專利名稱：基于虛擬樣機的液壓支撐平臺調(diào)平系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿真領(lǐng)域的系統(tǒng)，特別是一種液壓支撐平臺的自動調(diào)平控制系統(tǒng)，涉及到機械系統(tǒng)動力學分析、液壓傳動與控制系統(tǒng)、控制科學與工程、虛擬設(shè)計與制造等領(lǐng)域，用于液壓支撐平臺的動力學分析、調(diào)平系統(tǒng)的控制算法研究。
背景技術(shù)：
隨著各種車載移動平臺的大量應(yīng)用，平臺的自動調(diào)平控制系統(tǒng)的研究也越發(fā)重視。車載移動平臺的自動調(diào)平系統(tǒng)是一個機、電、液一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，對這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)仿真研究時，目前普遍采用的研究方法是將平臺調(diào)平系統(tǒng)進行簡化，建立精確的數(shù)學模型，然后進行相關(guān)的仿真分析。常用的ADAMS(機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件)軟件是美國 MDI (Mechanical Dynamics Inc.)公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。常用的MATLAB(數(shù)學實驗室軟件)是Mattworks公司推出的一套高性能數(shù)值計算和可視化軟件，在系統(tǒng)建模和仿真、科學和工程繪圖及應(yīng)用程序開發(fā)等方面有著廣泛的應(yīng)用。由于平臺調(diào)平系統(tǒng)的復(fù)雜性以及強耦合性，用常用的ADAMS和MATLAB軟件所建立的數(shù)學模型與實際系統(tǒng)總有較大的偏差。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展以及計算機的普遍使用，大量的工程機械以及重型車輛的設(shè)計開發(fā)過程中，通常會利用到虛擬樣機技術(shù)來進行前期的理論研究。機械工程中大量采用的虛擬樣機技術(shù)又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是一項計算機輔助工程技術(shù)。在計算機上建立虛擬樣機模型，然后對模型進行各種動態(tài)性能分析，改進樣機設(shè)計方案，用數(shù)字化的形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機試驗。但在對建立的虛擬樣機模型進行控制系統(tǒng)分析的時候，由于虛擬樣機軟件在控制系統(tǒng)設(shè)計方面的缺陷，難以實現(xiàn)整機模型的動態(tài)仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于虛擬樣機的自動調(diào)平控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，該方法通過采用ADAMS (機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件)與MATLAB (數(shù)學實驗室軟件)的交互式數(shù)據(jù)傳遞進行聯(lián)合仿真，可以進行液壓支撐平臺的調(diào)平過程動力學分析以及調(diào)平控制算法的設(shè)計與優(yōu)化。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括如下步驟1)在三維建模軟件中建立液壓支撐平臺的三維實體模型，通過液壓支腿的伸縮控制平臺與水平面的傾角；幻將所述三維實體模型導(dǎo)入到機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件中進行分析，重新添加質(zhì)量、材料屬性、運動約束和力相關(guān)參數(shù)，構(gòu)成虛擬樣機的動力學機械模型；幻在所述虛擬樣機的動力學機械模型上建立系統(tǒng)的液壓回路，并建立液壓回路與機械模型的連接，建立完整的虛擬樣機模型； 4)通過機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的控制系統(tǒng)模塊將所述虛擬樣機模型與數(shù)學實驗室軟件中的控制系統(tǒng)聯(lián)合；在所述虛擬樣機模型上將所述傾角值設(shè)為一狀態(tài)變量，定義此一狀態(tài)變量為機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的輸出變量也即數(shù)學實驗室軟件的輸入變量，將所述液壓支腿上具有的液壓伺服閥的控制變量設(shè)為另一狀態(tài)變量，定義此另一狀態(tài)變量為機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的輸入變量也即數(shù)學實驗室軟件的輸出變量；通過兩所述狀態(tài)變量進行兩個所述軟件間的數(shù)據(jù)交換，建立聯(lián)合仿真控制模型。進一步地，本發(fā)明將所述傾角值與給定的調(diào)平精度進行比較分析后的傾角誤差信號經(jīng)過模糊PID控制器進行控制決策，控制器輸出信號經(jīng)過功率放大模塊變成伺服閥控制信號反饋到所述虛擬樣機模型，驅(qū)動虛擬樣機的液壓系統(tǒng)相應(yīng)的液壓缸運動，虛擬樣機模型檢測的實時傾角信號再反饋給數(shù)學實驗室軟件MATLAB的控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明結(jié)合專業(yè)的控制算法仿真分析軟件，發(fā)揮兩個軟件的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)的整體仿真。ADAMS與MATLAB的交互式數(shù)據(jù)傳遞，在ADAMS中可視化調(diào)平過程，并且利用ADAMS的后處理模塊，觀察支腿與平臺運動的各項參數(shù)曲線，從而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與擾動性。根據(jù)分析結(jié)果，對所建模型及仿真模塊進行評價，為物理樣機的研制提供重要的理論參考依據(jù)。基于ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真，使用同一個機械系統(tǒng)模型進行設(shè)計和仿真，可以大大簡化物理樣機的檢驗調(diào)試過程，提高產(chǎn)品的開發(fā)速度。2、本發(fā)明將虛擬樣機技術(shù)和控制系統(tǒng)仿真技術(shù)結(jié)合，為帶有控制系統(tǒng)的復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計提供了新方法，可以在加工物理樣機前全面分析機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)綜合作用的仿真效果。該方法可以推廣應(yīng)用到其他復(fù)雜機械系統(tǒng)的計算機仿真當中，真正達到快速、高質(zhì)量、低成本的目標。


下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明圖1是四點液壓支撐平臺的虛擬樣機模型；圖2是聯(lián)合仿真控制模型；圖中1.平臺；2、3、4、5.液壓支腿；6.虛擬樣機模型；7.傾角信號；8.調(diào)平精度； 9.模糊PID控制器；10.功率放大模塊；11.伺服閥控制信號；12.觀測器。
具體實施例方式參見圖1-2，本發(fā)明的實施方法如下步驟1 建立四點液壓支撐平臺的三維實體模型。首先在專業(yè)三維建模軟件 Solidfforks中建立精確的四點液壓支撐的平臺。由于ADAMS所提供的三維繪圖工具不能滿足繪圖需要，作為建模的前處理器，在SolidWorks中建立三維實體模型。四點液壓支撐平臺的三維實體模型如圖1所示，由一個平臺1和四個液壓支腿2、3、4、5組成，通過四個液壓支腿2、3、4、5的伸縮控制平臺與水平面的傾角。步驟2 建立虛擬樣機的動力學機械模型，在實體建模軟件中建立的三維實體模型導(dǎo)入到ADAMS中然后重新添加模型的物理特性以及添加各項約束和驅(qū)動。首先將在步驟1中建立的三維實體模型，轉(zhuǎn)化為parasolid格式文件，然后導(dǎo)入到 ADAMS中進行下一步的分析。從SolidWorks導(dǎo)入的模型失去了其物理與約束屬性，因此必須在ADAMS中重新添加相關(guān)的質(zhì)量、材料屬性、運動約束和力等相關(guān)參數(shù)，從而構(gòu)成虛擬樣機的動力學機械模型。該虛擬樣機的動力學機械模型的約束如下液壓缸與地面接觸處為點面副，液壓缸活塞桿與平臺連接處為球鉸副，液壓缸活塞桿和缸套之間為滑動副，液壓缸主要承受平臺的重力。步驟3 建立液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的耦合，進行液壓系統(tǒng)設(shè)計，機構(gòu)的機械模型建好后，然后在ADAMS主窗口中建立液壓回路，回路由油箱、液壓泵、電磁閥、溢流閥、液壓缸、 油管以及管路接口等組成。要實現(xiàn)機電液一體化的仿真，必須在虛擬樣機的動力學機械模型上建立起系統(tǒng)的液壓回路，并且建立液壓回路與機械模型的連接，從而實現(xiàn)機械與液壓技術(shù)的一體化。 ADAMS提供了詳細的液壓模塊，有非常完備的液壓元件庫，用戶只需要輸入所需元件的參數(shù)就可以建立完整的液壓回路。利用ADAMS/View的工具插件Hydraulic加載液壓模塊，然后在ADAMS主窗口中建立液壓回路，回路由油箱、液壓泵、電磁閥、溢流閥、液壓缸、油管以及管路接口組成。只需調(diào)整液壓缸的I_MARKER點和J_MARKER點與缸的機械模型中的兩個 Part上的某點分別連接，就實現(xiàn)液壓缸與機械系統(tǒng)的耦合，從而實現(xiàn)虛擬樣機的動力學機械模型與液壓系統(tǒng)的聯(lián)系，即建立了完整的虛擬樣機模型。步驟4 基于ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真控制，在ADAMS建立好虛擬樣機模型后， 通過定義狀態(tài)變量的方法來實現(xiàn)兩個軟件之間的數(shù)據(jù)通訊，然后在MATLAB下進行控制系統(tǒng)設(shè)計和虛擬樣機調(diào)試，再將結(jié)果及時反饋給機械系統(tǒng)模型。根據(jù)前面三個步驟所建立好的虛擬樣機模型，就可以聯(lián)合MATLAB進行平臺調(diào)平系統(tǒng)的控制仿真分析了。對于本虛擬樣機模型來說，ADAMS的輸出變量為平臺兩個方向的水平傾角α、β，輸入量有四個，分別是四個伺服閥的控制信號，調(diào)平的實質(zhì)就是調(diào)節(jié)支腿液壓缸的升降，使平臺水平傾角α和β變化到誤差范圍內(nèi)。由于平臺水平傾角α和β變化的過程和原理一致，本發(fā)明例只說明水平方向上 α值的變化。在ADAMS中建立好的平臺虛擬樣機模型上將平臺傾角α值設(shè)為狀態(tài)變量，然后定義此狀態(tài)變量為ADAMS的輸出變量也即MATLAB的輸入變量。同理將液壓支腿3、4上的液壓伺服閥的控制變量設(shè)為另一個狀態(tài)變量以實現(xiàn)兩個支腿的同步運動，然后定義此狀態(tài)變量為ADAMS的輸入變量也即MATLAB的輸出變量。定義好ADAMS中虛擬樣機模型的輸入、 輸出變量后，即可通過ADAMS的控制系統(tǒng)模塊將虛擬樣機模型與MATLAB中的控制系統(tǒng)聯(lián)合起來，通過上述建立起的狀態(tài)變量進行兩個軟件間的數(shù)據(jù)交換，從而建立聯(lián)合仿真控制模型，實現(xiàn)聯(lián)合仿真的控制過程。建立好上述虛擬樣機模型的輸入、輸出變量等控制方案后， 打開MATLAB軟件，設(shè)置其工作空間為上述建好的控制方案文件夾，通過聯(lián)合仿真指令建立起虛擬樣機模型在MATLAB/Simulink中的模塊，在MATLAB/Simulink中拖入相關(guān)的控制模塊，建立起如附圖2所示的聯(lián)合仿真控制模型。下面結(jié)合附圖2再詳細說明聯(lián)合仿真的工作過程。虛擬樣機模型6中檢測的平臺水平方向上傾角信號7，然后與系統(tǒng)給定的調(diào)平精度8進行比較分析，比較分析后的傾角誤差信號經(jīng)過模糊PID控制器9進行控制決策，控制器輸出信號經(jīng)過功率放大模塊10變成伺服閥控制信號11反饋到虛擬樣機模型6，驅(qū)動虛擬樣機的液壓系統(tǒng)相應(yīng)的液壓缸運動，虛擬樣機模型6檢測的實時傾角信號7再反饋給MATLAB的控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而進行自動調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真實現(xiàn)，設(shè)置好各項仿真參數(shù)后，進行仿真運算，仿真結(jié)束即可通過觀測器12來觀察平臺的水平傾角變化。步驟5 =ADAMS的結(jié)果后處理，平臺自動調(diào)平控制系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，通過ADAMS的結(jié)果后處理模塊觀察四點液壓支撐平臺的調(diào)平狀況，根據(jù)調(diào)平結(jié)果及時調(diào)整控制策略以及修改調(diào)平控制參數(shù)。進行上述第四個步驟的聯(lián)合仿真運算后，可以調(diào)用ADAMS的結(jié)果后處理模塊，回放虛擬樣機的自動調(diào)平過程，觀測各個支腿運動狀況，以及液壓系統(tǒng)的調(diào)平工作情況。根據(jù)后處理模塊的觀測參數(shù)以及運動曲線，從而適時的調(diào)整整個控制系統(tǒng)的調(diào)平策略。經(jīng)過反復(fù)試驗，分析平臺自動調(diào)平的運動過程，從而可以進行調(diào)平控制系統(tǒng)的設(shè)計以及參數(shù)優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬樣機的液壓支撐平臺調(diào)平系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，其特征是包括如下步驟1)在三維建模軟件中建立液壓支撐平臺的三維實體模型，通過液壓支腿的伸縮控制平臺與水平面的傾角；2)將所述三維實體模型導(dǎo)入到機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件中進行分析，重新添加質(zhì)量、材料屬性、運動約束和力相關(guān)參數(shù)，構(gòu)成虛擬樣機的動力學機械模型；3)在所述虛擬樣機的動力學機械模型上建立系統(tǒng)的液壓回路，并建立液壓回路與機械模型的連接，從而建立完整的虛擬樣機模型；4)通過機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的控制系統(tǒng)模塊將所述虛擬樣機模型與數(shù)學實驗室軟件中的控制系統(tǒng)聯(lián)合；在所述虛擬樣機模型上將所述傾角值設(shè)為一狀態(tài)變量，定義此一狀態(tài)變量為機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的輸出變量也即數(shù)學實驗室軟件的輸入變量，將所述液壓支腿上具有的液壓伺服閥的控制變量設(shè)為另一狀態(tài)變量，定義此另一狀態(tài)變量為機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的輸入變量也即數(shù)學實驗室軟件的輸出變量；通過兩所述狀態(tài)變量進行兩個所述軟件間的數(shù)據(jù)交換，建立聯(lián)合仿真控制模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬樣機的液壓支撐平臺調(diào)平系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，其特征是步驟4)中，將所述傾角值與給定的調(diào)平精度比較分析，得到的傾角誤差信號經(jīng)過模糊PID控制器進行控制決策，控制器輸出信號經(jīng)過功率放大模塊變成伺服閥控制信號反饋到所述虛擬樣機模型，驅(qū)動虛擬樣機的液壓系統(tǒng)相應(yīng)的液壓缸運動，虛擬樣機模型檢測的實時傾角信號再反饋給數(shù)學實驗室軟件MATLAB的控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于虛擬樣機的液壓支撐平臺調(diào)平系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，在三維建模軟件中建立液壓支撐平臺的三維實體模型，通過液壓支腿的伸縮控制平臺與水平面的傾角；將三維實體模型導(dǎo)入到機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件中進行分析構(gòu)成虛擬樣機的動力學機械模型；在虛擬樣機的動力學機械模型上建立系統(tǒng)的液壓回路，建立完整的虛擬樣機模型；通過機械系統(tǒng)動態(tài)分析軟件的控制系統(tǒng)模塊將虛擬樣機模型與數(shù)學實驗室軟件中的控制系統(tǒng)聯(lián)合；建立聯(lián)合仿真控制模型。本發(fā)明將虛擬樣機技術(shù)和控制系統(tǒng)仿真技術(shù)結(jié)合，大大簡化物理樣機的檢驗調(diào)試過程，并可推廣應(yīng)用到其他復(fù)雜機械系統(tǒng)的計算機仿真當中。
文檔編號G06F17/50GK102184304SQ201110137680
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉維亭, 劉榮華, 朱志宇, 馬繼先, 魏海峰, 黃巧亮 申請人:江蘇科技大學