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挖掘机机电液联合仿真技术研究

2020/7/14    来源:科学与技术    作者:王昭伟      
关键字:联合仿真  挖掘机  AMESim  Simulink  
本文介绍了一款21吨挖掘机的AMESim机构模型搭建、液压系统建模,及与Simulink联合仿真的过程。

前言

    多路阀是工程机械液压系统的核心部分。其节流口形状、尺寸对主机的运动特性有直接的影响。AMEsim是一种基于键合图理论的系统仿真软件,有丰富的液压元件库,允许用户以绘制液压原理图的方式建立系统模型和设置各部件的结构参数;通过选择油液类型和油温即可获得液压油的特性,使用户不必关心各种受到油液特性影响的系数和参数,也不必关心系统的数学方程因而本文采用AMEsim来搭建液压系统模型。

一、整机动力学模型组成

    1.联合仿真的数据交换方式为:由AMEsim求解三个油缸推力及回转马达的输出扭矩,传递给ADAMS模型后,由ADAMS模型求解油缸速度、位移及回转马达转速,再传递给AMEsim。ADAMS模型的输入输出设置由于ADAMS和AMEsim两个软件内的状态量所使用的单位不一致,在AMEsim模型中需设置增益以便转换单位。

    2.联合仿真时,AMEsim是主控软件,用户在AMEs—im中运行并控制ADAMS的仿真进程。从ADAMS输出到AMEsim采用共同仿真模式,即AMEsim通知ADAMS在给定的时间间隔提供其输出,由ADAMS求解模型。

二、联合仿真平台

    挖掘机联合仿真平台包括液压系统、动力系统、电控系统、工作装置模型,可以实现从驾驶员发出操作指令给液压系统和电控系统,电控系统经过运算发出控制信号,控制发动机及液压系统工作。液压系统执行元件带动工作装置,对物料进行挖掘和卸料的整个工作过程进行模拟。挖掘机的机电液联合仿真模型是一个多学科的联合仿真,根据仿真模型的详细程度分为系统级模型和元件级模型。

    1.联合仿真模型建模工具

    (1)整机模型建模工具

    AMESim(用于执行仿真的高级建模环境)允许工程师在不编写代码的情况下创建非常复杂的模型,方法是使用图形界面和现有组件模型库,它还允许用户使用编程语言创建新的组件模型,并将其存储在库中。AMESim为很多领域开发了库,包括液压、动力系统、机械、机构、电控、热和电磁等,用数字图标表示的组件可以像所研究系统一样相互连接。

    (2)控制模型建模工具

    Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及书写信号处理的建模和仿真中。Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造复杂系统。

    (3)联合仿真平台

    AMESim与Simulink联合仿真平台,通过在AMESim中创建一个接口模块接口,接口类型选择SimuCosim,设置输入、输出端口数量及其名称。将接口模块连人AMESim已建好的模型中,进入求解模式,并保存料水.mexw32文件。打开Simulink并创建一个AME2SLCoSim接口模块,读人AMESim已写入的mexw32文件,生成AMESim与Simulink的联合仿真接口,实现控制器程序对虚拟样机的实时控制。

    2.联合仿真模型建模方法

    (1)液压系统建模

    液压系统模型可以通过AMESim软件中的液压库,建立系统级模型。以液压系统简化模型为例,包括变量泵、油缸、液控换向阀、溢流阀、安全阀、单向阀。液控换向阀采用液压库中的电磁换向阀等效,该换向阀可以定义先导压力与阀芯位移、阀芯位移与不同通路节流特性。当需要对液压系统的元件设计进行改进和分析时,就需要用到液压元件设计库(HCD库)建立详细的元件级模型。元件级模型考虑弹簧刚度、阀芯质量、每个阀孔面积、液动力等特性,计算速度慢,整机系统分析时,通常采用的系统级模型。

    (2)工作装置建模

    工作装置采用2D模型,将工作机构分为动臂、斗杆、铲斗、摇杆和连杆五部分刚体进行建模,该模型可以定义工作机构铰接点位置,重心及转动惯量∞J。该模型优点是建模简单,计算速度快,缺点是带有回转动作的仿真,需要根据工作装置的位置自己编辑公式进行回转转动惯量的计算。

    (3)发动机建模

    发动机模型工作方式是,根据发动机转速控制和转速输出信号,向传动系统提供扭矩,输出扭矩根据2D图查表,定义输出最大扭矩。发动机油耗根据发动机转速和平均有效压力,查表获得。

    (4)联合仿真平台建模

    AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真平台将控制器程序引入到虚拟样机模型中,MATLAB软件中的联合仿真模型,AMESim中输人手柄先导压力、主泵压力、发动机转速等整机数据,Simulink中进行计算,输出主泵控制电流、发动机转速控制信号、液压系统中的优先阀控制电流,实现对整机仿真模型的实时控制。

三、挖掘机机、电、液联合仿真的应用

    1.掘机联合仿真模型校准

    为保证液压挖掘机联合仿真模型质量,需要对仿真模型进行校准、验证模型精度。挖掘机仿真模型的校准,分为单动作、复合动作、负载挖掘动作的校准,本文不再一一列举,只列出动臂单动作的仿真案例。仿真模型中工作装置位置保持与测试状态一致的位置,手柄信号输入与测试数据相同先导压力,进行仿真计算。将仿真值与测试值,从发动机转速,主泵压力、主泵流量到油缸位移进行对比,保证整机仿真模型中各个系统都能模拟出原机特性。

    2.液压挖掘机新控制器的开发工作,在控制器程序编写好以后,电控的Simulink程序通过与AMESim的联合仿真平台在挖掘机的虚拟样机上预先对控制逻辑进行验证,对控制参数进行优化。

仿真数据与原机测试数据对比结果

图1 仿真数据与原机测试数据对比结果

    仿真数据与原机测试数据对比结果见上图,通过对数据的分析,得出如下结论:主泵流量升高偏快,导致主泵压力值比标杆机主泵压力值偏高;主泵2压力高于原机主泵压力,分析原因:铲斗合流阀开启过快;油缸最大行程,主泵溢流时,主泵流量高,产生高压损失,恒功率控制程序还需调整,降低此时流量。对控制程序修改和重新标定后,可知联合仿真结果,主泵高压,高流量现象得到了解决,在控制器上机前,通过联合仿真,预先对控制程序进行了优化。

四、结束语

    挖掘机的机电液联合仿真,将控制程序实时引入到挖掘机整机仿真模型中,对整机模型进行精确控制,可以在产品开发的前期阶段对电控程序进行逻辑验证和参数优化。联合仿真充分利用了现有的应用软件和各学科专业人员进行产品开发团队的协作设计。仿真的过程也是试验的过程,而且还是系统地收集和积累信息的过程,对一些复杂问题,应用联合仿真技术提供所需信息,得到解决方案。

责任编辑:程玥
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