摘  要： 為了提高液壓六自由度平臺的建模精確度，改善控制效果，采用AMESim和Matlab兩種軟件以及PID控制技術對平臺單通道系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真。仿真結果表明，利用AMESim與Matlab各自優(yōu)勢的聯(lián)合仿真技術具有良好的仿真效果，為進一步開發(fā)、研制液壓六自由度運動平臺打下了良好基礎。
關鍵詞： 液壓六自由度運動平臺；AMESim；Matlab；PID

    飛行模擬器是當今軍事仿真技術的重要研究領域，液壓六自由度運動平臺則是飛行模擬器的重要組成部分。液壓六自由度運動平臺通過計算機實時控制，能夠向飛行員提供飛機運動的動感信息，使飛行員的感覺與真實飛行時的感覺相一致[1]，其運動性能的優(yōu)劣將直接關系到飛行模擬的逼真度。從力學角度看，并聯(lián)六自由度運動系統(tǒng)是一個非線性、強耦合、變參數的多變量系統(tǒng)[2]，其建模難度非常大。而應用較為廣泛的一些仿真軟件，如AMESim、Matlab、ADAMS等，都有各自的優(yōu)缺點，從而造成了依靠單一的仿真軟件建立的模型得到的仿真結果不盡如人意。
    基于AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術是近年發(fā)展的一項新技術，它利用AMESim和Matlab接口技術將兩個優(yōu)秀的專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來，解決了復雜系統(tǒng)建模難度大的問題，廣泛應用于汽車制造、航空航天等領域的仿真研究。為了檢驗該聯(lián)合仿真技術在液壓六自由度運動平臺上的仿真效果，本文以液壓六自由度單通道系統(tǒng)為例，對AMESim/Matlab系統(tǒng)進行數學建模，獲得了良好的仿真效果。
1 液壓六自由運動平臺組成及工作原理
1.1 運動平臺組成
    液壓運動平臺由控制計算機、接口系統(tǒng)、液壓汞站、液壓伺服系統(tǒng)、接口系統(tǒng)等組成，基本組成結構如圖1所示。

1.2 運動平臺工作原理
    控制計算機模擬實時接收飛行方程解算出的與控制運動裝置有關的各種信息（也可由實驗者直接輸入與控制運動裝置有關的各種信息）并進行處理，經D/A變換、前置濾波、伺服放大后成為電液伺服閥的輸入信號；電液伺服閥在液壓站的配合下，控制液壓缸的進油方向和流量，進而驅動液壓缸平滑、穩(wěn)定地伸縮，實時產生期望的過載、姿態(tài)、振動等運動信息；同時液壓缸的伸長量還經位置傳感器送給比較放大器，形成硬件閉環(huán)控制，同時也送給接口系統(tǒng)，通過A/D變換后輸入給控制計算機，作為檢測和控制信息；液壓缸上下腔的壓力差也反饋給比較放大器，進行壓力補償，提高控制精度。
2 液壓六自由度運動平臺聯(lián)合仿真
    由于AMESim軟件具有很強的兼容性，同時考慮到Matlab軟件具有強大的計算能力以及它與AMESim之間有良好的轉換接口，本文選用AMESim對運動平臺的各個組成部件進行建模，然后將模型通過接口技術導入到Matlab中，在Simulink環(huán)境下進行控制分析。由于篇幅有限，本文以液壓六自由度運動平臺單通道系統(tǒng)為研究對象進行建模仿真分析。
2.1 AMESim環(huán)境下建模
    機電液專業(yè)仿真軟件AMESim采用面向系統(tǒng)原理圖建模方法，便于工程技術人員掌握[3]，其自帶的智能求解器能保證運算精度并具有良好的擴展性。圖2所示為單通道系統(tǒng)在AMESim中的仿真模型。具體建模步驟如下：

    (1)在AMESim/Sketch mode模式下根據系統(tǒng)物理構成搭建清晰直觀的物理模型；
    (2)在AMESim/Submodel模式下為搭建的物理模型選擇子模型；
    (3)在AMESim/Parameter模式下根據實際平臺的參數設置AMESim模型參數，具體設置如下：液壓缸初始位移0 mm；活塞直徑100 mm；桿直徑70 mm；質量塊300 kg；黏滯摩擦系數0.000 1 N/m/s；靜摩擦力0.6 N；安全閥開啟壓力21 MPa；汞排量40 mL/r；轉速1 500 r/min；電機轉速1 500 r/min；伺服閥各通路額定流量400 L/min；對應壓降3.5 MPa；額定電流40 mA；伺服閥阻尼比2；伺服閥固有頻率50 Hz。
2.2 AMESim/Matlab下系統(tǒng)建模
    AMESim雖然可提高系統(tǒng)建模精度，但在數值處理、控制算法設計方面功能不是很強大；而Simulink借助于Matlab強大的數值計算能力，在數值計算及控制算法研究方面得到了廣泛應用，但在Matlab環(huán)境下的建模精確度不是很高。采用聯(lián)合仿真技術將兩個專業(yè)仿真軟件聯(lián)合起來可取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高仿真的精確度。
    AMESim與Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真通過AMESim的創(chuàng)建輸出圖標功能與Simulink中的S函數[4]實現連接，圖3為運動平臺在Simulink環(huán)境下的仿真模型。

    具體實現步驟為：
    (1)在AMESim中采用繪圖模式建立系統(tǒng)模型，并為Simulink的控制模塊構造一個圖標。具體方法為在繪圖模式中點擊“界面”(Interface)菜單，選擇“創(chuàng)建輸出”(Create Export Icon)圖標，選擇輸入輸出端口數目，定義圖標聯(lián)合仿真界面SimuCosim并對此界面進行說明，將模型與界面圖標相對應的部分連接起來完成整個模型的搭建。
    (2)在AMESim子模型模式下為系統(tǒng)各個模塊選擇合適的子模型并保存。
    (3)在AMESim參數模式中輸入系統(tǒng)各個模塊參數。
    (4)在運行模式下點擊“開始”運行。運行結束即將AME-
Sim模型轉化為Simulink中可以調用的S函數。
    (5)在Simulink中構建控制系統(tǒng)模型，在S-Function模塊參數設置對話框中設置函數名及生成結果文件的時間間隔。
3 系統(tǒng)仿真分析
    在Simulink環(huán)境下輸入階躍信號，設定仿真周期為10 s，采樣周期為1 s，聯(lián)合仿真下液壓缸的位移曲線如圖4所示。

    由圖4可知，聯(lián)合仿真效果良好，系統(tǒng)穩(wěn)定無超調，但系統(tǒng)上升時間過長(約8 s達到穩(wěn)態(tài))。而上升時間反映了系統(tǒng)的快速性，上升時間越短，控制進行得就越快，系統(tǒng)品質就越好。從圖4的仿真結果可以看出，系統(tǒng)動態(tài)品質較差，不符合六自由度液壓平臺實時性要求，需要對Simulink模型做進一步改進?？紤]到PID控制器具有結構簡單、參數物理意義明確、被控對象適應性強、動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點[5]，將PID控制器添加到聯(lián)合仿真模型中，在Simulink環(huán)境下系統(tǒng)的輸入信號采用階躍信號，仿真周期和采樣周期保持不變，通過S函數編寫PID控制算法，對建立的模型進行控制，通過反復調試，確定Kp=100.32、Ki=0.25、Kd=4.5，聯(lián)合仿真后的液壓缸位移曲線如圖5所示。

    由圖5可知，加入PID控制后，系統(tǒng)的調節(jié)時間明顯減少，約0.8 s達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的動態(tài)品質明顯得到改善，同時保持了較好的穩(wěn)定性和準確性，達到了預期目的，獲得了良好的仿真結果。
    利用AMESim和Matlab聯(lián)合仿真技術對液壓六自由度運動平臺進行了建模仿真。仿真結果表明，采用聯(lián)合仿真技術建立的模型仿真效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定無超調，達到了預期的要求。同時，針對聯(lián)合仿真環(huán)境下模型特點，采用了PID控制，有效地提高了系統(tǒng)的精度和動態(tài)品質，改善了液壓缸的伺服控制效果。
    聯(lián)合仿真技術在液壓六自由度平臺上的實現為今后的研究打下了良好基礎。
參考文獻
[1] 王勇亮，陳蕾.基于Matlab的液壓運動平臺控制系統(tǒng)設計[J].控制工程，2007，14（Z1）：145-147.
[2] 楊灝泉，趙克定，吳盛林.飛行模擬器六自由度運動系統(tǒng)的實驗研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(6)：1217-1219.
[3] 李毅，谷立臣.基于AMESim仿真的液壓系統(tǒng)參數耦合研究[J].液壓與氣動，2010(11)：19-21.
[4] 江玲玲，張俊俊.基于AMESim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真技術的接口與應用研究[J].機床與液壓，2008，36(1)：148-150.
[5] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.