基于AMESim的运动平台液压系统压力跃变分析.pdf

2 0 1 4年 9月 第 4 2卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p． 2 0 1 4 Vo I _ 4 2 No ．1 7 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 4 ． 1 7 ． 0 4 4 基于 A M E S i m的运动平台液压系统压力跃变分析 郭吉昌 ，吴勇 ，杨喜晶 1 ．北京探矿 工程研 究所，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京机 电与信息工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要运动平台广泛用于磨床、刨床、振动台等液压设备中，通常采用单出杆液压缸，当系统换向时，存在换向压力 冲击和油缸的压力跃变。目前针对这些问题的解决措施主要有缓冲油缸、先释压后换向、采用蓄能器吸收压力冲击、或 将单出杆缸改为双出杆缸的方法。针对运动平台因为非对称液压缸的使用而引起的系统震动问题，提出了差动缸控制方案 和双阀控制方案。并利用 A ME S i m建立系统液压模型进行仿真。结果表明，两种方案可以很好地解决换向冲击和压力跃变 问题 。 关键词运动平台；A M E S i m；液压系统 中图分类号 T H1 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 71 6 4 3 Pr e s s u r e J u mp An a l y s i s o n Hy d r a u l i c S y s t e m o f M o t i o n P l a t f o r m Ba s e d o n AM ES i m G U O J i c h a n g ，WU Y o n g ，Y A N G X i j i n g 1 ． B e i j i n g I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ；2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g B e i j i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Mo t i o n p l a t f o r m i s w i d e l y u s e d i n h y d r a u l i c e q u i p me n t s l i k e g r i n d i n g ma c h i n e ，p l a n n i n g ma c h i n e，v i b r a t i o n t a b l e a n d e t c ．As y mme t ric h y d r a u l i c c y l i n d e r wa s u s u a l l y u s e d i n t h e s e e q u i p me n t s ，w h e n t h e s y s t e m c h a n g e d d i r e c t i o n o f mo v e me n t ，t h e r e w a s r e v e r s i n g p r e s s u r e i m p a c t a n d c y l i n d e r p r e s s u r e j u m p ．A t p r e s e n t ， a i m i n g a t t h e s e p r o b l e m s t h e ma i n s o l u t i o n s w e r e t h e me t h o d s o f n s i n g b u f f e r o i l c y l i n d e r ，c h a n g i n g t h e d i r e c t i o n a f t e r E e l e a s e t h e p r e s s u r e f i r s t ，u s i n g t h e a c c u mu l a t o r t o a b s o r b p r e s s u r e i mp a c t ，a n d c h a n g i n g a s y mme t ri c h y d r a u l i c c y l i n d e r t o s y mme t ric h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ai me d a t t h e p r o b l e m o f s y s t e m s h a k e i n mo t i o n p l a t f o rm c a u s e d b y u s i n g o f a s y mme t ric h y d r a u l i c c y l i n d e r ，t h e s c h e me s o f u s i n g d i f f e r e n t i a l c y l i n d e r a n d t w o v a l v e c o n t r o l l e d a s y mme t ric h y d r a u l i c c y l i n d e r w e r e p u t f o r w a r d ．T h e n t h e mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m wa s b u i l t a n d s i mu l a t e d w i t h u s i n g o f AME S i m s o ft wa r e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t w o s c h e me s c a n w e l l s o l v e t h e p r o b l e m s o f r e v e r s i n g p r e s s u r e i m p a c t a n d p r e s s u r e j u m p ． Ke y wo r d s Mo t i o n p l a t f o rm ；AME S i m；Hy d r a u l i c s y s t e m 0前 言 在液压系统 中，由于非对称液压缸系统具有结构 简单、制造容易、成本低廉、占地空间小、承载能力 大等优点，所以在液压控制系统中得到广泛的应用。 但是由于非对称液压缸两腔的有效作用面积不等，在 活塞换向时系统动力机构 的增 益和 阻尼 比发生变 化 ， 这种本质上的非线性使得液压控制 系统换 向时 ，会产 生压力跃变、系统换向冲击等问题，严重影响系统性 能。在使用非对称缸作为执行元件的运动平台中，系 统压力冲击和压力跃变问题一直得不到很好的解决， 严重时可使工作台油缸等机械结构失效 ，直接影响系 统使用。文献 [ 2 ]中对振动台的压力冲击问题采用 加蓄能器的办法。文献 [ 3 ]中对磨床液压系统的改 进是把非对称缸执行元件更换为对称缸 ，以此来解决 系统的压力跃变等问题；或是采用改进液压操纵箱和 增加油缸缓冲装置的办法来解决系统压力冲击问题。 文献 [ 4 ]中对刨床液压系统使用操纵阀和换向阀配 合 ，由调压阀和溢流阀实现二级调压从而使刨床液压 系统释压，在释压后换向，以避免滑枕换向冲击，提 高液压系统换 向平稳 性。作者提 出的差动缸控制方案 和双阀控制方案避免 了对执行油缸 的更换和油缸结构 的重新设计 ，也避免了采用 复杂 的操纵和换 向回路配 合的方法，即可以达到降低系统压力跃变和换向冲击 的 目的 。 1 阀控非对称液压缸的压力跃变理论分析及仿真 1 ． 1 阀控非对称缸理论分析 阀控非对称缸的原理图如图 1 所示 ，是 由零开 口 四边滑阀和非对称液压缸组成的。它是最常用的一种 液压动力元件 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 7- 2 2 作者简介郭吉昌 1 9 8 7 一 ，男 ，硕士研究生，助理工程师，从事探矿工程科学领域研究。Em a i l g b y 7 5 6 0 1 2 6 ． c o n。 第 1 7期 郭吉昌 等基于 A ME S i m的运动平台液压系统压力跃变分析 1 6 5 三 I 』1一 ] -I 。 目 匡 P目 p 厂 图 1 对称 四通 阀控非对称液压缸 设 液压缸 两腔有效面积 比为 n A2 ／ Al 液 压缸在稳 态 时满 足力 平衡 方 程 和流 量 连续 方 程 ，即有 FL Al PlA2 P2 Q Q ～ 由于 阀是对称 的，液压缸 的活塞两腔 的有效 面积 不相等，故流量是不连续的，分别讨论活塞正反向运 动时 的系统方程 。 当 0时，液压缸无杆腔的流量为 一 Q C dW X,v √ 吾 p s P 1 液压缸有杆 腔的流量为 广 Q C aw x √ 2 式 中 Q 为 无杆 腔 的流 量 ，L ／ m i n ；Q 为有 杆 腔 的 流量 ，L ／ m i n ；P 为液压 油源压 力 ，P a ；P 。 为无 杆腔 的压力 ，P a ；P 为有杆 腔 的压力 ，P a ；C 为 伺 服 阀 的流量系数；W为伺服阀的面积梯度，m； 为伺服 阀的阀芯位移 ，m m；P为液压油 的密度 ，k g ／ m 。 由以上各表达式可得 Q z A2 ／ L 3 √ 于是有 P P 。 4 由式 4 和 力平 衡 方 程 可得 出两 腔 压 力 表 达 式 P， 坐 5 t 丁 3 P 6 z L 0 同理 当 0时 ，可得 两腔压 力表达式 ， n p FL ／ Al p ． P 一 n 2 F L／ A p 丁 7 8 由式 5 一 8 ，可得 ，液压缸 换 向时压力跃 变值为 无 杆腔 a p p ， 一 P l 9 l十n 有 杆腔 a p P 2一 P 2 1 0 1十／ 2 由上分析可知 ，非对称 液压缸换 向时 ，压力跃变 值与液压缸作用面积比 n和油源压力 P 有关 ，而与 外负载无关。当 卸 ／ 6 p n1 时 ，无杆腔的压力 跃变值小 于有杆腔的压力跃变值。当油 源压 力为 P 1 0 M P a ，面积 比 n 0 ． 6 1时 ，无杆 腔压 力跃 变 理论值 为 3 ． 1 2 MP a ，有 杆 腔压 力跃 变 理论 值 为 5 ．1 3 MP a 。 1 ． 2 阀控 非对称缸 系统仿真分析 对使用 阀控非对称缸 的运动平台进行建模 ，如图 2 所示 。图中模型各参数 的设 置参照实际运 动平 台设 定 ，设置为 液压缸活塞直径为 8 0 m m，活塞杆直径 为 5 0 m m，活塞行程0 ． 5 m，初始位移为 0 ． 2 5 m，伺 服阀固有频率为5 0 H z ，阻尼比为 1 ，运动质量为 5 0 0 k g ；额 定电流为 2 0 0 m A；位 移传感 器增 益为 1 O ，前 置放 大器增 益为 2 5 0 ；负载力信 号源设 置为 常量 2 0 0 0 ，经过力转换器转换为力信号，执行机构得到2 k N的负载力；给定正弦信号频率为 0 ． 1 H z ，振动幅 值为0 ． 1 ，油源压力为 1 0 M P a 。设置仿真运行时间为 2 0 S ，数据 交换 时间为 0 ． 0 5 S 。 岳 套 ④ 图2 基于 A ME S i m的阀控非对称缸系统仿真模型 运行 图 2的仿真模型 ，可 以得到运动平 台的非 对 称液压缸 活塞位移 曲线如 图 3所示 ，非对称 缸两腔 的 压力跃变 曲线如 图 4所示 。图 3 显示执行油缸 的活塞 可以很好地跟随位移控制信号作正弦运动，说明系统 模拟运动平台建模的正确性。图4显示非对称缸两腔 明显存 在很大的压力跃 变 ，其 中曲线 1 为无杆腔压力 跃变曲线 ，压力跃变值约为 3 ． 1 M P a ；曲线 2为有杆 腔压力跃变曲线，压力跃变值约为 5 ． 0 8 M P a 。由式 9 1 0 和以上计算可知，在误差允许范 围内，仿 真结果与理论计算值近似相等。 1 6 6 机床与液压 第 4 2卷 ； 芝 。 1 O 5 1 0 1 5 2 O 0 S 1 0 1 5 2 O t ／ S t ／ s 图 3 运动平台液压系 图4 非对称缸两腔 统活塞位移曲线 压力跃变曲线 2差动缸控制方案的工作原理及仿真分析 2 ． 1 差 动缸控 制原 理 由于非对称液压缸在换 向时产 生压力跃变 的根本 原 因是对称 阀的进出油 口流量的不对称性 ，而油 口流 量的不对称就会造成该伺服阀两对节流窗 口的阀压降 不相等，使得活塞正反方向运动时两腔的流量增益不 等，致使非对称液压缸在换向时产生压力跃变。 本文作者提 出并设计 了阀控非对称缸 的差动控制 方案，用伺服阀实现单腔控制，改变原有的控制阀与 液压缸连接方式 ，以解决运 动平 台中非对称缸 的压力 跃变问题 。在 A ME S i m环境下建立的差动控制系统 的 仿真模型如 图 5所示 。其 中伺服 阀只控制无杆腔 ，有 杆腔直接与油源连接。以无杆腔为例 ，则当活塞正向 运动时，油液经过伺服阀流入液压缸无杆腔，有杆腔 油液不经过伺服阀而是直接流入油泵；而当活塞反向 运动时，油泵不通过伺服阀直接 向液压缸有杆腔供 油 ，流出无杆腔的油液则经过伺服 阀流人油泵，如 此，伺服阀只进油或者回油，不存在伺服阀同时控制 液压缸两腔时 的进 出口油液不对称 的问题 ，在理论上 避免 了压力跃变的产生 。 一哥 Q 一 图5 基于 A ME S i m的差动缸控制方案系统建模 2 ． 2差动缸方案仿真 模型中参数设置同图2模型，运行图5的仿真模 型，可以得到差动缸方案，非对称缸两腔压力曲线如 图 6所示 。图 中曲线 1为无杆腔压力 曲线 ，曲线 2为 有杆腔压力曲线。仿真结果显示在使用阀控非对称 缸的运动平台中，使用差动缸控制方案后 ，非对称缸 中，两腔压力 曲线近似 直 图6 差动缸控制方案 线 ，说 明 在 差 动 缸 控 制 方 两腔压力曲线 案 中 ，非 对 称 缸 两 腔 不 存 在 压力跃变 。 3 双阀控制方案的工作原理及仿真分析 3 ． 1 双 阀控 方案 原理 在运动平 台中使用双 阀控制方案 ，其液压 系统模 型如 图 7所示 。双阀控方 案消除系统压力跃变 的原理 为 使用两个伺服阀控制执行油缸 ，在无杆腔 和泵源 之间的油路上接辅助伺服阀。非对称缸的无杆腔通过 主伺服 阀和辅伺服 阀供油和 回油 ，有杆 腔则 只通过 主 控伺服 阀供油和 回油 。系统工作 时 ，对位移传感器给 出的活塞位移信号进行求导，转换成活塞的速度信 号，再将速度信号与非对称缸两腔的面积差相乘 ，转 换成两 腔的流量差信号 ，将流量差信号作为辅 伺服阀 的输入控制信号 ，这样可 以使得非对称液压缸无杆腔 比有杆腔多 出的流量通过辅伺服阀供给或 回油 ，则通 过主控伺服阀两对节流窗口的流量始终相等，压降也 相等，从而消除了压力跃变。 - I 一．一．一．一．一 ；9 一 ．， 图 7 基于 A ME S i m的双阀控 制方 案系统仿 真模 型 3 ． 2双阀控方案仿真 图7中的模型参数设置同图2 ，位置控制信号采 用频率为0 ． 0 5 H z 的正弦信号。运行图 7的双阀控仿 真模 型 ，可 以得到如 图 8所示的非对称 缸两腔压力仿 真曲线 。 下转第 l 7 l页 △ 、 、、 、 一 一 ．． 1 ． 一 3 3 2 2 l O 0 0 O 0 第 1 7期 蔡胜年 等比例电磁阀流量滞环建模方法探究 1 7 1 之间明显可 以看到粒子群算法误差 曲线 总体 小于神经 网络。综上分析可以判定在本实验中粒子群算法拟合 优于另两种方法 。 5 结论 采用机制 建模 、基 于 P S O曲线 参数 辨识 的建模 以及基于神经网络的曲线拟合三种方法进行滞环曲线 建模 ，并利用 Ma t l a b软件得到3种建模结果 ，对 3种 建模方法得到的建模结果与实测数据进行分析比较， 由误差 曲线 及评 价 指标 可 以知道 采用 P S O曲线参 数 辨识方法最 能表 示实际滞环 曲线 。而机制建模 由于无 法精确确 定稳 态液动力 、摩擦力 、磁滞等 ，并且流量 方程中的流量系数对于气体来讲是变化的，由于以上 因素的影响使得机制建模误差较大。利用神经网络只 有在选择 了合适 的 网络结构 ，才能获 得好 的结 果 ， 但 选择合适 的 网络结 构往 往 非常 困难 ，并 且直 接利 用 M a t l a b自带 的神经 网络工具箱每次训 练得 到的偏差较 大。综上分析可以判定在本实验中粒子群算法拟合优 于另两种方法 。 参考文献 [ 1 ]黄钱飞． 基于 C A N总线的比例流量阀控制器的电路设 计及仿真[ D] ． 南昌 南昌大学 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ]蔡煜东 ， 陈常庆 ， 周斌 ， 等． 用人工 神经 网络辨识 发酵 动 力学模型参数 [ J ] ． 生物数学学报 ， 1 9 9 4， 9 4 1 0 3一 l U 7 ． [ 3 ]K E N N E D Y J ， E B E R H A R T R C ． P a r t i c l e S w a r m O p t i m i z a t i o n [ C] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n N e u r a l N e t w o r k s ． Pe rth， Aus t r a l i a I EEEP r e s s ， 1 9 9 5 1 9 421 9 48 ． [ 4 ]于志赣． 电液比例流量阀控制器设计[ D] ． 南昌 南昌大 学 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ]娄路亮 ， 王海洲． 电磁 阀设计 中电磁力 的工程计算方法 [ J ] ． 导弹与航天运载技术 ， 2 0 0 7 1 4 O一 4 5 ． [ 6 ]路 甬祥． 比例电磁铁的静特性和动特性[ J ] ． 液压工业 ， 1 9 8 2 1 21 1 ． [ 7 ]袁洪滨 ， 张 民庆 ， 孙彦堂． 基 于 A M E S i m 的直动式 电磁 阀 动态仿真研究[ J ] ． 火箭推进， 2 0 1 1 ， 3 7 5 3 0 3 5 ． [ 8 ]夏立群， 牛世勇． 直接驱动阀的阀芯摩擦力自适应补偿 研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 2 O 1 2 3 3 2 73 3 2 9 ． [ 9 ]赵菲， 王铁强 ， 贾京华， 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可以有效地降低系统换向压力冲击，并解决非对称缸 两腔 的压力跃变问题 。 参考文献 [ 1 ]吴勇 ， 杨 喜晶 ， 刘广 治 ， 等． 伺 服阀控非 对称缸 的压力跃 变分析和仿真[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 2 3 03 3 ． [ 2 ]王勇 ， 郭蓉， 黄康． 液压激振试验台系统设计研究[ J ] ． 机械 与电子 ， 2 0 0 4 5 2 6 2 8 ． [ 3 ]陈友侃． M7 1 5 0 A大型平面磨床液压系统存在问题的探 讨[ J ] ． 磨床与磨削 ， 1 9 9 9 2 1 51 7 ． [ 4 ]陈为国． B 6 9 0型牛头刨床液压系统分析[ J ] ． 南昌航空 工业学 院学报 ， 1 9 9 8 1 4 7 5 2 ． [ 5 ]王传礼 ， 丁凡， 李其朋， 等． 对称四通阀控非对称液压缸 伺服系统 动态特性研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 4 ， 1 5 6 4 7 1 4 7 4 ． [ 6 ]石全． 浅谈伺服液压缸 的设计 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 3 5 1 41 5 ． [ 7 ]关景泰， 王海滨 ， 周俊龙． 非对称阀控制非对称缸的动态 特性[ J ] ． 同济大学学报， 2 0 0 1 ， 2 9 9 1 1 3 01 1 3 4 ． [ 8 ]赵继云， 柴光远， 李昌熙． 非对称阀控非对称缸特性的理 论研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 1 9 9 6 ， 2 5 4 2 2 2 7 ． [ 9 ]杨军宏， 尹自强， 李圣怡． 阀控非对称缸的非线性建模及其 反馈线性化[ J ] ． 机械工程学报， 2 O O 6 ， 4 2 5 2 0 3 - 2 0 6 ．