基于AMESim的液压位置伺服系统仿真.pdf

第 4期 总第 1 7 3期 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGl NEE RI NG AUT0MATI N NO． 4 Au g． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 6 2 0 3 基于 AMES i m 的液压位置伺服 系统仿真 刘丽霞 ，武建新 内蒙古工业大学 机械 学院． 内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 5 1 摘要 介绍 了 A ME S i m 软件及其特点 ，并应用该软件对 四通道 静力协调 加载 系统 中的一个通道 即液压位 置 伺服系统进行 了模型搭建、参数选择和仿真分析。该系统是 一个 典型的闭环控 制系统，其中包括 比例放大 和 反馈。结果表明，应用 A ME S i m 软件能较好地解决液压系统动态仿真问题。 关键 词 A ME S i m；仿真；液 压伺 服系统 中图分类号 T M9 2 1 ． 5 4 1； TP 3 9 1 ． 9 文献标识 码 A 0 引言 四通道静力协调加载系统是产品安全性能试验的 平台， 其用于试验件的静力加载， 可完成轴压、 弯曲、 压 弯剪 、 拉弯剪试验。而 AME S i m软件作为多领域仿真 集成平台， 首先能够在元件设计时将摩擦、 环境温度、 气体特性 、 油液等许多非常难以建模的因素考虑在内， 进行组件和系统的功能性能仿真及优化 ； 其次也可 以 仿真包括控制器在环的闭环系统 ； 此外还可 以与其他 优秀软件接 口进行协同仿真和优化 ， 使产 品设计 充分 满足实际应用环境的要求 ， 成为设 计液压系统或元件 的必要手段 。本文采用 AME S i m软件 ， 通过对加载试 验台液压位置伺服系统进行动态仿真研究 ， 来了解试 验 台液压系统活塞的运行速度、 动作时间及活塞的行 程等参数以及各元件间的相互影响和作用 ， 从而进一 步完善现有技术。 1 基于 A ME S i m 的液压 位置控 制 系统 仿真 1 ． 1 建立仿 真模 型 首先进入 AME S i m 的草图模式 S k e t c h mo d e ， 在此模式下为系统搭建仿真模 型， 见图 1 。该系统 主 要包括三位四通液压伺服阀、 位移传感器 、 液压缸 、 溢 流阀、 定量泵 、 放大器和信号源等 。该系统是一个典型 的闭环控制系统 ， 其工作原理如下 首先执行机构的输 出位移通过位移传感器转变为信号 ， 然后此信号与给 定的位移信号进行对 比， 得到闭环控制的误差信号 ， 此 差值经放大器进行比例放大后就可驱动液压伺服阀动 作 ， 来开启或关闭对执行机构 的液压 油供应和选择供 油方向， 以实现控制执行机构位移大小及方向的 目的。 执行机构的实际输出位移和给定的期望位移之间只要 存在偏差 ， 系统就会 自动调整输 出位移， 直至二者之间 的偏 差 为零 。 图 1 草 图 模 式 下 捂 建 的 j 臣压 位 置 伺 服 系统 图 1中， 由左边的分段线性信号源来给出期望位 移信号 。有了系统模型之后 ， 点击 s u b mo d e l mo d e进 入子模型模式 ， 在此模式 中需要根据实际情况为各元 件分配一个适 当的数学模型也就是子模型。首先可以 利用首选子模型 P r e mi e r s u b mo d e 1 功能让 AME S i m 自动选择最简单的模型， 然后在此基础 上进行修 改。 本系统 中只需再将连接液压缸与伺服 阀的管道设置为 可压缩加 摩擦 的管道模 型 HL 0 1 c o mp r e s s i b i l i t y f r i c t i o n h y d r a u l i c l i n e ， 以及将 连接伺服 阀进油 口 P 与液压节 点 的管 道设 置 为简 单 可压 缩 的管道 模 型 HL0 0 0 s i mp l e c o mp r e s s i b i l i t y h y d r a u l i c l i n e 即 可 。 选择好子模型之后就得 到如图 2所示伺服系统 ， 然后 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 ‘ 0 3 ；修 回日期 t 2 0 1 2 0 4 1 1 作 者简介 刘丽霞 1 9 8 7 一 ，女 ，内蒙古 巴彦淖尔乌拉特前旗人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方向为四通道液压伺服静力加载系统 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 4期 刘丽霞。 等 基 于 AME S i m 的液压位 置伺服 系统仿 真 6 3 点击 P a r a me t e r mo d e 进入参数模式 ， 并设置仿真模型 中各元件 的参数值 。 图 2 分 配子模型后的液压位置伺服系统 1 ． 2 设置参数 系统参数设定如下 液压缸 活塞直径 2 5 i n I n ， 活 塞杆 直 径 01 2 m； 质 量块 质 量 1 0 0 k g ； 发 动机 转 速 l 5 0 0 r ／ mi n ； 电液伺服阀的阻尼率 2 ， 固有频率 5 0 Hz ， 额定电流 4 0 mA； 泵转速 1 5 0 0 r ／ m i n ， 排量 1 0 0 mL ／ r ； 分段线性信号源设置为 0 ． 1 。其他参数均使用默认值。 在 AME S i m 中， 采用一个二 阶振荡系统来表示三 位 四通液压伺服 阀阀芯的动态特性 。通过 自动控制理 论可知 ， 若闭环控制系统的数学模型是 由二阶系统来 表示的， 那么调整二阶系统前 置放大器的放大倍数将 对该控制 系统的 动态 性能产 生较大 的影 响。在 图 2 中， 可通过改变前置放大器即增益 k ， 以观察实际输 出 的液压缸活塞杆位移 的变化。 运用批处理 功能设定放 大器增益 忌分别为 1 0 0 、 20 0、 50 0、 1 00 0。 1 ． 3 仿 真分析 进入 S i mu l a t i o n mo d e 仿真模式中， 首先点击 s e t t h e r u n p a r a me t e r s ， 设定运行参数中的仿真运行时间 为 2 S ， 采样周期为 0 ． 0 1 S 。设定完成之后点击 s t a r t a s i mu l a t i o n开始仿真 。 图 3 、 图 4分别为放大器增益 为 i 0 0 、 2 0 0 、 5 0 0 、 1 0 0 0时批 处理运 行 情况 下 液 压缸 活 塞 杆 的 位移 曲线 和速度 曲线 。 从图 3中可以看出改变放大器的增益对活塞杆位 移的影响 ， 忌 一2 0 0时 ， 系统在前 1 ． 5 S的时间内经过偏 差 比较和调整后达到了稳定状态 ； 而 惫 一5 0 0时 ， 活塞位 移在 0 ． 5 S 时就达到了稳定状态； 是 一1 0 0 0时更快 ， 活塞 位移在 0 ． 2 S 时就基本达到了期望值， 但是这时位移曲 线却出现了明显的振荡。由图 4可看出它对活塞杆速 度也有很大影响， 在 五达到 1 0 0 0之后速度出现 了严重 的波动情况， 造成系统不稳定。经 比较可知 为 5 0 0时， 系统不仅响应快而且振荡也不大， 因此 矗 取 5 0 0较佳 。 通过以上分析可看出 增益越大， 系统响应速度越 快 ； 但增益过大时， 仿真后的跟随曲线会出现较大的超 调量 ， 这表明系统振荡强烈也就是系统的稳定性很差。 因此 ， 考虑到实际应用 中通常希望 系统的响应 既有充 分的快速性又有足够的稳定性 ， 我们需要通过精度等 具体要求来选择最优增益值。 茸 ＼ ● ＼ k ． 5 0 0 ／ k - 1 0 00 ／k 2 0 0 ． ⋯ ‘* 一 零 ． ， ＼丘 i 0 0 _鬟 ． Jf ／ r ／ ． x t l s 图 3 活塞杆位移 曲线 O t ls 图 4 活 塞杆速度 曲线 接下来， 设置增益 七为 5 0 0 ， 仿真运行时间为 5 S ， 采样 周期 为 0 ． 0 5 S ， 其 他参 数不 变 ， 然后 运用 批处 理功 能设定液压缸油腔死区油量分别为 2 0 e m。 、 5 0 c m。 ， 然 后运行仿真 ， 可得到 五 一5 0 0时， 液压缸油腔死区油量 分别为 2 0 e m。 、 5 0 e m。 情况下液压缸活塞杆的位移曲 线 见图 5 和速度曲线 见图 6 。由图 5和图 6可得 出以下结论 液压缸油腔死区油量越大 ， 油的可压缩性 也表现得越显著 ， 从而导致系统的稳定性越差 。 O． 1 2 0． 1 O 0． 0 8 0． 0 6 0． 0 4 O． 0 2 死区油量 s D c n 一一一． ⋯ ＆ r f ’ ， ‘ 匿 油 量 2 0 ／ 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3． 0 4 ． 0 5 ． 0 t ／ s 图 5 ；5 0 0时液压缸活塞杆 的位移 曲线 2结束 语 本文应用 AME S i m对一典型液压伺服位置 系统 进行 了仿真及分析 ， 结果表 明 AME S i m 的使用步骤 简单 ， 其具有可以直接使用的丰富的元件库 ， 使得图形 化建模 比较容 易。此外运用 AME S i m 的批处理功能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年 第 4期 还可简化参数设置的步骤 。总之 ， AME S i m 是一个 系 统 建模和仿真的优选平台。 ∞ ● ＼ 髓 硼 死区油基 5 0 c m 3 ． 1 J ’ I ； ．i A 瑰 j{1 ，～ ’ V v ， V r、P y V l 雕 l { ．． i区 油 量 2 J e m I i l 0 ． 0 1 ． 0 2 ．0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 t l s 图 6 矗 5 0 0时液压缸活塞杆的速度 曲线 参考 文献 [ 1 ] 付永领， 齐海涛． L MS I ma g i n e ． L a b A ME 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 1 1 ． [ 2 ] 刘海丽． 基于 AME S i m的液压 系统 建模与 仿真技 术研究 [ D] ． 西安 西北工业大学 。 2 0 0 6 5 6 - 6 3 ． [ 3 ] 江玲玲 ， 张俊 俊。 基 于 AME S i m 的液 压位 置伺 服系 统动 态特性仿真[ J ] ． 机械工程与 自动化 。 2 0 0 7 1 3 5 3 7 。 [ 4 ] 王望 良． 加工中心托 盘 自动交换装 置液 压系统 动态 特性 分析与优化设计[ D ] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 1 1 2 9 3 3 ． [ 5 ] 周能文， 王亚锋， 王凯峰． 基于 AME 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 2 8 4 ． [ 6 ] 刘海 丽 ， 李 华聪． 液 压机 械 系统建 模 仿真 软件 AME S i m 及其应用 [ J ] ． 机 床与液压 ． 2 0 0 6 6 1 2 4 - 1 2 6 ． Hy d r a u l i c Po s i t i o n S e r v o S y s t e m S i mu l a t i o n Ba s e d o n AM ES i m L I U L Fx l a ，W U J i a n - x i n Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Huh h o t 01 0 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e AM E S i m s o f t wa r e a n d i t s c h a r a c t e r i s t i c ，a n d a p p l i e s AMES i m s o f t wa r e t O a h y d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o I s y s t e m wh i c h i s o n e c h a n n e l o f t h e f o u r - c h a n n e l s t a t i c l o a d i n g s y s t e m． Th e mo d e l b u i l d i n g ， p a r a me t e r s e l e c t i o n a n d s i mu l a t i o n a n a l y s i s a r e c a r r i e d o u t ．Th e s y s t e m c o n s i s t i n g o f p r o p o r t i o n a mp l i f i e r a n d f e e d b a c k i s a t y p i c a l c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h e h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n c o u l d b e c o mp l e t e d we l l b y AMES i m s o f t wa r e ． Ke y wo r d s AMES i m；s i mu l a t i o n ；h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m 上接第 6 1 页 从表 2中可以看 出计算结果列出了 3个供选择的 参数值， 它们分别为 1 5 0 。 ， 1 0 ． 0 0 1 ， 1 5 3 ． 0 7 。 ， l O ． 0 3 ， 1 5 6 ． 1 5 。 ， 1 0 ． 0 1 6 。它们的最大等效应力值和整体变形 值都较初始值有所降低 。其中最大等效应力降低得较 少， 整体变形均降低 4 O 9 ， 6 左右。 4结 语 通过对辊齿的优化分析获得了更为合理的齿形设 计参数 ， 为辊齿的优化设计提供 了参考。但本文优化 分析计算模型的两个输入参数是在较小的变化范围内 进行寻优求解的， 因此所求结果并不能说是最优的， 还 有待于在输人参数的较大变化范围内进行寻优求解。 参考文献 [ 1 ] 刘伯元， 杨传忠． MMD型轮齿式破碎机矿石破碎理论 的突破[ J ] ． 中国非金属矿工业导刊． 2 0 0 3 ， 3 2 2 3 6 3 8 ． [ 2 3 王春民． 2 5 0 0 t ／ h矿用新型双齿辊破碎机参数研究[ D ] ． 合肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 4 1 7 1 8 ． [ 3 ] 贡凯军 ， 杨庆 佛 ， 程明琦 。 等． 新型双齿 辊破碎机辊 齿设计 理论研究口] ． 太原工业大学学报 ， 1 9 9 6 ， 2 7 1 5 - 4 9 ． [ 4 ] 李兵， 何正嘉， 陈雪峰． ANS Y S Wo r k b e n c h设计、 仿真与 优化[ M] ． 北京 清华大学 出版社 2 0 0 8 ． ANS YS b a s e d Op t i mi z a t i o n Ana l y s i s f o r To o t h o f Do u b l e - t o o t he d Ro l l Cr u s h e r GAO Zh i - p e n g，W ANG S h o u - x i n，S ONG Zh a n - s h e n g ，GUO Yi n - k u n S c h o o l o f Mech a n i c a l En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Chi n a Ab s t r a c t Th e a n a l y s i s o f t h i s a r t i c l e i s b a s e d o n t h e l o a d i n g s i t u a t i o n o f t h e t o o t h t i p，wh i c h i s t h e k e y p a r t o f a d o u b l e - t o o t h e d r o l l c r u s h e r 。c u t t i n g i n t o t h e mi n e r a 1 ．Th e p a r a me t r i c mo d e l o f t h e t oo t h i s e s t a b l i s h e d i n mo d u l e Wo r k b e n c h - De s i g n Mo d e l e r DM o f f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS，a n d t h e n t h e mo d e l i s i mpo r t e d i n t o ANS YS Wo r k b e n c h - De s i g n S i mu l a t i o n DSmo d u l e f o r F EA． Th e r a d i u s o f t o o t h t i p a n d t h e a n g l e b e t we e n ma i n p a r t o f t o o t h a n d t o o t h t i p a r e s e l e c t e d a s i n p u t p a r a me t e r s ，a n d i t S mR x i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s a nd t o t a l d e f o r ma t i o n a s o u t p u t p a r a me t e r s ． F i n a l l y．t h e t o o t h i s o p t i mi z e d i n Wo r k b e n c h - De s i g n Xp l o r e r DX mo d u l e a c c o r d i n g t O t h e F EA r e s u l t s ． Ke y wo r d s d o u b l e - t o o t h e d r o l l c r u s h e r }t o o t h；FEA ；o p t i mi z a t i o n d e s i g n O 0 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m