基于AMESim的液压位置控制系统动态特性研究.pdf

2 0 1 2年 6月 第4 0卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 1 ． 0 3 6 基于 A M E S i m的液压位置控制 系统动态特性研究 孙静 ，王新民，金 国举 西北工业大学 自动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要利用 A ME S i m的批处理功能，分别设置前置放大器增益、伺服阀频率和阻尼比、液压缸死区油量及溢流阀的有 无，对某位置控制系统的动态跟踪误差和稳态误差进行定性分析。结果表明A M E S i m能很好地模拟闭环控制系统的动态 特性，选择合适的参数 ，才能保证整个系统性能良好。 关键词A ME S i m仿真；液压位置控制系统；动态特性；批处理功能 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 1 2 0 3 S t ud y o n Dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c s o f Hy dr a ul i c Po s i t i o n Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m S U N J i n g ． WA N G X i n m i n ． J I N G u o j u C o l l e g e o f A u t o ma t i o n ，N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Us i n g t h e b a t c h p r o c e s s i n g f u n c t i o n o f AME S i m ，s e t t i n g p r e a mp l i fi e r g a i n，d a mp i n g r a t i o a n d f r e q u e n c y o f s e n o v a l v e，d e a d o i l a mo u n t o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h e e x i s t e n c e o f r e l i e f v alv e r e s p e c t i v e l y ，d y n a mi c t r a c k i n g e r r o r a n d s t e a d y s t a t e e r r o r o f t h e t y p i c a l p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m we r e a n aly z e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t a p p r o p ri a t e p a mme t e r s a J e v e r y i mp o r t a n t t o s y s t e m p e r f o r ma n c e ．AME S i m c a n c o mme n d a b l y s i mu l a t e t h e d y n a mi c b e h a v i o u r o f c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s AME S i m s i mu l a t i o n；Hy d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m ；Dy n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ；B a t c h p r o c e s s i n g f u n c t i o n 建模与仿真是一般系统设计的必经阶段。建模的 方法有传递函数法和状态空间法，数学模型建立后对 其在时域或频域内进行分析 ，根据各种理论方法或仿 真软件对系统的动态特性进行研究。A ME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g En v i r o n me n t f o r S i mu l a t i o n o f e n g i n e e r - i n g s y s t e ms 是系统工程高级建模和仿真平 台，是一 个直观的图形界面建模平台，在整个仿真过程中系统 模型可 以显示在该平 台 中。A M E S i m友好 的图形化 界 面使得用户可以在完整的应用库中选择需要的模块来 构建复杂系统 的模 型并 能方 便地 进 行仿 真 和优 化分 析 ， 便于工程技术人员掌握 ， 非常适用于机械和液压 仿真 。 1 A ME S i m的 4种工作模式 用 A M E S i m搭建系统方案，修改元件子模型，设 置模型参数 ，运行仿真。每一步都与 A M E S i m的一个 工作模式相对应。从系统原理图到仿真模型的完成有 4个 步骤 1 草 图模式 S k e t c h M o d e 1 完 成草 图 的绘制 。在该模式下 ，可 以创建一个新 系统 ，修改或 完成一个 已有 的系统 。它是 应用库按钮和锁定按钮都 唯一可用的模 式 。 2 子模 型模式 S u b m o d e l m o d - e 1 给系统选择子模型。在该模式下，可以给每个 元件选择子模型；使用 P r e m i e r S u b m o d e l 按钮；删除 元件的子模型。 3 参数模式 P a r a m e t e r M o d e 1 给模型设置参数。在该模式下 ，可以检查或修改子模 型参数 ；拷贝子模型参数；设置全局参数 ；选择方案 的一部分 区域 ，显示 出这一 区域 的共 同参 数 ；设 置批 运行。 4 仿真模式 S i m u l a t i o n M o d e 1 设置仿真 参数并进行仿真，获得仿真结果。在该模式下 ，可以 初始化标准仿真和批处理仿真运行 ；绘制结果图；存 储和装载所有或部分坐标图的配置；初始化当前系统 的线性化 ；完成线性化系统 的各种分析 ；完成活性 指 数分析 。 2 A ME S i m在液压系统中的应用 2 ． 1 液压位 置控 制 系统 的 工作原理 图 1为在 S k e t c h M o d e l 模式下绘制的一个典型的 液压位置控制 系 统 ，在 S u b ． m o d e l Mo d e l 模 式 下 为每 一 个模块选择了最简单的子模型。该系统主要由液压 缸 1 、质量块 2 、三位四通阀3 、位移传感器 5 、液压 泵 7等元件组成。位移传感器将液压缸的位移信号转 换成电信号并与给定信号进行比较 ，形成闭环误差信 号 ，经 比例放 大驱动伺服 阀动作 ，来 改变液压缸供油 和回油方向，不断调整活塞杆位移直至与期望值偏差 收稿 日期 2 0 1 1 0 52 3 作者简介 孙静 1 9 8 6 一 ，女 ，在读研究生 ，研究方 向为 自动化检测装 置及 液压控制及测试 。Ema i l s u n j i n g 1 9 8 6 1 0 2 4 1 6 3． c o rn。 第 1 1 期 孙静 等基于 A ME S i m的液压位置控制系统动态特性研究 1 2 1 为零。 l 一 液 压缸卜质量 块卜三位 四通 周4 一 前置放 大器5 一位 移传感 器 6 一分阶段信号源 7 一液压泵 8 一发动机 争 一溢流阀 l O 一油箱 l 1 一蓄 能器 l 2 一力传感器1 3 一阶跃信号 图 1 液压系统原理图 2 ． 2参数设 置 及仿 真 在 P a r a m e t e r M o d e l 模式下设置模型参数如下液 压缸 1 活塞直径 3 0 m m，活 塞杆直 径 2 0 m m，活塞 杆行程 0 ． 8 m，死区油量5 0 o m 。 ； 质量块 2质量 1 0 0 0 k g ；三位四通阀 3 各通路流量 1 L ／ m i n ，压降 0 ． 1 MP a ，额定电流4 0 m A，固有频率．厂 为5 0 H z ，阻尼比 z为 2 ；前置放大器 4增益设置为7 0 0 ；位移传感器 5 增益设置为 1 ；分阶段信号源 6 设置 t 0～1 S 内为 0 ，t 1～ 4 S 从 0变化到 0 ． 8 ， 4～6 S内保持为 0 ． 8 ，t 6 9 S内从 0 ． 8变到 0 ． 2 并保持不变；液压 泵 7 排 量 1 0 0 m L ／ r ，转速 1 0 0 0 r ／ m i n ；发动机 8转 速为 1 5 0 0 r ／ m i n ；信号源 1 3 阶跃时间为 t 0 s ，阶 跃前为0 ，阶跃后为 1 0 0 0 。 其他参数设置为默认值。 进入 S i m u l a t i o n M o d e 模式，在 S e t t h e R u n P a r a m e t e r 下设置仿真参数为仿真时间为 0～1 2 S ，采样 周期为0 ． 0 5 S ；点击 S t a r t a S i m u l a t i o n 按钮开始仿真。 从 图 2 3来 看 系 s 。 。 统稳态时液压缸活塞杆的 目6 0 0 位移为 0 ． 2 0 0 0 2 8 m，由 o 0 于输入信号 的稳态值 为 2 0 0 0 ． 2 ，故液 压 缸活 塞杆 的 o flo w ra te a l D 0 『 I 1 D 『 e s 钏f e a t p o r t 2 flo wta rea 【 p o r t 2 fo i c e e x e r t e d b a c t u a to r ro d in p u t v e lo c it in p u t d is p la c e m e n t 0 ． 0 0 1 0 5 2 4 7 L ／ m in 1 1 3 ． 5 5 9 b a r 0 ． 0 0 0 5 0 8 8 2 8 L ／ m in 9 6 2 ． 7 5 1 N 0 ．0 0 0 5 6 4 3 2 3 m ／ s -0 ． 2 0 0 0 2 8 m le a k a g e flo w r a t e 0 L ／ m in 图3 液压缸活塞杆位移的稳态误差值 40 2 0 昌 宕 墒 0 媸 -2 0 40 0． 30 0 ． 1 O 旦0 ．O ． 1 0 0 2 4 6 8 1 0 l 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 时间， s 时 间， s 图4 动态误差曲线 图5 液压缸活塞杆 的速度曲线 2 ． 3 前置放大器K对系统性能的影响 由于闭环系统的前置放大器增益 对系统性能 的影响较大 ，改变 值 的大小 ，可以调节系统的动 态误差和稳态误差。运用 A M E S i m的批处理功能，设 置不同的参数 K来研究系统的动态特性。在参数模 式下点击菜单栏设置按钮下 的批 参数 B a t c h P a r a m e ． t e r 设置参数 K的值。参数设置后开始运行，首先 进入运行模式，在设置运行参数 S e t t h e R u n P a r a m ． e t e r 下将 运 行 类 型 R u n T y p e 设 置 为 B a t c h类 ， 然后开始运行 。 图 6 ，表 1 ，图 7 、8分别为前置放大器增益 K取 3 5 0 、7 0 0 、1 4 0 0时，液压缸活塞杆位移曲线、系统 的稳态误差值、系统动态跟踪误差曲线、液压缸活塞 杆速度曲线。 昌 昌 莉 800 i 5 0 0 簿 2 0 0 ．10O 0 2 4 6 8 1 0 1 2 时 间， s 图6 液压缸活塞杆位移曲线 表 1 K取不 同值时 的稳态误差 图 7 液 压缸 活塞杆位 移的误差曲线 。 。 邑 蠹 ．。 ．0 0 2 4 6 8 l O l 2 时 间， s 图 8 液压缸活塞杆 的速度曲线 亭 1 2 2 机床与液压 第4 0卷 由表 1 可以看出K值越小 ，系统的稳态误差越 小 ；K值 越大 ，系统的稳态误 差越大 。由图 7可以看 出， 值越小 ，系统 的动态跟踪误差越大；K值越 大，系统的动态跟踪误差越小 ；当 值大到一定值 后 ，跟踪误差会出现超调甚至振荡，使系统不稳定。 由图 6和 8可 以看 出 前置放大器增益 K对液压缸活 塞杆的位移影响较小 ，而对液压缸活塞杆的速度影响 较大 。因此 在设计 系统时 ，K的选取是否合适 ，对于 整个系统性能的好坏有着重要的影响。 2 ． 4 伺服阀的频率和 阻尼 比对系统性能的影响 图9为伺服阀的频率分别取 5 、5 0 、5 0 0 H z ，其 他参数保持不变 时系统跟踪误差 曲线 。由此得 出 伺 服阀的固有 频率过小 ，响应速度太慢 ，会 导致 动态跟 踪性能较差 ，跟踪 效果不好 ；固有频率 过大 ，阀的响 应速度较快 ，会加剧 系统振 荡 ，增大 系统稳 态误 差 ， 使系统不稳定。图l 0为伺服阀的阻尼比分别取 0 ． 2 、 2 、2 0 ，其他参数保持不变时系统跟踪误差曲线。由 此可 以看 出 伺服 阀的阻尼 比越 小 ，阀的响应 速度越 快，振荡加剧，稳态误差增大，过大时使 系统不稳 定 ；阻尼比越大，响应速度越慢 ，动态跟踪精度较 差，跟踪效果不好。因此要适当选择伺服阀的频率和 阻尼 比 ，才能保证整个系统 的性能 良好 。 若 鲁 0 2 4 6 8 I O 1 2 0 2 4 6 8 l 0 1 2 时间， s 时 间， s 图 9 频率取不同值 图 1 0 阻尼比取不同 时误差曲线 值时误差曲线 2 ． 5液压 缸死 区油量对 系统 性 能的影 响 液压缸各 口死 区油量分 别设置 为 5 、5 0 、5 0 0 c m ，其他参 数保 持不变时 ，从 图 1 1 可 以看 出液压 缸死区油量越大 ，油液的可压缩性就越明显 ，系统就 越不稳定 。 40 2 0 昌 。 ．2 0 ．4 0 0 2 4 6 8 l O l 2 时间， s 图 1 1 液压缸死区油量取不同值时系统误差曲线 2 ． 6 溢流阀的有无对 系统性能的影响 图 l 2为 系统模 型有溢流阀时的动态跟踪误 差曲 线 ，图 1 3为系统模 型无 溢流 阀时 的动态跟 踪误 差 曲 线。可 以看 出 无溢流 阀时系统 出现 明显振荡 ，稳定 性不 够。因此在 系统 中设 置溢流 阀很有 必要 ，它可以 使液压泵多余的流量流回油箱，使系统更加平稳。 时 间， s 0 2 4 6 8 1 0 l 2 时 间， s 图l 2 有溢流阀时系 图 1 3 无溢流阀时系 统的误差曲线 统的误差曲线 3结论 利用 A ME S i m对液压位置控制系统进行仿真 ，以 图形界面建模 ，仿真结果形象直观，易于理解 ，根据 仿真结果得出结论 如下 1 A M E S i m仿真结果中包含系统稳态误差的精 确值，能够定量计算系统的性能指标。 2 A M E S i m的批处理功能是很多仿真软件所没 有的，这使得仿真过程简单 ，结果明了。 3 闭环 系统前 置放 大器 增益 对 系统 性 能影 响 较大。 越大 ，系统稳态误差越大 ，动 态跟踪误差 越 小；K值越小，系统稳态误差越小 ，动态跟踪误差越 大。因此要使系统具有 良好的性能指标，K必须取得 合适。 4 伺服 阀的频率 -厂 越小 ，响应速度越慢 ，系统 的动态误差越大 ，稳态误 差越 小 ； f越大 ，系统 的动 态误差越小，响应速度越快，稳态误差越大。 5 伺 服 阀 的阻 尼 比 z越 小 ，响应 速 度 越 快 ， 系统的动态误差越 小 ，稳 态误 差越大 ；Z越大 ，系统 的动态误差越大 ，响应速度越慢 ，稳态误差越小 。 6 液压缸死 区油量 Q 过大 ，油液 的可压缩 性 就越大，会使系统不稳定。 7 溢流阀的有 无对系统性能影响较大 。 参考文献 【 l 】 付永领． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航空 航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】 江玲玲． 基于 A M E S i m的液压系统动态特性仿真与优化 研究[ D ] ． 绵阳 西南科技大学， 2 0 0 7 ． 【 3 】 周能文， 王亚锋， 王凯峰． 基于 A M E S i m的液压位置控制 系统动态特性研究[ J ] ． 机械工程与 自动化， 2 0 1 0 4 8 28 4． 【 4 】 刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模与仿真软件 A M E S i m及其应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ．