基于AMEsim的液压系统建模与仿真

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　　摘  要： 随着机电液一体化技术的发展，液压系统动作的控制精度、复杂程度、动态响应特性已成为液压领域研究的热门课题，而传统的液压系统设计手段已无法满足要求，据此基于AMEsim软件对液压系统进行仿真设计研究，同时提出了一种液压介质的建模方法，然后搭建一个调压回路系统，通过建模过程，详细介绍了AMEsim软件的液压仿真模块，并对常用模块进行举例分析，目的是为液压仿真提供一种有效的仿真手段，为液压系统的前期研究提供理论分析基础。
　　关键词： AMEsim;液压系统;建模;仿真
　　中图分类号： TP319    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.009
　　本文著录格式：恭飞，王雪婷，杜奕. 基于AMEsim的液压系统建模与仿真[J]. 软件，2020，41（01）：4245
　　【Abstract】： With the development of electromechanical and hydraulic integration technology， the control precision， complexity and dynamic response characteristics of hydraulic system operations have become a hot topic in the field of hydraulics research， and the traditional hydraulic system design methods can not meet the requirements， based on AMEsim software. The hydraulic system is simulated and designed. At the same time， a hydraulic medium modeling method is proposed. Then a voltage regulation loop system is built. Through the modeling process， the hydraulic simulation module of AMEsim software is introduced in detail， and the common modules are analyzed. The purpose is to provide an effective simulation method for hydraulic simulation， and provide theoretical analysis basis for the preliminary research of hydraulic system.
　　【Key words】： AMEsim; Hydraulic system; Modeling; Simulation
　　0  引言
　　現代液压系统设计不仅要满足静态性能要求，更要满足动态特性要求。随着计算机技术的不断发展，利用计算机进行数字仿真已成为液压系统动态性能研究的重要手段[1-3]。而计算机仿真必须具有两个主要条件：一是建立准确描述液压系统动态性能的数学模型;二是利用仿真软件对建立的数学模型进行数字仿真。当前随着流体力学、现代控制理论、算法理论和可靠性理论等相关学科的发展，尤其是计算机技术的迅猛发展，液压仿真技术也得到快速发展并日益成熟，成为液压领域科研人员十分有效的工具手段。
　　现今在液压领域国内外流行的仿真软件主要有FluidSIM、Automation Studio、HOPSAN、Hypneu、EASY5、ADAMS/Hydraulics、Matlab/Simulink、SIMUL-ZD、DSHplus、20-sim、AMEsim等11种液压仿真软件。其中AMEsim软件是法国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[4-8]。该软件包含IMAGINE技术，为项目设计、系统分析、工程应用提供了强有力的工具。
　　1  AMEsim液压系统建模
　　1.1  液压系统的组成
　　液压系统的组成主要包括四个部分，如图1所示分别是能源装置、执行装置、控制调节装置和辅助装置。
　　（1）能源装置——机械能转化为液压能的装置，最常见的能源装置是液压泵。
　　（2）执行装置——液压能转化为机械能的装置，主要有液压缸和液压马达等。
　　（3）控制调节装置——系统的压力、流量和方向控制调节装置，如溢流阀、节流阀、换向阀等
　　（4）辅助装置——包括油箱、过滤器、油管、散热装置等。
　　表1所示为在AMEsim软件中本文搭建的液压系统选用的装置的主要元件的符号图。
　　1.2  液压系统建模步骤
　　在AMEsim软件中建立液压系统的模型主要包括四个步骤，分别是草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式。
　　本文主要依据AMEsim软件应用库中的液压库、液压元件库和信号库建立一个液压系统压力控制回路仿真模型，压力控制回路是指控制液压系统整体或某部分的压力[9，10]，以使执行元件获得所需的力矩和转矩或保持受力状态的回路。它包括调压回路、卸荷回路、平衡回路、保压回路和卸压回路等，其中调压回路是压力控制回路中最基本的回路，据此本文建立了一个利用先导式溢流阀进行调压的回路系统，如图3所示为先导式溢流阀的结构图。它的主要工作原理是，它主要由先导阀和主阀组成，主阀左腔设有远程控制口K。当K口关闭时，系统的压力作用与主阀芯6左右两侧及先导阀1上。当先导阀1未打开时，腔中液体没有流动，作用在主阀芯6上下两侧的压力平衡，主阀芯6被主阀弹簧8压在下端位置，阀口关闭。当系统压力增大到使先导阀1打开时，液流通过阻尼孔5和先导阀1流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用，使主阀芯6上端的压力大于下端的压力，主阀芯6在压差的作用下向下移动，打开阀口，实现溢流作用。调节先导阀1的调压弹簧9，便可实现溢流压力的调节。 　　根据以上先导式节流阀的结构和工作原理分析，在AMEsim软件上对其建模的具体步骤如下所示。
　　主要建模步骤是：
　　（1）草图模式（Sketch mode）
　　如图3所示，在library tree窗口中选择Hydraulic液压库模块，建立了一个包含液压源、动力源、先导式溢流阀、液压缸和负载等元件的液压换向回路系统。
　　（2）子模型模式（Submodles mode）
　　草图模式完成后，点击工具栏中的submodles mode进入子模型模式，该模式中主要是为每一个元件选择一个合适的数学模型假设，此步骤能对草图模式中搭建的模型合理性进行验证，AMEsim具有强大的数学建模程序，通常没有特殊要求的情况下选择系统默认的Premier submodel模式，如图4a所示为未设定子模型模式的系统图，图b所示为设定的合理子模型模式图。
　　（3）参数模式（Parameters mode）
　　参数模式主要是为每个元件的子模型设定所需要的特定参数，在该模式下建立的参数数据应该根据搭建的液压系统的实际参数进行设定，此项模式只需对液压系统有一定的理论基础就可以完成。而现有论文中对液压介质的参数设定还没有涉及，本
　　文将介绍一种利用参数模式进行液压介质的建模的方式，建模步骤包括首先在参数模式下选择液压介质图标，然后选择Media Property Assistant模式，最后根据应用液体的流体属性特征值进行参数设定
　　完成定制化的液压介质，如图5所示为一种含有95%的水和纳米材料的液压介质参数设定。
　　（4）运行模式（Run mode）
　　运行模式是仿真结果的关键，它的合理与否可以决定仿真的真实性性，用户主要在运行参数对话框中设定仿真开始、结束时间、通信间隔、最大时间步长以及误差限即可进行仿真并分析仿真结果，以上设定主要在如图6所示的对话框中进行。
　　2  AMEsim液压系统仿真
　　根据第2节的建模步骤，建立了如图7所示的仿真模型。
　　通过以上仿真模型的仿真结果，我们可以对该系统的调压回路的压力实验结果进行分析。如图8示为溢流阀的进口压力与出口压力的比较，图9所示为节流阀进口与出口的压力差，从图中可以看出图8与图9的差值均为3.65bar，根据仿真模型图可以看出液体从泵流出后经过了两条回路，一路流向溢流阀另一路流向节流阀，节流口进出口压差主要是节流孔作用形成的，溢流閥的压差主要是阀内弹簧力的作用。
　　3  结论
　　由以上AMEsim建模仿真过程可以得出，该软件的基本步骤看似简单，但真正仿真一个实际系统，使其达到预期的结果并不那么容易，对液压系统进行仿真时，不仅系统整体结构的数学模型起着决定性作用，各个元件子模型中的结构参数也同样重要，合理的设定这些参数往往比较困难。因此，设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节。
　　参考文献
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