基于AMESim的太阳能自动跟踪液压控制系统的仿真分析.pdf

2 0 1 0年 l 1 月 第 3 8 卷 第 2 2 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS No v ．2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 2 ． 0 2 5 基于 A ME S i m的太 阳能 自动跟踪液压控制系统的仿真分析 郑永光 ，徐 莉萍 ，任德 志 河南科技 大学机 电工程 学院，河南洛阳 4 7 1 0 0 3 摘要运用 A ME S i m液压仿真软件平台建立太阳能 自动跟踪液压控制系统模型，实现液压控制系统的运动仿真分析， 并采用 P I D控制使其能够自动地实现精确的轨迹跟踪，完成抛物槽与太阳最大效率的对焦。仿真结果表明所设计的液压控 制系统能够精确地控 制执行机构 的速度 和方 向 ，达到 了预定 的要 求。 关键词 A ME S i m；仿真分析 ；液压控制 系统 ；太 阳能 自动 跟踪 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识 码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 2 0 7 1 3 S i mu l a t i o n Ana l y s i s o f Hy dr a u l i c Co nt r o l S y s t e m f o r S o l a r Au t o t r a c e r Ba s e d o n AM ESi m ZHENG Yo n g g ua n g， XU Li pi ng， REN De z h i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e rin g ，He n a n Un 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， L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t ．Th e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m f o r s o l a r a u t o t r a c e r s ma n i p u l a t o r s w e r e mo d e l e d b y a p p l y i n g s i mu l a t i o n s o f t wa r e AMES i m． T h e ma i n mo d e l p a r a me t e r s w e r e s e t ， a n d t h e mo t i o n s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m wa s a c c o mp l i s h e d ． T h e p r e c i s e t r a c k i n g pe rfo r ma n c e a nd t h e m i mu m e f f i e n e y o f t he f o c u s o f p a r a b o l i c t r o ug h a n d s u n we r e a c h i e v e d by us i n g PI D c o n t r o l l e r ．Th e h y d r a u l i c c o nt r o l s y s t e m for s o l a r a ut o t r a e e r s i mu l a t i o n r e s ul t s a n d t he e x p e r i me n t a l r e s u l t s s ho w t h a t t h e d es i g n o f hy dr a u l i c c o n t r o l s y s t e m i s p r e c i s e for t h e s p e e d c o n t r o l t o a c h i e v e t h e p r e c o n c e r t e d r e q u i r e me n t s ． Ke ywor dsAMES i m；Si mu l a t i o n a n a l y s i s；Hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m ；So l a r a u t o t r a e e r 在 2 1 世纪 的今天 ，人 类 已越来 越感 受 到能源 危 机 ，世界 各国 日益重视环境和可持续 发展 ，都在力图 摆脱对 常规能源 的依赖 ，加速发展可再 生能源 。随着 我 国对能 源安全 与生态环境的 E t 益重视 ，对 可再 生能 源 的研发投入也 越来越 大 。太 阳能是取之不尽 、用 之 不竭 、无污染 的清洁能源 ，迅 速博得人类 的青 睐。槽 式太 阳能热发 电技术是 目前最为成熟 的太 阳能热发电 利用技术 ，目前 只有槽 式太 阳能热发 电实现 了商业 化 运行 。我 国对太 阳能热 发电技术 的研究起步较 晚 ，一 直局 限于小 型部 件和材 料的攻关项 目，研发远远 落后 于一些发达 国家 。近年来 我国在槽式太 阳能热 发电领 域开展 了相关 的研究 ，并取 得 了初步进展 。作者主要 针对提高槽式太 阳能 自动跟踪 装置的聚焦效率提 出采 用太 阳能 自动跟踪 聚热装 置 ，并进行其控制 系统 的仿 真分析 。 1 聚热装置液压系统设计 1 ． 1 聚 热 装置 的结 构模 型 作者所设计 的槽式 太I； E l fi , 自动跟踪聚热装置转 动 机构 ，其优点为 从早 到晚由东向西跟踪太 阳连续运 转 ，集热管轴线与焦线平行呈 南北 向布置 ，这是一种 一 维跟踪太 阳的模式 ，跟踪简 易 ，且 光学效率较高 ， 采用 这 种 转 动 机 构 的 自动跟踪太 阳能装置 ， 其机架重 心大 大降低 ， 机架强度大大提高 ，结 构紧凑 ，抗风性能明显 增 强 ，成本 明显 降低 。 如图 1 所示 ，太 阳能 自 动跟踪装置在工作过程 中 ，一 个 液 压 缸 处 于 主动工作状态时 ，另外一个液压 缸跟随驱动机构一起 运 动 。当处于主动工作状态 的液 压缸工作到极限位置 时 ，进 行两个液压缸之 间的工作状 态切换 ，此 时随动 液压缸切换 为主动工作状态 ，原 主动液 压缸切 换为随 动液压缸跟 随驱动机构一起运动 。根据 转轴所 受扭矩 的大小进行 两个液压缸工作状态 的相互 切换 ，使聚热 装置更优化 地连续转动 ，始终跟踪太 阳位置完成整个 跟踪过程 。 1 ． 2 聚热装置运动过程分析 聚热装 置的工作过程包括正 向工作循 环和反向复 位循环两个 过程。正 向工作过程指太 阳能集热 管实 时 跟踪太 阳的过程 ，转 动角度与太 阳位置相对应 ，转动 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 1 作者简介 郑永光 1 9 8 5 一 ，男 ，硕 士 研究 生 ，主要 研究 方 向为 电液 比例 控制 自动 化。 电话 1 5 8 9 6 6 7 9 3 6 6 ，Em a i l 1 23z he ng yo ng g u a n g 1 63． c o rn。 7 2 机床与液压 第 3 8卷 速度缓慢 ，即完 成从 工作 位 置 1到位 置 1 1的转 动 。 反 向复位过程指完成一天的跟踪过程后 ，聚热装置返 回到初始位置 1 为第二天的跟踪做好准备 ，与正向工 作过程相逆 ，所不同的只是 复位过程 以较快速度完成 位置 1 1到位 置 1的转 动。因此 ，只对 正向工作 过程 进行分析 ，如图 2所示 。 显 镜面一 1 5 。 镜 面0 。 镜 面2 2 ． 5 。 镜面 4 5 。 镜面 5 7 。 镜 面9 0 。 镜 面 1 2 3 。 镜 面 I 3 5 。 镜 面 I 5 7 ． 5 。 镜 1 8 0 。 镜 面1 9 5 。 缸l 主 动 缸2 主 动 缸2 主 动 缸2 主动 缸2 主 动 缸l 主 动 缸】 主 动 缸J 主 动 缸1 主 动 缸2 主动 缸2 主 动 a 位置l b 位 置2 c 位 置3 d 位 置4 e 位置5 f 位 置6 g 位 置7 h 位 置8 i 位 置9 j 位 置l 0 k 位置l I 图 2 槽式太 阳能聚光器工作位置图 另外 ，当出现大风 、沙尘等恶劣天气时 ，聚热镜 面能够快速地转 动 到保护 位置 1或 l 1 。这个 过程 与 正常跟踪过程相似 ，只是运动速度 较快 。 1 ． 3聚热 装置的 液压 系统设计 根据上述对聚热装置 的结构及运动分析设计如图 3 所示液压系统 。用一个伺服 阀和几个两位两 通阀互 相配合完成对两个液压缸 的速度位置控制。液压泵 出 口设置 比例溢流阀作为调压元件 ，可精 确地跟 随控制 信号实现无级调节系统压力 ，且压力变化平稳 ，对系 统的冲击小 。由于液压缸驱动聚热装置机构进行转动 时 ，液压缸的受力将 随着转动位置 的不 同而不同 ，所 以该系统采用 比例溢流阀作 为调压元件 ，根据 工况要 求改变系统 压力 ，提高液压系统的节能效果 。因为聚 热装置随着 太阳位置转动 ，其转动速度相对较慢 ，所 以在 系统 中加入蓄 能器 ，液压泵 可 以间歇 性地工 作 ， 以达 到节能 、减少使用成本 的 目的。泵 的出口安装有 单 向阀 ，起到 阻隔 、避 免高 压 冲击 、防止油 液倒 流 的作 用。在压 力 回路 中过滤 器 设 有 压差 发 讯 装 置 ， 起到保 护系统 和清 洁油 液 的 目的。油箱 中装 有液 位 控制继 电器和温度传 感 器 ，可 以实 时地 监控 系统 油 液的油 位 和 温 度 ，保 证 系统 工 作 的 连 续 性 和 可 靠 性 。 图 3中 ， 4个二位二通 电磁换 向阀布置在 液压缸 1的回路 中，同样液压缸 2的回路 中也布 置 4个 二位 二通电磁换向阀。当伺服阀 D 2得正电时，液压缸 1 处于 主 动工 作 状 态 时 ，电磁 铁 D 3 、D 4得 电 ，D 7 、 D 8断电，由伺服 阀与 液压缸 1构成 阀控缸 系统驱 动 聚热装置 。同时 ，液压缸 2处于随动工作状态 ，电磁 铁 D 5 、D 6断电 ，D 9 、D 1 0得 电，把液压 缸 2的两腔 与油箱接通 ，液压缸 2在随动过程 中从油箱补油 。液 压缸进行主随工作状态切换后 ，电磁铁得 电状态 与上 述分析相反 。通过不 同的通／ 断 电组 合实现 一个液压 缸主动伸 出或缩 回，另外一个液压缸跟随聚热装 置一 起运 动，从而实现聚热装置在两个液压缸的作用 下连 续 实时地跟踪太 阳。 缸 1 缸 2 图 3 液压系统原理图 2基于 A ME S i m液压系统模型仿真 2 ． 1 AMES i m 介绍 A M E S i m软件 足法 国 I MA G I N E公 司推 出 的专 门 用于液压机械系统的建模 、仿真及动力学分析的仿真 软件。它为流体传动提供一个完善、优越的仿真环境 及最灵活的解决方案 。用户能够借助其友好 的、面 向 实际应用 的界 面 ，使用 已有的元件模型和建立新的子 模 型元件 ，来构建优化设计 所需 的实 际元件或 回路的 原型。根据仿 真 步骤 可分 为 4个工 作模 式 草 图模 式 、子模型模 式 、参数模式 和运行模式 。仿真结束后 可以对 需要 的参数进行绘图 以进行分析研究 ，也可以 对系统进行线性化 ，并进行时域和频域 的相关分析。 2 ． 2 仿真模型的建立 基 于 A M E S i m建立 的仿真模型如图 4所示 。 第2 2期 郑永光 等基于 A ME S i m的太阳能自动跟踪液压控制系统的仿真分析 7 3 矿一 图 4 系统仿真模型 图 这 种应用 A M E S i m中已有的液压元件模型块 ，建 立模 型很容易 ，仿真时 ，只要调节 与元件 、管道 等有 关 的参 数 ，使 系统的性能达到最优 。最后所得 的最优 参数 ，可以作 为选择元件 的依据 。为了更好地模 拟现 实情况 ，在液压基本 回路 中加入 了相应 的控制信号和 负载模 拟信号 。在给定 的角度输入信号 曲线 ，两 个液 压缸会 自动跟随角度信号曲线做相应的主随工作状态 切换并 且实时反馈聚热装置转动 的角度 。输 入的角度 信号与反馈的角度信号做实时对比，通过 P I D参数调 节来尽 量消除误差信号 ，以达到精确实 时跟踪 太阳角 度的控 制要求 。 2 ． 3仿 真 结果 及 分析 在参数模式下为每个元件设 定必要 的参数 ，最后 在运行模式下，设置好仿真时间、采样间隔等初始条 件后进行仿 真。通过模拟 仿真得 出两个 液压缸 的位移 曲线 ，如图 5所示 ，两缸 的位移 曲线相交 点 即是 两缸 主随工作 状态 的切换 点 。通过 调节 P I D模块 的参 数 K p 8 0 0 0 ， K 0 ． 3 9 5 8 ，K 。 2 0 ，使设定 输入角度信 号与反馈角度信号 的误差小 于 0 ． 0 0 2 5 。 ，说 明设计 的 液压控制系统能够实 现太 阳位置 的精确 定位 ，如 图 6 所示。此仿真做 了两个全周期 的工作循环 ，从 图 5和 6 中可得文中所设计 的液压控制 系统具有稳定 的可靠性 。 3结论 利用 A ME S i m软件搭建模 型 ，对作者 所设 计 的槽 式太 阳能 自动跟 随液压控制系统的工作过程进行 了仿 真 ，可得到如下结论 1 A M E S i m采用 键 合 图形 化建 模 ，简 单 快捷 ， 可 以很方便地调整各种参数 。 誊 一3． 图5 液压缸位置曲线 图6 角度误差曲线 2 在设计阶段，利用经验公式计算出来的各种 参数并不能预测出产品的性能，但通过 A M E S i m软件 对 系统进行仿 真 ，能直观地反 映系统 的动态 特性 ，验 证 回路设计是正确的 ，对设计者 的工作起到指导作用。 3 在槽 式太 阳能 自动 跟 踪液 压控 制 系统 中加 入 蓄能器 ，液压泵可 以 间歇性地 工作 ，以达 到节能 、 减少使用成本的目的。 4 此仿真验证文中所设计的槽式太阳能自动跟 踪液压控制系统采用 比例溢流 阀和伺服 阀，以恒压力 控制方式构成 的控制执行机构 速度和方 向的系统 ，具 有稳定的可靠性和满足实时精确跟踪太阳位置的要求。 5 通 过反 复 调整 仿 真 系统 中各个 元 件 和 P I D 的参数值 可 以得到最优化 的控制 系统 ，这对设计实 际 的电液 比例伺 服系统具 有指导意义 。 参 考 文献 【 1 】许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】罗智慧 ， 龙新峰． 槽式太阳能热发电技术研究现状与发 展 [ J ] ． 电力设备 ， 2 0 0 6 1 1 2 93 2 ． 【 3 】吴根茂 ， 邱敏 秀， 王庆丰， 等． 新 编实用电液 比例技术 [ M] ． 杭 州 浙江大学 出版社 ， 2 0 0 6 ．