基于AMESim主從同步控制系統(tǒng)仿真研究

王野牧，胡牧青

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前言

對(duì)于重型機(jī)械，特別是盾構(gòu)機(jī)的支護(hù)作業(yè)來說，在復(fù)雜多變的工況下，多缸運(yùn)動(dòng)的同步性顯得尤為重要。鋼拱架安裝器的水平移動(dòng)主要依靠?jī)蓚€(gè)水平油缸的伸出與縮回完成。由于安裝器的質(zhì)量大，重心高，極易出現(xiàn)負(fù)載不恒定、極端偏載的情況，所以油缸同步精度的好壞直接影響到鋼拱架安裝精度的高低，從而對(duì)液壓同步控制系統(tǒng)提出更高的要求。

根據(jù)實(shí)際工況需要，實(shí)驗(yàn)臺(tái)所需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：(1)驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載力100 000 N；(2)兩個(gè)水平缸的同步精度0.2 %。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成及工作原理

液壓同步控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由同步控制和負(fù)載加載兩部分組成。圖1為液壓同步實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖。同步控制是由工業(yè)計(jì)算機(jī)、伺服比例閥、位移傳感器構(gòu)成的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。位移傳感器采集兩油缸不同位置信號(hào)，傳遞給運(yùn)動(dòng)控制卡，再由工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、分析并控制伺服比例閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)同步控制。負(fù)載加載是由工業(yè)計(jì)算機(jī)、三通比例減壓閥和壓力傳感器構(gòu)成的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過改變?nèi)ū壤郎p壓閥的出口壓力的大小來模擬盾構(gòu)機(jī)支護(hù)作業(yè)過程中出現(xiàn)的負(fù)載力。

圖1 液壓同步試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

2 基于AMESim主從同步控制系統(tǒng)模型建立

2.1 比例伺服閥模型的建立

伺服比例閥作為主從同步控制系統(tǒng)的重要核心元件，其好壞直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和控制精度。為了模擬真實(shí)的伺服比例閥，在實(shí)驗(yàn)中，該閥的實(shí)際頻寬大于液壓系統(tǒng)固有頻率的3～5倍，因此將其簡(jiǎn)化成比例環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真分析，最后在AMESim中建立的模型如圖2所示。模型中具體參數(shù)值如表1所示。

圖2 伺服比例閥仿真模型

參數(shù)參數(shù)值響應(yīng)時(shí)間/ms5最大流量(在p=7 MPa)/L·min-118最大流量(在p=3 MPa)/L·min-128圓角半徑/mm0.005徑向間隙/mm0.003

2.2 伺服油缸模型的建立

伺服油缸是主從同步控制系統(tǒng)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，油缸的技術(shù)參數(shù)直接影響最大承受負(fù)載力情況及仿真的真實(shí)性。根據(jù)伺服油缸的實(shí)際的技術(shù)參數(shù)(如表2)，利用AMESim建立的伺服油缸模型如圖3所示 。

表2 伺服油缸相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖3 伺服油缸仿真模型

2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的建立

液壓主從同步控制框圖如圖4所示。工控機(jī)通過給閥放大器輸入相同的電壓信號(hào)，控制比例伺服閥開度的大小，從而控制油缸的移動(dòng)速度。當(dāng)油缸接觸到負(fù)載出現(xiàn)移動(dòng)速度的不同步及位置偏差時(shí)，偏差值會(huì)通過差值反饋的方式累加到移動(dòng)速度較慢油缸的閥放大器上，從而提高伺服比例閥的開度，進(jìn)而提高油缸的移動(dòng)速度。直至偏差值為0時(shí)，系統(tǒng)會(huì)重新建立一個(gè)新的平衡點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，每個(gè)獨(dú)立的位置傳感器與比例伺服閥、油缸構(gòu)成獨(dú)立的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)油缸均能獨(dú)立進(jìn)行位置控制。

根據(jù)液壓主從同步控制框圖，針對(duì)100000 N和0 N兩種負(fù)載狀態(tài)建立AMESim模型如圖5所示。

圖4 液壓主從同步控制框圖

圖5 液壓主從同步閉環(huán)控制系統(tǒng)模型

3 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

當(dāng)信號(hào)源輸入信號(hào)為0～10時(shí)，對(duì)應(yīng)伺服比例閥閥芯位移為0～100%。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位移傳感器的工作范圍0～1.5 m，所對(duì)應(yīng)的信號(hào)為0～1。溢流閥的開啟壓力為250 MPa；柱塞泵的排量為 125 L/min；電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，仿真時(shí)間200 s。

對(duì)于剛性負(fù)載的液壓同步系統(tǒng)來說，在接觸負(fù)載的瞬間會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的超調(diào)量，經(jīng)過震蕩以后才能達(dá)到穩(wěn)定。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中為了避免產(chǎn)生較大的超調(diào)量、測(cè)量元器件的損壞以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，在系統(tǒng)中加入PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)獲得最終PID調(diào)整器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的數(shù)值大小，P=7.19，I=2.57×10-3，D=0。

從圖6曲線上可以看出，液壓缸在伸出過程中，流量穩(wěn)定在6.72 L/min；縮回過程中，流量穩(wěn)定在6.75 L/min。仿真到50 s之后，液壓缸處于支撐狀態(tài)，因此流量為0 L/min。從圖7曲線上可以看出，伸出與縮回過程中，雙液壓缸速度均穩(wěn)定在22 mm/s，速度誤差可以忽略不計(jì)。在液壓缸的行程內(nèi)，通過圖8曲線可以看出位置誤差為1.14 mm，計(jì)算可得同步精度為0.076%遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.2%，滿足實(shí)驗(yàn)所需的精度要求。

圖6 伺服油缸的動(dòng)態(tài)流量曲線

圖7 伺服油缸的速度變化曲線

圖8 伺服油缸的位置變化曲線

4 結(jié)束語

(1)對(duì)于閥控缸液壓系統(tǒng)來說，當(dāng)實(shí)際使用的伺服比例閥的頻寬大于液壓固有頻率的額的3～5倍時(shí)，伺服比例閥簡(jiǎn)化成慣性環(huán)節(jié)，有利于系統(tǒng)的仿真分析。

(2)對(duì)于負(fù)載是剛性的液壓同步系統(tǒng)來說，在接觸負(fù)載的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的階躍力，使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)較大的超調(diào)量和震蕩。如果想要提高控制精度，改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，可以增加PID校正環(huán)節(jié)。

(3)通過仿真分析可以得出，負(fù)載為0與負(fù)載為100 000 N的油缸在行程范圍內(nèi)，無論伸出與縮回的同步精度均能滿足實(shí)驗(yàn)要求，得到滿意的結(jié)果。同時(shí)為極端偏載的工況下的液壓同步控制提供一個(gè)科學(xué)的理論支持。

(4)液壓同步控制試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用AMESim軟件進(jìn)行建模和仿真，與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)傳遞函數(shù)相比，更加直觀、方便得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。