基于AMESim和MATLAB的液压缸位置同步控制问题仿真的比较研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 0年 第 6期 基于 A ME S i m和 MA T L A B的液压缸位置 同步控制问题仿真的比较研究 刘天豪 左茂文 李 恒 0 祝 昌洪 1 王振宇 1 1 ． 西南交通大学机械工程学院， 四川成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 德州联合石油机械有限公司． 山东德州 2 5 3 0 3 4 ； 3 ． 西南交通大学力学与工程学院， 四川成都6 1 0 0 3 1 摘要 本文分别基于 Ma d a b ／ S i m u l i n k和 A ME S i m平台 ， 对液压缸位置 同步控制问题进行 了不 同方法的建模及仿真研究 ， 给出了建模 的详细过程 ， 并对仿真运行的结果进行了分 析。仿真结果表明 ， 采 用 M a fl a b和 A ME S i m两种工具所得到 的结果基本一致 同时 ， 也对 A M E S i m的两种不 同建模 方法进行 了比较。结果表 明， 分别采用 A ME S i m液压库子模型建模及 H C D库建模所得模型 的仿真结果完全 一 样 ； 与传统 的 Ma t l a b建模仿真方法相比， A ME S i m工具具有建模过程直观方便 ， 效率 高的特点。 关键字 A ME S i m； Ma t l a b ； 液压缸位置同步控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 1 0 6 0 0 3 2 0 3 Th e Co mp a r i s o n S t ud y o n S i mu l a t i o n I s s ue o f Po s i t i o n S y n c h r o n i z e d Co n t r o l f o r Hyd r a u l i c Cy l i n d e r Ba s e d o n AM ES i m a n d M ATLAB L I U T i a n - h oo ‘ Z UO Mo o - we n L I He Z HU 彻 ， WANG Z h e n - y u 。 1 S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 3 l ； 2 ． D e z h o u U n i t e d P e t r o l e u m Ma c h i n e r y C o ． L t d S h a n d o n g D e z h o u 2 5 3 0 3 4 ；3 ． S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 3 l ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r p o s i t i o n s y n c h r o n i z e c o n t r o l p r o b l e m b a s e d o n Ma t l a b ／ S i mu l i n k a n d AME S i m． G i v e n t h e d e t a i l e d mo d e l i n g p r o c e s s a n d a n a l y z e d the s i mu l a t i o n r e s u l t s ， Wh i c h s h o w e d t h a t t h e t w o me tho d s g o t the s i mi l a r ros dm I n the s a n l e t i me ， w e c o mp are d the t wo mo d e l i n g me tho d s o f AMES i m HCD me tho d a n d Hy d r a u l i c me tho d ， t h e y g o t e x t r e me l y the 8 8 1 3 tl e r e s u l t s ；C o m p a r e w i th the t r a d i t i o n al Ma t l a b ／ S i m u l i n k m o d e l i n g m e tho d ，A ME S i m m e tho d h as the ． c h ara c r o f c o n v e n i e n t a n d e ffi c i e n t ． Ke y W o r d s AMES i m；Ma fl a b ；h y d r a u l i c s y n c h ron i z e p o s i t i o n c o n t r o l U 刚 舌 S i m u l i n k是 MA T L AB最重要的组件之一 ，已被广 泛应用于控制理论和数字信号处理的仿真和设计。但 S i m u l i n k本身没有专门针对流体仿真的工具箱 ， 用户使 用时要 自己建立模型 ， 如若遇到较复杂的液压系统 ， 使 用 S i m u l i n k还 需要对 系统 的数学模 型有较 深刻的理 解 。 A ME S i m是世界著名的工程系统高级建模与仿真平 台 ．它 提 供 了 一 个 系统 级 工 程 设 计 的完 整 平 台 。 A ME S i m的图形化用户界面使得用户可以在完整的应 用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统 的模型 ， 从 而使用 户从 繁 琐 的数 学建 模 中解 放 出来 而专 注于 其 物理系统本身的设计。 本文分别用 S i m u l i n k和 A ME S i m的建模和仿真方 法比较研究 了液压缸的同步控制问题。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 3 1 作者简介 刘天豪 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河南南 阳人 ， 西南交大硕士 ， 研究方 向为 新 型驱动节能技术。 3 2 1 液压缸 同步控制问题概述 液压 同步驱动在高精度同步驱动技术 占据非常重 要的地位 。这是 因为同其他同步驱动方式相 比具有结 构简单 、组成方便 、易于控制和适宜大功率场合等特 点。本文研究的控制方法为闭环同步控制， 其系统主要 组成部件包括 液压缸 、 伺 服阀 、 位移传感 器 、 控制器 等。系统控制框图如 1 所示。 图 l 液 压 缸 同 步控 制 原 理 图 2 系统 S i mu l i n k仿真数学模型 的构建 2 ． 1 液 压缸数 学模型 的构 建 现所需为液压缸活塞位移对液压缸输入油液的传 递 函数 ， 简单 推导过 程如下 。 建立液压缸输人流量连续性方程 ，线性化并拉氏 变换可得 Hv d r a u l i c s P ne u ma t i c s S e a l s ／ No． 6 ． 201 0 Q A s K 。 s p 1 t te 建立液压缸活塞的受力平衡方程 ，线性化并拉氏 变换可得 外负载为恒力 p s m s Z X s B r, s X s 2 由式 1 、 2 可 得液 压 缸 活 塞 位 移 对输 人 流量 的 传递函数为 式 中 活塞位移 ； A 液压 缸进 油腔 活塞有 效面积 。 一 液压缸 泄漏 系数 ； 一 液压缸高压腔及进油管路油液体积 ； B 一油液体积弹性模量 ； 曰 。 -一 黏性阻尼系数。 2 ． 2伺服 阀数学模 型 的构 建 电液 伺服 阀的详 细推 导 过程 较麻 烦 ， 在 此 略去 推 导过 程可参 看文 献 1 。其 传 递 函数 常用震 荡环 节来 近 似 ． 即 Q 一 K J 二 。 2 s 1 c ￡ J s v ‘ sv 式中K 电液伺服阀的流量增益 ， 单位为 m 3 ／ s ／ A； 电液伺服阀的时间常数 ， 单位为 S ； 。 电液伺服阀的固有频率， 单位为 r a d ／ s ； 一 电液伺 服 阀的 阻尼 比 ， 无 因次 。 2 ． 3同步 控制 的 S i mu l i n k模型 根据以上液压缸及伺服阀的数学模 型 ，伺服 阀 以电流为输入 ， 流量为输 出， 液压缸 以流量为输入 ， 位 移为输 出， 采用 P I 调节器 ， 根据图 1 ， 可建立液压缸 同 步控制系统的 S i mu l i n k仿真模型如图 2所示 。 图 2踱 压 缸 同 步 控 制 S i i mu l i n k仿 真框 图 3 系统 A ME S i m仿真模 型的构建 如前言中所述 ， A ME S i m基于图形接 口，可直接利 用系统提供的各库中的图形模型以直观的 鼠标拖动连 接办法构建系统仿真模型。对于简单的液压系统仿真 ， 利用液压库 H y d r a u l i c 提供 的各种阀 、 泵 、 马达等 即成 模型即可完成模型的构建和仿 真。但对于复杂的或者 有特殊需求的场合 ，液压库不可能提供所有特殊的各 种液压元件模型，为了解决这个问题 ， A ME S i m提供了 HC D库 ， 即液压元件设计库。 此库提供一些比较通用的 子模型。由这些基础层次的通用子模型 ， 用户可 以构建 出多种符合 自己需求的液压元件模型。 本文所研究的液压系统采用液压库中提供 的模型 即可完成系统模型的构建及仿真。但为了验证两种建 模方法的等效情况， 对液压缸也进行了 HC D建模 。 3 ． 1 液 压缸 的 AME S i m 模型 液压库中提供了几种液压缸的子模型 ，我们采用 的是 a c t u a t o r O 0 2子模型列表 中的子模型 H J 0 2 1 。这个 子模型除了可以描述液压缸 的几何参数之外 ，同时也 考 虑 了液压 缸 的泄漏 、 摩 擦 、 行程 等 ， 但 没有 质 量属 性 ， 故需添加 m a s s f r i c t i o n e n d s t o p s 质量子模 型列表中的 MA S 0 0 5 ，这 个 质 量 模 型 考 虑 了摩 擦 和 限位 。这 与 用 Ma t l a b进行仿 真而建立传 递 函数 时候考虑 的因素一 致 ， 存在可比性 。 完整模型如图 3中虚线框组合模型 3 。 采用 HC D库对上述液压缸进行建模 。首先考虑液 压 缸几 何结 构 ， 采 用 的是 图 中 的子模 型 l 1 B A P 1 1 ， 表 示一 个 “ 半缸 ” ； 泄漏 因素 由模 型 1 2 B A P 1 2 考虑 ； 活塞 及活塞杆质量同样由 1 3 MA S 0 0 5 考虑 ； 液压缸的死区 容积则由模型 I O B H Cl 1 考虑。如此 ， 用 H C D构建了 一 个 完 整 的对 称液 压缸 模 型 图 4中虚 线框 的组 合模 型 3 。 由以上建模过程叙述可知 ，液压缸 Ma t l a b传递函 数 的建立 ，以及 A ME S i m液压库内液压缸模型的选取 和用 H C D库进行的液压缸建模 ，考虑 因素都是一样 的， 设置参数也是相同的。故它们反映的应是同一个液 压缸的工作状态。 3 ． 2 伺 服 阀的 AME S i m 模型 采用的是一个三位四通的电液伺服阀。采用 H C D 库的建模过程 比较复杂 ，这里直接利用液压库提供 的 子模型 S V 0 0 图 4中编号 2 。并保证其参数设置和传 递 函数模 型参 数一 致 。 3 ． 3 系统 的 AME S j m 模型 采用 A ME S i m建立的系统仿真模 型如下 图所示 。 图 3中液压缸模型采用液压库子模 型 ， 图 4中液压缸 图 3 H y d r a u l i c库模型 3 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 6期 模型采用 H C D库构建。5为位移传感器 ， 6是一个比例 因子 ， 用于 比例转化位移值 ， 7为控制信号， 8为 P I 控制 器 ， 9为流量源 ， l为安全阀， 4为力发生器 ， 用于模拟施 加在液压缸活塞上的外力。 图 4 H C D库模型 4 系统 的仿真分析 对 以上 Ma n a b模 型及 AM E S i m模型分别 运行仿 真， 设控制量为 0 ． 3 。并在 Ma t l a b中运用 a m e l o a d t 命 令将 AME S i m中模型的运行结果导人 M a t l a b的工作空 间， 运用 p l o t 命令将两个软件仿真的结果绘制在同一 张 图上 ．以 比较 采用 Ma t l a b及 A ME S i m对 同一 系统 的 仿真结果 ， 如图 5所示。 图 5 A ME m和 Ma d a b仿真结果 比较 同时 ，也对 A ME S i m的两种建模方法的仿真结果 进行了比较 ， 如图 6所示 。 1 o u t p u t US E h y d r a u l i c ‘ ⋯⋯⋯ j ／ j j j ／ | } ／ 图 6 H C D库建模和 H y d r a u l i c库建模 比较 图 5是采 用 A ME s i m 和 Ma t l a b两者 方法 所得 的控 3 4 制结果的比较 ， 可以看出 ， 两条曲线基本一致 ， 但 也并 不完全重合。 思考分析其差异的原因 第一， A ME s i m平 台基于功率键合图理论 ，而 Ma t l a b ／ S i m u l i n k基于传递 函数 ， 两者的建模方法不同 ； 第二 ， 两软件求解器 的求 解算法或有不同。这些都会造成计算结果的差别 ， 具体 原 因有 待于进 一步 的研究 。 图 6是分别利用 H C D库和液压库进行的仿 真结 果 。可见两种方法所得曲线完全重合。 5结 束 语 本文基于一个液压缸位置同步控制系统 ，研究 比 较 了利用 Ma t l a b传递 函数和 AM E S i m图形建模及仿真 的方法 。结果表明， 二者所得结论基本一致而不完全相 同。采用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k的建模及仿真方法是传统的 液压系统仿真分析方法 ， 但其建模过程繁琐而效率低 。 采用 A ME S i m进行建模直观方便效率高。 但对 A ME s i m 的充分把握利用取决于长期的研究使用经验和与实际 实验结果的比较。 参 考 文 献 【 1 】 梁利华． 液压传 动与电液伺 服系统【 M】 ． 哈尔滨 哈尔滨工 程 大 学 出 版社 ． 2 0 0 7 ． 【 2 】 李永堂 ， 雷步 芳 ， 高雨茁． 液压系 统建模与仿 真【 M 】 ． 北京 冶 金 工业 出版 社 。 2 0 0 3 ． 【 3 】 苏东海 ， 孙 占文． A ME S i m仿 真技术在 电液位置 同步控制系 统 中的应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 7 6 1 3 1 5 ． 1 江玲玲 ， 张俊 俊． 基于 A ME S i m 的液压位 置伺 服系统动态性 仿真I J 1 ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 0 7 2 3 5 3 7 ． 『 5 ] 王强 ， 吴张永 ， 李红 星， 等． 基于 A ME S i m的 电液伺 服速度控 制 系统仿真分析f J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 4 3 1 3 3 ． 【 6 】 余佑官 ， 龚国芳 ， 胡国 良． A ME S i m仿真技术及其在液压系统 中的应用『 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 2 8 3 0 ． 【 7 】 韩 虎 ， 等 ． 基 于 MA T L A B液压 系统 的仿真技 术研究 与应用 『 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 7 3 ． 【 8 】 熊绍钧 ， 等． 水工 闸门液压启 闭机 的同步控制实践与分析【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 7 3 ． 『 9 1 熊世军 ， 等． 比例同步液压控制系统在广州“ 西塔 9 0 0 0 k N爬 模机” 上 的应用【 J 1 ． 液压气动 与密封 ， 2 0 0 8 6 ． 母 r 一 牛． 一