基于液压盘式刹车的液压与控制联合仿真

【摘 要】介绍了利用Matlab/Simulink与AMESim各自软件的特点，对对液压盘式刹车系统进行液压与控制部分的联合仿真。液压盘式刹车系统是一个复杂、庞大的多子系统组成的系统，其中既有液压部分又有控制部分，根据模型的建立，液压模型在AMESim环境下构造，而控制模型部分则在MATLAB中完成的联合仿真的方法。仿真结果表明可以直接检测刹车盘制动正压力大小且便于对液压盘式刹车系统进行制动性能分析。

【关键词】液压盘式刹车 液压 控制 联合仿真

Abstract ： Introduced the use of Matlab/

Simulink AMESim and the characteristics of each software， on hydraulic disc brake system and hydraulic control part of the joint simulation. Hydraulic disc brake system is a complex and huge many children system components of the system， which are part of the hydraulic control part and， according to the model， hydraulic model in AMESim environment construction， and control model in part of the MATLAB joint simulation method is complete. The simulation results show that can directly measure the disk brake is pressure size， and is convenient for hydraulic disc brake system for brake performance analysis。

Keywords：hydraulic disc brake， hydraulic， control， co-simulation

1. 仿真方法及接口设置

本文之所以采用两个软件来进行联合仿真，是因为液压盘式刹车系统是一个复杂、庞大的多子系统组成的系统，其中既包括液压部分又有控制部分，如果单纯利用Simulink进行液压系统建模及仿真，需要做很多简化工作，使得仿真结果往往出现较大的误差，系统将会变得非常复杂；而将液压盘式刹车的液压部分在AMESim中仿真，而控制部分利用Simulink仿真，利用AMESim提供的接口将两个仿真联合起来，这样就可以这样既发挥了AMESim 突出的流体机械的仿真效能[1]，又可借助MATLAB /Simulink 强大的数值处理能力，从而使系统的仿真效果更加完善。

AMESim和MATLAB的联合仿真是通过AMESim中的界面菜单下的创建图标功能与Simulink中的S函数实现连接的， 其过程如图1所示。具体实现过程是在AMESim中经过系统编译、参数设置等生成供Simulink使用的S函数，在Simulink环境中将建好的AMESim模型当作一个普通S函数来对待，添加入系统的Simulink模型中，从而实现二者的联合仿真[2]。

2. 仿真中需要注意的问题

2.1要实现Matlab/Simulink与AMESim的联合仿真平台，对于使用Windows NT，2000或Windows XP操作系统的用户，需要先安装Microsoft Visual C++6.0作为系统编译器。

2.2确认在AMESim中选择VC作为编译器，而在MATLAB命令窗口中输入Mex-setup命令，按所给提示选择VC作为编译器。

2.3在Matlab的目录列表里加上AMESim与Matlab接口文件所在的目录：%AME%＼matlab＼amesim，其中%AME%是AMESim的安装目录。

2.4 AMESim模型从参数模式进入运行模式时，会生成特定的参数文件Simulink仿真运算使用。因此，如需修改AMESim模型的任意参数，必须在修改后再进入运行模式，以便在新的仿真运算中经过修改的参数值有效。若要关闭AMESim模型，也可通过在Dos命令窗口输入“AMEload”命令，将AMESim模型文件重新分离成联合仿真所需的各个部分。

2.5 S函数模块中的参数设置。S函数中的参数是为了规定AMESim模型仿真结果格式而进行设置的。S函数名称必须设定为AMESim模型名称加“_”形式，以实现AMESim模型与S函数的结合。在标准仿真界面中前两个参数必须进行设置：第一个参数用于规定是否生成AMESim模型仿真结果文件，“1”代表生成该文件，其它值代表不生成该文件；第二个参数用于规定仿真结果文件的采集时间间隔，“0”或负值代表该间隔与Simulink仿真结果文件相同，若设定值为“0.001”即代表该间隔为0.001秒。

3. 液控联合仿真模型

根据盘式刹车系统的物理模型，可将其分为液压系统模型和控制系统[3]模型两部分，其中液压模型在AMESim环境下构造，而控制模型部分则在MATLAB中完成。在AMESim中选择适当的数学模型搭建好液压系统框架后，设定各元件参数，然后利用Interface菜单创建控制模块，并将其和液压模型对应部分相连接，并运行该系统模型，从而产生可在Simulink中调用得S函数。推进液压系统在AMESim环境下的系统模型如图2所示。其中，13为接触正应力传感器，14为液控联合仿真模块[4]。

通过在AMESim中建立输出接触正应力与输入压力调节阀电流信号关系，可搭建盘式刹车液控联合仿真模型。

控制系统模型[5]则在MATLAB /Simulink中完成，通过Simulink中的S-Function模块将AMESim产生的S函数加入到Simulink的模型中，同时也将Simulink中的控制算法模型连接到AMESim中的控制模块内，从而完成整个盾构推进系统的建模。本文所采用的盘式刹车液压系统在Simulink环境下的反馈控制系统模型如图3所示。

4. 仿真结果及分析

在Simulink工具菜单栏中选择Simulation菜单，然后选择Parameters，在弹出的参数设置对话框中，设置开始时间（Start Time）为0.0，结束时间（End Time）为1.5s。在仿真类型的一个选择栏，选择variable step mode参数，第二个选择栏选择ode15S参数（刚度系统的变阶次多步解法）。其余各项参数取默认值即可，仿真结果如图4、图5、图6和图7所示。

从图4至图7可知，相应输入输出变化曲线非常吻合，只是在Simulink中结果曲线不是很光滑，这是因为Simulink设置求解步长和精度决定的。从图7可知，刹车系统存在一定的接触间隙及液压系统滞后性，故图最初表现为0的平行段，当刹车块与刹车系统接触后，接触正应力迅速大增加一定值，不再增加而有保压的趋势，这是由于系统输入的电流信号保持为30mA，曲线不是完全水平的因为活塞继续运动会引起弹簧产生一定的回复弹力，但回复弹力不是很大，当系统收到反馈回来的正的增益信号后，系统的电流继续上升，直至40mA不再变化，此时缸内压力将很快达到最大值60bar，刹车力矩也达到最大。由于系统受流体粘性阻尼及回复弹力等的作用，故此阶段上升的曲线不全是直线而近似直线过程，在约为0.12s时刻系统制动力矩达到最大。

结论

采用AMESim和Simulink联合仿真，可以直接检测刹车盘制动正压力大小，并可将其作为反馈信号，来调制压力调节阀的控制信号，从而构成力反馈控制系统，便于对液压盘式刹车系统进行制动性能分析，并有助于获得理想的压力调节阀控制信号。

参考文献：

[1] 王 瑜，林 立，姜建胜.基于AMESim液压盘式刹车系统建模与仿真技术[J].石油机械.2008，36（9）：31-35.

[2] 胡安平.基于AMESim-Simulink联合仿真的再生制动系统研究[D].[硕士学位论文].吉林大学汽车工程学院：2008.

[3] 董霞，陈康宁.机械控制理论基础[M].西安：西安交通大学出版社，2005：274-275.

[4] 杨武双.基于AMESim的车辆防抱死制动系统的仿真研究[D].[硕士学位论文].湖南大学机械与汽车工程学院：2008.

[5] 刘忠，杨襄璧.液压传动与控制实用技术[M].北京：北京大学出版社，2009：125-127.

作者简介：胡冬辉（1989-），男，湖北黄冈人，本科生，现就读于长江大学机械工程学院机械设计制造及其自动化专业，机械10901班。

（作者单位：长江大学 机械工程学院）