基于ADAMS的船舶运动模拟器及其液压驱动系统的设计与动力学仿真

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2007年9月 第35卷 第9期 机床与液压 MACHI NE TOOL 液压驱动系统; ADAMS; Matlab;一体化模型 中图分类号:TH137 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 3881 (2007) 9 - 148 - 3 The Design and Dynam ic Si mulation of ShipM otion Si mulator and Hydraulic Driving System Based on ADAM S YANG Junhong, L I Shengyi, WANG Zhuo (School ofMechatronic Engineering and Automation, National Defence Technology ofUniversity, Changsha 410073, China) Abstract: A new ship motion si mulator and its hydraulic driving system were designed.The integrated model ofmechanical sys2 tem, hydraulic driving system and computer control system was established by the softwares of dynamic analysis ofmechanical system (ADAMS) andMatlab/Simulink, and the control simulation resultwas given. The final experiment proves the validity of the integrat2 ed model .Thismethod can shorten greatly the design period and decrease the development cost . Keywords: Ship motion simulator; Hydraulic driving system; Automatic dynamic analysis ofmechanical system; Matlab;The integrated model 0 前言 本文提出的船舶运动模拟器旨在为晕船病的研究 提供一个比较逼真的运动环境。国外已有许多研究机 构通过大量的实验研究表明晕船病主要与船舶的垂 荡、纵摇和横摇有关,其中垂荡对晕船病的影响最为 显著,因此所研制的运动模拟器除了要能模拟垂荡、 纵摇、横摇3个方向的运动之外,还要使得垂荡运动 能在一个较大的范围内运动,从而确保垂荡模拟的真 实性。目前国内外的船舶运动模拟器大多采用三自由 度和六自由度的并联机构 1 - 4。该类机构的优点是刚 度很好,缺点之一是受机构的限制,垂荡的运动范围 总是小于液压缸的行程,而液压缸的行程有限,因此 不能实现大位移的垂荡,不能很好地模拟船舶的垂荡 运动;缺点之二是运动学正解求解很难,而且各个液 压缸的运动存在比较严重的耦合。 本文提出了一种新颖的三自由度船舶运动模拟 器,能实现垂荡液压缸位移的放大,而且纵摇横摇和 垂荡采用串联结构形式,纵摇横摇是弱耦合的并联结 构,对控制系统而言其设计成本要低得多。下面给出 该模拟器的机械结构和液压驱动系统,并详细介绍利 用ADAMS动力学仿真软件建立机械系统模型、液压 驱动系统模型、机液一体化模型以及机械-液压-计 算机控制一体化模型的过程,最后给出部分仿真结果 和试验验证。 1 船舶运动模拟器和液压驱动系统的设计 船舶运动模拟器具有3个自由度,由3层平台组 图1 船舶运动模拟 平台结构简图 成。中、下层平台采用剪叉 式机构连接,这种剪叉式机 构可以实现运动的放大,实 现大范围的垂荡运动。中、 上层平台由立柱及两个液压 缸连接,实现横摇和纵摇运 动,结构简图如图1所示。 模拟器结构融合了串联和并 联结构形式,结构简单,整 体性好,归零位后体积小, 能够实现大角度的横摇、纵 摇和大位移的垂荡运动,能够方便调节横摇、纵摇的 角位移和角加速度、垂荡的线位移和线加速度,从而 模拟不同的船舶在不同海况下的运动情况。 其单通道液压伺服控制系统示意图如图2所示。 由于垂荡负载变化大,为了防止有杆腔出现负压,导 致气穴振动,垂荡采用先导式非对称阀控制非对称缸; 而纵摇、横摇负载压力相对较小,采用价格便宜些的 直动式对称阀控制非对称缸。利用伺服液压缸上的位 移传感器反馈的活塞杆位移信号构成半闭环控制。所 采用的液压伺服系统的关键元器件如下:天津优瑞纳 斯公司生产的US系列伺服液压缸,内置磁制式位移传 感器,纵摇横摇行程为0300mm,垂荡液压缸行程为 440mm;比例方向阀为Parker公司的D1FH系列,输入 信号要求为010V电压;泵为华德的恒压柱塞变量 泵。测量系统特性用的压力传感器为宇航公司的 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ZQ503,其量程为025MPa,精度为 0101%。 图2 单通道液压伺服控制系统示意图 2 机械、液压、计算机控制一体化建模 ADAMS软件是美国MDI (Mechanical Dynamics Inc1)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。 ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运 动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入 载荷等 5 - 6 。 211 机械系统建模 图3 船舶运动模拟 器三维造型图 强大的静力学、运 动学和动力学计算仿真 能力是ADAMS的优势 所在,但是它的机械三 维建模能力并不是很突 出,故采用三维造型软 件Solidworks建立船舶 运动模拟器的机械系统 模型,通过ADAMS的 CAD文 件 输 入 模 块 ADAMS/ Exchange导入 ADAMS中,图3为导 入ADAMS之后的三维模型。 212 液压系统建模 在液压系统建模以前,通过预设运动驱动机械系 统,进行运动学仿真,得到一些先验结果。然后在机 械系统中添加一个运动并测量机械系统的输出,通过 动力学仿真得到该运动需要的驱动力,接着取消该设 定运动,代之以一套液压系统,用以产生该运动需要 的驱动力,以复现设定运动的结果。 液压系统的建模采用ADAMS的一个插件程序 Hydraulics模块,在使用该插件对液压系统仿真时, 包括以下7个部分:液压系统建模,建立液压元件及 液压连接元件,并将它们连接成为液压系统;检验, 进行静态及动态分析,决定机械和液压连接点的位 置,系统的暂态响应及其它特性;验证,检验系统的 流量及液压缸速度;重新检验,进行静态及动态分 析,确定机械部分低速运动时的系统的暂态响应;重 新验证,确定液压缸的速度及阀芯位移;改进,液压 元件的参数化设计;优化。图4为利用ADAMS所建 立的液压驱动系统模型。 1 垂荡缸 2 先导比例阀 3 连接元件 4 油箱 5 纵摇缸 6 直动比例阀 7 蓄能器 8 单向阀 9 恒压泵 10 横摇缸 11 直动比例阀 12 先导减 压阀 13 液压油 图4 船舶运动模拟平台液压系统模型 213 机械-液压一体化建模 船舶运动模拟器的动力学仿真就是改运动学分析 的运动曲线输入为液压缸的力输入。而液压缸的输出 力又是通过对比例阀的阀芯运动曲线的控制实现的, 这和实际的液压比例控制系统的控制过程是完全一致 的,可以复现实际的开环控制过程。 把利用ADAMS/Hydraulics模块构建的液压系统 模型与机械系统模型复合起来就可得到机械-液压一 体化模型,通过给定阀芯以特定的运动曲线,可以复 现出真实的实际船舶运动模拟器开环控制特性。 在液压缸的参数中,有2个参数(IMarker,J Marker)与机械系统模型相关, 用来确定液压缸的运 动范围,在ADAMS中就是通过这2个参数将液压系 统和机械系统连接起来,从而得到机械-液压系统模 型,见图5。 图5 垂荡运动机械-液压系统模型虚拟连接 941第9期杨军宏 等:基于ADAMS的船舶运动模拟器及其液压驱动系统的设计与动力学仿真 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 214 机械-液压-计算机控制一体化模型 借助于ADAMS/Controls模块,将先前建立的机 械-液压一体化模型与Matlab/Simulink控制仿真工 具箱有机地联结起来,实现将复杂的控制引入AD2 AMS的机械-液压系统虚拟样机,从而得到机 械-液压-计算机控制一体化模型, Matlab/Simulink 从ADAMS/Controls模块获得液压缸活塞杆的位移量, 经过在Matlab/Simulink中所搭建的控制系统的运算 得到阀芯控制信号,液压系统模型中的比例阀阀芯通 过ADAMS/Controls模块获得阀芯控制信号。可以复 现出真实的实际船舶运动模拟平台闭环控制特性。 图6是在Matlab中使用Simulink控制工具箱构建 的船舶运动模拟平台系统控制图, ADAMS/View的机 械-液压系统模型被设置为控制图中的一个模块 (ADAMS_sub)。计算机控制系统模型从机械-液压 系统模型中获得液压缸活塞杆的位移量,与理论液压 缸活塞杆位移量比较后,误差位移量信号经PI D控制 器运算,并转化为误差控制电压信号,最后将此误差 信号引回机械-液压系统模型,从而实现位置闭环控 制。整个仿真过程类似于实际的计算机控制系统的控 制过程。 图6 船舶运动模拟平台计算机控制系统仿真模型 3 基于ADAMS的闭环比例控制仿真与试验 恒压泵的设定压力为6MPa,油箱的备压为 018MPa (由于回油路存在回油滤油器背压 ) , 上层平 台不带载荷,横摇、纵摇运动所受载荷为上层平台的 自重载荷。各液压元件的主要性能指标均按照实际指 标给出,忽略了以下一些对系统整体性能影响不大的 因素:液压缸的材料、壁厚、内部库仑摩擦力及泄 漏;液压油的可压缩性;比例阀的开启、关闭时间 等。期望的横摇液压缸活塞杆位移曲线是幅值为50, 频率为011Hz的正弦曲线。图7为闭环比例跟踪曲 线,图8和图9分别为无杆腔和有杆腔的压力变化曲 线。在对实际系统进行性能测试的时候只测试了相同 频率和幅值下的横摇液压缸无杆腔的压力变化,如图 10所示。但是通过对比图8和图10就可以看出,利 用ADAMS所建立的机械-液压-计算机一体化模型 能够真实地反映出系统的状态变化。 4 总结 本文提出了一种新颖的三自由度船舶运动模拟平 台,详细阐述了利用动力学仿真软件建立机械-液 压-计算机控制的一体化模型的过程,所建立的虚拟 样机不光可以进行机械结构的运动学、动力学仿真分 析,还可对液压驱动系统进行特性分析,甚至可以对 整个系统进行控制策略的仿真研究。这一方法可以极 大地缩短液压产品的开发成本和开发周期。 参考文献 【1】郭洪波,李洪人 1液压驱动6自由度运动模拟器动力 机构控制策略研究J 1机械工程学报, 2005, 41 (2) : 199 - 2041 【2】隋春平,房立金 1基于3自由度并联机器人的船载炮 6维运动模拟系统 J 1机器人,2000,24 (5) : 409 - 4121 【3】M1Ceccarelli,E1Ottaviano, M1Galvagno1A 32DOF par2 allel manipulator as earthquake motion simulator C . 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