基于AMEsim仿真軟件的液壓伺服系統(tǒng)半實物仿真平臺搭建*

徐 威 ， 梁 全 ， 趙文川

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

半實物仿真能夠在實際控制中對仿真控制模型中的算法進行檢驗，對存在的不足和缺陷進行調(diào)整，能夠進行廣泛應(yīng)用，然而半實物仿真理論和應(yīng)用技術(shù)仍然存在許多不足和欠缺[1-4]。高峰等[5]基于分層、分設(shè)計理念對半仿真平臺進行研究，確定了平臺具有較好通用性，并且測試效率以及精度較高，但是該平臺相對較復(fù)雜，成本較高。孫強龍[6]根據(jù)分布式原理搭建出半實物仿真平臺，通過上、下位機能夠?qū)崿F(xiàn)仿真平臺良好運行，然而研究過程缺乏理論基礎(chǔ)。王志佳[7]根據(jù)列車輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計出一種半實物仿真平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，并完成了準確性和實時性驗證，然而該仿真平臺效率較低。孫起麟等[8]解決了半仿真實物平臺缺乏橫向數(shù)據(jù)采集與實時對比、數(shù)據(jù)分析各環(huán)節(jié)集成度低等問題，但是缺乏一定的應(yīng)用性。針對以上問題，課題組提出一種以AMESim仿真軟件為載體的半實物仿真系統(tǒng)，其中，半實物部分為AMESim仿真軟件的仿真模型，實物部分為實際的控制器。本研究不僅利用了AMESim仿真軟件進行準確建模，而且能夠結(jié)合實際控制器，對控制參數(shù)進行調(diào)整，對系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)試能夠起到一定的技術(shù)支持。

1 半實物仿真平臺的實現(xiàn)原理

半實物仿真平臺的實現(xiàn)主要涉及仿真系統(tǒng)動態(tài)模型描述、動態(tài)模型數(shù)值求解器、高精度定時器、實物和非實物模型之間的計算機接口技術(shù)等方面[9-12]。

1.1 仿真系統(tǒng)動態(tài)模型描述

仿真系統(tǒng)動態(tài)模型的描述主要通過AMESim仿真建模軟件實現(xiàn)，通過AMESim仿真軟件的功率鍵合圖進行仿真建模。具體流程是將整個仿真系統(tǒng)劃分為若干子模塊，每個子模塊能夠直觀抽象表達實物仿真模型，并且每個子模塊可以重復(fù)使用，減少仿真建模工作。該過程所建立的仿真模型草圖能夠高度契合實物模型的工作原理，AMESim仿真模型圖如圖1所示。

圖1 AMESim仿真模型圖

1.2 動態(tài)模型的數(shù)值求解器

課題組根據(jù)AMESim仿真軟件開發(fā)仿真模型的數(shù)值求解器，通過算法將功率鍵合圖模型轉(zhuǎn)換為適合計算機求解的微分方程組，再利用計算機對所建立的微分方程進行數(shù)值計算和求解，從而完成半實物系統(tǒng)中非實物部分的設(shè)計。將圖1所示的仿真模型草圖轉(zhuǎn)換為如式（1）所示的微分方程組。

需要注意的是，該方程組可能是線性的、也可能是非線性的，可能是定常的、也可能是時變的。但無論是什么形式，都可以通過數(shù)值計算方法進行求解，并且能夠得到模型在任意時刻的輸入、輸出的數(shù)值數(shù)據(jù)。另外，由于AMESim仿真軟件集成了快速、穩(wěn)定的微分方程組數(shù)值算法求解器，該數(shù)值算法求解器是完全可靠的，并且能夠避免用戶重新開發(fā)數(shù)值算法，方便了半實物仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1.3 高精度定時器

為了保證半實物仿真具有可靠性，半實物仿真系統(tǒng)需要在時間維度和空間維度上有效模擬真實系統(tǒng)。在空間維度上，半實物仿真通過輸出計算數(shù)據(jù)來進行模擬；在時間維度上，半實物仿真通過高精度定時器來完成。本研究所開發(fā)的半實物仿真平臺，借助了Windows系統(tǒng)的QueryPerformanceCounter函數(shù)，該函數(shù)能夠獲取實物計算機系統(tǒng)的最高頻率，并以該最高頻率的倒數(shù)作為定時器的定時精度，因而定時較準確，能夠適合半實物仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

1.4 實物、非實物系統(tǒng)之間的計算機接口技術(shù)

半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是能夠完成“非實物”部分和“實物”部分之間的計算機通信，將非實物部分的數(shù)值計算結(jié)果，輸出給實物控制器，作為位置傳感器的檢測數(shù)據(jù)。而實物控制器的計算結(jié)果，也能夠通過計算機接口，輸出給非實物仿真模型，作為該仿真模型的控制參數(shù)。在本半實物仿真平臺的開發(fā)中，將數(shù)據(jù)采集卡模擬量通道作為實物部分和非實物部分的通信接口，并且整個半實物仿真系統(tǒng)包括兩塊帶有模擬量輸入輸出信號的數(shù)據(jù)采集卡。其中，一塊數(shù)據(jù)采集卡用來讀入實物控制器的輸出信號，其方法是利用模擬量輸入通道讀入，同時將AMESim仿真模型計算得到的數(shù)值計算結(jié)果通過模擬量輸出通道輸出；而另一塊數(shù)據(jù)采集卡，則充當半實物仿真系統(tǒng)中的實物控制器，該控制器通過模擬量輸入通道讀取仿真模型的數(shù)據(jù)采集信號，通過模擬量輸出通道將控制器計算結(jié)果輸出到仿真模型板卡的模擬量輸入通道，從而完成半實物仿真通信。

對于AMESim數(shù)值計算結(jié)果的獲得，需要利用AMESim的聯(lián)合仿真技術(shù)（Co-simulation），通過TCP/IP、共享內(nèi)存（Shared Memory）或DLL輸入方式，實現(xiàn)上位機和AMESim的通信，從而才能將AMESim仿真軟件的計算結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)采集卡。本研究采用了AMESim仿真軟件的TCP/IP功能，通過C語言編程，實現(xiàn)了AMESim仿真軟件和數(shù)據(jù)采集卡的通信。

2 半實物仿真平臺實驗驗證

為了驗證本半實物仿真平臺的正確性，課題組開展了基于本半實物仿真平臺的液壓伺服系統(tǒng)PID控制算法的驗證性實驗，仿真試驗的液壓原理圖如圖2所示。

圖2 液壓伺服系統(tǒng)極點配置算法半實物仿真驗證原理圖

由圖2可知，AMESim所構(gòu)建的閥控缸液壓伺服系統(tǒng)是將位移傳感器作為極點配置算法所需要的系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過AMESim軟件聯(lián)合仿真庫中的TCP/IP模塊，使該變量輸出給數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出通道，并且TCP/IP模塊將從數(shù)據(jù)采集卡中采集到的模擬量信號輸出給圖2中的伺服閥，使之作為閥控缸系統(tǒng)的輸入信號，從而完成半實物仿真系統(tǒng)中實物和非實物部分的通信。

為了驗證實物PID控制的正確性，本研究將AMESim自帶PID控制器的控制效果與半實物仿真系統(tǒng)的PID控制效果進行對比，如圖3所示。

圖3 AMEsim仿真模型和半實物仿真模型控制對比圖

由圖3可知，虛線為伺服系統(tǒng)純軟件仿真的PID控制效果，實線為半實物仿真系統(tǒng)在相同PID控制參數(shù)下的控制效果。兩種仿真方法的曲線分布趨勢大致相同，產(chǎn)生的誤差主要是Windows仿真環(huán)境延時所導(dǎo)致的，則能夠證明本半實物仿真系統(tǒng)具有可行性和正確性。

3 結(jié)論

本研究基于AMESim仿真軟件，開發(fā)了半實物仿真系統(tǒng)原型樣機，解決了半實物仿真系統(tǒng)中的模型建立、模型求解、高精度定時器和計算機接口等關(guān)鍵問題。最后通過液壓伺服系統(tǒng)的半實物仿真PID控制，驗證了本半實物仿真平臺開發(fā)方案具有可行性。本半實物仿真平臺能夠為控制器開發(fā)和參數(shù)整定提供一定的借鑒。