钢管倒棱机液压伺服系统的仿真分析.pdf

2 山西冶金 S HA NXI ME I ．AI URG Y T o t a l 1 3 4 No ． 6 ， 2 01 1 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 1 0 6 0 0 4 3 0 3 钢管倒棱机液压伺服系统的仿真分析 吴伟 张强 中国重型机械研究院有限公司， 陕西西安7 1 0 0 3 2 摘要 利用A ME s i m 系统仿真建模工具建立了该伺服 系统的仿真模型， 对其动态性能进行了仿真和分析。 为 其校正和改进提供了参考。 关键词 倒棱机液压伺服 系统仿真模 型 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 2 6 倒棱机是钢管精整线中不可缺少的深加工设 备， 用于对管端进行倒坡口、 平端面和去毛刺加工， 使之符合 A P I 、 D I N和 S N S I 等国际标准。中国重型 机械研究院在国内率先开展倒棱机的研发工作并形 成系列产品， 采用如仿形刀具 、 主轴箱预紧轴承 、 浮 动夹紧、 带锁定的固定夹紧、 液压缓冲定位和轴向液 压伺服进给等技术， 在业内居于领先地位。 作为倒棱机核心设备的伺服系统的动静态性能对 系统稳定性、 响应速度和精度有着最直接影响。 以下利 用A M E s i m就倒棱机液压伺服系统进行仿真分析。 1 仿真环 境 A ME s i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v r i o m e n t f o r S i m u l a t i o n s o f E n g i n e e r i n g s S y s t e m 是法国 I MA G I N E 公司于 1 9 9 5 年开发的建模及仿真软件。 它的特点是 多学科同一建模平台、 图形化建模方式、 智能求解、 完善的分析工具等，使用户在仿真计算后能够方便 进行分析和优化⋯ 1 。 2 两种建模方式的对比 在大多数电液控制系统中，由于元器件的动态 相应远远高于系统负载的动态响应，因此在分析系 统动态响应时 ，只需要了解元器件在一定频率段的 动态特性即可。 为了简化分析， 并考虑系统具有较好 的等效精度，一般的控制系统中伺服阀与伺服油缸 均采用二阶振荡环节形式的传递函数，而 A M E S i m 可根据模型自 动选择最佳算法 ， 并根据不同仿真时 刻的特点， 动态地切换积分算法和调整积分步长， 以 缩短仿真时间和提高仿真精度。内置式数学连续处 理工具解决了数字仿真中间断点的问题[ 2 ] 。故人工 第一作者简介 吴伟 1 9 8 0 一 ， 男， 主要从事流体控制技 术 方 面的工 作 ，工程 师 。T e h 1 3 0 7 2 9 8 0 3 4 8 ， E ma i h w u w e i 6 1 2 5 2 5 s o h u ． c o rn 建模不仅费时费力，而且在准确性上同样逊于利用 仿真软件建立的模型。 3 仿真模型 3 ． 1 建模 倒棱机伺服系统工作原理框图如图 1 所示。由 图 1 可知，位移传感器把油缸的位置信号反馈回来 和给定信号做比较， 得到一个偏差， 此偏差经放大后 作为伺服阀的输人信号来控制阀的开口度，最终按 比例控制油缸的运动。图 2 见下页 是根据某型倒 棱机液压伺服系统原理 ，调用 A ME s i m 自带 的机械 库、 电气库和液压库图形建立的仿真模型。 图 1 电液位置伺服 系统工作原理框图 3 ． 2 参数设定 即使同一模型设定不同的参数也会导致差别很 大的仿真结果， 直接影响到仿真质量。 所以除了数学 模型整体参数要相匹配之外， 也不能忽视个体模型 参数的合理性。 3 ． 2 ． 1 油泵装置 按照理想状态考虑 ， 忽略泵的机械和容积效率。 泵排量设为 4 5 m L ／ r ， 转速设为 1 5 0 0 d m i n 。 3 ． 2 ． 2 溢流阀装置 我们认为溢流阀在其设定的工作范围内流量压 力曲线是线性的， 其溢流压力设为 1 2 M P a 。 3 ． 2 ． 3 蓄能器装置 蓄能器工作在绝热过程， 即适合波义耳定律。 充 气压力设为 8 ．4 M P a ，容积为 2 5 L ，绝热过程指数 山西冶金 E ma i l y e j i n s x 1 2 6 ． c o rn 第 3 4卷 图 2 仿真模型 1 ． 4 [ 。 3 ．2 ．4 电气输入信号 电气输入为阶跃信号， 开始时间设为 1 S 后， 目 标值为0 ． 1 2 m 。 3 ．2 ． 5 位移传感器 位移传感器的参数为默认值。 3 ． 2 ． 6 P I D调节器 P I D调节器是本模型中最关键 的环节。为全面 了解模型动态性能 ， 将 比例系数 分别 设为 1 0 0 ， 1 0 0 0 和 1 0 0 0 0 ， 有意使它们相差较大； 积分和微分 系数先设为 0 。 3 ． 2 ． 7 伺服阀 根据伺服阀样本， 其固有频率是 4 0 H z ， 阻尼系 数为 0 ． 8 ， 最大输入 电流为 6 0 m A。 3 ． 2 ． 8 油缸 图 2中油缸是非标缸 ， 它的缸径 、 杆径 、 行程分 别是 1 2 5 ， 7 0 ， 1 5 0 m i l l 。 3 ．3 仿真分析 在 A M E s i m平台的p a r a m a t e r m o d e 参数 模式 下， 设置 s e t t in g 菜单中B a t c h p p a r a m a te r 批处理 ， 把 P I D调节器中比例系数分别设为 1 0 0 ， 1 0 0 0 和 1 0 0 0 0 ； 在 R u n p a r a m a t e r 运行 将仿真时间设为 6 S ， 时间间隔为 0 ．0 1 s ； 而后 S t a r t a s i m u l a t i o n 仿真 ， 进入 V a r i a b le L i s t 对话框， 从变量条里选定位移项， 最后单击右下角 p l o t 项得到如图 3所示的曲线。图 4是在图 3 基础上增加积分环节后曲线局部放大 图，图5 是在图4 基础上增加微分环节后曲线局部 放大图。 3 ＼ 2 I ，I 1 ⋯ ⋯ ／ y 0 ． 1 2 06 0 ． 1 2 04 O ． 1 l 9 8 O ． 1 l 9 6 时间 ／ s 图 3 } 例环节下的位移曲线 ， l ／ 一 l l l jl1l{I 睡 1 j] l l，1 { } j I I J 强 ● _ I l 精 、 I 1 ．J ． I J-1 -’1 、 、3 0． 1 2 06 O． 1 2 O4 3 ． 2 3 ． 4 3 ． 6 3 ．8 4 ． 0 4 ． 2 时间 ， s 图 4 增加积分环节的位移放大 曲线 二 ， 3 i i i L 糠 艇 撕 l 赫 蕊 I． 1 l f 强 f 鞋 { 1 。 0】 『 I● | 2 通过观察位移曲线能够发现比例增益越大， 系 统响应越快； 但过大的比例作用会使系统有比较大的 超调， 并产生振荡， 使系统的稳定性下降， 甚至造成系 统的不稳定，比如图3中曲线 1 K 1 0 0 、曲线 2 2 O 加 ∞ O O 眦 ， j 羁 } 2 0 加 加 l l O O 吡／ ． 4 5 。 _ 薹 A bstractTo use AiEsim system simulation m⋯odeli ng to ols,一which a sirnu幽tauog 试“喝 n蝎