基于Adams和Matlab的发射设备随动系统虚拟样机建模与联合仿真
韦正超
(江南机电设计研究所，贵州贵阳550009)
摘 要 ：随动系统是发射设备武器系统的重要部分，随动系统的性能将直接影响防空武器系统的整体作战效果。为提高随动系统的设计效率，采用三维建模软件UG开展某型随动系统的三维模型建模、装配工作。并基于多体动力学分析软件Adams仿真环境构建包含少齿差传动型式的随动系统机械虚拟样机模型，结合Matlab/Simulink仿真平台建立发射设备随动系统控制动态联合仿真模型，并对其进行了实时仿真和分析研究，既可利用该模型指导实际系统中参数的调整，又可以为发射设备随动系统的设计提供可靠的参考依据。
关键词 ：随动系统 虚拟样机 少齿差传动 Adams Matlab/Simulink
0 引言
发射设备随动系统是根据给定的位置值/速度值，通过随动控制算法控制电机驱动相应的机械结构实现随动系统结构的位置调转，因此随动系统的设计涉及到机械结构与控制算法两方面[1]。相对于直接进行实际物理样机研制和试验的模式，虚拟样机建模与仿真技术可以充分发挥计算机仿真耗费小、安全性高、可快速对比不同设计方案的特点，对于随动系统的快速设计开发具有重要意义[2]。本文以某型发射设备方位随动系统为例，应用UG三维建模软件建立方位随动系统的主要结构部件模型，并进行方位随动系统整机的虚拟装配。然后利用多体动力学仿真软件Adams的数据接口导入随动系统UG虚拟机械模型几何数据建立方位随动系统机械虚拟样机仿真模型，并结合Matlab/Simulink建立包含随动系统控制模型的联合仿真模型，并基于该联合仿真模型进行方位随动系统动态性能仿真研究，以验证该联合仿真技术应用于随动系统总体设计的可行性。
1 基于Adams和Matlab/Simulink的联合仿真技术
机械多体动力学分析软件Adams集建模、求解、可视化技术于一体，是世界上最具权威、使用最为广泛的机械系统动力学分析软件。Adams软件计算功能强大，并且拥有一个Adams/Controls模块，可以实现和Simulink或Easy5等控制类仿真设计软件的协同仿真。Matlab/Simulink是一种开放式的、用来模拟线性、非线性以及连续或离散或者两者混合的动态系统的强有力的仿真工具，它提供了各种各样的模块模型，允许用户用框图的形式快速搭建起任意复杂的系统，从而实现系统模型的建立和仿真研究[3]。
随动系统的动力学联合仿真属于涉及机械动力学与控制系统联合仿真。主要是利用Adams/View建立系统的动力学模型，包括导入的三维装配模型、约束关系、作用力等，通过动力学分析仿真软件控制模块Adams/Control与控制软件Matlab进行信息的交互，由Adams/View模块提供机械系统模型以及求解运动系统的方程，Matlab软件提供控制系统模型以及求解控制系统方程，结合合理的步长进行数据交互，实现机械系统与控制系统的联合仿真，针对建立的机电一体化虚拟样机系统进行反复在线联合调试，直到结果达到满意的控制要求[4]。
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图1 基于Adams和Matlab/Simulink联合仿真
2 随动系统虚拟样机仿真模型
2.1 随动系统工作原理
发射设备方位随动系统主要由方位执行电机、伺服控制器、伺服电源控制组合、方位角传感器等组成。随动系统各设备安装在发射设备的回转平台上，其功能是接受控制信号，结合反馈位置、速度信号进行综合处理，控制电机驱动发射设备方位回转装置按预定规律运动，完成发射架的方位自动跟踪瞄准，赋予导弹一定的射向。随动系统组成框图如图2。
图2 随动系统原理组成
2.2 随动系统结构组成
某型发射设备采用车载随动发射方式，为充分考虑发射设备各部件对随动系统动态性能的耦合影响，所建立的某型发射设备随动系统主要包括以下机械部分：
将微胶囊分为3份相同质量的样品和硅胶放在一起,置于4、25和40 ℃的条件下避光贮藏,于0、10、20、30 d后,测定其精油残留量,观察精油的释放规律,以此可验证预期寿命的准确性。若初始精油量为Mo,精油残留量为M,产品保留率公式如下:
基于产生的偏差e (t )，引入比例K p 、积分K i 、微分K d 控制系数，通过相应的线性组合构成控制输入量，从而实现对被控模型对象的控制，其控制律为：
本文采用UG三维建模软件进行发射设备随动系统的各部件建模处理，形成包括副车架、回转平台、发射架、发射筒、随动传动机构等三维虚拟样机模型部件，完成随动系统整机装配，并保证各部件之间的准确装配位置关系。完成随动系统的整机装配后，以*.x_t格式文件导出，进而导入Adams多体动力学仿真环境中进行后续机械虚拟样机建模工作[5]。
2)副车架。安装于底盘之上，提供发射系统各部分机械、电气部分的主要安装接口。
4)传动系统。主要由齿轮传动系统组成，用于将驱动系统的原动力进行降速增扭。
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e (t )=r (t )-y (t )
3)回转平台。其上安装有随动动力及传动系统、发射控制机柜和发射架，通过回转轴承与副车架连接，具有整体回转功能，是方位随动系统的主要结构基础部件。
PID 控制算法由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位[7]，因此本文采用PID控制方法实现发射设备随动系统的控制。PID控制是采用偏差比例(Proportional)，偏差积分(Integral)、偏差微分(Derivative)控制的简称。在模拟控制系统中，它根据给定值r (t ) 与实际输出值反馈y (t )构成偏差e (t )，即：
5)发射架。提供发射筒的安装机械接口，与回转平台通过耳轴连接。
图3 随动系统物理结构组成拓扑关系
2.3 随动系统结构机械虚拟样机建模
作者简介： 詹建兵，男，汉族，浙江龙游人，龙游县第二高级中学，科研与信息处主任，信息技术教师，高级教师，本科学历。
在Adams仿真环境中给各部件指定材料属性，并根据物理样机实际装配关系添加相应的约束、载荷和驱动力，完成Adams机械虚拟样机仿真模型的构建，虚拟样机模型各部件的约束关系、驱动关系如图4。
图4 Adams仿真环境下虚拟样机模型载荷、约束副关系拓扑图
其中，随动系统的齿轮传动系为降低结构尺寸，其核心结构型式为孔销式少齿差行星传动减速器。少齿差行星减速器具有结构紧凑、体积小、传动比高的结构优点，还兼具承载能力大、运转平稳的运转优点，因此被广泛运用在冶金、航天航空等精密领域[6]。如图所示，该少齿差行星减速器主要部件包括： 偏心输入轴4、在偏心输入轴上对置相间180度安装的两个行星轮3、具有内齿轮的减速箱体5、销轴和销套组合2 以及孔销式输出轴1。其运动原理是在偏心输入轴4的转动下，行星轮3不仅分别绕偏心轴进行自转，也兼有绕着固定内齿轮箱体5的回转运动，行星轮的回转运动可通过销轴和销套组合2传递至输出轴1以输出，从而实现动力的传递。
图5 孔销式少齿差行星传动减速器原理结构(左图)和虚拟样机模型(右图)
根据以上少齿差行星传动的传动原理分析，输出轴1最终是通过销轴和销套组合2将行星轮的转速进行输出。为简化约束、载荷的添加方式，降低模型的复杂度，同时保留传动系中各回转部件惯量特性对随动系统动态性能仿真的影响，在Adams建模仿真环境中除了在驱动系统除采用添加回转驱动MOTION_1以外，同时还对输出轴1添加回转驱动MOTION_2。其中MOTION_2的驱动运行函数输入数据为行星轮3的转速实时测量结果MEASURE_1。此种方法相当于直接在行星轮和销轴和销套之间，销轴、销套和输出轴之间添加接触(CONTACT)载荷来模拟动力传递输出的方式，本文所采用的输出轴转速输入为行星轮实时转速测量值的方法，既保留了传动系中各回转部件惯量特性影响，又保证了随动系统动态仿真的准确性，而且建模方法简单，便于进行后续的联合仿真计算。
2.4 随动系统控制系统建模
2.2 土壤不同施肥策略也不同。土壤不同，施肥状况也不同，壤土农艺性状较好，施肥原则上要做到长效肥与短效肥相结合，有机肥与化肥相结合，大量元素肥料与中微量元素肥料相结合。盐碱土的施肥应以施用有机肥和有机活化营养肥料为主，严格控制化肥的使用。贫瘠的土壤在开始时，可以大量施用磷肥，之后就可适当减少，土壤较为肥沃的情况下，可以不用持续的施用磷肥，钾肥在缺钾的土壤中施用或者是施用氮肥或者磷肥效果不佳的情况下才能施用；水地化肥施用量可以大于旱地；粗制沙性土壤，一般养分缺失较为严重，保肥能力也较低，因此，在施肥中可以采用较多的施肥量并且要多次施肥，这样避免一次施肥造成肥力流失。
据前人的研究成果，结合当前国际和国内的实际情况，按照科学性、系统性、代表性、可操作性的原则，从供给、消费、贸易、地缘政治及生态5个方面构建15个指标，其中定量指标12个，定性指标3个，见表1。定量指标数据主要来自《BP世界能源统计》《IEA能源统计报告》《中国统计年鉴》。定性指标采用专家评分法，专家主要来自石油安全相关研究的专家学者以及在石油行业工作的业内人员。
1)驱动系统。提供发射设备随动系统运转的驱动动力，如驱动电机、液压马达；
由上式可知，比例K p 、积分K i 、微分K d 控制系数的选取对随动系统动态性能的控制效果影响较大，也是整个随动控制系统建模参数调整的重点。
3 虚拟样机联合仿真建模分析
为实现基于Adams和Matlab/Simulink的随动系统联合仿真，首先需要进行仿真软件之间的数据交流接口的设置。其设置步骤如下：
1)Adams随动系统机械虚拟样机模型状态变量确定。本文模型通过“Build→System Element→State Variable”建立随动驱动系统的角速度输入变量、方位随动系统回转角速度输出变量，分别与随动驱动系统的角速度输入MOTION _1、方位随动系统回转角速度测量结果MEASURE_AZ进行关联。
2)Adams模型输出。利用Adams/Control插件模块的Plant Export进行设置，确定随动系统模型的控制输入信号(Input Signal)为之前定义的随动驱动系统的角速度输入变量，确定控制输出变量(Output Signal)为方位随动系统回转角速度输出变量，以确定在Matlab/Simulink模型中控制输入与控制输出的接口，Adams/Solver Chioce选择为C++，Target Software选择为Matlab，从而输出可引入Matlab/Simulink仿真建模环境的模型数据。
3)Matlab/Simulink仿真环境建模处理。在Matlab中利用Adams_sys处理命令，通过系统模块的方式引入Adams导出的随动系统机械虚拟样机模型，然后在Simulink环境中根据PID控制原理建立发射设备随动系统联合仿真模型，并进行随动系统动态特性仿真研究。随动系统联合仿真模型如图6。
图6 基于Adams和Matlab/Simulink的随动系统联合仿真模型
随动系统控制器参数的确定是一个反复验证的过程。方法是：首先根据实际系统制定相关性能指标(上升时间、超调量、调整时间等)，然后通过修改控制器参数来调整虚拟样机的性能，反复修改控制器参数并进行仿真试验，直到虚拟样机响应满足指标要求。利用随动系统联合仿真模型针对方位随动的位置正弦跟踪动态响应进行分析，其仿真响应结果如图7，根据仿真结果可知该联合仿真模型控制跟踪性能良好，可以用于开展后续深入研究。
根据河道整治工程的要求，项目部需要组织专门的技术人员，定期对工程现场进行深入检查，设置项目日常巡检、周检和月检制度，并且做好定期检查工作的相关计划。此外，在对工程现场的安全检查过程当中，施工负责人需要配合工程部进行检查，与此同时，要做好相关的检查记录。如若发现项目中存在安全隐患，则需要积极采取紧急应对措施，消除安全隐患，进而实现工程现场的整体安全性。
4 结论
为提高随动系统的总体设计论证的效率、减少随动系统设计研制周期，本文基于Adams和Matlab/Simulink仿真平台，开展随动系统的机械与控制
图7 位置跟踪响应仿真结果
联合数字化虚拟样机构建技术研究，主要突破包括少齿差行星传动快速建模方法在内的随动系统机械结构虚拟样机建模技术、机械与控制联合仿真技术，获取了随动系统数字化虚拟样机模型以及掌握随动系统数字化虚拟样机联合仿真方法，并对其进行了仿真和分析。构建的发射设备随动系统虚拟样机仿真模型对于探索新的控制算法的应用、进一步提高系统性能也具有积极意义。
参考文献
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Modeling and simulation of virtual prototype of launching equipment servo system based on Adams and Matlab
WEI Zhengchao
Abstract ：The servo system is an important part of missile launching device.In order to improve the design efficiency of the servo system，The UG software was applied to build the model and assemble for servo system.Based on Adams simulation environment，a mechanical virtual prototype model of servo system with few tooth difference transmission was constructed.Combining with the simulation platform of MATLAB/Simulink，the dynamic co-simulation model of the servo system control of launching equipment was established，and the real-time simulation and analysis were carried out.This model can be used to guide the adjustment of parameters in the actual system.It provides a reliable reference for the design of the servo system of launching equipment.
Keywords ：servo system，virtual prototype，the transmission with small tooth number difference，Adams，Matlab/Simulink
中图分类号 ：TP391.9
文献标识码： A
文章编号： 1002-6886(2019)01-0066-04
作者简介 ：韦正超(1990-)，男，贵州人，硕士，主要研究方向为车辆、机械、控制与仿真。
收稿日期 ：2018-08-30
标签：随动系统论文; 虚拟样机论文; 少齿差传动论文; adams论文; matlab论文; simulink论文; 江南机电设计研究所论文;