雷达机电液系统联合仿真研发平台的制作方法

本发明涉及一种仿真研发平台,尤其涉及一种雷达机电液系统联合仿真研发平台。

背景技术：

现代地基高机动雷达的天线架设和撤收系统普遍采用机电液一体化技术，主要用于雷达天线工作和运输姿态的快速转换，它具有高机动性、集成性及可靠性等优点。

目前在雷达天线架设和撤收系统的设计开发中，涉及到机械、液压及控制等子系统，各子系统采用各自学科内的商用仿真软件进行仿真分析，以解决该学科内的问题，但单靠某一种或某一类仿真分析工具还不足以解决涉及多学科的复杂产品设计问题，该类问题往往涉及多系统物理场之间的强耦合作用及复杂系统非线性影响，因此还必须将各领域的子系统构成一个整体进行多学科间的联合仿真，以较为真实地获取最优的控制参数，而传统的控制参数设计都需要运行实际系统进行试验，但这种方法工作量较大，并且无法得到最优的控制器参数。

技术实现要素：

针对以上问题,本发明采用机电液联合仿真及图形界面编程设计技术，开发了一种雷达机电液系统联合仿真软件平台，将参数调整过程在联合仿真平台中完成，避免和减少繁琐的实际参数调整过程，并可以按人员分工完成各自子系统的建模和接口配置，最终在联合仿真平台中完成系统集成仿真测试，优化了仿真流程和仿真人员结构配置，大大提高了雷达机电液系统的设计效率。

为了解决以上问题,本发明采用了如下技术方案：一种雷达机电液系统联合仿真研发平台，包括机构子系统参数化仿真模型、液压子系统参数化仿真模型、控制子系统参数化仿真模型等构成，运用子系统间的参数传递及机电液系统仿真软件之间的接口技术、基于 MATLAB软件的图形界面编程设计技术实现，平台的总体架构如图1所示。

机构子系统参数化仿真模型主要在Motion软件(西门子公司)中构建，其机械模型在三维实体建模软件Pro/E中建立，并通过数据接口导入Motion仿真软件中，进行多体动力学刚柔混合仿真，获得准确的载荷及结构形变数据，并利用Motion软件与MATLAB/Simulink软件 (MathWorks公司)的联合仿真接口，可以实现动力学模型与控制模型的联合仿真。在Motion 软件中验证动力学模型无误后，可以取消运动副上的驱动，为建立联合仿真系统作准备。根据联合仿真要求，采用MATLAB/Simulink软件作为集成仿真环境，定义Motion软件求解器求解方式为MATLAB_SIM，即将Motion软件模型导入到MATLAB/Simulink软件中进行仿真计算，生成plantout.m文件，运行该文件，即可导入多体动力学模型，生成机构子系统参数化仿真模型接口模块。

液压子系统参数化仿真模型在AMESim软件(西门子公司)中构建，利用AMESim软件与MATLAB/Simulink软件的联合仿真接口，可以实现液压模型与控制模型的联合仿真，由于液压系统非线性比较强，为提高效率，采用“SimuCosim”方式，即采用AMESim软件的求解器，可将AMESim软件模型导入到MATLAB/Simulink软件中，在MATLAB/Simulink软件中选择液压模型编译生成的S-Function函数接口文件.mexw64，运行后可导入液压模型，生成液压子系统参数化仿真模型接口模块。

在MATLAB/Simulink软件中根据控制原理设计相应的控制器，完成控制系统建模，生成控制子系统参数化仿真模型，并按对应的接口变量及数据输入、输出关系，将导入的机构子系统仿真模型、液压子系统仿真模型及控制子系统仿真模型连接成联合仿真模型，保存为mdl 文件。

控制系统、液压系统和机械系统是靠相关状态参数的传递联系在一起的。控制系统向液压系统传递换向阀阀芯的开度状态；液压系统则向控制系统传递压力、流量等液压状态值，而机械系统需向控制系统模型传递运动部件的速度、位移等运动状态值，如图2所示，各子系统依据上述状态参数的传递关系进行接口设计。

雷达机电液系统联合仿真研发平台软件界面包括“打开模型”、“配置模型参数”、“设计联合仿真工况”、“启动联合仿真”、“仿真结果曲线”单元，如图3、4所示。

“打开模型”单元：完成仿真模型文件的选择、打开、编译功能；“配置模型参数”单元：完成联合仿真系统参数的配置功能；“设计联合仿真工况”单元：完成各仿真工况时间序列的设定、输入功能；“启动联合仿真”单元：完成接口模块的导入、接口变量的配置、联合仿真启动等功能；“仿真结果曲线”单元：完成仿真结果曲线的生成功能。各子系统间通过定义的输入、输出设计变量进行数据交换、运动载荷交换、各子系统仿真过程交互，并通过“配置模型参数”单元修改系统参数，最终实现机电液系统的联合仿真及优化功能。

本发明的雷达机电液系统联合仿真研发平台，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)将雷达天线架设和撤收系统所属的机械、控制、液压各子系统的单一仿真进行集成，统一到一个完整的平台下，并进行联合仿真分析，规范和简化了机电液系统的仿真流程，降低了对仿真人员的要求，优化了其结构配置。

2)运用机电液系统全过程联合仿真技术，可较为准确地模拟雷达天线架设和撤收系统的实际运动工况，将控制参数调整过程在统一平台中完成，减少了实物试验及调试过程，不仅提高了研发效率，降低了试验成本，而且提前释放了研制风险。

3)基于模块化、参数化、数字化的联合仿真研发平台对于雷达机电液系统的性能预测和优化具有通用性，可方便移植到类似系统的研究中。

附图说明

图1为机电液系统联合仿真研发平台总体架构。

图2、3为机电液系统联合仿真研发平台软件界面。

图4为机电液各子系统间的参数关联。

图5为天线边块展收同步控制系统组成结构示意图。

图6为天线边块展收同步控制系统机械模型；其中：1为左边块、2为右边块、3为中块、 4为油缸(四只)。

图7为天线边块展开状态。

图8为天线边块收起状态。

图9为天线边块展收同步控制机械系统仿真模型

图10为机械仿真模型输入输出变量设置

图11为机械仿真模型输入输出变量节点设置

图12为机械仿真模型接口文件生成

图13为机械仿真模型接口模块生成

图14为液压仿真模型接口设置

图15为液压仿真模型

图16为液压仿真模型接口导入设置

图17为液压仿真模型接口模块生成

图18为天线边块展收同步控制机电液系统联合仿真模型

图19-1为左右液压缸位移仿真曲线(控制前)

图19-2为左右液压缸速度仿真曲线(控制前)

图19-3为给定位移曲线

图19-4为左右油缸位移跟踪仿真曲线

图19-5为左右液压缸位移仿真曲线

图19-6为左右液压缸流量仿真曲线

图19-7为左右液压缸负载仿真曲线

图19-8为左右液压缸速度仿真曲线

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

以雷达天线边块展收同步控制系统为例，通过在AMESim软件中液压部分建模、Motion 软件中机构建模及MATLAB/Simulink软件中控制系统建模，结合软件接口技术在机电液系统联合仿真研发平台中进行同步控制系统的联合仿真分析。

1、天线边块展收同步控制系统组成与工作原理

(1)天线边块展收同步控制系统基本组成

天线边块展收同步控制系统包括机械系统、液压系统、控制系统，如图5所示，机械系统中左、右液压缸的工作流量由传感器进行检测并反馈到控制系统中，与给定输入信号比较后经过控制器控制液压系统中比例换向阀阀芯的开度，比例换向阀控制液压缸的工作流量，驱动其按给定输入的信号运动，最终实现天线边块展收的同步控制。

(2)天线边块展收同步控制系统机械结构

天线边块展收同步控制系统机械结构主要由天线中块、天线左边块、天线右边块组成，如图6所示。左、右边块下铰点分别铰接在中块上，四只油缸(左右各两只)分别布置于左、右边块和中块之间，其中油缸活塞杆与边块支耳连接，油缸缸筒与中块支耳连接，利用油缸的伸缩，使左、右边块绕其下铰点转动，完成展收功能，展开状态如图7所示，收起状态如图8所示。

2、机电液系统仿真建模

机械系统、液压系统和控制系统分别在各自的仿真软件环境中并行建模，最终导入 MATLAB/Simulink软件集成仿真环境中组成联合仿真模型，并在机电液系统联合仿真研发平台中完成联合仿真分析。

(1)机械系统建模

机械模型通过功能强大的三维实体建模软件Pro/E建立，转换文件格式后导入Motion软件中建立机构多体动力学模型，如图9所示。在Motion软件中创建多体动力学模型，主要包括刚柔混合模型的构建、约束副的选择、力的添加和变量的定义等。其中主块与边块、液压缸活塞杆与主块、液压缸缸筒与边块分别通过旋转副连接，活塞杆与缸筒通过滑移副连接。在 Motion软件中通过Controls定义输出为液压缸的运动速度(Velocity)和运动位移(Displacement)，且为状态变量；输入为液压缸的负载力(Force)，同样为状态变量，输入、输出变量通过定义控制节点(Control Nodes)进行数据传递，如图9、10、11所示，根据联合仿真要求，采用MATLAB/Simulink软件作为集成仿真环境，并在统一目录下建立联合仿真模型mdl文件 (BianKuaiDaoShu.mdl)，定义Motion软件求解器求解方式为MATLAB_SIM(将Motion软件模型导入到MATLAB/Simulink软件中进行仿真计算)，在Motion软件中求解计算后在统一目录下生成 plantout.m接口文件，运行该文件，即可在mdl文件中生成机构子系统参数化仿真模型(接口模块)，如图12、13所示。

(2)液压系统建模

应用AMESim仿真软件通过设置指令信号、仿真时间、仿真参数，可以对液压系统进行时域分析。基于AMESim仿真软件对液压系统仿真不用系统建立准确的数学模型，只要对元件设置参数就能够准确对系统进行时域分析，大大地简化了工程液压应用的开发周期，可以快速仿真出时域特性。利用AMESim软件提供的与MATLAB/Simulink软件的接口，可以实现联合仿真。打开AMESim软件，在主菜单选择Modeling—>Interface block—>Create interface icon，在Interface icon Creation中选择“SimuCosim”方式，定义AMESim软件的输出为液压缸的负载力(Force)，输入为液压缸的运动速度(Velocity)、运动位移(Displacement)以及比例换向阀的电控信号(Control)，对应的变量名称与Motion软件中的输入输出节点名称一致，如图14所示。利用AMESim仿真软件建立的雷达边块展收机构液压系统仿真模型如图15所示。在MATLAB/Simulink软件库中选择AMESim Interfaces中的AME2SLCoSim接口，添加到空白模型文件中，双击该接口，在弹出的对话框中选择AMESim软件液压仿真模型编译生成的.mexw64文件，即可导入生成液压系统子模型(接口模块)，如图16、17所示。

(3)控制系统建模

机电液系统控制模型在MATLAB/Simulink软件中构建，包括给定指令信号、PID数字控制器等，如图18所示。

(4)机电液系统联合仿真模型

将以上的机械系统、液压系统接口模块及控制系统仿真模型按各子系统间参数关联状态对应的接口关系在MATLAB/Simulink软件集成仿真环境中组成联合仿真模型，如图18所示。

3、机电液系统同步控制仿真

如图18所示，在MATLAB/Simulink软件中启动机电液系统一体化仿真，机械动力学仿真通过植入的机构系统子模型(Motion软件接口模块)进行，液压系统仿真通过植入的液压系统子模型(AMESim软件接口模块)进行，控制系统仿真通过在MATLAB/Simulink软件中建立的控制子系统模型进行，并给定位移输入信号，使用连续模式的变步长ODE45(常微分方程的数值求解)积分法，仿真时间设置为25s。因天线边块展开与收起为相反过程，现以展开过程为例对系统进行同步控制仿真，在MATLAB/Simulink软件的示波器(Scope)中观察并输出给定位移信号、左右边块运动位移跟踪等仿真结果曲线，同时，系统调用Motion软件动力学模型进行仿真计算，生成三维仿真动画；在AMESim软件中通过软件后处理可得到左右液压缸的位移，位移差、速度、流量及左右液压阀控信号等仿真结果曲线，如图19-1至19-8所示。从图5 中可以看出，采用同步控制前，由于左右边块的自重负载最大相差约2吨(如图7所示)，导致左右油缸运动明显不同步，左边油缸先动作到位，最大位移差为58mm；采用同步控制后，0-5s 内系统的脉动较大，后期趋于稳定；从控制效果看，左右边块运动速度响应时间约为0.2s，二者位移达到预期的跟踪效果，位移差最大为1.7mm，同步误差小于0.4％。

综合运用机电液系统联合仿真技术和基于MATLAB软件的图形界面编程技术，开发了一种雷达机电液系统联合仿真研发平台，可进行系统的联合仿真试验和深入的系统功能品质分析，优化了系统的动态性能，缩短了产品的研制周期，为类似系统的研究提供了良好的解决途径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。