专利名称：基于虚拟样机的液压支撑平台调平系统联合仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种仿真领域的系统，特别是一种液压支撑平台的自动调平控制系统，涉及到机械系统动力学分析、液压传动与控制系统、控制科学与工程、虚拟设计与制造等领域，用于液压支撑平台的动力学分析、调平系统的控制算法研究。
背景技术：
随着各种车载移动平台的大量应用，平台的自动调平控制系统的研究也越发重视。车载移动平台的自动调平系统是一个机、电、液一体化的复杂系统，对这样一个复杂系统仿真研究时，目前普遍采用的研究方法是将平台调平系统进行简化，建立精确的数学模型，然后进行相关的仿真分析。常用的ADAMS(机械系统动态分析软件)软件是美国 MDI (Mechanical Dynamics Inc.)公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。常用的MATLAB(数学实验室软件)是Mattworks公司推出的一套高性能数值计算和可视化软件，在系统建模和仿真、科学和工程绘图及应用程序开发等方面有着广泛的应用。由于平台调平系统的复杂性以及强耦合性，用常用的ADAMS和MATLAB软件所建立的数学模型与实际系统总有较大的偏差。随着电子技术的快速发展以及计算机的普遍使用，大量的工程机械以及重型车辆的设计开发过程中，通常会利用到虚拟样机技术来进行前期的理论研究。机械工程中大量采用的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是一项计算机辅助工程技术。在计算机上建立虚拟样机模型，然后对模型进行各种动态性能分析，改进样机设计方案，用数字化的形式来代替传统的物理样机试验。但在对建立的虚拟样机模型进行控制系统分析的时候，由于虚拟样机软件在控制系统设计方面的缺陷，难以实现整机模型的动态仿真。
发明内容
本发明提供一种基于虚拟样机的自动调平控制系统联合仿真方法，该方法通过采用ADAMS (机械系统动态分析软件)与MATLAB (数学实验室软件)的交互式数据传递进行联合仿真，可以进行液压支撑平台的调平过程动力学分析以及调平控制算法的设计与优化。为了实现上述目的，本发明的技术方案是包括如下步骤1)在三维建模软件中建立液压支撑平台的三维实体模型，通过液压支腿的伸缩控制平台与水平面的倾角；幻将所述三维实体模型导入到机械系统动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料属性、运动约束和力相关参数，构成虚拟样机的动力学机械模型；幻在所述虚拟样机的动力学机械模型上建立系统的液压回路，并建立液压回路与机械模型的连接，建立完整的虚拟样机模型； 4)通过机械系统动态分析软件的控制系统模块将所述虚拟样机模型与数学实验室软件中的控制系统联合；在所述虚拟样机模型上将所述倾角值设为一状态变量，定义此一状态变量为机械系统动态分析软件的输出变量也即数学实验室软件的输入变量，将所述液压支腿上具有的液压伺服阀的控制变量设为另一状态变量，定义此另一状态变量为机械系统动态分析软件的输入变量也即数学实验室软件的输出变量；通过两所述状态变量进行两个所述软件间的数据交换，建立联合仿真控制模型。进一步地，本发明将所述倾角值与给定的调平精度进行比较分析后的倾角误差信号经过模糊PID控制器进行控制决策，控制器输出信号经过功率放大模块变成伺服阀控制信号反馈到所述虚拟样机模型，驱动虚拟样机的液压系统相应的液压缸运动，虚拟样机模型检测的实时倾角信号再反馈给数学实验室软件MATLAB的控制系统，构成一个闭环控制系统。本发明的有益效果是1、本发明结合专业的控制算法仿真分析软件，发挥两个软件的各自优势，实现平台自动调平系统的整体仿真。ADAMS与MATLAB的交互式数据传递，在ADAMS中可视化调平过程，并且利用ADAMS的后处理模块，观察支腿与平台运动的各项参数曲线，从而分析系统的稳定性与扰动性。根据分析结果，对所建模型及仿真模块进行评价，为物理样机的研制提供重要的理论参考依据。基于ADAMS与MATLAB的联合仿真，使用同一个机械系统模型进行设计和仿真，可以大大简化物理样机的检验调试过程，提高产品的开发速度。2、本发明将虚拟样机技术和控制系统仿真技术结合，为带有控制系统的复杂机械系统设计提供了新方法，可以在加工物理样机前全面分析机械系统和控制系统综合作用的仿真效果。该方法可以推广应用到其他复杂机械系统的计算机仿真当中，真正达到快速、高质量、低成本的目标。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步的说明图1是四点液压支撑平台的虚拟样机模型；图2是联合仿真控制模型；图中1.平台；2、3、4、5.液压支腿；6.虚拟样机模型；7.倾角信号；8.调平精度； 9.模糊PID控制器；10.功率放大模块；11.伺服阀控制信号；12.观测器。
具体实施例方式参见图1-2，本发明的实施方法如下步骤1 建立四点液压支撑平台的三维实体模型。首先在专业三维建模软件 Solidfforks中建立精确的四点液压支撑的平台。由于ADAMS所提供的三维绘图工具不能满足绘图需要，作为建模的前处理器，在SolidWorks中建立三维实体模型。四点液压支撑平台的三维实体模型如图1所示，由一个平台1和四个液压支腿2、3、4、5组成，通过四个液压支腿2、3、4、5的伸缩控制平台与水平面的倾角。步骤2 建立虚拟样机的动力学机械模型，在实体建模软件中建立的三维实体模型导入到ADAMS中然后重新添加模型的物理特性以及添加各项约束和驱动。首先将在步骤1中建立的三维实体模型，转化为parasolid格式文件，然后导入到 ADAMS中进行下一步的分析。从SolidWorks导入的模型失去了其物理与约束属性，因此必须在ADAMS中重新添加相关的质量、材料属性、运动约束和力等相关参数，从而构成虚拟样机的动力学机械模型。该虚拟样机的动力学机械模型的约束如下液压缸与地面接触处为点面副，液压缸活塞杆与平台连接处为球铰副，液压缸活塞杆和缸套之间为滑动副，液压缸主要承受平台的重力。步骤3 建立液压系统与机械系统的耦合，进行液压系统设计，机构的机械模型建好后，然后在ADAMS主窗口中建立液压回路，回路由油箱、液压泵、电磁阀、溢流阀、液压缸、 油管以及管路接口等组成。要实现机电液一体化的仿真，必须在虚拟样机的动力学机械模型上建立起系统的液压回路，并且建立液压回路与机械模型的连接，从而实现机械与液压技术的一体化。 ADAMS提供了详细的液压模块，有非常完备的液压元件库，用户只需要输入所需元件的参数就可以建立完整的液压回路。利用ADAMS/View的工具插件Hydraulic加载液压模块，然后在ADAMS主窗口中建立液压回路，回路由油箱、液压泵、电磁阀、溢流阀、液压缸、油管以及管路接口组成。只需调整液压缸的I_MARKER点和J_MARKER点与缸的机械模型中的两个 Part上的某点分别连接，就实现液压缸与机械系统的耦合，从而实现虚拟样机的动力学机械模型与液压系统的联系，即建立了完整的虚拟样机模型。步骤4 基于ADAMS与MATLAB的联合仿真控制，在ADAMS建立好虚拟样机模型后， 通过定义状态变量的方法来实现两个软件之间的数据通讯，然后在MATLAB下进行控制系统设计和虚拟样机调试，再将结果及时反馈给机械系统模型。根据前面三个步骤所建立好的虚拟样机模型，就可以联合MATLAB进行平台调平系统的控制仿真分析了。对于本虚拟样机模型来说，ADAMS的输出变量为平台两个方向的水平倾角α、β，输入量有四个，分别是四个伺服阀的控制信号，调平的实质就是调节支腿液压缸的升降，使平台水平倾角α和β变化到误差范围内。由于平台水平倾角α和β变化的过程和原理一致，本发明例只说明水平方向上 α值的变化。在ADAMS中建立好的平台虚拟样机模型上将平台倾角α值设为状态变量，然后定义此状态变量为ADAMS的输出变量也即MATLAB的输入变量。同理将液压支腿3、4上的液压伺服阀的控制变量设为另一个状态变量以实现两个支腿的同步运动，然后定义此状态变量为ADAMS的输入变量也即MATLAB的输出变量。定义好ADAMS中虚拟样机模型的输入、 输出变量后，即可通过ADAMS的控制系统模块将虚拟样机模型与MATLAB中的控制系统联合起来，通过上述建立起的状态变量进行两个软件间的数据交换，从而建立联合仿真控制模型，实现联合仿真的控制过程。建立好上述虚拟样机模型的输入、输出变量等控制方案后， 打开MATLAB软件，设置其工作空间为上述建好的控制方案文件夹，通过联合仿真指令建立起虚拟样机模型在MATLAB/Simulink中的模块，在MATLAB/Simulink中拖入相关的控制模块，建立起如附图2所示的联合仿真控制模型。下面结合附图2再详细说明联合仿真的工作过程。虚拟样机模型6中检测的平台水平方向上倾角信号7，然后与系统给定的调平精度8进行比较分析，比较分析后的倾角误差信号经过模糊PID控制器9进行控制决策，控制器输出信号经过功率放大模块10变成伺服阀控制信号11反馈到虚拟样机模型6，驱动虚拟样机的液压系统相应的液压缸运动，虚拟样机模型6检测的实时倾角信号7再反馈给MATLAB的控制系统，构成一个闭环控制系统，从而进行自动调平系统的联合仿真实现，设置好各项仿真参数后，进行仿真运算，仿真结束即可通过观测器12来观察平台的水平倾角变化。步骤5 =ADAMS的结果后处理，平台自动调平控制系统的设计与优化，通过ADAMS的结果后处理模块观察四点液压支撑平台的调平状况，根据调平结果及时调整控制策略以及修改调平控制参数。进行上述第四个步骤的联合仿真运算后，可以调用ADAMS的结果后处理模块，回放虚拟样机的自动调平过程，观测各个支腿运动状况，以及液压系统的调平工作情况。根据后处理模块的观测参数以及运动曲线，从而适时的调整整个控制系统的调平策略。经过反复试验，分析平台自动调平的运动过程，从而可以进行调平控制系统的设计以及参数优化。
权利要求
1.一种基于虚拟样机的液压支撑平台调平系统联合仿真方法，其特征是包括如下步骤1)在三维建模软件中建立液压支撑平台的三维实体模型，通过液压支腿的伸缩控制平台与水平面的倾角；2)将所述三维实体模型导入到机械系统动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料属性、运动约束和力相关参数，构成虚拟样机的动力学机械模型；3)在所述虚拟样机的动力学机械模型上建立系统的液压回路，并建立液压回路与机械模型的连接，从而建立完整的虚拟样机模型；4)通过机械系统动态分析软件的控制系统模块将所述虚拟样机模型与数学实验室软件中的控制系统联合；在所述虚拟样机模型上将所述倾角值设为一状态变量，定义此一状态变量为机械系统动态分析软件的输出变量也即数学实验室软件的输入变量，将所述液压支腿上具有的液压伺服阀的控制变量设为另一状态变量，定义此另一状态变量为机械系统动态分析软件的输入变量也即数学实验室软件的输出变量；通过两所述状态变量进行两个所述软件间的数据交换，建立联合仿真控制模型。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟样机的液压支撑平台调平系统联合仿真方法，其特征是步骤4)中，将所述倾角值与给定的调平精度比较分析，得到的倾角误差信号经过模糊PID控制器进行控制决策，控制器输出信号经过功率放大模块变成伺服阀控制信号反馈到所述虚拟样机模型，驱动虚拟样机的液压系统相应的液压缸运动，虚拟样机模型检测的实时倾角信号再反馈给数学实验室软件MATLAB的控制系统，构成一个闭环控制系统。
全文摘要
本发明公开一种基于虚拟样机的液压支撑平台调平系统联合仿真方法，在三维建模软件中建立液压支撑平台的三维实体模型，通过液压支腿的伸缩控制平台与水平面的倾角；将三维实体模型导入到机械系统动态分析软件中进行分析构成虚拟样机的动力学机械模型；在虚拟样机的动力学机械模型上建立系统的液压回路，建立完整的虚拟样机模型；通过机械系统动态分析软件的控制系统模块将虚拟样机模型与数学实验室软件中的控制系统联合；建立联合仿真控制模型。本发明将虚拟样机技术和控制系统仿真技术结合，大大简化物理样机的检验调试过程，并可推广应用到其他复杂机械系统的计算机仿真当中。
文档编号G06F17/50GK102184304SQ201110137680
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者刘维亭, 刘荣华, 朱志宇, 马继先, 魏海峰, 黄巧亮 申请人:江苏科技大学