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基于AMESim的道路模拟液压伺服系统的优化设计

作者：谢伟东刘大磊

摘要：在运用AMESim仿真软件基础上，对道路模拟试验台的液压伺服系统进行了建模和

仿真，运用软件中优化功能，对道路模拟试验台的控制参数进行优化分析，提高了控制精

度，给出了相应的仿真结果。运用此方法可以对类似系统进行优化设计。

关键词：道路模拟；AMESim；仿真；控制参数；优化设计

液压系统的优化是优化设计理论在液压系统中的应用，液压系统中执行元件的动态性能的

优化，液压系统的优化对象主要有效率、相对稳定性、快速性、综合控制性能、抗干扰能

力、稳态精度等。不仅使其传动功能达到最优，也使其控制性能达到最优，遗传算法是一

种模拟生物在自然界环境中的遗传和进化过程而形成的自适应全局优化概率算法，现在其

应用范围几乎涉及到所有用传统的优化方法难以解决的优化问题。本文借助AMESim中的

设计开发模块（DesignExploration）中的遗传算法对道路模拟液压系统的PID控制参数

进行了优化研究，并给出了仿真与优化的结果。

1道路模拟系统的要求

车辆市场的竞争的激烈，要求车辆生产设计厂家必须以最快的速度推出可靠的产品才能赢

得市场。然而产品的可靠性需要进行大量的实车试验才能获取。随着电液伺服技术的发展，

道路模拟试验台为替代传统的实车试验和实际道路试验提供了一个有力的工具。道路模拟

试验在车辆开发试验阶段是必不可少的。道路模拟液压伺服系统和其他类型的液压伺服系

统相比，有下列要求：

（1）液压执行机构的功率－重量比大，因此要求道路模拟的液压伺服控制系统的加速性好，

结构紧凑，尺寸小，重量轻。则要求液压伺服控制系统中，必须有提高供油压力的能力，

来满足较高的力或扭矩，部件的强度必须满足高强度要求。

（2）液压控制系统要有大的刚度，它受外负载的影响小定位准确。动作时位置误差小，精

度高。另外，要求系统的响应速度快，因为液压弹簧与负载形成的液压谐振频率高。

（3）对任何液压系统而言，温升是个主要的限制条件，液压控制系统要有良好的解决散热

问题，虽然液压油本身就是一个很好的载热介质，在系统工作过程中它可以把由于功耗而

产生的热量从发生的地方带到别的地方通过热交换散热，但在设计时要考虑在一定功率条

件下减少部件尺寸，提高系统的功率－重量比。

对于液压伺服系统要求，就是要体现良好的稳定性、动态特性和稳态特性，但这三个要求

是有条件制约的。提高功率－重量比就会限制到制造材料的强度，提高了成本；改善响应

速度和减少位置误差，则会引起系统的振荡；提高散热性能则会影响系统的功率－重量比。

在初步确定设计方案后，这些将取决于被控对象和控制装置之间、各功能元部件的特性参

数是否匹配得恰当，这就需要协调各个参数使控制器按照设定的工作方式工作。

2基于遗传算法的PID参数整定原理

在确定了被控对象的模型及对控制系统的技术要求之后，为了确定控制器的参数，需要进

行大量的计算。工程实践上常用方法是经验法和试凑法，这样的设定参数方法对比较简单

的被控对象模型应用较多。通常的工作步骤是设计者根据对实际系统的了解，先初步确定

控制器参数的一组初始值，通过软件仿真或者直接在实际系统中应用，得到系统对典型输

入的响应特性，然后对结果进行分析，修改参数，重新进行仿真或实验，直至性能满足系

统的要求。PID参数的调整在理论上的方法主要有Ziegler－Nichols设定法、临界灵敏度

法、ISTE最优设定法、基于增益优化参数整定法和基于总和时间常数法等，但理论的前

提是要有被控对象的准确的数学模型。随着科学技术的发展和应用范围的扩大，系统越来

越复杂，对控制的效果也提出了更高的要求，继续采用上述方法已经不适合发展的要求，

所以为了获得最佳的设计效果，出现了最优化技术。

2．1遗传算法的概述

遗传算法是建立在达尔文自然选择原理基础上的一种优化方法。遗传算法的基本思想是：

仿效生物学中的遗传过程，遵从生“存竞争，优胜劣汰”的原则，把优化设计有哪些信誉好的足球投注网站空间映射

为生物遗传空间，将设计变量映射为遗传染色体既个体，所有个体组成遗传群体，并按每

个个体生存的适应程度大小进行评价，通过对群体进行选择、交叉、变异等遗传操作，将

适应度大的个体保存下来，淘汰适应度小的。经过这样反复操作，直到求出最优个体为止。

2．2基