基于AMESim的电液伺服系统仿真与优化研究

液压气动与密封／２００６年第１期１引言液压系统的动态特性是衡量一套液压系统设计及调试水平的重要指标。

液压系统由若干液压元件组成，元件的动态性能相互影响、相互制约以及系统本身所包含的非线性，致使其动态性能非常复杂。

因此，液压系统的仿真受到越来越多的重视，液压仿真软件的精度和可操作性等都有极大的提升。

特别是近几年，国外液压仿真技术飞速发展，各款老牌的液压仿真软件纷纷推出新版本，如法国的ＡＭＥＳｉｍ、波音公司的Ｅａｓｙ５、英国的Ｂａｔｈｆｐ、瑞典的Ｈｏｐｓａｎ、德国的ＤＳＨｐｌｕｓ等。

文章选择ＩＭＡＧＩＮＥ公司的ＡＭＥＳｉｍ作为仿真软件环境，在介绍ＡＭＥＳｉｍ仿真软件的功能与特点的基础上，以典型的电液伺服控制系统为例，详细探讨了利用ＡＭＥＳｉｍ软件包进行液压系统建模与仿真方法，对基于ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ模块和ＡＭＥＳｉｍ／ｍａｔｌａｂ接口两种系统优化的方法、对电液伺服控制系统的ＰＩＤ参数进行了优化研究，并给出了仿真与优化的结果。

２ＡＭＥＳｉｍ仿真软件ＡＭＥＳｉｍ全称为ＡｄｖａｎｃｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒＰｅｒｆｏｒｍｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，是法国ＩＭＡＧＩＮＥ公司开发的高级工程系统仿真建模环境，为流体、液体、气体、机械、控制、电磁等工程系统提供一个较完善的综合仿真环境。

ＡＭＥＳｉｍ是一个多学科领域的建模仿真平台，在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模与仿真。

不同领域的模块之间直接的物理连接方式使ＡＭＥＳｉｍ成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。

ＡＭＥＳｉｍ具有丰富的模型库（１８个模型库，１０００多个模块），用户可以采用基本元素法，按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，而不需要去推导基于ＡＭＥＳｉｍ的电液伺服系统仿真与优化研究马长林，黄先祥，郝琳（第二炮兵工程学院２０２分队陕西西安７１００２５）摘要：ＡＭＥＳｉｍ是法国ＩＭＡＧＩＮＥ公司开发的高级工程系统仿真建模环境，为机械、液压、控制等工程系统提供一个较完善的综合仿真环境。

目前该软件已广泛地被ＧＭ、Ｆｏｒｄ、ＬＧ、ＺＦ、Ｂｏｓｃｈ等公司采用，成为在汽车、液压和航空航天等研发部门的理想选择。

文章首先介绍了ＡＭＥＳｉｍ软件的功能与特点，以典型的电液伺服控制系统为例，探讨了基于ＡＭＥＳｉｍ的液压系统建模与仿真的方法，研究了基于ＡＭＥＳｉｍ／ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ模块和ＡＭＥＳｉｍ／ｍａｔｌａｂ接口对ＡＭＥＳｉｍ仿真系统进行优化设计的方法，并给出了仿真与优化的结果。

利用此方法，借助于ＡＭＥＳｉｍ所提供的多领域软件接口，可方便实现大型机电液一体化系统的联合仿真与优化研究。

关键词：建模；仿真；优化；电液伺服系统中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１００８－０８１３（２００６）０１－００３２－０３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＭＥＳｉｍＭＡＣｈａｎｇ－ｌｉｎ，ＨＵＡＮＧＸｉａｎ－ｘｉａｎｇ，ＨＡＯＬｉｎ（ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ＇ａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＭＥＳｉｍｉｓａｎａｄｖａｎｃｅｄｍｏｄｅｌｌｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＩＭＡＧ－ＩＮＥＩｎｃ．ｏｆＦｒａｎｃｅ，ａｎｄｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｗｈｏｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＮｏｗＡＭＥＳｉｍｉｓｂｒｏａｄｌｙａｐｐｌｉｅｄｂｙＧＭ，Ｆｏｒｄ，ＬＧ，ＺＦａｎｄＢｏｓｃｈＩｎｃ，ａｎｄｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｂｅｓｔｃｈｏｉｃｅｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ，ｈｙ－ｄｒａｕｌｉｃ，ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓｓｅｃｔｏｒｓｅｔｃ．ＴｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＭＥＳｉｍｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａ－ｐｅｒ．ＴａｋｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＭＥＳｉｍ，ｓｔｕｄｉｅｓｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｕｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＡＭＥＳ－ｉｍ／ｍａｔｌａｂ，ａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．ＢｙｍｅａｎｓｏｆＡＭＥＳｉｍａｎｄｉｔｓｍｕｌｔｉ－ｄｏｍａｉｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｕｓｉｎｇｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｅａｓｉｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ收稿日期：２００５－０９－０５作者简介：马长林（１９７７－），男，汉族，河南邓州人，博士生，主要研究方向是发射系统仿真与自动检测，虚拟现实与虚拟样机技术等。

３２ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＰｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１２００６复杂的数学模型。

ＡＭＥＳｉｍ采用变步长变阶数变类型鲁棒性强的智能求解器，根据用户所建模型的数学特性自动选择最佳的积分算法，并根据在不同的仿真时刻的系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长，以缩短仿真时间和提高仿真精度。

ＡＭＥＳｉｍ提供了丰富的与其他软件的接口，比如控制软件接口Ｍａｔｌａｂ和ＭａｔｒｉｘＸ，多维软件接口Ａｄａｍｓ、Ｓｉｍｐａｃｋ、ＶＬＭｏ－ｔｉｏｎ、Ｆｌｕｘ，实时仿真软件接口ｘＰＣ，ｄｓＰＡＣＥ等。

基于这些优点，ＡＭＥＳｉｍ软件已广泛地被ＧＭ、Ｆｏｒｄ、ＬＧ、ＺＦ、Ｂｏｓｃｈ等公司采用，成为在汽车、液压和航空航天等研发部门的理想选择。

３基于ＡＭＥＳｉｍ的液压系统建模与仿真ＡＭＥＳｉｍ中的液压库包括：常用的液压元件，比如泵、马达、阀等；管道子模型，压力和流量传感器，流体特性等。

在ＡＭＥＳｉｍ中建模可以从ＡＭＥＳｉｍ元件库中直接得到液压元件的模型，从中选择液压系统所需的元件型号，也可以利用ＨＣＤ库中的模型搭建自己所需要元件。

图１为ＡＭＥＳｉｍ环境下建立的电液伺服系统的仿真模型。

该系统由电液伺服阀、液压缸、位置传感器、输入信号及简单的ＰＩＤ控制器等组成，位置传感器将举升物体的位移转变为一信号，该信号与输入信号比较的误差作为ＰＩＤ模块的输入，ＰＩＤ模块的输出作为电液伺服阀的控制信号。

图１电液伺服系统的ＡＭＥＳｉｍ仿真模型在建模过程中，需依次完成草图模式（Ｓｋｅｔｃｈｍｏｄｅ）、子模型模式（Ｓｕｂｍｏｄｅｌｍｏｄｅ）、参数模式（Ｐａ－ｒａｍｅｔｅｒｍｏｄｅ）和运行模式（Ｒｕｎｍｏｄｅ）四步。

首先在草图模式下从模块库中选取元件搭建模型，电液伺服阀、液压缸、泵及油箱在液压库中，位置传感器在机械库中，阶跃信号、比较节点及ＰＩＤ模块在信号控制库中。

其次，在子模型模式选择模块的子模型，比如所选液压缸的子模型包括三种：ＨＪ０００、ＨＪ０１０和ＴＦＨＪ０００，建模时可以根据实际需要进行选择；液压管道在不同条件下需要考虑油液的压缩性、管道摩擦、可膨胀性等以及这些因素随压力和温度的变化因素，另外管道的建模采用集中参数法和分布参数法。

ＡＭＥＳｉｍ提供了多种管道子模型。

然后进入参数模式对所选子模型的参数进行设置，图２为液压缸参数设置界面。

最后进入运行模式，先对仿真参数进行设置，包括时间、步长、积分方法等，而后即可运行仿真。

图２液压缸子模型参数设置界面４基于ＡＭＥＳｉｍ的系统参数优化４．１基于ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ模块的优化方法ＡＭＥＳｉｍ提供了ＮＬＰＱＬ和遗传算法两种优化方法。

ＮＬＰＱＬ是利用序列二次规划算法（ＳＱＰ），ＳＱＰ是利用目标函数和约束条件的梯度解决非线性优化问题的。

ＳＱＰ的基本思想是：在每个迭代点ｘ（ｋ）构造一个二次规划子问题，以这个子问题的解作为迭代搜索的方向ｓ（ｋ），沿该方向按照迭代格式ｘ（ｋ＝１）＝ｘ（ｋ）＋!ｋｓ（ｋ）进行一维搜索，使ｘ（ｋ＋１）（ｋ＝０，１，"）最终逼近约束优化问题的解ｘ＊。

遗传算法是建立在达尔文自然选择原理基础上的一种优化方法。

遗传算法的基本思想是：仿效生物学中遗传的过程，遵从“生存竞争，优胜劣汰”的原则，把优化设计搜索空间映射为生物遗传空间，将设计变量映射为遗传染色体即个体，所有个体组成遗传群体，并按每个个体生存的适应程度大小进行评价，通过对群体进行选择、交叉、变异等遗传操作，将适应度大的个体保存下来，淘汰适应度小的。

经过这样反复操作，使遗传群体向更优个体方向进化，直到求出最优个体为止。

ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ是ＡＭＥＳｉｍ提供的设计分析模块，可用于参数对系统性能影响的评估、参数的优化以及基于蒙特卡罗方法的系统鲁棒性分析等。

利用ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ模块的优化步骤如下：１）根据优化的目的，建立目标函数的模型。

在本问题中为了使误差尽可能小，选择ＰＩＤ参数作为优化对象，目标函数为误差平方的积分。

图３为加入目标函数３３液压气动与密封／２００６年第１期模块的系统仿真模型。

２）定义输入输出变量。

打开Ｅｘｐｏｒｔｓｅｔｕｐ模块，分别在ＩｎｐｕｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ和ＳｉｍｐｌｅＯｕｔｐｕｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ中加入输入和输出变量。

图３加入目标函数后的系统模型３）定义优化过程。

在运行模式下打开ＤｅｓｉｇｎＥｘ－ｐｌｏｒａｔｉｏｎ对话框，创建优化过程，设置优化变量的上限和下限，选择ＮＬＰＱＬ或ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ作为优化方法，并对优化算法的参数进行设置，即可运行优化。

４．２基于ＡＭＥＳｉｍ／ｍａｔｌａｂ接口的优化方法ＡＭＥＳｉｍ提供了与ｍａｔｌａｂ的接口函数，借助于ｍａｔｌａｂ强大的运算和可视化功能，编制控制及优化算法与ＡＭＥＳｉｍ进行联合仿真和优化研究。

要实现基于ＡＭＥＳｉｍ／ｍａｔｌａｂ接口的优化，首先，对ｍａｔｌａｂ的路径进行设置，加入包含ＡＭＥＳｉｍ／ｍａｔｌａｂ接口函数文件的路径；然后，编制优化目标函数文件，利用ａｍｅｐｕｔｐ函数设置优化变量，利用ａｍｅｒｕｎ运行仿真系统，根据仿真结果的排序找到目标函数的值；利用ｍａｔｌａｂ自带的ｆｍｉｎｓｅａｒｃｈ优化函数或者自编的先进优化算法的函数进行系统的优化，得到结果并显示出来。