、操作非常方便。AMESim使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案,研究任何元件或回路的动力学特性。这可通过模型库的概念来实现,而模型库可通过客户化不断升级和改进。
 
AMESim的基本特性如下:
1、多学科的建模仿真平台
      AMESim在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模和仿真:机械,液压,气动,热,电和磁等物理领域。不同领域模块之间直接的物理连接方式使得AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。
2、图形化物理建模方式
      AMESim定位在工程技术人员使用,建模的语言是工程技术语言,仿真模型的建立扩充或改变都是通过图形界面(GUI)来进行的,使用者不用编制任何程序代码。这样使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来而专注于物理系统本身的设计。
 
3、强大的二次开发能力  
      AMESim系列产品中的AMESet为用户提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台:用户不仅可以直接调用AMESim所有的模型代码,而且可以把自己的C或FORTRAN代码模型以图形化模块的方式综合进AMESim软件包。
 
4、鲁棒性极强的智能求解器
      AMESim的智能求解器能够根据用户所建立的模型的数学特性自动选择最佳的积分算法,并根据在不同的仿真时刻的系统特点动态地切换积分算法和调整积分步长来缩短仿真时间和提高仿真精度。
 
5、齐次的分析工具
      AMESim提供了一个齐全的分析工具以方便用户分析和优化自己的系统:线性化分析工具(系统特征值的求解;Bode图;Nichols图;Nyquist图;根轨迹分析),模态分析工具,频谱分析工具以及模型简化工具。
      在AMESim4.2版本中,三维可视化功能(AMEAnimation)的加入,使得AMESim能够将用户的AMESim2D机构库建立的模型自动转换为三维可视化模型,用户可以清楚的看到自己设计的机构的运动情况。同时,4.2版本内增加了分析功能模块,使得用户可以直接在AMESim中进行实验分析(DOE),优化分析和质量分析
 
3 AMESim在液压系统中的应用
      AMESim专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库,如图1所示(部分元件):
                   
       
                       
                图1   标准液压元件库
      鉴于液压系统的元件多式多样,标准库无法满足所有的建模要求,AMESim提供了一个基本元件库设计HCD(Hydraulic Component Design),利用HCD,用户可以建立标准库中没有的液压模型,当然也可以建立标准库中提供有的模型。如图2所示(部分元件):
    
 
                    图2   HCD元件库
 
      下面将利用两个具体的液压系统的例子来说明AMESim在液压系统仿真中的应用。
 
3.1 阀控液压缸系统仿真
      一个典型的带位置反馈的阀控液压缸仿真系统原理图如图3所示。位移传感器把液压缸的位置信号反馈回来作为一个信号和给定的信号比较,得出一个偏差,这个偏差经过放大器放大后作为三位四通电磁比例换向阀的输入信号来控制三位四通换向阀的开口度,从而按比例地控制液压缸活塞杆的前进或后退。
      仿真过程步骤如下:
      首先进入AMESim环境,利用Sketch模式并调用系统提供的液压库、机械库和信号库建立如图3所示的系统原理图。接下来在Parameter模式下对仿真模型中的每个图形模块设置我们所期望的参数值,最后在Run模式下运行仿真模型便可以得出仿真结果。
 
             
 
              图3     阀控液压缸AMESim仿真系统原理图
      图4为给定信号和液压缸实际位移对比曲线,从图中可以看出实际曲线和要求曲线非常接近。同时我们也可以看出,系统在前6秒中经过一个偏差比较和调整后达到了稳定状态。
  
        
                  图4    给定信号和实际液压缸位移曲线比较
     
      从图5可以看出系统在不稳定阶段,液压缸进出口流量差别很大。在不考虑其它因素影响的前提下,仿真结果还是非常不错的。
 
                
           
                      图5      液压缸进出口流量曲线比较
 
3.2比例调速阀性能曲线仿真
 
      该比例调速阀选用的是压差补偿性电液比例调速阀,它是由一比例电磁铁直接驱动的节流阀和一设置在上游的单级定差减压阀组成。其原理图如图6所示。
 
                            
 
                       图6       比例调速阀原理图
      由于AMESim标准模型库中没有比例调速阀模型,故此要利用HCD建立比例调速阀的模型,建立的模型如图7所示: 建立的模型如图7所示:
 
             
             图7      比例调速阀AMESim模型图
 
 
           
 
                  图8      比例调速油路图
 
      我们可以利用AMESim中的Reaplay工具检查一下油路图,从而验证建立的模型是否正确,如图8所示(图中箭头表示油的流向),由图8可知,建我们可以利用AMESim中的Reaplay工具检查一下油路图,从而验证建立的模型是否正确,如图8所示(图中箭头表示油的流向),由图8可知,建立的模型图正确的。接下来为各个模块设置我们期望的数值,仿真得出结果,图9为稳态时比例调速阀的Q-I曲线图。
 
           
 
                    图9      比例调速阀Q-I曲线
      下面利用AMESim的批处理功能来比较阀的系统参数对性能曲线的影响。比例调速阀系统中两根弹簧对性能曲线的影响是非常大的,按比例设定节流阀弹簧刚度系数从3N/mm—7N/mm,从图10可以看出弹簧刚度对性能曲线的影响程度,随着弹簧刚度地增加,同一输入电流信号下,通过比例调的流量逐渐减少。
 
              
 
                图10      弹簧刚度对比例调速性能的影响
 
4 结束语
 
      AMESim开辟了一条效果很好而又并不复杂的仿真新途径。同时以其强大的分析能力,适用于多领域模型直接连接仿真的优势。它不仅可以指导新产品的设计开发,建立现有产品的模型并进行参数修改,还可以对故障进行仿真研究,在操作上也非常简单。可以断言:AMESim仿真技术具有强大的生命力,必将在工程机械中有越来越广泛的应用。 
 
 



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