基于AMESim的液压仿真应用现状
摘要：AMESim是专门用于液压/机械系统建模、仿真及动力学分析的软件。本文对AMESim做了简单的介绍，从工程应用角度出发归纳总结出AMESim软件的建模方法和基本特征，简单地介绍了AMESim在液压仿真中的应用现状及未来发展方向。
关键词：AMESim；液压；仿真
前言
AMESim
为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，用于工程系统建模、仿真和动态性能分析。可以使用已有模型和（或）建立新的子模型，来构建优化设计所需的实际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿
真结果，界面比较友好、操作方便。AMESim
不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的
最终目标，而且还可以分析和优化设计，降低了开发成本和缩短开发的周期，所
以AMESim
被广泛应用于液压仿真中。
1 AMESim简介[1]
对液压元件或系统利用计算机进行仿真的研究和应用己有30
多年的历史，随着流
体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的
有力工具，相应的仿真软件也相继出现。目前，国内外主要有
AMESim, Hop-san,ADAMS
/ Hydraulics
、EASYS
、
Matlah / simulink,SIMULZD
、
Dshplus, FluidSIM, automation studio
、
20-sim,
HyPneu
等11
种液压仿真软件。法国
IMAGINE
公司于
1995
年推出基于键合图的液压
/
机
械系统建模、仿真及动力学分析软件，即AMESim
，全称为
Advanced Environment for
Performing Simulations of Engineering Systems(
高级工程系统仿真建模环境，该软件包含
IMAGINE
技术，为项目设计、系统分析、工程应用提供了强有力的工具。它为设计人员提供便捷的开发平台，实现多学科交叉领域系统的数学建模，能在此基础上设
置参数进行仿真分析。AMESim
软件中的元件间都可以双向传递数据，并且变量都具
有物理意义。它用图形的方式来描述系统中各设备间的联系，能够反映元件间的负载效应和系统中的能景和功率流动情祝。该软件中元件的一个接口可以传递多个变量，使得不同领域的模块可以连接在一起，这样大大简化了模型的规模；另外，该软件还具有多种仿真方式，如稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等，这可以提高系统的稳定性和保证仿真结果的精度。
1）AMESim建模方法[2]
键合图由美国的H. M. Paynter于20世纪60年代初发明。它以图形方式来表达系统中各元件间的相互关系，反映元件间的负载效应及系统中的功率流动情况。由功率键合图可以直接写出适于仿真的状态方程，且与基于现代控制理论的状态变量数学模型之间存在严密对应的内在逻辑关系，用这种方法为系统动态过程分析和建模提供了很大的方便。 AMESim软件采用的建模方法类似于功率键合图法，但要更先进一些。相似之处在于二者都采用图形方式来描述系统中各元件的相互关系，能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，元件间均可反向传递数据。规定的变量一般都是具有物理意义的变量，都遵从因果关系；不同之处在于AMESim更能直观地反映系统的工作原理。用AMESim建立的系统模型与系统工作原理图儿乎一样，而且元件之间传递的数据个数没有限制，可以对更多的参数进行研究。它采用复合接口，即一个接口传递多个变量，简化了模型的规模，使得不同领域模块之间的物理连接成为可能。
2）AMESim基本特征[3]
(1设计框架
作为软件设计包，AMESim为用户提供了一个完整的时域仿真(包括线性分析及各种专业特性建模环境。工程师可使用已有模型和(或建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际原型。
(2用户界面
易于识别的标准Iso图标和简单直观的多端口框图，为用户提供了一个友好的界面，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例。
(3求解器
算法自适应和强大的不连续性处理能力基于最先进的数字积分器，AMESim求解器根据系统的动态特性，在17重可选算法中自动选择最佳积分算法，并且有精确的不连续性处理能力，正是AMESim这些独特的技术，保证了仿真的速度和精度。
(4应用库
12个开放的模型库基于物理原理和实际应用，包含大量一维流体/机械系统设计及仿真必须的模型。用户无须是仿真专家，轻易便可获得最新专业技巧。
(5超元件功能
超元件功能使用户可以将一组元件集成为一个超元件，后者可以像普通元件一样使用。由于多端口方案等原因，AMESim的超元件功能与其它软件的相应特性具有本质的差别。
(6）开放性
内置与c(或Fortran和其它系统仿真软件的接口。借助此特性，用户可以在AMESin环境中访问任何C或Fortran程序、控制器设计特征、优化工具及能谱分析等工具。同时用户还可以将一个完全非线性AMESim子模型输出到一个CAE或多媒体软件中去。
（7 AMESet子模型编辑工具
借助于AMESet用户可自己开发标准的、可重复使用的、便于维护的、并附有完整文档的模型库。
(8模型库
标准库:机械一控制。
可选库:液压一液压管路一液压元件设计(即原来的AMEBel液压阻力一气动一若一热流体一冷却一动力传动一填注。
（9 AMERun模块
AMERun?是快速运行和观察不同设计方案效果的理想工具。AMERun是AMERun?的运行版，提供标准AMESim环境中设置模型参数、执行仿真及分析时可使用的全部特征。借助于AMERun，工程师可与不熟悉建模和计算机仿真的人共享其已验证过
的、仔细测试过的和客户化的AMESim模型。
（10 AMERun的功能
①借助于AMERun，用户可修改模型和仿真参数、进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果。所有功能强大的工具，比如FFT、线性分析特性、动画、敏感性及参数研究均可实现，而无须任何编码。②借助于强大的AMESim客户化特征，终端用户只能访问指定信息、加载预先定义的绘图设置、自动产生仿真报告。
③模型保护验证:AMERun禁止终端用户修改模型结构和建模假设，来达到保护模型的目的。而且，敏感信息可在有密码保护的子模型中加锁。AMERun允许用户与其内部或外部的伙伴安全的共享模型。
(11AMERSet模块
借助于模型编辑工具AMESet?用户可按照下列步骤方便地扩充AMESim模型库，从而创建自己所需的特定部件模型。
①设计图标并定义其连接端口，然后，指定端口类型:机械(旋转或直线、液压、气动、电动、信号、热力及其它。②定义子模型的参数和变量名并选择单位。
③ AMESet为子模型生成C或Fortran语言(可选代码框架。④最后，为子模型构造方程。
此外，用户还可以访问AMESim子模型库的源代码。这种特性对发现某些建模技巧非常有用，使用户能够直接建模而无需总是从草图开始。AMESet还允许用户将几个复杂程度不同的子模型捆绑成单一部件图标。
2 AMESim的应用现状
1在液压系统的建模与仿真中的应用[4]
AMESim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，用于工程系统建模、仿真和动态性能分析。可以使用已有模型和（或）建立新的子模型，来构建优化设计所需的实际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面比较友好、操作方便。使用者完全可以应用集成的一整套AMESim 应用库来设计一个系统，所有的模型都经过严格的测试和实验验证。AMESim不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最终目标，而且还可以分析和优化设计，降低了开发成本和缩短开发的周期。所以AMSsim被广泛地应用于液压系统的建模与仿真中，用来分析液压系统的动态特性等。比如对于注塑机液压系统的建模仿真研究，首先根据系统原理图，使用仿真元件模型来搭建系统仿真模型；整理仿真参数，将其分为两大类：已知的和未知的，并使用AMESim批处理功能处理未知参数，将其分为对系统影响较小的一类参数{A}，对系统影响较大的一类参数{B};取{B}类参数的中间值{Bmid}，设置仿真参数及仿真时间、步长等，进行仿真并分析仿真结果。
图2-2 注塑机的系统模型
2在液压元件仿真中的应用[5]
AMESim采用标准的ISO图标和简单直观的多端口框图，涵盖了液压、液压管路、液压元件设计、液压阻力、机械、气动热流体、冷却、控制、动力传动等领域，能使这些领域在统一的开发平台上实现系统工程的建模与仿真，而成为多学科多领域系统分析的标准环境，为用户建立复杂的系统提供了极大的便利。AMESim 软件可以使物理系统模型直接转换成实时仿真模型；AMESim提供了17种优化算法，依照所建模型，用户能灵活地利用智能求解器挑选最适合模型求解的积分算法，为了缩短仿真时间和提高仿真精度，用户能在不同仿真时刻根据系统的特点动态切换积分算法和调整积分步长；AMESim软件为获得跟其它软件的兼容，提供了多种软件接口：如编程语言接日(C或Fortran 、控制软件接口（Matlah / Simulink和MatrixX、实时仿真接口(RTLVah,xPC,dSPACE、多维软件接口(Adam和Simpack,Virtual Lah Motion,3D Virtual、优化软件接口(iSIGHT, OPTIMUS，FEM 软件接口(Flux2 D 和数据处理接口(Excel等。其方法是：让子系统在专用软件下搭建，利用接口对子系统的结果进行仿真分析。所以AMESim用于液压元件的仿真分析中有很大优势。下面以同步阀的仿真分析为例。
国内目前生产的同步阀, 存在体积较大的缺点, 基于以上现状,应用AMESim仿真软件建立同步阀模型, 对同步阀的主要性能指标进行分析。应用优化设计确定结构改进方案, 仿真结果表明: 改进后的同步阀, 体积轻巧, 性能稳定。
图2-3 同步阀的仿真模型
[6]
3在故障诊断仿真中的应用
由于液压系统故障的封闭性、复杂性和重叠性，使用常规方法对其进行研究不仅费时费力，成本高昂，而且难度较大，而采用仿真手段则可较好地解决这一问题。AMESim是专门用于液压/机械系统建模、仿真及动力学分析的软件。采用
AMESim进行液压系统故障仿真，可以方便地将机、电、液藕合系统的数学物理模型转换为可视化、模块化的仿真模型，并通过修改模型关键参数来注入系统故障信息，实现液压系统故障动态仿真，为故障的诊断和预测提供直观可靠的依据。作者以某液压顶升系统为例，详细论述AMESim在液压故障仿真中的应用。以某液压顶升系统为例，对AMESim在液压故障仿真中的应用进行了论述。仿真结果表明，使用AMESim可以很好地对液压系统的故障进行仿真。通过故障仿真，液压工程人员可以更好地认识各种故障对液压系统的影响范围和程度，直观清楚地了解液压系统故障的发生原因及故障模式，为故障的诊断与预测提供依据。
图2-1 某液压顶升系统仿真模型
通过仿真分别检查弹簧故障、液压系统堵塞故障、液压缸及油路接口泄漏、摩擦卡死类故障、油液性质变化对液压系统的影响等，仿真结果表明使用AMESim 可以很好地对液压系统的故障进行仿真。通过故障仿真，液压工程人员可以更好地认识各种故障对液压系统的影响范围和程度，直观清楚地了解液压系统故障的发生原因及故障模式，为故障的诊断与预测提供依据。
3 AMESim的发展方向
AMESim液压仿真软件主要有如下几个发展方向[2]
：
(1深入研究液压系统的建模和算法，开发出易于建模的液压系统仿真软件。模型是仿真的基础，建立止确的模型，能更深入、更真实反映系统的主要特征，应大力发展建模技术，力求为系统设计和分析提供准确的依据，使系统仿真的精度和可靠性高、系统工作能更真实反映实际情祝。
(2）进行最优化设计的研究，系统仿真软件的优化设计包括结构设计的最优化、参数最优化及性价比的最优化。用现代控制理论和人工智能专家库设计系统结构，并确定系统参数，缩短设计周期，达到最优的效果。
(3完善仿真模型库，增强液压仿真软件的通用性。在液压泵、液压马达、液压阀、液压缸和液压辅助元件等五类基木液压仿真元件的基础上，将在实际液压系统中经常用到的大景的液压元件和电气元件加到仿真模型库中；另外要改善液压仿真软件的移植性，开发通用接口，使不同的仿真软件对同一系统能编写相同的仿真程序。
(4吸收多媒体技术，使液压仿真软件更加直观、实用。当前的液压仿真软件虽然己经实现了图形化界面但对多媒体技术的支持还是很初步的。多媒体技术特别是多媒体动画技术在计算机领域己经比较成熟，如果结合到仿真系统的实时动作和结果分析中，就可以动态直观地表示液压传动的内容，大大克服其抽象复杂的缺点。
结语
由于AMESim的特点及其具有的优势，在国外的大学、研究设计单位和工业部门早已成为液压建模和仿真领域的一种标准软件。在使用AMESim过程中意识到其作为一种高级建模和仿真平台，必将有助于国内液压建模和仿真领域的发展，为自主创新提供了一个很好的利器。
参考文献
[1] 王勇亮，卢颖等.液压仿真软件的现状及发展趋势[J].液压与气动，2012,(8:1-4
[2] 肖岱宗.AMESim仿真技术及其在液压元件设计和和性能分析中的应用[J].舰船科学技术，2007 (第29卷增刊1:142-145
[3] 苏东海，于江华.液压仿真新技术AMESim及应用[J].计算机应用技术，2006(11:35-37
[4] 边心文.基于AMESim注塑机液压系统的建模研[D].广东工业大学.2011
[5] 金胜秋,成凯，王鹏宇.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究[J].液压与气动.2009(9:64-68
[6] 米双山，付久长，韩翠娥.AMESim在液压系统故障仿真中的应用[J].机床与液压.2013，41（11）:183-186