0 引　言

筒盖系统是某水下发射装置的重要组成部分，平台在水下航行的过程中，筒盖处于关闭旋紧状态，保证筒内的密闭环境；当发射装置进入发射状态时，需要筒盖快速旋松并平稳开盖，为载荷出筒让出飞行通道，发射结束后，需要迅速关盖并锁紧筒盖。

筒盖系统的开关盖和旋松紧动作的时间、平稳性、噪声大小等参数决定了载荷的发射准备时间、连射间隔时间、平台的隐蔽性能等重要指标，因此需要筒盖系统在水下快速、平稳地完成旋松旋紧动作和开关盖动作^[1]。为了揭示筒盖系统的关键参数对开关盖特性的影响规律，吴立柱等^[2]利用AMESim软件建立了某装置筒盖系统开关盖液压缸的仿真模型，得出了电机转速、液压泵排量、油缸行程等参数对开关盖特性的影响。为了提高筒盖运动的平稳性以及对干扰的自适应能力，研究人员对筒盖的开关盖、旋松紧控制算法进行了研究，贾海杰等^[3]设计了筒盖开关盖反步控制器，吴友生等^[4]设计了高增益观测器的滑模控制器，2位研究人员均是利用Simulink搭建了开关盖液压缸的数学模型并验证了控制算法的有效性。张瑛等^[5]基于延时补偿和三状态控制方法设计了控制器，在Simulink中对控制算法进行了验证。卫超等^[6]推导了筒盖系统的流量方程及力平衡方程，在此基础上设计了一种结合 PI 观测器与鲁棒控制器的容错控制器。殷士才^[7]同样通过建立筒盖系统的非线性方程研究液压缸的运动控制与容错控制。以上研究均是通过简化液压系统从而推导出系统传递函数，最后在Simulink中搭建用于验证控制算法的模型。筒盖系统是机电液一体化的产品，这种函数推导的筒盖建模方法在算法仿真过程中很难观测到系统液压部分的运行情况，且模型无法实现复用。

本文利用AMESim和Simulink两个仿真软件的优点，利用AMESim搭建筒盖系统液压部分的仿真模型，利用Simulink搭建筒盖系统控制部分的仿真模型，最后利用联合仿真的方式，得出整个筒盖控制系统的模型。基于该仿真模型，可以对筒盖系统特性进行仿真分析，为筒盖液压系统的优化设计提供理论指导，可以减少筒盖控制算法设计与验证的工作量。

1 筒盖系统介绍

筒盖系统是一种由筒盖、开关盖液压缸、转轴、支耳、旋松紧液压缸、松紧环、松紧传动装置、筒盖控制器等构成的机电液一体化特种设备。筒盖的开关动作由筒盖控制器控制一台开关盖液压缸伸出或缩回，液压杆推动支耳，最终带动转轴转动实现；筒盖的旋松紧动作由筒盖控制器控制2台旋松紧液压缸同时伸出或缩回，液压杆带动松紧传动装置运动，最终带动松紧环旋转实现。

筒盖液压控制系统的原理如图1所示。其中2台旋松紧液压缸是一个由二位二位二通阀、数字阀、液控单向阀、缸体、位移传感器、压力传感器等组成的机电液一体化产品，二位二通阀用于阻断高压油进入数字阀，以此保证旋松紧液压缸到位后能处于自锁状态；数字阀的电机采用伺服电机，伺服驱动器内闭环控制可以实现电机精确转动，直线模组上安装拉线位移传感器，通过检测直线模组滑块的位置可以得知阀芯位移，从而实现对阀芯位置的闭环控制，以此控制旋松紧液压缸的伸缩运动；旋松紧液压缸的进出油路上各安装一个液控单向阀，当主阀处于中位时，液控单向阀的先导级没有高压油，液压缸中的油无法流回油箱，实现旋松紧液压缸自锁。开关盖液压缸配套的的比例换向阀控制液压缸与高压油源和油箱的连通，调速阀安装在液压缸无杆腔液压管路，用于控制液压缸无杆腔的流速，以此控制液压缸的伸缩位移及速度；筒盖控制器用于接收上级系统发送的控制命令、根据筒盖控制算法发送控制信号、接收液压缸位移等信息。

筒盖系统的工作流程如下：当筒盖控制器接收到开关盖命令后，首先执行旋松紧动作，控制2台数字液压缸的二位二通电磁阀开启，使三位四通阀接入高压油源；定时接收旋松紧液压缸位移数据，根据控制算法控制伺服驱动器驱动电机转动，滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为阀芯活动杆的直线运行，从而控制阀芯的阀口开度，最终控制旋松紧液压缸同步、平稳运行，实现旋松紧动作；旋松紧动作结束后，控制开关盖油缸比例换向阀打开，筒盖控制器定时接收开关盖液压缸位移，根据控制算法控制电磁调速阀的阀口开度，最终控制开关盖液压缸的平稳运行，实现筒盖的开关盖功能。

2 筒盖系统建模 2.1 液压部分仿真模型搭建

根据筒盖系统原理图，搭建筒盖系统液压部分仿真模型包括旋松紧液压缸、开关盖液压缸、调速阀等。

2.1.1 开关盖液压缸及相关阀组子模型

搭建的开关盖液压缸、比例换向阀、调速阀等模型如图2所示。其中，比例换向阀主要用于锁定液压缸，故对其模型进行了简化。根据实际筒盖系统进行参数设置，参数设置如表1所示。

2.1.2 旋松紧液压缸子模型

旋松紧液压缸是由液压缸、三位四通阀组、伺服电机及驱动器、直线模组等组成的集成液压设备。根据系统原理图搭建旋松紧液压缸仿真模型，参数设置如表2所示，仿真模型如图3所示。

2.1.3 液压系统仿真模型搭建

完成开关盖液压缸及相关阀组模型、旋松紧液压缸及相关阀组模型搭建后，根据系统原理图在AMESim软件中完成整个筒盖系统液压部分模型的搭建，模型如图4所示。

2.2 控制系统仿真模型搭建

控制系统包括开关盖液压缸换向阀控制模块、开关盖液压缸闭环控制模块、负载变化模块、油源压力变化模块、二位二通电磁阀控制模块、旋松紧液压缸闭环控制模块。

AMESim与Simulink有成熟完善的接口，可以轻松地实现2个软件的联合仿真分析^[8]。对于本文研究的筒盖控制系统，利用AMESim软件建立筒盖液压系统模型后，在AMESim软件建立SimuCosim接口模块，经过编译生成.mex文件，利用Simulink建立控制系统的仿真模型，在Simulink中调出该接口模块，建立控制系统模型，模型如图5所示。

3 仿真分析

在控制系统模型中设置油源压力变化模块的油源压力输出为恒定20 MPa；设置负载变化模块的开关盖液压缸负载为恒定3000 N，旋松紧液压缸负载压力为恒定300 N；设置0～2 s时刻旋松紧液压缸电磁阀打开，2 s时刻电磁阀关闭；设置0～2 s开关盖换向阀关闭，2～10 s时刻开关盖换向阀打开，10 s时刻关闭；设置仿真时间为10 s，采样频率为100 Hz，设置2台旋松紧液压缸的目标位移为220 mm，开关盖液压缸的目标位移为660 mm。开关盖控制算法、旋松紧控制算法1、控制算法2均为PID控制器，仿真结果如图6～图7所示。

由图6可知，2 s时刻开关盖液压缸开始运动，位移661.69 mm，超调值为0.26%，该开关盖液压缸的设计可以满足筒盖系统正常运行的要求。由图7可知，2台旋松紧液压缸的最终位移均约219.89 mm，超调值为0.05%，该旋松紧液压缸的设计可以满足筒盖系统正常运行的要求。

在实际运行过程中，液压缸的负载不可能是恒定值，因此在设置负载变化模块的开关盖液压缸负载3000 N的基础上加入1000 sin(10πt)的正弦压力扰动，旋松紧液压缸负载压力300 N的基础上加入100 sin(10πt)的正弦压力扰动，油源压力在20 MPa的基础上加入2 sin(5πt)烦人正弦压力干扰，运行得到仿真结果如图8～图13所示。

由图8、图9可知，由于筒盖系统中开关盖液压缸位移采用的是闭环PID控制方法，系统可以自适应地降低负载变化、油源压力变化对开关盖液压缸的影响，加入干扰后的开关盖液压缸最终速度存在波动，但最终位移661.54 mm，与未加入干扰的位移相比，偏差小于0.2 mm；由图10～图13可知，加入载变化、油源压力变化干扰后，旋松紧液压缸的运行速度略有影响，最终位移为219.89 mm和219.83 mm，与未加入干扰的位移相比，偏差小于0.1 mm。由此可以看出，该仿真模型有效验证了PID控制方法的有效性。

针对不同的控制算法，通过修改在AMESim中建立的筒盖系统控制部分模型的控制算法部分，可以实现对不同控制算法的仿真，通过比对仿真结果，可以挑选出更加适合的控制算法，有效节省控制算法的设计时间，降低筒盖控制系统的调试难度。

4 结　语

1）本文基于AMESim和Simulink软件搭建的筒盖系统仿真模型具有一定的优越性，一些需要对筒盖系统改造并布置许多复杂传感器才能得到的重要参数，经过模型仿真就可以得出，可以充分验证筒盖系统的各项指标，并为筒盖液压系统的优化设计提供理论指导。

2）该筒盖系统仿真模型可以更加直观地对筒盖系统进行分析，模型中可以很方便地修改筒盖液压系统和控制系统各项参数及控制算法，操作简单，提高研究效率。

3）利用仿真模型可以对液压系统或控制系统添加不同形式的干扰因素，以此验证控制算法的性能，同时可以通过比对不同控制算法的控制效果，极大地降低开关盖或旋松紧控制算法的设计难度。