基于AMESim/Simulnk的電液伺服系統(tǒng)研究與仿真

張道德， 嚴(yán)　翩

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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基于AMESim/Simulnk的電液伺服系統(tǒng)研究與仿真

張道德， 嚴(yán)翩

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

以5自由度關(guān)節(jié)型液壓機(jī)械手為控制對(duì)象，闡述液壓機(jī)械手的電液伺服閥控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及原理。研究電液伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，計(jì)算液壓機(jī)械手的電液伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并在MATLAB平臺(tái)下繪制bode圖來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，有針對(duì)性地提出電液伺服系統(tǒng)性能優(yōu)化方案。同時(shí)，針對(duì)機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電液伺服閥位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，在AMESim平臺(tái)下建立閥控非對(duì)稱液壓缸的液壓-機(jī)械系統(tǒng)模型，在Simulink平臺(tái)下建立PID控制系統(tǒng)模型，通過(guò)AMESim/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，解決了電液伺服控制系統(tǒng)在AMESim平臺(tái)下難以建模的問(wèn)題，系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯加快。

液壓機(jī)械手； 電液伺服閥； AMESim/Simulink聯(lián)合仿真

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，智能化機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越普及，對(duì)其工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求也越來(lái)越高[1]。電液伺服系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用比較成熟，但由于其為非線性，控制模型不易建立。本文通過(guò)計(jì)算電液伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[2]，仿真并繪制bode圖來(lái)驗(yàn)證伺服閥控系統(tǒng)穩(wěn)定性并對(duì)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在AMESim平臺(tái)下建立的液壓伺服閥控制系統(tǒng)模型不具直觀性且建模困難，而Matlab提供的Simulink平臺(tái)是一個(gè)可視化仿真工具，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。因此，結(jié)合兩者各自的優(yōu)勢(shì)，選擇在AMESim平臺(tái)下建立液壓系統(tǒng)模型，在Matalab平臺(tái)下建立控制系統(tǒng)模型。通過(guò)AMESim/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，解決電液伺服控制系統(tǒng)在AMESim平臺(tái)下難以建模的問(wèn)題[3]。

1　仿真環(huán)境介紹

AMESim(Asvanced Modeling Environment for simulation of engineering systems)軟件是集流體、機(jī)械、控制、電磁等多領(lǐng)域于一體的高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模軟件，用戶能夠建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算，研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[4]。

AMESim/Simulink的聯(lián)合仿真，利用AMESim軟件便捷直觀的機(jī)電液一體的物理建模仿真功能，結(jié)合Simulink卓越的數(shù)據(jù)處理和圖形輸出功能，在各自專業(yè)軟件環(huán)境中分別建模，通過(guò)相互之間的接口進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)防和優(yōu)化研究。AMESim/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)，滿足了基于物理模型設(shè)計(jì)建模仿真的需求，同時(shí)，也解決了控制系統(tǒng)在AMESim平臺(tái)下難以建模的問(wèn)題[5]。

2　電液伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

電液伺服系統(tǒng)由伺服放大器、電液伺服閥、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)裝置及被控對(duì)象組成，為閉環(huán)控制系統(tǒng)(圖1)。其核心為電液伺服閥，直線性好，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，便于通過(guò)電控裝置或數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律及遠(yuǎn)程控制[6]。

圖 1　電液伺服系統(tǒng)原理圖

2.1電液伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)

液壓閥控系統(tǒng)控制對(duì)象為非對(duì)稱液壓缸行程(即末端操作器的位置)，整個(gè)系統(tǒng)分為動(dòng)力部分、控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括單作用定量泵、電液伺服閥、非對(duì)稱液壓缸和負(fù)載。以電流作為輸入量，流量作為輸出量，根據(jù)負(fù)載要求對(duì)相關(guān)元件進(jìn)行計(jì)算及選型，具體參數(shù)如下： 質(zhì)量塊m，0.3 kg；伺服閥型號(hào),D633；模擬負(fù)載F，20 kN；閥規(guī)格，三位四通；閥壓降P,7 MPa；輸入電流I，40 mA；壓力損失，1 MPa；頻率w，80 Hz。

圖 2　閥非對(duì)稱缸結(jié)構(gòu)示意圖

本研究選用非對(duì)稱液壓缸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中：p1為液壓缸無(wú)桿腔壓力，Pa；A1為無(wú)桿腔活塞面積，m2；Q1為無(wú)桿腔流量，m3/s；p2為液壓缸有桿腔壓力，Pa；A2為有桿腔活塞面積，m2；Q2為有桿腔流量，m3/s；xv為滑閥閥芯位移，m；xp為液壓缸活塞位移，m；阻力f為彈性負(fù)載、阻尼負(fù)載以及質(zhì)量mt的總和。

根據(jù)液壓缸-負(fù)載傳遞函數(shù)、D633伺服閥及力-位移傳感器的反饋方程可得電液伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

(1)

式中：Ka為伺服閥放大器增益；Kf為位移傳感器增益。

根據(jù)液壓缸-負(fù)載傳遞函數(shù)及伺服閥傳遞函數(shù)確定系統(tǒng)方框圖(圖3)。

圖 3　電液伺服控制系統(tǒng)方塊圖

2.2系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖

確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)以后，根據(jù)電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，輸入信號(hào)為伺服閥的給定位移值0.5 m，在MATLAB平臺(tái)下建模(圖4)。

圖 4　電液伺服系統(tǒng)模型

仿真繪制電液伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)的Bode圖(圖6)。

圖 5　伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)Bode圖

從系統(tǒng)波特圖特性曲線的幅頻率、相位曲線可得，液壓伺服系統(tǒng)穩(wěn)定，在給定條件下滿足作業(yè)要求。但該系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定都是在忽略外界干擾以及在理想設(shè)備的基礎(chǔ)上，沒(méi)有考慮伺服系統(tǒng)的非線型性、擾動(dòng)大、時(shí)變參量多等因素。

3　基于AMESim/Simulink的電液伺服閥控制系統(tǒng)建模與仿真

電液伺服閥具有一定的死區(qū)，其閥口流量增益會(huì)隨著閥口的壓力變化而變動(dòng)；其次，液壓缸也存在死區(qū)及摩擦特性，而摩擦特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)的低速性能產(chǎn)生影響。液壓系統(tǒng)負(fù)載的非線性特性對(duì)系統(tǒng)的影響也很大，隨著液壓系統(tǒng)壓力、油溫等性能參數(shù)的改變，位移反饋中的泄漏系數(shù)也會(huì)隨之改變。針對(duì)以上問(wèn)題，本系統(tǒng)加入PID控制器[7]，對(duì)電液伺服閥的輸入輸出位移進(jìn)行跟蹤和調(diào)節(jié)，控制精度，提高電液伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

PID控制算法中的決定因素為kp、ki、kd參數(shù)值的確定，kp、ki、kd的取值大小決定了整個(gè)PID控制的效果。因此，根據(jù)每個(gè)階段電液伺服閥的位移偏差e和偏差變化率ec，kp、ki、kd參數(shù)值整定規(guī)則為：

1) 比例系數(shù)即kp值的調(diào)節(jié)直接決定系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。kp值越高，則系統(tǒng)響應(yīng)越迅速，但kp過(guò)高會(huì)引起超調(diào)和振蕩；而kp過(guò)低，系統(tǒng)響應(yīng)慢，精度差，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)；因此，當(dāng)被控量遠(yuǎn)離給定值，即偏差增大時(shí)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)比例作用能夠有效控制偏差，但kp不宜過(guò)大，否則會(huì)引起超調(diào)。

2) 積分系數(shù)ki的取值將決定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki取值過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，降低性能ki過(guò)小又會(huì)使系統(tǒng)積分速度變慢，穩(wěn)態(tài)誤差消除減慢，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。因此，對(duì)于積分值的選取要適中，過(guò)高過(guò)低都達(dá)不到預(yù)期效果。

3) 微分系數(shù)kd的作用是控制動(dòng)態(tài)性能。主要跟蹤偏差信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其起到預(yù)測(cè)和抑制作用；kd的作用主要是輔助kp、ki調(diào)節(jié)，通過(guò)預(yù)知偏差從而抑制被控量變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快調(diào)節(jié)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。

電液伺服控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖 6　電液伺服控制系統(tǒng)原理圖

3.1基于AMESim/Simulnk的液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)模型

AMESim是基于功率鍵合圖的仿真軟件，簡(jiǎn)單直觀的物理模型能將操作者從繁瑣的數(shù)學(xué)模型中解放出來(lái)，專注物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。因此，在AMESim環(huán)境下利用Mechanical library、Hydraulic library及Signal and Control library迅速搭建所需的系統(tǒng)模型(圖7)。

圖 7　液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)圖

機(jī)械臂由伸縮液壓缸驅(qū)動(dòng)，多路閥為三位四通伺服閥，與位移傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制回路；系統(tǒng)采用液控單向閥實(shí)現(xiàn)互鎖，節(jié)流單向閥控制回油速度，溢流閥作為系統(tǒng)背壓閥。

各參數(shù)為：負(fù)載20 kN，控制主臂伸縮的液壓缸內(nèi)徑為80 mm，活塞桿直徑為45 mm，液壓缸行程為500 mm，其他參數(shù)取默認(rèn)值。

在MATLAB/Simulink模塊下建立PID控制系統(tǒng)模型(圖8)，ke取為3.75，kc取值7.5。進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，只需計(jì)算各臂轉(zhuǎn)過(guò)特定角度油缸所需的行程，即可將其作為閥的輸入信號(hào)，從而控制各臂的位置狀態(tài)。給定輸入信號(hào)后，AMESim系統(tǒng)自行繪制生成路徑曲線，整個(gè)過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。

圖 8　電液伺服系統(tǒng)的PID控制模型

3.2系統(tǒng)仿真與結(jié)論分析

在AMESim/Simulink平臺(tái)下進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)束后，系統(tǒng)自行計(jì)算各元件的最終參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，因此能夠很好地得知運(yùn)行結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，避免了很多繁雜的運(yùn)算過(guò)程[8]。獲取各臂的最終參數(shù)數(shù)據(jù)可知，大臂轉(zhuǎn)過(guò)最大角度為30°，以位移和壓力作為縱坐標(biāo)的變化曲線如圖9、10所示。

圖 9　電液伺服閥位移跟蹤特性曲線

圖10　執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力變化曲線

如圖9所示，電液伺服系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行位移跟蹤，誤差小于0.1%；從圖10執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力特性曲線可以看出，系統(tǒng)在開(kāi)始初期和穩(wěn)定時(shí)刻出現(xiàn)輕微振蕩，隨即保持穩(wěn)定狀態(tài)，壓力值最終穩(wěn)定在6.67 MPa,低于系統(tǒng)給定的最大壓力7 MPa，結(jié)果滿足預(yù)期要求。

4　結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)液壓機(jī)械手臂的液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真分析可知，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定性好，位移、壓力、流量都能滿足作業(yè)要求。

2) AMESim軟件具備強(qiáng)大的液壓元件庫(kù)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)，方便建模的同時(shí)，也能實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和結(jié)論分析,電液伺服閥的位置跟蹤精度基本滿足要求，系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)。運(yùn)動(dòng)初期，系統(tǒng)壓力突增，對(duì)系統(tǒng)沖擊較大，且流量曲線有一定波動(dòng)；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)運(yùn)動(dòng)位置時(shí)，出現(xiàn)明顯振蕩，流量突降。由此說(shuō)明，對(duì)于存在外加負(fù)載擾動(dòng)的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。加入PID控制算法后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到顯著提升，響應(yīng)時(shí)間大大縮短，位置跟蹤誤差小于0.1%，且穩(wěn)定性更好，無(wú)超調(diào)和震蕩。

3) AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真，很好地利用了AMESim方便建模的優(yōu)勢(shì)，Simulink則解決了電液伺服閥在AMESim中難以建立控制系統(tǒng)模型的問(wèn)題。

[1]倪敬,程樂(lè)平.五自由度液壓伺服機(jī)械手研制[J].機(jī)電工,2014,31(5):595-599.

[2]劉俊,覃剛,王強(qiáng).基于AMESim/Simulink的電液伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)[J].船海工程，2015,44(1):122-125.

[3]李謹(jǐn)，鄧衛(wèi)華. AMESim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)及應(yīng)用[J].情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù),2004(5)：61-64.

[4]江玲玲,張俊俊.基于AMESim的液壓位置伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007(1):35-37.

[5]李廣瑞,焦儂,洪術(shù)華.基于AMESim/Simulink的調(diào)距槳裝置伺服系統(tǒng)聯(lián)合仿真對(duì)比研究[J].船舶工程，2014(1):49-51.

[6]張文毅, 張福梅, 陳祖希.電液伺服閥調(diào)試過(guò)程關(guān)鍵點(diǎn)控制方法[J].液壓氣動(dòng)與密封, 2016，36(2)：56-58.

[7]王勇,劉樹(shù)林,張潤(rùn)忤.管柱移運(yùn)液壓機(jī)械手的PID控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013,26(11):95-96.

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[責(zé)任編校： 張眾]

Research and Simulation of Electro-hydraulic Servo System Based on AMESim/Simulnk

ZHANG Daode, YAN Pian

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper, taking the hydraulic manipulator with five degree freedom as the control objects, described the structure and principle of the control system of electro-hydraulic servo valve. It studied the electro-hydraulic servo position closed-loop control system, calculated the electro-hydraulic servo transfer function of hydraulic manipulator system , drew the bode diagram in MATLAB platform, and verified the dynamic stability of the system, based on which it thus put forward the improvement and research direction of electro-hydraulic servo system performance. At the same time, it studied the electro-hydraulic servo valve position closed-loop control system of manipulator hydraulic drive system, and established a hydro-mechanical model of valve controlled asymmetrical cylinder in AMESim environment and a PID control system in simulnk platform. Through the software platform of AMESim/Simulink for co-simulation analysis, it solved the problem that it’s difficult to build electro-hydraulic servo control system model in AMESim platform. The control optimization effect is obvious, and the response speed of the system is significantly accelerated.

hydraulic manipulator; electro-hydraulic servo valve; AMESim/Simulation

2015-05-25

張道德(1973-)， 男， 湖北黃岡人，博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂葡到y(tǒng)和機(jī)器視覺(jué),圖像處理等

嚴(yán)翩(1991)，女，湖北天門人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橐簤合到y(tǒng)和智能控制

1003-4684(2016)04-0030-04

TH137.9

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