本發(fā)明屬于電液伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種十二點(diǎn)支撐垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)建模方法。

背景技術(shù)：

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)是法國(guó)Imagine公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。AMESim為用戶(hù)提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境，使用已有模型和(或)建立新的子模型元件，構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，采用易于識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)和簡(jiǎn)單直觀的多端口框圖，方便用戶(hù)建立復(fù)雜系統(tǒng)及用戶(hù)所需的特定應(yīng)用實(shí)例，修改模型和仿真參數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線(xiàn)并分析仿真結(jié)果，界面比較友好、操作非常方便。AMESim使用戶(hù)能夠借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案，研究任何元件或回路的動(dòng)力學(xué)特性。這通過(guò)模型庫(kù)的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)，而模型庫(kù)通過(guò)客戶(hù)化來(lái)不斷升級(jí)和改進(jìn)。

Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，其與用戶(hù)交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶(hù)把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類(lèi)的基本的系統(tǒng)模塊，用戶(hù)只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就能構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型(以.mdl文件進(jìn)行存取)，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。

利用AMESim對(duì)Simulink的接口技術(shù)，把兩個(gè)優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)仿真工具聯(lián)合起來(lái)使用，就能既發(fā)揮AMESim突出的流體機(jī)械的仿真效能，又能借MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，取長(zhǎng)補(bǔ)短，取得更加完美的互補(bǔ)效果。這種聯(lián)合仿真的技術(shù)對(duì)多領(lǐng)域系統(tǒng)(如流體與控制結(jié)合系統(tǒng)等)的仿真效果更是無(wú)與倫比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種十二點(diǎn)支撐垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的建模方法，基于AMESim和Simulink聯(lián)合仿真工具，考慮到平臺(tái)間的耦合效應(yīng)以及外負(fù)載的分布情況，貼近發(fā)射平臺(tái)實(shí)際工況，從而模擬平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)發(fā)射平臺(tái)的高精度快速調(diào)平。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種十二點(diǎn)支撐垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟：

步驟1，發(fā)射平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的建模，包括平臺(tái)和液壓支腿的建模；

步驟2，發(fā)射平臺(tái)調(diào)平方法和控制算法的建模；

步驟3，發(fā)射平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：

1)本發(fā)明中平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分成五個(gè)簡(jiǎn)單多點(diǎn)支撐部分，中間四點(diǎn)，四周三點(diǎn)，每一部分均采用AMESim 3D Mechanical庫(kù)中的N port 3D body子模型來(lái)構(gòu)建，中間與四周的平臺(tái)間通過(guò)鉸鏈連接，平臺(tái)與液壓支腿間通過(guò)AMESim 3D Mechanical庫(kù)中的mechanical converter between 3D and 1D linear/rotary shafts子模型進(jìn)行連接，液壓支腿與地面間通過(guò)彈性連接子模型固聯(lián)，通過(guò)力或力矩的輸入進(jìn)而轉(zhuǎn)化成相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)位移或速度的變化，這樣能夠更準(zhǔn)確地模擬平臺(tái)與支腿以及平臺(tái)之間的剛性聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的良好運(yùn)動(dòng)；

2)本發(fā)明中各液壓支腿相互獨(dú)立，其中液壓缸部分的建模并非采用標(biāo)準(zhǔn)AMESim庫(kù)Hydraulic中的通用液壓缸子模型，而是利用HCD(Hydraulic Component Design)庫(kù)中的基本單元構(gòu)造出準(zhǔn)確的液壓缸子模型，這樣考慮了液壓缸內(nèi)部流體體積的壓力動(dòng)態(tài)特性以及內(nèi)泄漏的情況，使得設(shè)計(jì)更加靈活專(zhuān)用，而通用子模型對(duì)這些假設(shè)表達(dá)并不清楚。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的發(fā)射平臺(tái)AMESim整體模型。

圖2為本發(fā)明的液壓缸模型。

圖3為本發(fā)明的元件子模型標(biāo)注圖。

圖4為本發(fā)明的位置誤差調(diào)平Simulink模型。

圖5為本發(fā)明的角度誤差調(diào)平Simulink模型。

圖6為本發(fā)明的十二點(diǎn)支撐發(fā)射平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖7為本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1、圖4至圖7，一種十二點(diǎn)支撐垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟：

步驟1，發(fā)射平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的建模，包括平臺(tái)和液壓支腿的建模，具體如下：

整體模型如圖1所示。此步驟中的模型在AMESim中搭建，分為如下幾個(gè)步驟：

步驟1-1，搭建系統(tǒng)

a)使用HCD庫(kù)搭建液壓缸子模型

HCD(Hydraulic Component Design)含義是液壓元件設(shè)計(jì)。HCD庫(kù)由非常基本的模塊建造出任一元件的子模型。HCD大大增強(qiáng)了AMESim的功能。

要構(gòu)建圖2所示的液壓缸模型，需要從HCD庫(kù)中添加以下幾類(lèi)元件(Component)：

1)brp2(piston with moving body)：代表活塞和活塞兩側(cè)的腔體。在這里不是兩個(gè)活塞，而是一個(gè)。每個(gè)元件處理活塞一側(cè)的壓力。箭頭及粗實(shí)線(xiàn)指明壓力作用在哪一面。

2)brf1(viscous frictions and leakages with moving body)：代表通過(guò)活塞的泄漏。計(jì)算泄漏流量，該流量是端口1和2的輸出。除此以外，還提供一個(gè)通常為0的體積量。泄漏的流量依據(jù)活塞的直徑、間隙、活塞的長(zhǎng)度和黏性來(lái)計(jì)算，也考慮黏性摩擦力。

3)bhc1(hydraulic volume with compressibility)：代表連接兩個(gè)活塞的流量端口的液壓腔體。該元件用來(lái)模擬液壓缸內(nèi)部的流體體積的壓力動(dòng)態(tài)特性。該元件有4個(gè)端口，每個(gè)都需要輸入以L(fǎng)/min為單位或以cm³為單位的流量。元件將4個(gè)腔體求和并添加一個(gè)死容積，并且也將4個(gè)流量求和。利用這些值，計(jì)算壓力的導(dǎo)數(shù)。本例只需要兩個(gè)端口，所以另外兩個(gè)端口用零流量體積源hydraulicplug(zero hydraulic flow source)堵上。

另外，該模型需包含一個(gè)質(zhì)量負(fù)載mass_ext_envelope(mass with frictions and endstops and external body velocity)，此元件位于Mechanical庫(kù)中。

液壓缸的終端位置連接elasticendstop(linear elastic end-stop with 2ports capable of linear motion)元件以表示與地面間的彈性連接，此元件位于Mechanical庫(kù)中。

至此，液壓缸模型搭建完成，考慮了壓力動(dòng)態(tài)特性，有泄漏，而且終端位置也考慮進(jìn)去了。

b)使用3D Mechanical庫(kù)搭建平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3D Mechanical庫(kù)是AMESim中新增的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，能夠?qū)θS空間中的多體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。庫(kù)中包含有剛性或柔性體，其間通過(guò)功能接點(diǎn)進(jìn)行連接，定義了邊界條件的連接件以及用于測(cè)量物理量的傳感器也能運(yùn)用其中。庫(kù)中還包含一個(gè)自動(dòng)裝配模塊，允許機(jī)械系統(tǒng)在滿(mǎn)足幾何約束的條件下從某一位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，而使用者無(wú)需放置任何結(jié)構(gòu)體。3D圖解動(dòng)畫(huà)的添加便于查看系統(tǒng)在裝配前后的狀態(tài)，有利于子模型的參數(shù)化。

對(duì)于十二點(diǎn)支撐平臺(tái)，直接全平臺(tái)建模會(huì)比較復(fù)雜且不易后續(xù)調(diào)平算法的實(shí)施，本發(fā)明的思路是通過(guò)局部分解將十二點(diǎn)轉(zhuǎn)化成多個(gè)三點(diǎn)或四點(diǎn)，平臺(tái)間通過(guò)鉸鏈連接，具體添加3D Mechanical庫(kù)中的dynamic_3Dbody(N port rigid body)元件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行建模。

平臺(tái)與液壓支腿間的連接則采用3D Mechanical庫(kù)中的3dto1dconv(conversion between 3D and 1D linear/rotary shafts)元件，將液壓支腿一維空間的移動(dòng)通過(guò)力的傳遞轉(zhuǎn)化為平臺(tái)三維空間的運(yùn)動(dòng)。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)搭建完成后，通過(guò)3D Mechanical庫(kù)中的m6dofassembly(3D assembly)元件查看裝配進(jìn)程以及仿真過(guò)程中的平臺(tái)動(dòng)畫(huà)。

c)設(shè)置AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真接口

調(diào)用Interface block創(chuàng)建聯(lián)合仿真接口，接口類(lèi)型選擇SimuCosim，接口輸入信號(hào)為液壓支腿的位移，輸出信號(hào)為提供給伺服閥的輸入。

步驟1-2，給元件分配子模型

系統(tǒng)中每一個(gè)元件都必須與一個(gè)數(shù)學(xué)模型相關(guān)聯(lián)，數(shù)學(xué)模型是數(shù)學(xué)方程的集合和一段計(jì)算機(jī)代碼的可執(zhí)行文件。

AMESim的術(shù)語(yǔ)是把系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模型描述為子模型，術(shù)語(yǔ)模型被保留為完整系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。AMESim包含一個(gè)大子模型集合。只要合適，子模型與元件是自動(dòng)關(guān)聯(lián)的。

進(jìn)入子模型模式，指定所有元件的子模型，并顯示元件標(biāo)注，如圖3所示。

步驟1-3，設(shè)置參數(shù)

進(jìn)入?yún)?shù)模式，AMESim對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行各種檢查并生成可執(zhí)行碼，系統(tǒng)編譯窗口會(huì)給出一些技術(shù)信息，說(shuō)明完成仿真必須解的方程。

子模型后面添加了數(shù)字，被稱(chēng)為立即數(shù)。這種簡(jiǎn)化適合辨別同一個(gè)子模型的不同表現(xiàn)。

大多數(shù)AMESim子模型有一組參數(shù)與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)AMESim用子模型與元件關(guān)聯(lián)時(shí)，這些參數(shù)被設(shè)置為合理的默認(rèn)值，現(xiàn)在必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況把這些參數(shù)設(shè)置為真實(shí)值，具體參數(shù)設(shè)置如下表所示。表格中沒(méi)有提到的元件參數(shù)保持默認(rèn)值。

表1子模型參數(shù)設(shè)置表

步驟2，發(fā)射平臺(tái)調(diào)平方法和控制算法的建模，具體如下：

此步驟中的模型在Simulink中搭建，分為調(diào)平方法和控制算法的建模。對(duì)于十二點(diǎn)支撐平臺(tái)，分為五個(gè)部分，中間一個(gè)平臺(tái)由四點(diǎn)支撐，周?chē)膫€(gè)平臺(tái)分別由三點(diǎn)支撐，總體實(shí)現(xiàn)思路是：在五個(gè)分塊平臺(tái)上分別加裝一個(gè)雙軸傾角傳感器，來(lái)測(cè)量X和Y方向相對(duì)于水平面的傾角，根據(jù)傳感器采集的兩方向角度信號(hào)，判斷出每個(gè)平臺(tái)所處區(qū)域的最高點(diǎn)，最后經(jīng)過(guò)比較得出全平臺(tái)的最高支撐點(diǎn)。若最高點(diǎn)位于中間平臺(tái)的四點(diǎn)其一，則首先調(diào)節(jié)中間平臺(tái)使其水平，而后使四周平臺(tái)的八個(gè)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)與中間平臺(tái)看齊，最終實(shí)現(xiàn)全平臺(tái)的調(diào)平；若最高點(diǎn)位于四周平臺(tái)的八點(diǎn)其一，則首先調(diào)節(jié)最高點(diǎn)所在區(qū)域平臺(tái)使其水平，而后調(diào)節(jié)中間平臺(tái)最后使四周平臺(tái)剩余點(diǎn)向中間平臺(tái)看齊，最終實(shí)現(xiàn)全平臺(tái)的調(diào)平。

對(duì)于每一分塊平臺(tái)的調(diào)平，則遵循基本的三點(diǎn)或四點(diǎn)調(diào)平法。調(diào)平方法分為位置誤差調(diào)平和角度誤差調(diào)平。

其中位置誤差調(diào)平采用“追逐最高點(diǎn)”調(diào)平法。具體實(shí)現(xiàn)思路：根據(jù)傳感器的傾角信息判斷出平臺(tái)的最高支撐點(diǎn)，以最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，計(jì)算其余支撐點(diǎn)與其位置誤差，此誤差值即為支腿應(yīng)上升的高度，經(jīng)過(guò)一定的控制算法后送入伺服系統(tǒng)輸入端，驅(qū)動(dòng)支腿上升一定位移，從而使各點(diǎn)處于同一高度，調(diào)平結(jié)束。實(shí)現(xiàn)模型如圖4所示。

角度誤差調(diào)平的誤差變量為角度值α和β，通過(guò)支腿的上升或下降來(lái)達(dá)到使傾角減小的目的，直至傾角值在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，調(diào)平結(jié)束。與位置誤差調(diào)平不同，此方法不需要計(jì)算各支腿應(yīng)上升或下降的高度，只是簡(jiǎn)單的判斷該支腿需要升高還是降低然后采取相應(yīng)動(dòng)作，控制邏輯較為簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)模型如圖5所示。

控制算法采用經(jīng)典PID控制。將各支腿誤差變量經(jīng)過(guò)PID控制送入伺服閥輸入端，實(shí)現(xiàn)支腿的相應(yīng)動(dòng)作。

步驟3，發(fā)射平臺(tái)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，具體如下：

在AMESim下進(jìn)入仿真模式(Simulation mode)，在Simulink下設(shè)置好PID參數(shù)和仿真時(shí)間，運(yùn)行聯(lián)合仿真，獲取平臺(tái)相關(guān)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。