微米木纤维滤芯模压机液压控制系统的仿真分析.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3 卷 第 1 期 机床 与液 压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 6 微米木纤维滤芯模压机液压控制系统的仿真分析 杜丹丰 ，马越 ，郭秀荣 ，杨旭 1 ．东北林业大学，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 4 0 ； 2 ．沈阳市汽车工程学校 ，辽宁沈 阳 1 1 0 1 2 2 摘要 介绍 了微米 木纤 维滤芯模压机液压 系统 的工作循环过程 。根据液压系统 的工作 原理 ，利 用 A ME S i m与 MA T L A B ／ S i mu l i n k进行联合仿真，并采用模糊 P I D控制算法改善微米木纤维滤芯模压机液压系统的控制性能。结果表明优化后的 液压系统模生产出的微米木纤维滤芯之间的长度误差可控制在 1 m m以内，满足微米木纤维滤芯的生产要求。 关键词 微米木纤 维滤芯 ；模压机 ；A ME S i m；液压系统 ；模糊控制 中图分类 号 T S 6 4 2 T S 6 5 3 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 1 9 5 S i mul a t i o n a n d 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 o f M o l di ng M a c hi ne f o r M i c r o n W o o d Fi be r Fi l t e r DU Da n f e n g ．MA Yu e 。GUO Xi u r o ng ，YANG Xu 1 ． N o r t h e a s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y ， Ha r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 4 0 ， C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g S c h o o l ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a c t i o n r e c y c l e o f mi c r o n w o o d fi b e r fi l t e r mo l d i n g ma c h i n e ’ S h y d r a u l i c s y s t e m w a s i n t r o d u c e d ．C o s i mu l a t i o n wa s c o n d u c t e d b y AME S i m a n d MAT L AB ／ S i mu l i n k a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m． An d t h e mo l d i n g ma c h i n e ’ S c o n t r o l p e r f o r ma n c e wa s i mp r o v e d g r e a t l y b y u s i n g f u z z y P I D c o n t r o l a l g o r i t h m．T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e l e n Oh e r r o r O f mi c r o n wo o d fi b e r fi l t e r be t we e n e a c h o t h e r ，wh i c h p r o du c e d a f t e r o pt i mi z a t i o n o f t h e hy d r a u l i c mo de l i ng s y s t e m ，i s c o n t r o l l e d wi t h i n 1 mm，wh i c h me e t s pr o du c t i o n r e qu i r e me n t ． Ke ywo r dsMi c r o n wo o d fib e r fil t e r；Mo l di n g ma c h i n e；AMES i m ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；Fuz z y c o nt r o l 0前言 柴 油车对社会和 经济 的发展起 到 了积极 的作 用 ， 但柴油发动机运行时产生的碳烟颗粒却加剧了空气污 染程 度 1 ] ，对环境 和人类健 康造 成 巨大 威胁 。将 以 微米 木纤维滤芯为过滤体 的尾气微 粒捕集器安装到柴 油车排气管尾管处 ，可 以对尾气 中不同粒径 的碳烟颗 粒进行有效捕集l 3 ] 。在制作微米木纤维滤芯的模压 成 型过程 中，滤芯成 型质量 的好坏 主要受液压压下系 统的稳定性和位置控制精度 等因素影响 。因此 ，本文 作者利用液压仿真软件 ．建立微米木纤维滤芯模压机 液压 系 统模 型 ．通 过 A ME S i m 与 M A T L A B ／ S i m u l i n k 进 行 联合 仿 真 ，并采 用模 糊 P I D控 制算 法改 善微 米 木纤维滤芯模压机液压 系统 的控制性能 ，从而使生产 出的微米木纤维滤芯 之间的长度误 差控制 在 1 m m 以 内，满足微米木纤维 滤芯的生产要求 。 1 微米木纤维滤芯模压机的液压压下系统原理 微米木纤维滤 芯模 压机的机械结 构示 意图如 图 1 所示 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2 01 31 1一l 2 国家 自然科学基 金项 目 L B H Q1 2 1 7 2 杜丹丰 1 9 7 2 一 ，男 ， 图 1 微米 木纤维滤芯模压机机械结构示 意图 回油 口 5 1 3 7 8 0 9 6 ；黑龙 江 省 自然科 学 基金 项 目 C 2 0 1 2 2 8 ；黑 龙 江省 博 士后 管 理办 公室 博士， 副教授，研究方向为汽车排放控制，木材科学与技术。E m a i l d d f 7 2 1 6 3 ． c o m。 2 0 机床与液压 第 4 3 卷 从 图 中可 以看 出 ，系 统 主要 由双 作 用 液压 缸 、 成型主动活塞、推料活塞和成型套等部分组成。大小 活塞共同在双作用液压缸 内进行移动 ，其 中大活塞 的 运动方 向受双作用液压缸粗缸 、导向套和活塞导向柱 的外侧限制 大活塞杆下部分与成型主动架和成型主 动活塞通过焊接连接成一体 ，一个成型主动架上带有 4个成型主动活塞小活塞杆运动方向受双作用液压 缸细缸 、导 向套和活塞导 向柱 的外侧限制 ，小活塞杆 下部分与推料架 、推料活塞及成型工作面通过焊接连 接成一体 一个成型工作面上有 4 个 成型套 。微米 木 纤维滤芯模压机工作过程包括填料 、快速下移 、工进 压缩 、加热保压及取 出制 品几个 阶段 。 在微米木纤维滤芯 的成 型过程 中 ，成型 主动活塞 和推料活 塞的行程 主要取决于液压缸 中大小 活塞移 动 的距离 ，其液压原理 图如 图 2所示 图 2 微米木纤维滤芯模压机液压 系统原理 图 模压过 程主要 是 对微 米木 纤 维滤 芯 长度 进 行控 制。所设计 的模压 机液压 系统中 ，通过对其 液压压下 过程液压杆大活塞位置进行控制，使其每次模压过程 中运 行的长度保持 一致 ，从而模 压生产 出来的微米木 纤 维滤芯长度相 同 为了对液压系统实现较好的控制效果 ，采用带有 反馈的 电液 比例控制系统 。该系统 中，通过位移传感 器将 大活塞杆的位移 检测 出来 ，经 过物理 量 的转 换 ， 再 反馈到输 入端与给定量进行 比较 ．经过放大环节对 偏差进行放大后输 入控制 器 ．对偏 差信 号进行 处理 。 电液比例阀最后利用此偏差信号作为控制信号来纠正 偏差 ，实现对系统 的精确控制 。 2 微米木纤维滤芯模压机 A ME S i m建模及仿真 A M E S i m软件是一款能够对 多种学 科进行 仿真 分 析 的软件 ] 。应 用该 软件建 立图 3所示 的 系统仿 真 模 型。其 中包括 由电动机 与恒压变量泵组成 的供 油系 统 ．两位 四通 电磁阀和单作用 液压缸组成的托盘举 升 系统 ，插装 阀 、溢 流阀和两位 四通 电磁 阀组 成的加 载 系统 ，辅 助油箱 与单 向阀组 成的补油 系统等。 图 3 整机 A ME S i m液压 系统模型 由于微米木纤维滤芯 的成型 主要是受模压 机的液 压压下系统影响 ，在 图 3中，为了使图形显示得更加 清晰 ，将所建立 的恒 压变量 泵等元 件制 成超 级元 件。 该 系统包含加 载系统 、液压压下成 型系统 、顶 出系统 和托盘 系统 等。文 中主要研究压 下成 型油路及 其闭环 位置控制系统。将双作用液压缸等元件进行简化与等 效转换后 ，得 到了微米木纤维滤芯模压机压下成型系 统的液压油路 。如图 4 所示 。 在图 4中 ，期 望位移 信号通 过左侧 的分段线性信 号源 2 来设 定 ，其值设 置为 0 ～ 5 S 0 ～ 0 ． 0 7 ；5 ～1 0 第 1 期 杜丹丰 等微米木纤维滤芯模压机液压控制系统的仿真分析 2 1 s 0 ． 0 7 ～ 0 ． 1 ，1 0 ～ 3 5 s 0 ． 1 。设置 这样 的信 号值是 为 了实现 系统的快进 、慢进和保压 的过程 。这样 执行 机构 的位移 也将 在 0 ～ 0 ． 1 m之 间。 图 4 A ME S i m压下成 型液压系统模 型 点击运行 模式 工 具栏 改变 ，点击 运行 参 数按 钮 ，设置仿真 时间为 3 5 S ，仿真 间隔为 0 ． 0 5 S ，开始 仿真。仿真结果如图 5 所示 ，其中实线是设定的信号 曲线 ，代表活塞杆期 望位移 曲线 ，模拟液压杆快速下 压 、工进压缩 和保压 的过程 虚线是活塞杆仿真结果 的位移 曲线 0 ． 1 2 目O ． 1 0 0 ． 0 8 o ． 0 6 删 0 ． O 4 烘 0 ．0 2 0． O O 图5 活塞杆期望位移曲线与仿真结果位移曲线 通过 A ME S i m软件 的后处理 窗 口，可将活塞杆期 望位移 曲线 与仿 真结 果位移 曲线求差值 ．绘 制 如图 6 所示 的初始 活塞杆位移误差 曲线 。 0． 020 o． 015 。 川0 O ． 0 0 5 0 ． 0 0 0 ．0 ． 0 0 5 ．0 ． 0 1 0 0 5 lO l5 时 间， 2 s 0 25 30 35 图 6 初始 活塞杆位移误差 曲线 由于微米 木纤维具有一定 的弹性 ，所 以压缩过程 产生 的误差对 滤芯最终成型长度 的影响较小 ，而微米 木纤维 滤芯 只有 经 过较 长 的保 压 时间 。才 能最 终 成 型。所 以文中对 0 ～1 0 S 的压缩 过程 产生 的位置 误差 不予以考虑 。而将 1 0 ～ 3 5 S 之间的保 压过程时位置误 差作 为主要研究对象 。通过图 5和图 6可以看 出，活 塞杆的期望位移与仿真结果位移无论在压缩过程还是 保压过程 ，误 差都超 过 了 1 m m，这说 明此液压 系统 控制精度不够，因此有必要对其控制系统做进一步的 研究 。 3 微米木纤维滤芯模压机液压压下 系统控制策略 研 究 对于含有非线性 因素较多 的系统 ，通 常很难对 其 建立精确 的数 学模 型 ，而模 糊控 制具 有 较好 的鲁棒 性 ，又可 以摆脱 对 象模 型 ，利 用被 控 对 象 的动 态信 息 ．实时根据规则知识 进行 推理 获得合 适 的控制量 ． 在处理非线性系统方面具有较 大的优 势 ，所 以将模糊 控制和 P I D控制联合起来可取得更好 的控制效果 _ 7 ] 。 3 ． 1 模 糊 P I D控 制 器设 计 文 中设定位置 的输入 偏差 e 的基本 论域为『 一 6 ． 6 ] ，偏差变化率 e c的基本论域为 [ 一 3 0 ，3 0 ] ，e和 e c 的量化论域均 为 E _ _ 6 ，一 5 ，一 4 ，一 3 ，一 2 ，一 1 ， 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ] ，则可得到误差 e的量化 因子 G 6 ／ 6 1 ，误 差变 化 率 P C的量化 因子 G 6 ／ 3 0 0． 2。 输 出量 的 “ 比例 因子” 是 将模 糊 控制 器 的输 出 量 由模糊论域转 化到物理论域 的变换系数 ，对于系统 所输 出的 3 个变 量 △ 的基 本论域 为 [ _ 3 0 ，3 0 ] ， A K 的基本 论 域 为 卜 1 5 ，1 5 ] ，A K 的基 本论 域 为 _ _ 3 ，3 ] ，将它们 的量化论域设置成与基本论域一 样 ，可得量化 因子 G 1 ，G 1 ，G 1 。为模糊 子 集 选 取 7个 语 言 值 胎 ，肼 ，P 5 ，Z，N S ，N M． N B，则 e 、e c 、A Ke 、AK 和 A K 的变 化论 域 和语 言 值 的对应 关 系如表 1所示 ，利用 M A T L A B软 件提 供 的模糊控制器对其进行设 置。 表 1 变化论域与语言值对应关 系 2 2 机床 与液压 第 4 3卷 采 用 相 似 阀控 缸 模 型 的控 制 规 则 。A K 、A K 、t h e n A K i s P s A K i s N B A K 。 i s N S ； A K。见表 2 4所示 。 ⋯⋯ 表 2 A K p的模糊 规则 表 根据 以上 3 个模糊 规则表 ，可以列出模 糊控制 的 控制规则 ，由于误 差 e与误 差 变化 率 e c都 分 为 了 7 个语言值 ，所 以对应有如下 4 9条规则 1 I f e r r o r i s NBa n d e r r o r c h a n g e i s NB t h e n A K P i s P B A K I i s N B A K D i s P S ； 2I f e r r o r i s NBa n d e r r o r c h a n g e i s NM 4 9 I f e r r o r i s P Ba n d e r r o r c h a n g e i s船 t h e n A KP i s NB A K I i s P 日 A KD i s船 。 通过 MA T L A B软件 提供 的模糊 规则 编辑 器 ．便 可实现规则 的输 入 。利 用 Ma t l a b工具 箱 进行 的解 模 糊是直接运用 了重心法进行 的求解 ，通过模糊规则查 看器可以查看不 同的输入对应 的输 出。 3 ． 2 A ME S i m 与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k联 合仿 真 分析 在 A M E S i m 中，点 击 I n t e r f a c e标 签 下 面 的 I n t e r f a c e I c o n C r e a t i O i l 。设 置一个 输人 端 口和一 个输 出端 口；同时还需选择联合仿 真 的类 型 ，A ME S i m软件包 含 了和 S i m u l i n k以及 A d a m s 在 内的多种仿真 软件 实现 联合仿真 的接 口类 型 ，文 中选择 S i m u C o s i m。在对话 框 中要输 入 的是输 入 端 口、输 出端 口以及模 块 的 名 字 ，本文设 置 模 块 的名 为 A M E S i m A N D S i m u l i n k l 8 ] 。 设置完成后点击“ O K ” ．则 A ME S i m A N D S i m u l i n k在 A M E S i m中的模 型设 置完成 ，在 A M E S i m窗 15 1 中就 会 出现“ i n A ME S i m AN D S i mu l i n k o u t ” 的元 件 模 块 。 将此模块 和 A ME S i m 中的其他元件连接起来就建立 起 如 图 7所示 的液压压下 系统仿真模型 。 图7 元件模块和其他元件连接的仿真模型 S i m u l i n k中在 P I D控 制基 础 上加 一模 糊 控 制器 ． 其作用就是在控制过程 中 ，对 P I D 3 个 参数 、 、 K 进行微调 ，其设 计框 图如 图 8所 示。模 糊控 制器 采用上面提到 的模糊 隶属 函数 和论 域 ，加 入 s函数 ， 将该 函数命 名 为 A ME S i m 模 型名 称 “ p i d ” 加 “ 一 ” 的形式 ，这样就实现 了系统 动态仿 真平 台和 S i m u l i n k 算法模型 的链接 。进行模糊 P I D控 制的联 合仿真 。 第 1 期 杜丹 丰 等 微米木纤维滤芯模压机液压控 制系统的仿真分析 2 3 图 8 模糊 P I D控制系统设计框 图 当模 型搭建完成后 ，在 S i m u l i n k中进行相关参 数 的设置并运行仿真，在 A ME S i m中得到如图9所示的 优化后 活塞杆 仿 真位 移 曲线 与期 望 位移 曲线及 如 图 1 0 所示 的优化后活塞杆位移误差 曲线 。 O‘ 宴o 0 ． 椭 0 ． 蜱 0 ． 。 0 懵问 ， s2 。 2 5 3 0 3 5 图9 优化后活塞杆仿真位移曲线与期望位移曲线 0． 00 0． 00 0． 0o 疆 0 ． O 0 一O． 00 0． 00 0 5 1 0 1 5时间， s 2 0 2 5 3 O 3 5 图 1 0 优化后初 始活塞杆位移误差 曲线 对 比图 5 、6与 图 9 、1 0可 以看 出 ，采用 模糊 控 制后 系统的控制效果 明显 增强 ．1 0 ～ 3 5 s 的保压 过程 中 ，活塞杆位移 的误差能 够保持 在 1 m m 以内 ，满足 了系统的设定要求 。 4结束 语 以微米木纤维滤芯模压机 为研究对象 ，对其液压 系统及 工作 原理进行分析 ，详细介 绍了系统 中关键元 件的工作原 理及 参 数选 取 ，并 采用 模 糊 P I D控制 策 略 ，在 A ME S i m和 Ma t l a b ／ S i m u l i n k联合仿真平 台上对 原液压 系统进行优化分析 。优化后液压系统模压 出的 微米木 纤维滤芯长度误差控 制在 1 m m之 内 。满 足生 产要求 。 参考文献 [ 1 ]郭秀荣， 杜丹丰， 马岩． 炭化微米木纤维滤芯柴油机排放 纳米颗 粒 吸 附特 性 [ J ] ． 江 苏大 学 学 报 自然 科 学 报 ， 2 0 1 3 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