基于AMESim的机液仿真设计与应用

邹琼

摘要：机电液系统广泛应用于各种机械中。随着时代的发展，对机械产品的负载要求越来越大，而又要求产品结构轻型化，且具有良好的动力学性能，传统的设计方法已无法满足现今的要求。机电液系统仿真技术在其系统设计与控制中具有重要应用，其中AMESim仿真软件得到了行业广泛的认可。该软件提供了一种图形编程方式，将具体的模块执行程序封装起来，通过模块图形接口提供给用户。軟件集成了包括机械、液压、电子、热工等多个模块及其子单元，可应用于多种机液仿真场合，且集成有与其他三方软件联合分析接口，大大扩展了其分析与计算能力。

Abstract： Electromechanical hydraulic system is widely used in all kinds of machinery. With the development of the times， the load requirements of mechanical products are more and more big， and the product structure is required to be light， and has good dynamic performance. The traditional design method has been unable to meet the requirements of today. The simulation technology of electro-mechanical hydraulic system has an important application in its system design and control， among which AMESim simulation software has been widely recognized by the industry. The software provides a kind of graphic programming mode， which encapsulates the specific module execution program and provides it to the user through the module graphic interface. The software integrates many modules and their sub units， including mechanical， hydraulic， electronic， thermal and so on. It can be applied to many kinds of machine hydraulic simulation occasions， and integrates the joint analysis interface with other three-party software， greatly expanding its analysis and calculation ability.

关键词：机电液系统;仿真;AMESim;液压系统;控制

Key words： electro hydraulic system;simulation;AMESim;hydraulic system;control

0  引言

机电液系统具有大力大矩的显著特点，是许多机床产品、航天器械、工程机械等的必须动力装备，而随着时代的发展，机械工况变得越来越复杂，负载也变得越来越大，对机械的要求则是越来越轻巧，同时能够拥有优良的动力学品质[1，2]。传统的机电液系统设计方法往往根据经验公式进行推导或计算，其计算结果可能误差较大，有时甚至偏离实际。随着计算机技术的飞跃发展，采用计算机仿真技术进行机电液系统的设计与分析是目前较流行的设计方式[3，4]。在机电液系统领域，AMESim软件使用较为广泛，吕安生[5]等分析了一种抓臂式清污机工作特点，设计了其工作装置液压系统，采用一种阀前补偿液压系统，AMESim中建立了液压仿真系统，配置了与ADAMS进行联合的接口，分析了系统的动态特性。魏建华[6]等基于连通式油气悬架振动模型，在模型中考虑了蓄能器、液阻、单向阀及管路非线性特性，建立了ADAMS动力学模型、AMESim液压系统模型、MATLAB路面谱模型，得出管路长度对道路破坏系数影响较小的结论等。基于AMESim的机液仿真研究方法对降低物理实验成本，较快地观测系统的静动态特性具有重要作用。

1  AMESim的软件组成与功能

AMESim （Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems）是一款多学科交叉的系统建模与仿真软件。可进行制动系统、液压系统、机电系统、热系统等的建模与仿真。在AMESim软件中，主要包含了六大系统模块：流体系统、电气系统、电机系统、热系统、机械系统和信号系统。

流体系统中包括了多种流体单元，包括流体设置单元、管道、过滤器、蓄能器、液压缸、液压泵、恒压泵、液压阀等。其中在流体设置单元中可设置流体的类型、粘度、温度、压力、体积模量等;在管道设置中可设置管道的界面半径、管道长度、管道两端的初始压力等;液压缸包括单作用液压缸、双作用液压缸、带负载的单作用液压缸、有弹簧辅助的单作用液压缸等，在液压缸设置中，可设置活塞杆直径、钢筒直径、活塞杆行程等参数。液压泵包括定量泵、变量泵等，可与液压阀进行组合连接形成变量柱塞泵等。液压阀模块包括单向阀、两位三通阀、三位四通阀、减压阀、调速阀、梭阀、三位四通电液伺服阀等。

电气系统中包括了多种电气单元，包括二极管、电阻、电容、电感、发电机、电动机、电池与储能装置、开关、电压表、电流表等。其中在二极管中可设置耗散功率、正向电压等;发电机包括三相发电机、单相发电机等，可设置发电机工作频率、相电压、转速、内阻等参数。电池与储能装置包括锂离子电池、电解电容等，可设置电池的额定输出电压与最大输出电流，即可作为放电装置，也可作为充电装置。电气线路中的线路电压和电流可通过电压传感器、电流传感器进行测量。

电机系统包括了多种电机单元，包括交流发电机、三相交流电动机、单相交流电动机、直流电动机、电机控制单元等。其中电机控制单元包括是永磁直流电机转矩控制模块（PMDC），端口输入为扭矩指令（N·m）、最大电枢电压（V）和转速（rev/min）。通过使用这些输入，可计算出电枢绕组电流（A）;单独励磁直流电机的转矩控制块（SEDC），可选择两种控制策略之一：最大转矩、最小损耗;内部和表面安装的永磁同步电机或等效设备的扭矩控制块（PMSM），此控制将转矩设定为电压和电流的函数;绕线转子同步电机转矩控制模块（WRSM），该模块不考虑铁损耗、磁饱和或阻尼效应等;永磁同步电机（PMSM）根据永磁同步电机的转速，利用校正器建立电流控制回路，闭环电流响应可以是一阶或二阶系统，如图1所示。

热系统模块中包括了多种热单元，包括温度计、环境参数设置单元、固体材料热单元、导线热单元、热辐射交换单元、固体热电容、湿空气源、湿空气混合器、湿空气物理特性通用传感器等。其中环境参数设置单元允许设置与环境条件相关的计算参数，这些计算需要观测点的时间和空间参数以及环境参数;热辐射交换单元;固体热电容计算了一个固体质量的温度动力学与入射热流的关系。

机械系统模块中包括了多种机械单元，包括机架、弹簧、阻尼、电动机、摩擦力矩发生器、齿轮系统、多种信号传感器、3D机械模型库等。其中摩擦力矩发生器可选择具有双曲正切的库仑摩擦模型、通过重置积分器模型、达尔模型、卢格模型之一;3D机械模型库将平面机械结构转为三维机械结构模型，可更加真实地模拟物理系统，但需消耗更多的计算时间和内存。

信号系统模块中包括了多种信号单元，包括定值信号输出、正弦信号输出、停止信号、传递函数块、函数块、方波信号块、滤波器等。其中传递函数块基于模型的传递函数，在线路中与输入信号进行连接，其输出为经过传递函数计算后的输出;函数块可设置一个函数模型f（x），输入信号经过函数模块中的函数处理后进行输出;滤波器可设置为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。

2  AMESim的应用

AMESim作为一款强大的机电液系统仿真软件，其提供了多个领域的解决方案。在汽车自动化领域，可进行汽车发动机、发动机热管理、地盘、传动系统、车身、电气与电子系统、电其与液压系统等相关的仿真建模与分析;在航空航天领域，可进行飞行控制、飞行动力学、环境控制系统、电气与电子系统、发动机装备、着陆系统、液压系统等相关的仿真建模与分析;在机械工程方面，可进行车身集成、发动机及其热管理、电气、电子与液压系统、机器人系统、热交换系统等的仿真建模与分析。AMESim 提供了多种可以其他三方软件进行联合建模与仿真的接口技术，可与MATLAB、ADAMS、LMS Motion、Excel等进行连接，模型连接后可使得每个接口模块都能发挥自身的优势，提高计算性能和扩展更多的功能等。

3  结束语

机电液系统是许多相关产品的必不可少的组成部分。AMESim提供了丰富的机电液系统仿真建模与分析的解决方案，文中介绍了AMESim的六大基本系统模块及其模块组件、单元与功能，参数设置等，并介绍了AMESim的在多种应用领域中的应用，和与其他三方軟件进行联合仿真建模与分析功能等，可为基于AMESim的机电液系统建模与仿真设计提供参考。

参考文献：

[1]朱小晶，权龙，王新中，等.大型液压挖掘机工作特性联合仿真研究[J].农业机械学报，2011，42（04）：27-32.

[2]刘鹏虎，张勇，张强.液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制[J].中国工程机械学报，2007（01）：72-74，112.

[3]尹方辰，孙杰，马更生，等.基于ADAMS-MATLAB联合仿真的液压活套多变量解耦控制[J].东北大学学报（自然科学版）， 2016，37（04）：500-503，507.

[4]任云鹏，韩清凯，张天侠，等.基于虚拟样机技术的锻造操作机的动力学仿真[J].东北大学学报（自然科学版），2010，31（08）： 1170-1173，1186.

[5]陈远龙，吕安生，侯亭波，等.基于AMESim与ADAMS的抓臂式清污机工作装置联合仿真研究[J].液压与气动，2020（01）： 137-141.

[6]魏建华，杜恒，方向，等.基于ADAMS/Simulink/AMESim的油气悬架道路友好性分析[J].农业机械学报，2010，41（10）：11-17.