基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究(3)

2. 气动主要元件及系统的建模与仿真

2.1 AMESim介绍

AMESim 环境下的气动控制系统建模常采用自上而下的建模方法，把复杂的系统模块化，使得抽象的系统具体化，AMESim 仿真机构框架如图所示。

AMESim 具有丰富的模型库，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，不需要推导复杂的数学模型。在AMESim 中，用于气动系统建模的气动库中包括了一些在气动系统中经常使用的气动元件图标，这些图标直观形象地表现了气动元件的功能，每个图标有一个或多个数学模型与之对应，用于描述气动元件的特性，以便更真实地模拟气动系统的参数并进行仿真研究。

以PCD中的带环形孔口的滑阀设计一个三通阀为例进行说明。在完成草图后，在子模型模式中可以更换子模型，然后在参数模式中中设置各个参数，最后进行运行仿真。

在 AMESim 中，每一个子模型都是由语言程序代码编写的。在建模过程中，如果遇到 AMESim 标准库中没有的子模型，可以通过 AMEset（模型、文档生成器）编辑子模型，来扩充 AMESim 应用库。以下是方波信号的c语言代码：

气动元件的数学模型是依据气体状态方程和质量守恒定律以及等熵方程等建立，同时也考虑到了一些元件的动态特性，为了方便地建立数学型，一般都会做一些假设，比如：(1)气体流过阀口或其它限流孔时，均为等熵流动；(2)腔室内气体的压力场和温度场均匀；(3)气体粘度小时，忽略控制截面处粘性阻力的影响；(4)不考虑引力场对气流的作用；等等。

2.2 气体回路分析

以列车中一个简单的气动回路为例进行说明。

该回路描述的是两个压力储能容器释放气体进入到第三个储能器中。这个系统中三个储能器的体积分别为(800L、400L 和100L)通过两个截面积分别是500mm和 20mm的节流口和气管连接而成的，它们的初始压力分别是12bar、7bar 和1 bar，而初始温度是293.15 K，所采用的仿真时间是20秒，步长为0.01秒。经过仿真之后，可知在第三个腔室达到稳定之前，两个较高压力的腔室首先达到了稳定状态，这个最终的稳定压力大概是 8.7bar 在仿真时间进行到 18 秒左右时到达。气体由节流口面积为500mm和20mm的节流口进入储能器 2 和 3，因而气体流量因为较大的节流口面积而较快达到稳定，通过小的节流口时候，节流口达到稳定过程就需要耗费较长的时间，同时也因为储能器之间的高压力比而导致了音速饱和流，而这种情况可以通过质量流参数Cm来反映。

这个例子，需要设置的参数不多，但对于一些复杂的系统来说，需要设置的参数十分庞大，要得到满意的结果往往需要反复不断的试值才能找到一个满意的结果。

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2.3 调压阀PCD模型

调压阀在气动系统中起到稳定系统压力的作用，AMESim对元件进行仿真，可以模拟调压阀在气源压力波动和负载变化的情况下的稳压效果。 比如B10调压阀可以类似地看为这

种调压阀。

通过一个可变节流孔来控制气源压力的变化，另外一个可变节流孔来控制负载的变化，气源为一个简单的温度压力源。在建模过程中最重要的是对各个子模块设置参数，准确的参数使得系统模型更加精确。下图所示为气体喷嘴平板阀子模型PNAPO32-1 的参数列表。设置阀口的开口量为零，表明在没有气源通过时，阀芯处于关闭状态。再通过阀芯质量的参数列表设置阀芯的最大位移为 2 mm。在 0～1 秒内控制气源的可变节流孔逐渐打开并在 1 秒后保持恒定，这时控制负载的可变节流口开始逐渐打开，并在 2 秒时保持稳定。

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