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机电一体化系统的联合仿真技术研究

张平  
【摘要】: 工程中的机械电子系统由机械子系统,电子控制子系统,液压子系统,气动子系统等多个子系统构成,很难找到一款专业软件能够对实际工程中的机电系统的全部子系统进行仿真。 LMS公司的Virtual.Lab Motion能够对机电系统的机械部分进行三维建模,并进行运动学和动力学分析。在仿真车辆发动机时,此软件无法对发动机的燃烧过程进行建模仿真。AMESim是LMS公司合并了法国Imagine公司后所拥有的一款一维专业仿真软件,具有丰富的模块库,可以仿真发动机燃烧过程、电子控制单元等。采用LMS的Virtual.Lab Motion和AMESim进行混合仿真,可以解决无法用单一软件对复杂机电系统仿真的问题。本文就这两种软件间混合仿真运行情况进行了可行性研究,为公司将来使用这两种软件进行汽车操纵性等仿真实验奠定基础。 课题研究从简单的倒立摆开始,介绍了采用计算机辅助设计建模的运动学和动力学理论,创建了倒立摆的几何实体,采用两种方法完成对倒立摆的PID控制:(1)运用Virtual.Lab Motion完成PID控制;(2)运用Virtual.Lab Motion与AMESim混合仿真完成PID控制。混合仿真时,Virtual.Lab Motion提供倒立摆与铅垂线之间的角度,AMESim反馈作用在倒立摆小车上的力。经过多次实验,最终选择了合适的PID参数使倒立摆系统达到稳定状态。同时比较了混合仿真和采用Virtual.Lab Motion进行单独仿真的运行结果,得出了混合仿真结果可信,混合仿真时间比采用单一软件仿真时间长的结论。 基于LMS公司提供的发动机模型和AMESim的模块库,创建了发动机混合仿真模型,建立了两个软件的接口。Virtual.Lab Motion负责提供六缸发动机每个活塞的位置和速度,AMESim负责反馈作用在每个活塞上的力。通过实际驾驶经验和发动机工作的相关原理,验证了所建模型的正确性。 最后,对混合仿真将来的工作进行了展望。一方面,可以增加模型的复杂程度。例如Virtual.Lab Motion中的发动机三维模型可以安装到整车模型中,在进行车辆操纵性仿真时可以得到更接近实际车辆运行的结果;也可以增加接口复杂程度,用Virtual.Lab Motion来提供油门开度信息,仿真汽车加速减速的操作过程。另一方面,在混合仿真运行时间和仿真精度之间需要权衡。可以通过改进两种软件之间的数据通信机理及求解器的算法来提高仿真速度,同时满足实际工程需要中的仿真精度。


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