新型三自由度电液比例并联仿真平台液压系统动态特性分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e Ms ／ No ． 0 6 ． 2 0 1 3 新型三自由度电液比例并联 仿真平台液压系统动态特性分析 霍 电辉 ， 贾跃虎 ， 安高成 ， 白晨媛 ， 赵 婕 ， 邢 丰 1 ． 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原科技大学华科学院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍 了一种 由计算机 控制的三 自由度并联 电液 比例动感座椅仿真平 台。 对该液压系统建 立了基于 A M E S i m的位置伺服系统的 模型 ． 就 主要参数 的变化 对系统动态特性的影响进行 了仿真分析 。 结果显示 负载的不断增大将 对系统动态性 能产 生不利影 响 ； 比例阀 通径过小不利于系统 的速度 响应 。 但是过大将产生速度波动 死区对系统动态特性有一定不利影响。通过控制软件编程 的灵 活性 能够 将其 控制在不影响设备仿真性能 以内。 关键词 并联 电液 比例 仿真平台 ； 动 态特性 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 6 0 0 0 9 0 3 S t u d y o n Dy n a mi c C h a r a c t e r i s t i c s o f a Ne w 3 - DOF E l e c t r o - h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l P a r a l l e l S i mu l a t i o n P l a t f o r m Hy d r a u l i c S y s t e m HUO Di a n - h u i ， J I A Y l l ,e - h u 。 AN Ga o - c h e ， B AI C h e n - y u a n 。 Z HA0 J i e 。 XI NG F e 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y - C h i n a A c a d e m y o f S c i e n c e s ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， a n e w 3 - DOF p a r a l l e l E l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l d y n a mi c s i mu l a t i o n p l a tf o r m c o n t r o l l e d b y c o mp u t e r i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． Th e i n f l u e n c e o f t h e k e y p a r a me t e r s ’ c h a n g i n g o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m h a s b e e n a n a l y z e d b y s t u d y i n g o n t h e AME S i m p o s i t i o n s e r v o mo d e 1 ． Th e r e s u l t s p r o v i d e t h a t b i g l o a d wi l l p r o d u c e a d v e r s e e f f e c t t o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m．I t w i l l g o a g a i n s t t o t h e d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s y s t e m i f t h e p r o p o r t i o n a l v alv e d ri f t d i a me t e r i s t o o s mall ， c o n tra r y wi l l p r o d u c e v e l o c i t y fl u c t u a t i o n ．De a d z o n e wi l l p r o d u c e t i n y a d v e r s e e f f e c t t o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m． Ho w e v e r ， t h e y wi l l h a v e n o i n flu e n c e o n t h e s i mu l a t i o n p e r f o r ma n c e o f t h e s i mu l a t i o n p l a t f o rm i f w e w r i t e p r o g r a m a g i l e l y ． Ke y wo r d s p a r a l l e l ； e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rti o n a l ； s i mu l a t i o n p l a tf o rm ； d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c s 0 引言 随着计算机仿真技术 的发展 ．在工程系统的设计 中使用计算机对实际系统 的动态特性进行数字仿真成 为可能。通过对液压系统 的仿真 ， 设计人员可以在设计 阶段就考虑到液压系统动态特性 ．这会大大地缩短液 压系统或元件 的设计 周期 ．且可及早地认识到该 系统 在动态特性方面所存在的薄弱环节并加 以消除。而且 ． 通过仿真还 可以对所设计 的系统有更 深入 的了解 ． 从 而达到优化系统、 优化元件、 优化参数 的目的。 D 。 S t e w a r t 设计研 制出了一台广受推崇的六 自由度 并联机构并以其名字命名为 S t e w a r t 平台。图 1所示 的 平 台机构就是典型的 S t e w a r t 形式 的空间并联机构 其 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 0 4 作者简 介 霍 电辉 1 9 8 5 ～ ， 男 ， 河南 濮 阳人 ， 硕士研究 生 ， 主要 研究方 向 为流体传动与控制 。 后国内外对其产生了深厚 的研究兴趣 ． 研制 出应用领域 广泛的六 自由度并联电液伺服仿真平台 这种设备硬件 系统设计简单但是控制算法和软件的开发十分复杂 ． 另 外由于使用了伺服阀． 成本相应提高。本论文设计了一 种新型的三 自由度并联电液 比例仿真平 台． 控制算法 比 较简单 。 降低 了成本 ， 并且拥有一定的应用领域。 本文应 用 AME S i m仿真软件平 台． 对其位置伺服系统进行动态 特性仿真分析 ． 经过分析得出利用高性能的电液 比例 阀 取代电液伺服阀构成闭环制系统是可行的 图 1 六自由度 S t e wa r t 形势并联平台 9 液 压 气动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 O 6期 1 并联仿真平 台工作原理及其位置伺服 系统简单介绍 平台的液压系统原理 图如图 2所示 ．图中液压泵 的输出压力油分成 3路 。 分别经比例阀后进人液压缸 从而使 3个液压缸的运动仅受控制电压 的影响 ．能容 易地实现 同步 ．即可同时升降或分别按特定的曲线运 动。只要发生预想的控制 电压波形 ． 并用它来控制比例 阀， 平台就能输出相应的波形 。 1 ～ 叶 片 泵2 一 高 压 过 滤 器3 、 4 、 5 一 比 例换 向 阀6 、 7 、 8 一电磁 球 阀 图 2平台液压 系统原理 图 本系统采用的比例换 向阀控制电压为 1 0 V．其 中 死 区 电压 0 2 V。 电气控制系统 由一台 P C机和数据采集卡组成 ． 其 中关键部分是 C P U对输入输 出信号的处理 位移传感 器的信号经 A ／ D转换后与控制程序产生的控制信号 比 较 ． 得出差值控制信号。由于实际控制系统的惯性和滞 后较大 ， 为此 ， 对差值控制信号进行 了数据 P I D调节 。 经 P I D调节后的信号送入数据采集卡 ．经 D ／ A转换和 比例放大器 。 最后用来控制比例阀和液压缸。图 3为单 缸 电液 比例控制系统原理图。 主控 数据 三 自 计算 采集 由度 仿真 机 卡 一 I位移 l l 平台 一 图 3 单缸 电液 比例控制 系统原理图 上位机控制软件采用 V C 编程 ． 充分利用 了其友 好 的界面及 P C机超强的算法计算能力完成对平台姿 态坐标转换的实时计算 ， 另基于 O p e n G L技术对平 台轨 迹规划进行三维立体动态仿真分析。 1 O 2 A M E S i m仿真模型建立 A ME s i m是基于键合 图的液压／ 机械系统建模仿真 及动力学分析软件 A ME S i m提供 了一个系统工程设计 的完整平台 ．使得用户可以在一个平 台上建立复杂的 多学科领域系统的模 型 ．并在此基础上进行仿真计算 和深入的分析。本论文以其中某一个缸为研究对象 ， 其 在 A ME S i m 中的仿真模型如图 4所示 ．部分基本参数 见表 1 图 4单缸 电液 比例位置伺服系统仿真模型图 表 1 仿真模型部分基本参数 3 模型仿真及结果分析 3 ． 1 A ME S i m 模型 仿真 以阶跃输入经典工况为分析对象 ．对其动态特性 进行分析 。仿真过程如下 首先建立仿真模型原理图。 其次 ． 为元件选取数学模型 ． 本系统选择最简单的数学 模 型 ．将连接伺服缸与比例阀的管道设置为可压缩加 摩擦的管道模型 HL 0 1 利用 A ME S i m 中内嵌 的遗传算法对 P I D控制器参 数进行优化 ， 结果为 比例增益 系数 K 8 0 ； 积分 系数 K i 0 ． 5 ； 微分系数 Kd 0 ． 0 7 。 由于篇幅限制 。 P I D控制器参 数优化过程不再赘述。比例阀放大器增益系数 3 0 。 接 下来 在 P a r a me t e r 模式下设 置部分 图形模块 的 仿真参数 。部分元件仿真参数设置见表 2 。 3 ． 2有关参数对 系统动态特性的影响 为 了更好地掌握影响系统动态特性的因素 ．利用 AME S i m的批处理功能设定模型元件的参数值 ． 可以提 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． O 6 ． 2 01 3 供一组不 同设定值下 的仿真结果 ．从而了解有关参数 对系统性能影 响的程度 ， 方便系统参数优化 ， 为改善系 统动态性能提供依据 。鉴于比例 阀和伺 服阀的区别在 此选择 以比例 阀死 区、 通径大小以及负载的大小为例 ， 说 明参数对系统动态特性的影响。 表 2 仿真参数设 置 1 比例阀死 区对液压系统动态性能 的影响 由于比例 阀存在死区 ．伺服阀不存在死区所 以对 在 比例阀控缸 的位置伺 服系统 中研究其动态特性有重 要意义 。 对控制软件的编程将提供重要依据 。图 5为比 例 阀死 区大小对 液压 缸活塞杆速度响应的影 响曲线 ． 图 6为其局部放大曲线图 由图 6可知 ． 大死区将影响 系统 的稳定性 ．软件编程 阶段要对死区信号进行慎重 地考虑。 _ _ g ＼ 0 O 1 O 2 O 3 0 40 5 O 6 O 7 O 时间 ／ s 图 5比例阀死区对活塞杆速度响应 的影 响曲线 O 3 0 0 2 5 O2 0 乓0 1 5 簧 ． 1 0 稳定性 。随着负载 的增大 ， 由于负载惯性 的影响 ， 对系 统的响应速度造成不 良影 响。所以设计仿真平 台时尽 量减小负载的大小 ， 或者通过加强软件编程 的功能 ， 加 强控制器对信号 的处理功能来提高系统的动态性能。 O 3 O 0 2 5 02 0 0 ． 1 5 0 l O 0 0 5 0 O 0 l 0 2 O 3 0 4 O 5 O 6 O 时间 ， S 图 7不 同通径下 系统的速度响应 曲线 m4 0 k g ⋯ l O O k g 图 9不 同负载对 系统 的速度响应局 部放大 图 4结 论 经过对 电液 比例三 自由度仿真平 台液压系统 的建 模和仿真分析 ． 结果表明 比例阀死区越大系统的响应 速度波动越大 比例 阀通径的大小对系统动态性能有 比较大的影响 大负载将不利于系统的稳定性。以上研 究对控制软件上位机的编程提供 了重要依据 ．将对系 统 的设计和编程提供有益的帮助 参考 文 献 f 1 1 付永领， 赵克， 龙满林． 低换 向冲击 直动式非 线性 比例 换 向阀 设计与仿真【 ．I ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 3 8 4 8 6 ． [ 2 】 黎启柏， 朱建辉． 三 自由度平台电液比例闭环控制系统[ J ] ． 液 压 与气 动， 2 0 0 2 ， 4 ． 【 3 】 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 ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 3 2 8 3 1 ． 苏东海， 任大林， 杨京兰． 电液 比例 阀与 电液 伺服 阀性 能 比较 及前景展望[ J 】 ． 液压 气动与密封， 2 0 0 8 ， 4 1 4 1 6 ． 『 5 】 孙静， 王新 民， 金 国举． 基 于 A ME S i m 的液压位 置控制 系统动 态特性研究【 J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 1 2 0 1 2 2 ． f 6 ]6 付永领 ， 祈晓野． A ME S i m系统建模和仿真 从 入门到精 通[ M】 ． 北京 北 京航 空航 天大学 出版社， 2 0 0 6 ． 【 7 】 路 甬祥 ． 电液 比例控制技 术【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 8 ． 】】