CN106125572A - 十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，步骤如下：一是对发射平台机械结构的建模，包括平台和液压支腿的建模；二是对发射平台调平方法和控制算法的建模；三是对发射平台调平系统的联合仿真。本发明针对十二点支撑的垂直发射平台，基于AMESim和Simulink建模仿真工具，在原有四点调平机构的基础之上，提供了一种复杂多点支撑平台的建模方法，贴近工程实际，能够模拟出平台姿态调平的运动过程，实现发射平台的高精度快速调平。

Description

十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法

技术领域

本发明属于电液伺服控制技术领域，特别是一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法。

背景技术

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation ofengineering systems)是法国Imagine公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件。AMESim为用户提供了一个时域仿真建模环境，使用已有模型和(或)建立新的子模型元件，构建优化设计所需的实际原型，采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例，修改模型和仿真参数，进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面比较友好、操作非常方便。AMESim使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究任何元件或回路的动力学特性。这通过模型库的概念来实现，而模型库通过客户化来不断升级和改进。

Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就能构成所需要的系统模型(以.mdl文件进行存取)，进而进行仿真与分析。

利用AMESim对Simulink的接口技术，把两个优秀的专业仿真工具联合起来使用，就能既发挥AMESim突出的流体机械的仿真效能，又能借MATLAB/Simulink强大的数值处理能力，取长补短，取得更加完美的互补效果。这种联合仿真的技术对多领域系统(如流体与控制结合系统等)的仿真效果更是无与伦比。

发明内容

本发明的目的是提供一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统的建模方法，基于AMESim和Simulink联合仿真工具，考虑到平台间的耦合效应以及外负载的分布情况，贴近发射平台实际工况，从而模拟平台姿态调平的运动过程，实现发射平台的高精度快速调平。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，包括以下步骤：

步骤1，发射平台机械结构的建模，包括平台和液压支腿的建模；

步骤2，发射平台调平方法和控制算法的建模；

步骤3，发射平台调平系统的联合仿真。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1)本发明中平台机械结构划分成五个简单多点支撑部分，中间四点，四周三点，每一部分均采用AMESim 3D Mechanical库中的N port 3D body子模型来构建，中间与四周的平台间通过铰链连接，平台与液压支腿间通过AMESim 3D Mechanical库中的mechanicalconverter between 3D and 1D linear/rotary shafts子模型进行连接，液压支腿与地面间通过弹性连接子模型固联，通过力或力矩的输入进而转化成相应机械结构位移或速度的变化，这样能够更准确地模拟平台与支腿以及平台之间的刚性联接，实现机械部分的良好运动；

2)本发明中各液压支腿相互独立，其中液压缸部分的建模并非采用标准AMESim库Hydraulic中的通用液压缸子模型，而是利用HCD(Hydraulic Component Design)库中的基本单元构造出准确的液压缸子模型，这样考虑了液压缸内部流体体积的压力动态特性以及内泄漏的情况，使得设计更加灵活专用，而通用子模型对这些假设表达并不清楚。

附图说明

图1为本发明的发射平台AMESim整体模型。

图2为本发明的液压缸模型。

图3为本发明的元件子模型标注图。

图4为本发明的位置误差调平Simulink模型。

图5为本发明的角度误差调平Simulink模型。

图6为本发明的十二点支撑发射平台结构图。

图7为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图4至图7，一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，包括以下步骤：

步骤1，发射平台机械结构的建模，包括平台和液压支腿的建模，具体如下：

整体模型如图1所示。此步骤中的模型在AMESim中搭建，分为如下几个步骤：

步骤1-1，搭建系统

a)使用HCD库搭建液压缸子模型

HCD(Hydraulic Component Design)含义是液压元件设计。HCD库由非常基本的模块建造出任一元件的子模型。HCD大大增强了AMESim的功能。

要构建图2所示的液压缸模型，需要从HCD库中添加以下几类元件(Component)：

1)brp2(piston with moving body)：代表活塞和活塞两侧的腔体。在这里不是两个活塞，而是一个。每个元件处理活塞一侧的压力。箭头及粗实线指明压力作用在哪一面。

2)brf1(viscous frictions and leakages with moving body)：代表通过活塞的泄漏。计算泄漏流量，该流量是端口1和2的输出。除此以外，还提供一个通常为0的体积量。泄漏的流量依据活塞的直径、间隙、活塞的长度和黏性来计算，也考虑黏性摩擦力。

3)bhc1(hydraulic volume with compressibility)：代表连接两个活塞的流量端口的液压腔体。该元件用来模拟液压缸内部的流体体积的压力动态特性。该元件有4个端口，每个都需要输入以L/min为单位或以cm³为单位的流量。元件将4个腔体求和并添加一个死容积，并且也将4个流量求和。利用这些值，计算压力的导数。本例只需要两个端口，所以另外两个端口用零流量体积源hydraulicplug(zero hydraulic flow source)堵上。

另外，该模型需包含一个质量负载mass_ext_envelope(mass with frictionsand endstops and external body velocity)，此元件位于Mechanical库中。

液压缸的终端位置连接elasticendstop(linear elastic end-stop with2ports capable of linear motion)元件以表示与地面间的弹性连接，此元件位于Mechanical库中。

至此，液压缸模型搭建完成，考虑了压力动态特性，有泄漏，而且终端位置也考虑进去了。

b)使用3D Mechanical库搭建平台结构

3D Mechanical库是AMESim中新增的标准库，能够对三维空间中的多体系统进行动力学建模。库中包含有刚性或柔性体，其间通过功能接点进行连接，定义了边界条件的连接件以及用于测量物理量的传感器也能运用其中。库中还包含一个自动装配模块，允许机械系统在满足几何约束的条件下从某一位置开始运动，而使用者无需放置任何结构体。3D图解动画的添加便于查看系统在装配前后的状态，有利于子模型的参数化。

对于十二点支撑平台，直接全平台建模会比较复杂且不易后续调平算法的实施，本发明的思路是通过局部分解将十二点转化成多个三点或四点，平台间通过铰链连接，具体添加3D Mechanical库中的dynamic_3Dbody(N port rigid body)元件对平台进行建模。

平台与液压支腿间的连接则采用3D Mechanical库中的3dto1dconv(conversionbetween 3D and 1D linear/rotary shafts)元件，将液压支腿一维空间的移动通过力的传递转化为平台三维空间的运动。

平台结构搭建完成后，通过3D Mechanical库中的m6dofassembly(3D assembly)元件查看装配进程以及仿真过程中的平台动画。

c)设置AMESim与Simulink的联合仿真接口

调用Interface block创建联合仿真接口，接口类型选择SimuCosim，接口输入信号为液压支腿的位移，输出信号为提供给伺服阀的输入。

步骤1-2，给元件分配子模型

系统中每一个元件都必须与一个数学模型相关联，数学模型是数学方程的集合和一段计算机代码的可执行文件。

AMESim的术语是把系统元件的数学模型描述为子模型，术语模型被保留为完整系统的数学模型。AMESim包含一个大子模型集合。只要合适，子模型与元件是自动关联的。

进入子模型模式，指定所有元件的子模型，并显示元件标注，如图3所示。

步骤1-3，设置参数

进入参数模式，AMESim对系统执行各种检查并生成可执行码，系统编译窗口会给出一些技术信息，说明完成仿真必须解的方程。

子模型后面添加了数字，被称为立即数。这种简化适合辨别同一个子模型的不同表现。

大多数AMESim子模型有一组参数与之关联，当AMESim用子模型与元件关联时，这些参数被设置为合理的默认值，现在必须根据系统实际情况把这些参数设置为真实值，具体参数设置如下表所示。表格中没有提到的元件参数保持默认值。

表1子模型参数设置表

步骤2，发射平台调平方法和控制算法的建模，具体如下：

此步骤中的模型在Simulink中搭建，分为调平方法和控制算法的建模。对于十二点支撑平台，分为五个部分，中间一个平台由四点支撑，周围四个平台分别由三点支撑，总体实现思路是：在五个分块平台上分别加装一个双轴倾角传感器，来测量X和Y方向相对于水平面的倾角，根据传感器采集的两方向角度信号，判断出每个平台所处区域的最高点，最后经过比较得出全平台的最高支撑点。若最高点位于中间平台的四点其一，则首先调节中间平台使其水平，而后使四周平台的八个点向上运动与中间平台看齐，最终实现全平台的调平；若最高点位于四周平台的八点其一，则首先调节最高点所在区域平台使其水平，而后调节中间平台最后使四周平台剩余点向中间平台看齐，最终实现全平台的调平。

对于每一分块平台的调平，则遵循基本的三点或四点调平法。调平方法分为位置误差调平和角度误差调平。

其中位置误差调平采用“追逐最高点”调平法。具体实现思路：根据传感器的倾角信息判断出平台的最高支撑点，以最高点为基准，计算其余支撑点与其位置误差，此误差值即为支腿应上升的高度，经过一定的控制算法后送入伺服系统输入端，驱动支腿上升一定位移，从而使各点处于同一高度，调平结束。实现模型如图4所示。

角度误差调平的误差变量为角度值α和β，通过支腿的上升或下降来达到使倾角减小的目的，直至倾角值在设定的误差范围内，调平结束。与位置误差调平不同，此方法不需要计算各支腿应上升或下降的高度，只是简单的判断该支腿需要升高还是降低然后采取相应动作，控制逻辑较为简单。实现模型如图5所示。

控制算法采用经典PID控制。将各支腿误差变量经过PID控制送入伺服阀输入端，实现支腿的相应动作。

步骤3，发射平台调平系统的联合仿真，具体如下：

在AMESim下进入仿真模式(Simulation mode)，在Simulink下设置好PID参数和仿真时间，运行联合仿真，获取平台相关运动曲线。

Claims (4)

1.一种十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，发射平台机械结构的建模，包括平台和液压支腿的建模；

步骤2，发射平台调平方法和控制算法的建模；

步骤3，发射平台调平系统的联合仿真。

2.根据权利要求1所述的十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，其特征在于，步骤1所述发射平台机械结构的建模，包括平台和液压支腿的建模，具体如下：

在AMESim中建模，分为如下几个步骤：

步骤1-1，搭建系统

a)使用HCD库搭建液压缸子模型

从HCD库中添加以下几类元件：

1)brp2：代表活塞和活塞两侧的腔体，在这里指一个活塞；每个元件处理活塞一侧的压力，箭头及粗实线指明压力作用在哪一面；

2)brf1：代表通过活塞的泄漏，计算泄漏流量，该流量是端口1和2的输出；除此以外，还提供一个通常为0的体积量，泄漏的流量依据活塞的直径、间隙、活塞的长度和黏性来计算，也考虑黏性摩擦力；

3)bhc1：代表连接两个活塞的流量端口的液压腔体，该元件用来模拟液压缸内部的流体体积的压力动态特性；该元件有4个端口，每个都需要输入以L/min为单位或以cm³为单位的流量；元件将4个腔体求和并添加一个死容积，并且也将4个流量求和；利用这些值，计算压力的导数；本例只需要两个端口，所以另外两个端口用零流量体积源hydraulicplug堵上；

另外，该模型需包含一个质量负载mass_ext_envelope，此元件位于Mechanical库中；

液压缸的终端位置连接elasticendstop元件以表示与地面间的弹性连接，此元件位于Mechanical库中；

b)使用3D Mechanical库搭建平台结构

通过局部分解将十二点转化成多个三点或四点，平台间通过铰链连接，同时将液压支腿一维空间的移动通过力的传递转化为平台三维空间的运动；

c)设置AMESim与Simulink的联合仿真接口

创建联合仿真接口，接口输入信号为液压支腿的位移，输出信号为提供给伺服阀的输入；

步骤1-2，给元件分配子模型

指定所有元件的子模型，并显示元件标注；

步骤1-3，设置参数

当AMESim用子模型与元件关联时，根据系统实际情况把参数设置为真实值。

3.根据权利要求1所述的十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，其特征在于，步骤2所述发射平台调平方法和控制算法的建模，具体如下：

在Simulink中建模，分为调平方法和控制算法的建模；对于十二点支撑平台，分为五个部分，中间一个平台由四点支撑，周围四个平台分别由三点支撑，在五个分块平台上各加装一个双轴倾角传感器，来测量X方向和Y方向相对于水平面的倾角，根据传感器采集的两方向角度信号，判断出每个平台所处区域的最高点，最后经过比较得出全平台的最高支撑点；若最高点位于中间平台的四点其一，则首先调节中间平台使其水平，而后使四周平台的八个点向上运动与中间平台看齐，最终实现全平台的调平；若最高点位于四周平台的八点其一，则首先调节最高点所在区域平台使其水平，而后调节中间平台最后使四周平台剩余点向中间平台看齐，最终实现全平台的调平；

对于每一分块平台的调平，则遵循基本的三点或四点调平法；调平方法分为位置误差调平和角度误差调平；位置误差调平采用“追逐最高点”调平法；角度误差调平的误差变量为角度值α和β，通过支腿的上升或下降来达到使倾角减小的目的，直至倾角值在设定的误差范围内，调平结束；

控制算法采用经典PID控制，将各支腿误差变量经过PID控制送入伺服阀输入端，实现支腿的相应动作。

4.根据权利要求1所述的十二点支撑垂直发射平台姿态调平系统建模方法，其特征在于，步骤3所述发射平台调平系统的联合仿真，具体如下：

在AMESim下进入仿真模式，在Simulink下设置好PID参数和仿真时间，运行联合仿真，获取平台相关运动曲线。