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.doc

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2007年9月第35卷第9期机床与液压MACHINET00L&HYDRAULICSSep.2007Vo1.35No.9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杨军宏,李圣怡,王卓(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073)摘要:设计了一种新颖的船舶运动模拟器及其液压驱动系统,利用ADAMS动力学仿真软件和Matlab/Simulink仿真工具建立了机械系统,液压驱动系统,计算机控制系统的一体化模型,给出了控制仿真结果,并最终通过试验验证了所建模型的有效性.该方法可以极大地缩短液压产品的开发周期,减小开发成本.关键词:船舶运动模拟器;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:113013881(2007)91483TheDesignandDynamicSimulationofShipMotionSimulatorandHydraulicDrivingSystemBasedonADAMSYANGJunhong,LIShengyi,WANGZhuo(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,NationalDefenceTechnologyofUniversity,Changsha410073,China)Abstract:Anewshipmotionsimulatoranditshydraulicdrivingsystemweredesigned.Theintegratedmodelofmechanicalsys?tern,hydraulicdrivingsystemandcomputercontrolsystemwasestablishedbythesoftwaresofdynamicanalysisofmechanicalsystem(ADAMS)andMatlab/Simulink,andthecontrolsimulationresultwasgiven.Thefinalexperimentprovesthevalidityoftheintegrat?edmode1.Thismethodcanshortengreatlythedesignperiodanddecreasethedevelopmentcost.Keywords:Shipmotionsimulator;Hydraulicdrivingsystem;Automaticdynamicanalysisofmechanicalsystem;Matlab;Theintegratedmodel0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着,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u.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一液压一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,图1船舶运动模拟平台结构简图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440nlln;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?149?zQ503,其量程为025MPa,精度为0.01%.电液向阀图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(MechanicalDynamicsInc.)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.2,1机械系统建模强大的静力学,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Solid-works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/图3船舶运动模拟Exchange导入ADAMS器三维造型图中,图3为导人ADAMS之后的三维模型.2.2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.1一垂荡缸2一先导比例阀3一连接元件4一油箱5一纵摇缸6一直动比例阀7一蓄能器8一单向阀9一恒压泵l0一横摇缸Il一直动比例阀12一先导减压阀13一液压油图4船舶运动模拟平台液压系统模型2.3机械一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一液压一体化模型,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(,Marker,JMaer)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,从而得到机械一液压系统模型,见图5.图5垂荡运动机械一液压系统模型虚拟连接?150?机床与液压第35卷2.4机械一液压一计算机控制一体化模型借助于ADAMS/Controls模块,将先前建立的机械一液压一体化模型与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ADAMS的机械一液压系统虚拟样机,从而得到机械一液压一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的机械一液压系统模型被设置为控制图中的一个模块(ADAMSsub).计算机控制系统模型从机械一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PID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一液压系统模型,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.:r转化为垂荡自弼位置PID控制器j空利量活塞杆伸长:I转化为纵摇缸动曲线lID控制器控制量活塞杆伸长量._.f-.=蠢转活塞杆伸长量h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0.8MPa(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0.1Hz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l0所示.但是通过对比图8和图l0就可以看出,利用ADAMS所建立的机械一液压一计算机一体化模型能够真实地反映出系统的状态变化.图7横摇液压缸活塞杆仿真位移量曲线6.05.0兰4.0三3.0主2.01.00.0O.图8横摇液压缸无杆腔压力变化曲线图9横摇液压缸有杆图10实际系统横摇液压缸腔压力变化曲线无杆腔压力变化曲线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一液压一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,液压驱动6自由度运动模拟器动力机构控制策略研究J.机械工程,2005,41(2):199204.【2】隋春平,房立金.基于3自由度并联机器人的船载炮6维运动模拟系统J.机器人,2000,24(5):409412.【3】M,Ceccarelli,E.Ottaviano,M.Galvagno.A3-DOFpar-allelmanipulatorasearthquakemotionsimulatorC.The7thInternationalConferenceonControl,Automation,RoboticsandVision.2002:944949.【4】虞俊俊,