陸繼山，馮廣斌，孫華剛，張云峰

（1.軍械工程學院，石家莊　050003；2.軍械技術研究所，石家莊　050003）

基于AMESim/RecurDyn/Simulink的自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化聯(lián)合仿真

陸繼山1，馮廣斌2，孫華剛2，張云峰1

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.軍械技術研究所，石家莊050003）

利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件分別建立自動供輸彈系統(tǒng)的液壓子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)仿真模型，利用多軟件接口技術將3種軟件耦合建立機電液一體化聯(lián)合仿真平臺，同時也得出自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型，通過相關參數(shù)設置對模型進行仿真分析，并通過實驗測試驗證了一體化仿真模型具有較高的精度。

自動供輸彈系統(tǒng)，聯(lián)合仿真，AMESim，RecurDyn，Simulink

0　引言

由于自動供輸彈系統(tǒng)在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用，因此，自裝備之日起就成為世界各國相關領域專家研究的重點，到目前為止，國內外對自動供輸彈系統(tǒng)的研究成果主要集中在對系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的研究方面，完整的研究供輸彈機械子系統(tǒng)的成果比較少，而在自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真研究方面幾乎還是一片空白［1-4］。

隨著科學技術的快速發(fā)展，利用多軟件接口技術建立聯(lián)合仿真平臺對大型復雜系統(tǒng)進行機電液一體化聯(lián)合仿真分析，已成為近年來系統(tǒng)聯(lián)合仿真領域的一大熱點工程［6-8］。多軟件聯(lián)合仿真平臺能夠結合各軟件的優(yōu)點實現(xiàn)優(yōu)勢互補，得出更為精確可信的結果。本文擬利用AMESim軟件、RecurDyn軟件和Simulink軟件建立聯(lián)合仿真平臺對供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型進行仿真分析［9-10］，力求得出準確合理的供輸彈系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，為后續(xù)研究打下一定基礎。

1　聯(lián)合仿真平臺

1.1聯(lián)合仿真平臺概述

本文利用接口技術建立多軟件聯(lián)合仿真平臺對供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真模型進行仿真分析能夠充分發(fā)揮各軟件的建模和仿真優(yōu)勢，得到精確度較高的虛擬樣機模型和令人信服的仿真計算結果。

AMESim軟件是由法國IMAGINE公司于1995年推出的多領域系統(tǒng)仿真集成平臺，專門用于液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析的優(yōu)秀軟件［12］?？梢詣?chuàng)建和運行多物理場仿真模型，進行復雜的系統(tǒng)特性分析，支持控制系統(tǒng)設計，該軟件不要求用戶具備完備的仿真專業(yè)知識，采用面向系統(tǒng)原理圖建模的方法，便于工程技術人員掌握和使用。該軟件具有如下主要特點：①擁有豐富的模型庫；②采用C或FORTRAN編程，元件代碼底層開放，用戶可自行開發(fā)或構建符合個人需求的元件；③擁有與Matlab/Smiulink、Adams、RecurDyn等軟件的接口，便于在應用中發(fā)揮各自優(yōu)勢；④擁有4個級別的建模方式：數(shù)學方程級、方塊圖級、基本元素級和元件級，可供不同特點和專長的用戶來選擇。本文中，使用AMESim對自動供輸彈系統(tǒng)中的液壓部分進行建模，同時利用自身與Matlab/Smiulink和RecurDyn的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺。

Smiulink系統(tǒng)是Mathtools公司產(chǎn)品Matlab的一個重要分支，是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。Smiulink軟件還可提供能與RecurDyn軟件、AMESim軟件實現(xiàn)互聯(lián)互調的特定接口，可處理包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)等。本文中，使用Smiulink對自動供輸彈系統(tǒng)中的控制部分進行建模。同時利用RecurDyn軟件生成機械系統(tǒng)的M文件，利用AMESim軟件生成液壓系統(tǒng)的C文件，在Smiulink軟件中打開M文件并運行，輸入相關命令實現(xiàn)機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結，在Smiulink軟件中打開C文件并運行，輸入相關命令實現(xiàn)液壓和控制系統(tǒng)的交互聯(lián)結［11］。

RecurDyn是由韓國FunctionBay公司基于相對坐標系建模和遞歸求解，充分利用最新的多體動力學理論開發(fā)的一個優(yōu)秀多學科協(xié)同仿真軟件，其特點是具有令人震撼的求解速度和穩(wěn)定性，方便快捷的建模方法，能夠實現(xiàn)與液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的有機融合，實現(xiàn)復雜機械系統(tǒng)的機電液一體化仿真研究［13］。本文利用RecurDyn軟件建立自動供輸彈系統(tǒng)的機械系統(tǒng)虛擬樣機模型［14］，同時利用自身與Matlab/Smiulink和AMESim軟件的特定接口建立聯(lián)合仿真平臺。

1.2聯(lián)合仿真平臺建立

要實現(xiàn)AMESim、RecurDyn和Simulink三軟件建立聯(lián)合仿真平臺需要將其中任意兩個軟件實現(xiàn)互聯(lián)互通，其聯(lián)合仿真模塊結構示意圖如圖1所示。

圖1　聯(lián)合仿真平臺結構示意圖

①AMESim軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過添加約束副和運動副建立機械系統(tǒng)虛擬樣機模型，并通過動態(tài)校核和靜態(tài)校核驗證樣機模型的正確性，然后在RcurDyn/Communicator/Hydraulic中對Hydraulic Inputs行創(chuàng)建并定義相關表達式如圖2所示，然后定義Hydraulic outputs，具體做法是在Hydraulic outputs菜單中定義輸出接口以及相關名稱，然后對每一個確定的元素創(chuàng)建輸出表達式，同時定義ID如圖3所示。

圖2　HydraulicInput示意圖

圖3　Hydraulicoutputs示意圖

圖4　AMESim接口

建立輸入輸出接口之后，也即完成了兩個軟件之間聯(lián)合仿真接口的創(chuàng)建，然后在AMESim軟件中建立液壓系統(tǒng)模型，將AMESim軟件與所創(chuàng)建的Hydraulic Inputs接口連接，如圖4所示，創(chuàng)建聯(lián)合仿真環(huán)境。然后進行聯(lián)合仿真：首先運行AMESim軟件，在AMESim軟件正常運行后，對RecurDyn軟件中的模型進行仿真，通過RecurDyn軟件中的Plot觀察結果曲線變化情況。

②Simulink軟件和RcurDyn軟件的耦合。首先在RecurDyn軟件中通過添加約束副和運動副建立機械系統(tǒng)虛擬樣機模型，并通過動態(tài)校核和靜態(tài)校核驗證樣機模型的正確性，然后通過RcurDyn/Communicator/Control中對plant inputs和plant outputs進行輸入和輸出的定義和創(chuàng)建如下頁圖5和圖6所示，輸入和輸出的對象一般是速度、位移和加速度等。然后通過Communicator/Control/CoSim輸出相應的M文件，在MATLAB中打開M文件并運行，同時在命令窗口輸入radlib命令，再運行Simulink軟件，創(chuàng)建控制框圖。先在Simulink中運行聯(lián)合仿真，待聯(lián)合仿真成功后，可以運行RcurDyn在Plot中查看仿真結果，如圖7所示。

圖5　plant inputs示意圖

圖6　plant outputs示意圖

圖7　M文件的輸出

③AMESim軟件和Simulink軟件的耦合。建模過程首先通過在AMESim中充分發(fā)揮其在機械液壓建模方面的專長建立系統(tǒng)機械液壓部分的模型，并將此部分模型經(jīng)過系統(tǒng)編譯后轉化為Smiulink中常用的S函數(shù)形式，從而實現(xiàn)與Smiulink的聯(lián)合；其次，在Smiulink中再建立系統(tǒng)余下的控制部分線性或非線性模型；最后，在Smiulink中通過調用上述S函數(shù)作為被控對象，實現(xiàn)整個系統(tǒng)模型的聯(lián)合要實現(xiàn)AMESim與Matlab/Smiulink的聯(lián)合仿真。

1.3聯(lián)合仿真平臺的特點

該聯(lián)合仿真平臺的特點主要體現(xiàn)在：①平臺建立過程具有較強針對性，發(fā)揮了3種軟件分別在機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模方面的優(yōu)勢，使系統(tǒng)的機械部分、液壓部分與控制部分既相互獨立又合為一體；②3種軟件集成的聯(lián)合仿真算法具有很好的靈活性，比如機械部分和液壓部分的仿真運算過程既可選擇使用AMESim中默認的優(yōu)化算法（Co-smi ula-tion interface），也可選擇使用Smiulink中的其他各類算法；③操作過程具有較好的便捷性，使操作者工作量大大降低，并能取得好的仿真效果。

2　仿真模型的建立及仿真分析

2.1機械系統(tǒng)虛擬樣機模型建立

自動供輸彈系統(tǒng)主要由供彈機、協(xié)調器和輸彈機三大部分組成。其中供彈機主要由自動化彈倉、彈架本體、彈架前橋、主動鏈輪組合、從動鏈輪組合、推彈器、導軌和蝸輪蝸桿等部分組成；協(xié)調器由本體、托彈盤、行程開關、行軍固定器、擺彈油缸、氣液小平衡機等部分組成；輸彈機主要由鏈盒、鏈條、推殼機構、大鏈輪、輸彈槽等部分組成，其結構簡圖如圖8所示。將Pro/E軟件中建立的自動供輸彈系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)三維模型導入RcurDyn軟件中，通過添加相應的約束和載荷建立其虛擬樣機模型。

圖8　供輸彈機械系統(tǒng)結構簡圖

2.2液壓系統(tǒng)AMESim模型建立

液壓系統(tǒng)中主要元部件包括：液壓馬達、雙聯(lián)葉片泵、直流電機、疊加式液控單向閥、集流板電磁閥組件、單向節(jié)流閥、安全閥芯等。于是可以利用AMESim軟件按照相關建模步驟建立自動供輸彈液壓系統(tǒng)仿真模型如下頁圖9所示。

2.3電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型建立

本文采用電液速度控制系統(tǒng)對自動供輸彈系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)中驅動彈丸運動的主要部件的速度進行控制，根據(jù)伺服閥的增益和相關參數(shù)，可以確定伺服閥的傳遞函數(shù)為：

液壓缸的固有頻率：

則可得出控制液壓缸的傳遞函數(shù)為：

圖9　供輸彈液壓系統(tǒng)AMESim模型

取傳感器增益為4×10-2V/m，則可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

于是根據(jù)傳遞函數(shù)及相關參數(shù)可以建立控制系統(tǒng)的Smiulink模型如圖10所示。

圖10　電液速度控制系統(tǒng)Smiulink模型

2.4聯(lián)合仿真分析及實驗驗證

利用上述聯(lián)合仿真平臺建模方法對自動供輸彈系統(tǒng)機械、液壓及控制子系統(tǒng)進行一體化聯(lián)合仿真分析。自動供輸彈系統(tǒng)在工作過程中主要有自動化彈倉選彈、協(xié)調器協(xié)調擺彈、輸彈機輸彈幾個較為重要的過程，因此，聯(lián)合仿真分析得出3個主要階段的彈丸速度變化曲線如圖11～圖13所示。同時利用模擬彈和速度傳感器對供輸彈系統(tǒng)進行實驗研究，通過實驗測試得出的相關數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

圖11　供彈機10號彈筒速度變化曲線

從圖6中可以比較明顯地看出，由于自動化彈倉鏈傳動的多邊效應，10號彈筒速度變化過程中，會有小范圍內的周期性波動，大約在2.8 s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)相關設計要求，其速度的最大值不能超過350 mm/s，在1.5 s時速度有一個小范圍的劇烈波動，這是由于自動化彈倉每1.5 s走一個彈距，在1.5 s時由于臨近彈丸受到推彈器的推送作用出現(xiàn)振動引起的，符合實際情況，運動規(guī)律與實際相符。

表1　供彈機10號彈筒速度變化測試結果

圖12　協(xié)調器速度變化曲線

表2　協(xié)調器速度變化測試結果

圖12中協(xié)調器經(jīng)歷從協(xié)調到擺彈的兩個關鍵過程，前1.2 s協(xié)調器的速度從0變至0，顯然是協(xié)調階段，從1.2 s～1.9 s協(xié)調器速度從0變至1 480 mm/s，這是協(xié)調器將彈丸從協(xié)調器擺至輸彈線路的階段，1.9 s之后至2.0 s彈丸速度處于穩(wěn)定狀態(tài)，這符合協(xié)調器設計時0.7 s擺彈，0.1 s緩沖的原則和原理，因此，運動規(guī)律與實際相符。

根據(jù)輸彈機輸彈速度的相關要求，最大速度不能超過4 000 mm/s，最大推彈時間不超過1 s，而從圖中可以看出，除去在0.5 s和0.9 s時輸彈鏈頭受到兩次較大的沖擊，其速度短暫的超過最大速度的數(shù)值，其余時間均在要求范圍時間之內，運動規(guī)律與實際相符。

圖13　輸彈機輸彈速度變化曲線

表3　輸彈機輸彈速度變化測試結果

對比各階段圖表進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同的時間節(jié)點，彈丸的運動速度極為接近，并且較傳統(tǒng)的單個子系統(tǒng)的虛擬樣機仿真結果具有更高的精度，說明所建立的基于聯(lián)合仿真平臺的自動供輸彈系統(tǒng)一體化仿真模型具有較高的可信度，可以用于進行更深入的仿真研究。

3　結論

本文以自動供輸彈系統(tǒng)作為研究對象，在RecurDyn軟件中建立其機械子系統(tǒng)，在Matlab軟件中建立電液控制子系統(tǒng)，利用AMESim、RecurDyn和Simulink三種軟件耦合進行一體化聯(lián)合仿真的方法對機電液各子系統(tǒng)之間的交互參數(shù)進行設置，從而建立起系統(tǒng)的機電液一體化仿真模型，通過仿真計算和實驗測試驗證了模型的正確性，為供輸彈系統(tǒng)的深入研究打下了一定基礎。將機械系統(tǒng)仿真工具與液壓控制系統(tǒng)仿真工具結合起來進行機電液一體化仿真分析的方法能大大提高裝備研發(fā)效率，降低研究成本，而且具有較高的可信度。可以為供輸彈系統(tǒng)的勤務保障提供參考。

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Co-simulating of Mechanical and Electro-hydraulic System for Virtual Auto-feeding Mechanism Prototyping Technology Based on AMESim/RecurDyn/Simulink

LU Ji-shan1，F(xiàn)ENG Guang-bin2，SUN Hua-gang2，ZHANG Yun-feng1
（1.School of Ordnance Engineering，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Technical Institution，Shijiazhuang 050003，China）

The different systems of auto-feeding mechanism are built by the software AMESim，RecurDyn and Simulink.The Co-simulating virtual environment is built within RecurDyn，AMESim and Simulink.The interface method between the three types of software is studied and with the integration of the mechanical，hydraulic and control systems，the co-simulation with this technology is studied in the end.

auto-feeding mechanism，Co-simulating，AMESim，recurDyn，Simulink

TP391.9；TJ410

A

1002-0640（2016）07-0188-05

2015-06-03

2015-07-10

陸繼山（1988-）男，云南宣威人，碩士研究生。研究方向：火炮、彈藥及自動武器。