法國Imagine公司開發(fā)的AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）全稱為系統(tǒng)工程建模和仿真平臺,是當今的傳動系統(tǒng)和液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析軟件,它為用戶提供了一個系統(tǒng)工程設計的完整平臺,可以建立復雜的多學科領域系統(tǒng)的數模型,并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析。AMESim 友好的圖形化界面使得用戶可以通過在完整的應用庫中選擇需要的模塊來構建復雜系統(tǒng)的模型并能方便地進行優(yōu)化設計,非常適用于機械與液壓領域的設計。

AMESim 軟件從方案到仿真只需四個步驟:①Sketch:從不同的應用庫中選取現存的圖形模塊來建立系統(tǒng)的模型;②Sub-models:為在不同的應用層次上的元件選擇數學模型（給定合適的模型假設）;③Parameters:為元件設置模型參數;④Simulation:運行仿真分析并繪出仿真結果。

1 振動臺研究背景

在航空、航天、車輛等工程領域，產品在使用過程中都是在一定的振動環(huán)境中工作振動引起的破壞是其服役過程中發(fā)生故障的主要因素之一為此，許多國家都投入了大量的人力和物力研究模擬各種產品在使用過程中的振動問題。振動環(huán)境的研究已經日益引起人們的重視，成為對產品進行動態(tài)設計*的重要環(huán)節(jié)。

2 振動臺結構原理

振動臺主要是由液壓缸，液壓伺服閥，定量泵，蓄能器，溢流閥，傳感器，控制器等元件組成。通過傳感器的收集反饋信號到控制器，然后經控制器輸出控制信號調節(jié)液壓缸的運動。信號可以是活塞桿位移，速度，頻率等。圖1 為但自由度振動臺液壓伺服系統(tǒng)原理圖。

圖1 單自由度振動臺液壓伺服系統(tǒng)原理圖

3 AMESim 在單自由度振動臺液壓系統(tǒng)中的應用

下面以單自由度振動臺液壓系統(tǒng)的位移研究為例，說明AMESim 的應用,使液壓執(zhí)行機構的輸出位移跟蹤給定的輸入信號。首先在AMESiim 的草圖模式（ Sketchmode ） 下建立該液壓執(zhí)行機構位置控制系統(tǒng)的仿真模型（如圖2）該系統(tǒng)主要是由液壓缸、液壓伺服閥、定量泵、蓄能器、溢流閥以及信號源和增益等構成,其液壓機械部分是一個閥控缸,從整體來看是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 單自由度振動臺液壓系統(tǒng)模型圖

其工作原理為:用位移傳感器5 將執(zhí)行機構的位移轉換為信號并與給定的位移信號進行比較后形成閉環(huán)控制的誤差信號,所得到的差值通過比例放大后驅動伺服閥動作,來接通/切斷執(zhí)行機構的液壓油供應并改變供油方向,從而實現了對執(zhí)行機構位移的大小及方向的控制。只要執(zhí)行機構的輸出位移與給定的位移存在偏差,系統(tǒng)就可以自動調節(jié)輸出位移,直到誤差為zui小。

圖中,用分段線性信號源2 來模擬執(zhí)行機構（液壓缸）驅動的負載阻力,期望位移信號由左端的分段線性信號源1 來給定。系統(tǒng)模型搭建完成之后,在子模型模式（sub-model mode）中根據實際需要為每個元件選擇一個數學模型即子模型,在這里為簡便起見均選擇zui簡子模型。


其中各元件參數如表 1 所示：

液壓缸無桿腔 d:100mm 活塞桿d:55mm
質量塊 500kg
液壓伺服閥固有頻率 50Hz 阻尼率2 額定電流 30mA
泵排 量 63mL/r 轉速1470r/min
分段線性信號源2 常量1000
期望位移信號源1 0—5s 0~0.05m 5—10s 0.05~0.08m
位移傳感器5 10
增益3 10

當各參數設置好以后，在運行模式（run mode）中的運行參數（run parameters）中設置運行時間20S，采樣周期0.05S。

下面我們來研究 PID 控制對系統(tǒng)的影響：

PID 控制器是一種線性的控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID 控制器。比例P 控制的系統(tǒng)其控制結果穩(wěn)態(tài)值不為0，即存在靜差。積分I用于消除靜差。微分D 用于消除系統(tǒng)滯后。

（1） 在參數模式下設置P 為1600，I 為0，D 為0。運行仿真，可得到活塞桿的位移曲線如圖3，圖4 所示：

圖 3 活塞桿期望位移與實際位移其中1（紅色）為期望位移，2（綠色）為實際位移

圖 4 活塞桿位移誤差曲線

由圖 4 可以看出，活塞桿的實際位移與期望位移之差在1.5×10⁻³m 以內，但是在0~5s 和5~10s內系統(tǒng)暫時穩(wěn)定時靜差明顯，因此考慮加入積分I控制，反復調節(jié)I 當其值為80 時達到較好效果。誤差曲線如圖5 所示：

圖 5 活塞桿位移誤差曲線（I=80）

若系統(tǒng)要求位移誤差在1.5×10⁻³m 以內則上述PI參數已可滿足要求但為求可嘗試加入微分控制，如圖6，圖7：

圖 6 活塞桿位移誤差曲線（D=10）

圖 7 活塞桿位移誤差曲線（D=20）

由圖6，圖7 可以看出在誤差曲線沒有明顯改變的情況下，當D=20 時，系統(tǒng)已經出現震蕩，因此不加入微分控制，若想繼續(xù)減小誤差可考慮改變比例P 的放大倍數。這里就不再贅述。

4 結論：

經過以上研究分析，可以看出：AMEsim 軟件圖形化建模界面建模容易，其中的元件庫包含了大部分的液壓元件，但是軟件難點是在建立完模型后，在參數模式下設置正確的參數，然后運行仿真，另外軟件還提供了各種數學函數的分析工具，在得到曲線后不必和別的分析軟件連接就可進行分析，提高了工作效率，作為一個新興的軟件，AMEsim 在航空，交通運輸，機械等領域已經有了大量的使用，相信在以后的液壓分析中其將會有更廣泛的應用。