基于ADAMS的自动装填系统举升机构液压系统仿真与闭环控制.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ．2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 3 ． 0 1 8 基于 A D A M S的 自动装填系统举升机构液压系统仿真与闭环控制 王晓燕 ，陈龙淼 ，徐亚栋，蒋清山 南京理 工大学机械工程 学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4 摘要以某大I 1 径火炮 自动装填系统弹丸举升机构为研究对象，建立了驱动源来 自于液压动力的系统模型。为解决大 惯量负载在快速提升过程中存在的振动和冲击问题 ，利用 A D A M S 提供的控制工具包设计了P D闭环控制并对其参数进行了 整定。仿真结果表明 弹丸举升机构在液压缸的驱动和 P D控制下，可以完成工作过程中的主要动作，工作可靠平稳 关键词火炮；自动装填系统；举升机构；液压系统； P D控制 中图分类号T J 3 0 3 ． 3 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 3 一 o 7 5 3 Si mul a tio n a nd Cl o s e d l o o p Co nt r o l o f El e v a t i ng Co nv e y e r o f Au t o ma tic Lo a d i n g S y s t e m Ba s e d o n ADAM S M o du l e WA N G X i a o y a n ， C H E N L o n g m i a o ， X U Y a d o n g ， J I A N G Q i n g s h a n 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 ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e e l e v a t i n g c o n v e y e r o f a u t o m a t i c l o a d i n g s y s t e m i n t h e l a r g e c a l i b e r a r t i l l e r y a s o b j e c t ， A D A MS w a s u s e d t o d e s i g n t h e mo d e l ，wh i c h mo t i v i t y i s s u p p l i e d b y h y d r a u l i c s y s t e m． PD c l o s e d l o o p c o n t r o l w a s d e s i g n e d b y c o n t r o l b o x i n ADAMS t o s o l v e t h e v i b r a t i o n q u e s t i o n i n t h e w o r k i n g p r o c e s s o f l o a d w h i c h i s b i g i n e rti a ． T h e r e s ult s s h o w t h a t t h e e l e v a t i n g c o n v e y e r c a n e x e c u t e t h e m a j o r a c t i o n u n d e r t h e d r i v i n g o f h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d P D c o n t r o l， i t w o r k s r e l i a b l y a n d s m o o thl y ． Ke y wo r d s A r t i l l e r y ；Au t o ma t i c l o a d i n g s y s t e m；El e v a t i n g c o n v e y e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m；PD c o n t r o l 0 前言 某大 口径火炮弹丸举升机构是火炮 自动装填系统 的关键组成部分，其主要功能是利用液压驱动将弹丸 快速提升至指定位置。但 由于弹丸的质量较大 ，在快 速提升的过程中容易引起较大的冲击和振动 ，从而影 响弹丸装填的可靠性和一致性。因此 ，研究举升机构 在提升过程中的运动特性并选择合理的控制参数显得 尤为重要 。 文献 [ 1 ]建立了液压系统虚拟样机并探讨仿真 分析的方法，给出液压破碎机工作装置斗杆液压举升 系统虚拟样机的一个分析实例。文献 [ 2 ]以电液位 置控制系统为例 ，研究 了 H y d r a u l i c s 模块建模与仿真 问题，并通过与 M a t l a b环境下的仿真结果对比，表 明用 H y d r a u l i c s 模块进行液压控制系统性能仿真的有 效性。文献 [ 3 ]利用 A D A M S建立了输送臂机械模 型和液压仿真模块，并在 S i m u l i n k环境下建立了输送 臂的控制模型。文献 [ 4 ]提出了基于位移反馈的五 驱动缸主动平衡 系统，结合 P I D和模糊控制 ，实现 了输出量对比例流量阀阀芯的控制。文献 [ 5 ]提出 了一种改进 的鲁棒 P I D整定方法，从而避免了陷入 保守性 ，使在命令输入和负载干扰发生阶跃变化时控 制系统都有很好的动态响应。 1 举升机构模型的建立 1 ． 1 举升机构的结构功能 图 1 为举升机构的原理图。举升机构是左右对称 分布的平面 5连杆机构，连杆 1 和连杆 2为铰接。举 升机构的驱动源来 自于液压系统。该液压系统设计有 两个油缸，分别为举升油缸和平衡油缸，两个油缸左 右呈对称分布。液压系统通过伺服阀控制举升油缸来 推动连杆运动，从而将弹丸 M提升至指定位置。 M 图 1 举升机构原理图 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 - 1 6 作者简介王晓燕 1 9 8 8 一 ，女 ，硕士研究生，研究方向为机械仿真、控制和优化设计。E - m a i l 7 3 7 8 0 0 0 6 1 q q ． c o ln 。 7 6 机床与液压 第 4 3 卷 假定举升机构为刚体，其在受力过程中不会产生 变形。因此油缸的运动状态可以反应举升机构的运动 状态 ，同样油缸的速度和位移就可以代表弹丸在举升 时的速度和位移。 1 ． 2 举升机构液压 系统的建立 H y d r a u l i c s 模块能够同机械模块很好地耦合，实 现对液压系统的动静态特性仿真分析 。首先通过结 构分析得知液压缸的静负载约为 1 0 k N 。 利用 H y d r a u l i c 模块创建液压系统 回路，各液压 元件的主要参数定义如表 1 。 表 1 参数值定义 溢流阀压力／ MP a 提升油缸行程／ mm 提升油缸活塞直径 D ／ ra m 提升油缸活塞杆直径 d ／ mm 提升油缸 A腔的初始压力／ MP a 提升油缸 B腔的初始压力／ MP a 平衡油缸行程 1 2 m i n ／ m m 平衡油缸活塞直径 D ／ m m 平衡油缸活塞杆直径 d ／ mm 平衡油缸 A腔的初始压力／ M P a 平衡油缸 B腔的初始压力／ MP a 平衡油缸液压回路和提升油缸液压回路分别如图 2和图 3 所示 。 l 一平衡袖缸 l - - l i t 镌嚣 图 2 平衡油缸液压回路 l 一举升油缸 卜 伺 服 阀 卜 单 向阀 4 - - - 流量源 蚤 ～滥流阀 ‘ 一警德器 卜 油箱 图 3 举升油缸液压回路 按表 1 设置液压系统参数。设置伺服阀的控制输 人 函数 C o n t r o l I n p u t F u n c t i o n 为 S T E P 0 ，0 ， 0 ． 3 ，1 ，伺服阀阀芯在 0 ． 3 S时完全开启 。仿真 运行，油缸的位移曲线如图4所示，从图中可知其运 行不平稳且在运动结束时存在着严重的振动现象。 时 间， | 图 4 无控制的举升油缸位移曲线 2 P D控制 2 ． 1 P D控制 系统的建立 举升机构运行的速度和平稳性是举升机构重要的 评价指标。为解决上述运动过程 中存在的振动问题 ， 设计了经典 的 P D闭环控制。其控制原理如图 5所 示 。 图 5 P I D系统原理图 机械系统将定义的角度值 0 在图 1 举升机构原 理图中给出输出给 P D控制系统，控制系统计算其 和目标角度的偏差并将其作为控制系统的输入 ；阀芯 的位移则作为控制量从控制系统反馈给伺服阀，从而 控制液压系统推动机械系统的运动。P D的控制规律 为 [ 。 t ] U ‘ 传递函数形式为 ， ， 厂 、 G s K p I T D- s D 式中控制偏差 e t r ￡ 一 c t ； K p为比例系数 ； T D 为微分时间常数。 创建 P D控制系统，将伺服阀的控制输入函数由 原来的预设值 S T E P 0 ，0 ，0 ． 3 ，1 改为 P D控制输 出量 T S ． p i d _ c o n t m l 。通过这种方式，举升机构的机械 系统、液压系统和控制系统就实现了闭环控制 。 。 。 2 ． 2 P D参数的整定 P D参数的整定方法很多，这里采用临界 比例度 法。首先在纯比例的作用下，从大到小逐渐改变比例 度 ，这样就会得到一个临界振荡过程。这时的比例度 暑皇、 簿 啪 加 啪 m m 第 1 3期 王晓燕 等基于 A D A MS的自动装填系统举升机构液压系统仿真与闭环控制 7 7 记为临界比例度 ，周期记为临界振荡周期 。 后按表 2的经验公式来大体确定各参数值。 表 2 参数计算表 然 图 8 为 P I D控制的输入 0 角度曲线图。从图中可 知，在 P D 控 制 下 角度 0最终 达 到 目标 角 度 值 6 8 ． 1 5 。 ，并保持稳定。这说明由油缸控制的弹丸运动 到位 。 图 6为举升回路液压缸的位移曲线图。从图中可 以发现，在纯比例的作用下，控制参数 的值 由 3 变为 1 ，再变为 0 ． 3时，液压缸振动的振幅变小 ，但 振动现象仍存在。随着 控制参数的加入 ，液压缸 运 动变平滑 ，没有振动现象 。 时 同『 囊 图 6 液压缸的位移曲线 P D控制器 的参数 和 经整定 分别设置为 0 ． 3和 0 ． 0 8 。 3 仿真分析 因将举升机构视为刚体 ，故可以分析油缸的运动 情况来代表弹丸举升的运动情况。提升油缸和平衡油 缸是左右对称分布的，其速度和位移曲线基本相同。 弹丸的要求举升时间为 1 s ，设置仿真参数进行 1 s 、 5 0 0步的动力学仿真。 图 7 为伺服阀阀芯的相对位置曲线。在 P D闭环 控制下，伺服阀阀芯的相对运动曲线由最初的不稳定 变平滑，从而控制油缸平稳的运动。 羞 萎 罂 时闻， ． 图 7 伺服阀阀芯相对位置曲线 蠢 攥 时 间 图 8 P I D控制的输入曲线图 图9为添加 P D控制后举升油缸的速度曲线 图。 从图可知，油缸速度曲线不存在突变和振动现象。加 速减速平稳 ，其最大伸出速度为 0 ． 4 8 7 m ／ s o e ．目 霉 瑙 时 闻I s 图9 举升油缸的运动速度曲线 图 1 O为添加 P D控制后举升油缸的位移曲线图。 相 比图4 ，油缸没有明显的振动现象 ，位移曲线较平 滑，可以满足工作需要。 。 。 0 ．2 o ．4时4 间 0 ． 仉 3 。 图 l O 举升油缸位移曲线 图 1 1 为溢流 阀的阀门开度情况，从图中可知， 阀门基本处于关闭状态 ，说明回路参数设置合理，系 统没有过载。 图 1 1 溢流阀阀门开度曲线 下转第 1 1 2页 目 暑 暑置， 雏掣 ■矗交一 散 1 1 2 机床与液压 第 4 3 卷 图 1 O 是改变动平台半径液压缸所受驱动力在不 同行程下的幅值变化图，从图中看出随着动静平台距 离的增大，液压缸所受驱动力越小 ，验证了多柔体动 力学方程建立的有效性。 r r 图 l 0 不同动平台半径及位置缸 体所受驱动力幅值变化图 4结论 考虑了活塞杆、液压缸的柔性变化，建立了 2 6 - S P S推进机构多柔体动力学模 型，基于运动学方 程、拉格朗 日方程 ，建立了推进机构多柔体动力学仿 真模型，通过仿真结果验证了所建方程的有效性，同 时改变了动平台铰接点小组间夹角，得出随着角度的 增大，液压缸 中活塞杆及液压油部分位移幅值就越 大；改变动平台半径及动静平台间距离，得出在一定 范围内动平台半径越小 ，距离越大，机构所受驱动力 越小。文中的研究为总结机构参数对动态性能影响规 律 、机构优化设计奠定一定基础。在求解耦合方程组 时巧妙利用了 S i m u l i n k工具箱中的状态空间模块使 问 题得到解决 ，实现指定参数的 S i m u l i n k动态仿真，为 建立其他种类机械系统的多柔体动力学仿真模型提供 方便。 参考文献 [ 1 ]袁永胜． 盾构推进机构动力学分析与研究[ D] ． 南昌 华 东交通大学， 2 0 1 0 ． [ 2 ]陆佑方 ， 冯冠民， 齐朝晖． 柔性机械臂动力学与控制建模 的若干基本问题[ J ] ． 机器人， 1 9 9 3 ， 1 5 5 5 2- 5 9 ． [ 3 ]胡俊峰． 柔性机器人机构动力学分析及振动控制研究 [ D] ． 广州 华南理工大学， 2 0 1 0 ． [ 4 ]陆佑方． 柔性多体系统动力学～ 理论和应用力学的一个 活跃领域[ J ] ． 力学与实践， 1 9 9 4 ， 1 6 2 t - 9 ． [ 5 ]黄文虎， 邵成勋． 多柔体系统动力学[ M] ． 北京 北京科 学出版社． 1 9 9 6 ． [ 6 ]L E E J D， G E N G Z ． A D y n a m i c Mo d e l o f a F l e x i b l e S t e w a r t P l a tf o r m[ J ] ． C o m p u t e r a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 3 ， 4 8 3 3 6 7 3 74． [ 7 ]Z H A N G X u p i n g ， J A ME S K M． D y n a m i c Mo d e l i n g a n d E x p e r i me n t al Va l i d a t i o n of a 3 - PRR Pa r a l l e l Ma n i p u l a t o r wi t h F l e x i b l e I n t e r m e d i a t e L i n k s[ J ] ． I n t e l l R o b o t S y s t ， 2 0 0 7 ， 5 0 3 2 3 -3 4 0 ． [ 8 ]吴德隆， 王毅 ， 文荣． 空间站大型伸展机构动力学研究中 的若干问题[ J ] ． 中国空间学技术 ， 1 9 9 6 6 2 9 3 8 ． [ 9 ]杨东武． 柔性多体系统动力学的建模研究[ D] ． 西安 西 安电子科技大学， 2 0 0 5 ． [ 1 0 ]约翰． F ． 加德纳 美 著． 机构动态仿真 使用 MA T L A B 和 S I MU L I N K[ M] ． 西安 西安交通大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 1 1 ]王英波 ， 黄其涛， 郑书涛， 等． 基于 S i m u l i n k和 S i m Me c h a n i c s 环境下并联机器人动力学建模与分析 [ J ] ． 哈 尔滨工程大学学报， 2 0 1 2 ， 3 3 1 1 0 0 - 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