AMESim液压仿真技术及其在液压缸性能分析中的应用

摘    要：在AEMSim仿真环境下，运用该软件内置的液压库、机械库以及相关模型库，构建液压缸的位置控制系统模型，通过调节仿真模型中各个部件的参数对液压缸活塞杆的位移进行仿真分析，绘制液压缸活塞杆的实际输出位移与期望位移和两者之差的仿真结果。结果表明：当增益4为250时，输出的位移与预期设置的位移之间的稳态误差是符合要求的，但动态跟踪误差超过了预期设定的范围，即超过了0.015 m；当增益4调整为500时，虽然动态跟踪误差满足要求，但稳态误差超标，超过了0.000 5 m。所以增益值不是越大越好，而应该根据要得到的精度和具体要求进行实时调整，进而通过获得最佳的增益值来获得最佳的输出。研究结果为液压系统设计、后续评估及测试提供了参考。

关键词：AMESim液压仿真;液压缸;活塞杆位移;

0 引言

现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。而动态特性的输出受增益大小的制约，一般来说，增益越大，输出越稳定，但任何事都过犹不及。因此，需要通过仿真来确定增益与输出之间的关系，为液压系统的设计提供参考。初琦等[1]利用AMESim软件进行故障仿真分析，采取可靠性仿真和优化设计相结合的方法使系统的稳定性提高到89%，可靠性提高到了0.81。谭壮壮等[2]通过建立液压控制系统模型，对多种工况进行了仿真分析，得到液压子系统充压时间、操作时间和关断时间等仿真结果，并对系统的性能和稳定性进行了分析，优化了系统性能。

随着计算机技术的发展和普及，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。而计算机仿真必须具有2个主要条件：建立准确描述液压系统动态性能的数学模型；利用仿真软件对建立的数学模型进行数字仿真。AMESim仿真软件在液压领域应用极为广泛，沈仙法等[3]为测试汽车悬架弹性元件的疲劳强度，利用AMESim软件对液压系统进行了压力和流量仿真，其研究成果为汽车悬架弹性元件液压动态疲劳试验台的改进提供了技术参考；王吉平等[4]采用AMESim对EBZ75型掘进机截割部液压系统进行了仿真，验证了其功能。

利用AMESim对液压元件和系统进行仿真研究，需要考虑许多因素，如参数设置的合理性，参数过大或过小，都会对仿真结果造成影响。因此，需要根据实际应用进行调整和分析，使得液压仿真技术的应用更加成熟，使它成为液压系统设计人员的有力工具[5]。

1 AMESim软件简介

AMESim是法国IMAG1NE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。AMESim全称为Advanced Environment for Performing Sim⁃ulations of Engineering Systems（高级工程系统仿真建模环境），该软件包含IMAGINE的专门技术，并为工程设计提供交互能力。AMESim为流体动力（流体及气体）、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案，例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统中的应用。使用者能够借助其友好的、面向实际应用的方案来研究元件或回路的动力学特性[6]。面向工程应用的定位使得AMESim在航空航天工业、汽车制造和传统液压行业等领域得到了广泛的应用。AMESim由一系列软件构成，包括AMESim、AMESet、AMECusto和AMERun，这4个部分有其各自的功能和特性。

AMESin为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，使用已有模型和建立新的子模型元件，构建优化设计所需的实际原型，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例，通过修改模型和仿真参数，进行仿真计算、绘制曲线并分析仿真结果。

2 对液压缸位置控制的仿真研究

2.1 研究目的

液压缸是液压系统中的执行元件，它实现了液压能到机械能的转换，因结构简单、工作可靠，在机械系统中得到了广泛应用。但是在很多情况下，液压缸在工作时达不到它的最大性能。通过仿真对液压缸的性能进行研究，可以使其在工作时具有更高的可靠性和更好地发挥性能[7]。

以一个液压缸的位置控制系统为例说明AMESim的应用。采用位置反馈控制液压缸推动一个负载，位置传感器将采集到的位置信号实时传输到位置控制系统中。位置循环用位置循环子模型设定。指定的位置同传感器反馈的位置比较产生误差。该误差乘以一个增益后的信号用于驱动伺服阀。另一个工作循环通过位移传感器对液压缸施加一个外负载。

2.2 模型的建立与运行

(1）搭建模型

在AMESim草图模式下，运用液压库提供的液压泵和溢流阀组、机械库和信号控制库组建液压缸位置控制系统的仿真模型，如图1所示。

图1 液压机械位置控制系统

(2）为系统设置最简单的子模型

进入子模型模式，为测试系统中的每个图形模块选取子模型。AMESim提供了首选子模型功能。

(3）设置子模型参数

在AMESim系统参数模式下为每个子模型设置参数。根据液压缸的组成，分别设置液压缸内各个子部件的参数，为仿真测试提供输入的参考数据。其中，液压缸组成模块中的活塞半径初步设定为15 mm，活塞杆半径初步定为10 mm，冲程长度设置为1 m，模拟的负载质量设置为2 500 N。一般来说，液压缸内执行器的固有频率都是50 Hz，阻尼率为2，设置电流为200 mA。按照常规设置好动力装置即启动泵的性能参数、信号源的参数，这样活塞杆一般会得到一个1 000 N阻力的恒力。再设定好期望位移、执行位移，为了保证测试精度，增益一般设置为10 dB。为获得详细的仿真测试结果，将信号源分段设置：0～1 s设置为0,1～4 s的变化范围0～0.8,4～5 s保持0.8不变；5～8 s变回到0.2，此后直至30 s，一直保持0.2不变。

根据前面参数的设置，系统预期达到的性能指标为：从开始到运行30 s的时间范围内，动态跟踪误差不超过0.015 m，稳态误差不超过0.000 5 m。在这里，通过调节增益4的大小，观察活塞杆的期望位移与实际输出位移之差，找到满足性能指标的增益范围。最后，在运行模型中设置好运行时间及采样周期，点击运行，即可得到仿真结果。

3 仿真结果

当k4=250时，实际位移与期望位移的关系曲线如图2～3所示。由图可知，液压缸活塞实际位移与期望位移之间的稳态误差是符合要求的，但动态跟踪误差超过了预期设定的范围，即超过了0.015 m。

当k4=500时，实际位移与期望位移的关系曲线如图4所示。由图可知，虽然动态跟踪误差满足要求，但稳态误差超标了，超过了0.000 5 m。

通过调整增益，得到当增益范围为443.5～478时能够满足性能的指标。在这个范围内，位置跟踪系统具有较好的闭环跟踪效果。通过反复调整、分析，可以得出以下结论：

图2 k4=250时液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值

图3 k4=250时液压缸活塞杆的实际输出位移与期望值之差  

(1）通过调整增益4，在小范围内，增益与响应速度呈现了正相关的关系，即增益4增大的同时液压缸响应速度变快了，则动态跟踪误差变小了；（2）任何调整都会有过犹不及的结果，若增益4的值调整的过大，系统运行一段时间后，跟踪曲线会出现超调，系统存在明显的振荡，不稳定。

因此，在实际应用中，为使系统保持一定的稳定性，可以根据要得到的精度和具体要求进行实时调整，进而通过获得较佳的增益值来获得较佳的输出。

另外，液压缸油腔死区的含油量对系统也有一定的影响，当将液压缸油腔死区油量从默认值50 cm3改为10cm3仿真运行后，得到如图5所示的曲线。比较图4～5可以得出，液压缸油腔区油量越大，系统越不稳定。这是因为油液有一定的可压缩性，当含油量越大时，压缩性就越明显，系统就越不稳定。

图4 k4=500时液压缸活塞杆的实际位移与期望位移之差  

图5 液压缸油腔死区油量为10 cm3时活塞杆实际位移与期望值之差   

4 结束语

本文基于AMESin对液压缸的位置控制系统进行了仿真研究，将液压系统的性能输出作为结论反推液压元件的设计要求，详细分析了增益设置的大小对动态输出及稳态输出的影响，得到需要根据实际的输出进行反复调整以获得较佳的输出结果。同时，液压系统中液压缸油腔死区的含油量越大，系统越不稳定。通过仿真取得了需要经过繁琐的流体计算和大量的测试实验才能得出的结论。利用AMESim的仿真特性，为系统的设计及成型提供了参考，提高了设计效率。

参考文献

[1] 初琦,刘勤,史利娟,等.基于可靠性仿真的液压系统稳定性优化设计[J].兵器装备工程学报,2022,43(6):255-260.

[2] 谭壮壮,曲文星,岳元龙.水下生产控制系统液压子系统仿真与优化设计[J].自动化仪表,2022,43(4):67-71.

[3] 沈仙法,冯利,陈晓颖.汽车悬架弹性元件动态疲劳试验台液压系统设计与仿真[J].机电工程技术,2022,51(3):74-77.

[4] 王吉平,王力,邓阳泰.EBZ75型掘进机截割部液压系统设计及仿真分析[J].科学技术创新,2022(4):150-153.

[5] 梁全,苏齐莹.液压系统AMESim计算机仿真指南[M].北京:机械工业出版社,2014:87-89.

[6] 魏君.LMS Imagine.Lab AMESim Rev 8B[J].CAD/CAM与制造业信息化,2009(11):51-52.

[7] 王洁,赵晶.液压元件[M].北京:机械工业出版社,2013:107-109.

[8] 马长林,黄先祥,郝琳.基于AMESim的电液伺服系统仿真与优化研究[J].液压气动与密封,2006(1):32-34.

[9] 肖岱宗.AMESim仿真技术及其在液压元件设计和性能分析中的应用[J].舰船科学技术,2007(S1):142-145.

[10] 余佑官,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封,2005(3):28-31.

[11] 秦家升,游善兰.AMESim软件的特征及其应用[J].工程机械,2004(12):6-8.

[12] 王以伦.液压传动[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005:62-15.

文章来源：机电工程技术