基于AMESim/Simulink 的“電液控制工程”教學(xué)案例應(yīng)用

楊秀萍，楊 璐，宋 陽，張 磊

（1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384；2.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津津研機(jī)械設(shè)計(jì)有限公司，天津 300457）

0引言

電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的精準(zhǔn)控制，使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，電液控制系統(tǒng)功率質(zhì)量比高，剛度大，響應(yīng)速度快，因此，其在礦山、冶金、農(nóng)業(yè)和工程機(jī)械、航空航天領(lǐng)域等得到廣泛應(yīng)用[1-4]。“電液控制工程”是在液壓傳動(dòng)和自動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門較新的課程，涉及流體力學(xué)、液壓傳動(dòng)、控制工程理論、電氣控制等內(nèi)容，電液融合，屬于典型的交叉學(xué)科。課程理論性、綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，是液壓技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的高級(jí)階段。該課程教學(xué)要求學(xué)生不僅要掌握電液比例閥、伺服閥等元件以及控制系統(tǒng)的工作原理，還要求對(duì)液壓控制系統(tǒng)的工作性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。其中，控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這部分內(nèi)容包含大量的公式推導(dǎo)、分析和計(jì)算，比普通的液壓傳動(dòng)更為復(fù)雜、抽象和枯燥；由于與課程相關(guān)的許多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受設(shè)備費(fèi)用或技術(shù)等因素影響，無法實(shí)現(xiàn)，所以學(xué)生理解和掌握都比較困難[6]。為此，教師在教學(xué)中，在講授理論基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，可以以典型的工程實(shí)例為教學(xué)案例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)引入AMESim/Simlink 仿真技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析控制系統(tǒng)的性能以及參數(shù)對(duì)性能的影響，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制器，將教學(xué)與科研相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際。同時(shí)，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念引入教學(xué)中，能使學(xué)生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，從而提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，也解決了由于實(shí)驗(yàn)條件不足而無法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的困難。

1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)思路

“電液控制工程”要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)是：掌握液壓比例與伺服控制的工作原理及特性；掌握比例閥、伺服閥的結(jié)構(gòu)及特性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使學(xué)生掌握液壓比例與伺服系統(tǒng)的建模、分析、校正和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，使學(xué)生能夠?qū)﹄娨嚎刂葡到y(tǒng)的可行性進(jìn)行分析論證。具備對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，具備分析?fù)雜液壓系統(tǒng)的初步能力。

選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)案例應(yīng)圍繞教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)，主要從三方面考慮：第一，選擇簡單案例（如比例閥、伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作特性分析等），建模簡單，仿真時(shí)間短，便于課堂教學(xué)，學(xué)生通過簡單案例的仿真，可以熟悉和掌握軟件的使用；第二，選擇典型的案例（如帶鋼糾偏電液位置控制系統(tǒng)、材料試驗(yàn)機(jī)電液控制系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)液壓伺服控制系統(tǒng)等），使學(xué)生通過典型案例學(xué)習(xí)，了解工程背景，樹立工程概念，將理論與實(shí)際系統(tǒng)的性能聯(lián)系起來，掌握課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，舉一反三；第三，把教學(xué)與科研相結(jié)合，將教師的科研成果及應(yīng)用作為綜合教學(xué)案例，啟發(fā)學(xué)生思維，鞏固理論基礎(chǔ)知識(shí)，提高復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力。選擇綜合教學(xué)案例時(shí)，如工業(yè)閥門電液伺服控制系統(tǒng)、重載機(jī)械臂液壓伺服控制系統(tǒng)、造波機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)等，難度和大小要適中，由淺入深。對(duì)于比較大的科研項(xiàng)目，要將任務(wù)進(jìn)行合理分解，與課程內(nèi)容相匹配，同時(shí)考慮學(xué)生的接受能力，使學(xué)生建立學(xué)習(xí)的信心。

傳統(tǒng)的多媒體課件只能定性動(dòng)畫演示元件或系統(tǒng)的工作原理，無法定量分析和體現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能以及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。AMESim 仿真軟件基于直觀圖形界面平臺(tái)，采用圖塊化的物理模型搭建仿真系統(tǒng)，避免了復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的困難，還可以進(jìn)行時(shí)域和頻域仿真實(shí)驗(yàn)[5]。Simulink 借助Matlab 的強(qiáng)大計(jì)算功能，能夠方便地建立各種液壓系統(tǒng)控制模型。采用AMESim/Simlink 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以提高仿真建模的精準(zhǔn)度，提高計(jì)算效率。

2 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)案例確定設(shè)計(jì)思路。案例的選擇立足工程背景，設(shè)計(jì)具有典型性和綜合性的工程案例，以教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容為抓手，提煉知識(shí)點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際，掌握理論基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，并補(bǔ)充新知識(shí)。這里介紹2 個(gè)典型教學(xué)案例。

2.1 板帶糾偏電液位置控制系統(tǒng)

電液位置控制系統(tǒng)是最常用和最基本的液壓伺服控制系統(tǒng)，在冶金機(jī)械、礦山機(jī)械等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，是“電液控制工程”的重點(diǎn)內(nèi)容。電液位置控制系統(tǒng)輸出跟蹤輸入變化的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，不僅要關(guān)注穩(wěn)態(tài)性能，還要特別關(guān)注動(dòng)態(tài)性能，這是電液伺服系統(tǒng)與一般的傳動(dòng)控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)[6]。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能主要包括穩(wěn)定性、快速性和控制精度。板帶糾偏電液伺服控制系統(tǒng)是軋鋼、彩涂板生產(chǎn)線等生產(chǎn)過程中，為防止板帶運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，對(duì)其跑偏位置進(jìn)行糾正的控制系統(tǒng)[7-8]。根據(jù)系統(tǒng)原理圖，建立AMESim 仿真模型[9]，如圖1（a），設(shè)置液壓缸缸徑為30 mm，活塞桿直徑20 mm，行程1 m，液壓缸死區(qū)油量10 cm3；液壓泵排量100 ml，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，溢流閥調(diào)定壓力15 MPa；輸入信號(hào)9 設(shè)為在0 ～5 s 為斜坡信號(hào)，數(shù)值為0.8，5 s 后數(shù)值保持不變；系統(tǒng)增益6 的值K 設(shè)為100；階躍信號(hào)13設(shè)為1000。為提高測量精度，用位移傳感器將輸出位移放大10 倍，元件8 的值也設(shè)為10。仿真得到活塞的位移動(dòng)態(tài)誤差曲線、速度曲線以及系統(tǒng)伯德圖等，根據(jù)仿真結(jié)果可以分析系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

增益K 值增加時(shí)，響應(yīng)速度加快，活塞位移動(dòng)態(tài)誤差減小，但系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大，甚至?xí)霈F(xiàn)超調(diào)、振蕩，活塞的速度會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)。在頻域，幅頻特性曲線向上移動(dòng)，穩(wěn)定裕度減小甚至變?yōu)樨?fù)值，導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。顯然，提高伺服放大器增益能減小動(dòng)態(tài)誤差，加快響應(yīng)速度，但是存在穩(wěn)定性問題。

電液伺服閥的固有頻率、阻尼比等也會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。固有頻率過小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度太慢，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)跟蹤誤差增大，活塞速度波動(dòng)較大（圖1-b），使系統(tǒng)不穩(wěn)定。伺服閥的阻尼比越小，動(dòng)態(tài)跟蹤精度好，但幅頻特性出現(xiàn)峰值，幅值裕度減小，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，要選擇合適的伺服閥，才能保證整個(gè)系統(tǒng)具有良好的性能。

圖1 電液位置伺服控制系統(tǒng)

該教學(xué)案例重點(diǎn)分析了典型電液位置伺服系統(tǒng)的工作性能，利用AMESim 軟件，以圖形界面建模，減少了公式推導(dǎo)過程，可視化的定量結(jié)果形象直觀且一目了然，使學(xué)生很容易看出系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)誤差以及頻域特性等性能指標(biāo)。利用批運(yùn)行功能，可以方便地分析各參數(shù)對(duì)性能的影響，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其滿足性能設(shè)計(jì)要求。利用計(jì)算繪圖，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程不再枯燥、難懂。

2.2 重載機(jī)械臂液壓伺服控制系統(tǒng)

重載機(jī)械臂是礦山機(jī)械中常用的大型液壓設(shè)備。本教學(xué)實(shí)例來源于教師的“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)”項(xiàng)目，為中信重工研制的用于磨機(jī)更換襯板的機(jī)械臂。其控制系統(tǒng)主要完成機(jī)械臂的變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)、平擺、滾擺、進(jìn)退、關(guān)節(jié)俯仰等動(dòng)作。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閥控缸或閥控馬達(dá)的控制方式。由于機(jī)械臂工況比較復(fù)雜，重復(fù)定位精度以及響應(yīng)速度要求都比較高。由于設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不能同時(shí)滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，因此需要通過設(shè)計(jì)校正控制器來改善控制系統(tǒng)的性能。該項(xiàng)目涉及任務(wù)多，不適合直接用于教學(xué)，需要對(duì)其進(jìn)行分解，考慮與課程內(nèi)容相匹配的部分，選擇變幅、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作作為教學(xué)案例，進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

以機(jī)械臂變幅缸為例，建立系統(tǒng)的AMESim 仿真模型[10]，如圖2（a）所示。為了實(shí)現(xiàn)AMESim 和Simulink 聯(lián)合仿真，利用AMESim 中的Interface 接口，建立2 個(gè)軟件信息交流接口，輸入端信號(hào)為液壓缸的位移反饋信號(hào)X，輸出端信號(hào)為信號(hào)X 經(jīng)Simulink 計(jì)算得到的控制信號(hào)Y[11]。

PID 控制是最常用的校正方法，采用對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算得到控制算法。利用Simulink 建立變幅缸系統(tǒng)的PID 控制模型，2 個(gè)軟件聯(lián)合仿真，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如圖2（b）所示[10]。

圖2 重載機(jī)械臂變幅缸電液伺服系統(tǒng)

PID 控制算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是確定最優(yōu)控制參數(shù)比較困難。由于機(jī)械臂控制系統(tǒng)存在各種干擾，液壓系統(tǒng)存在摩擦、流量等非線性因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此結(jié)合模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)PID 控制器[12]。給定各元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到響應(yīng)曲線，如圖2（b）。對(duì)比可知，模糊神經(jīng)PID 控制器使系統(tǒng)無超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間僅為1s，穩(wěn)定性和快速性都優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制[10]。

將教師科研項(xiàng)目中的部分任務(wù)作為教學(xué)案例，采用AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真，并引入模糊神經(jīng)PID 控制器設(shè)計(jì)等新知識(shí)，體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”。

3 教學(xué)案例的實(shí)施

案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體的教育理念，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立網(wǎng)上教學(xué)資源，如生產(chǎn)設(shè)備等實(shí)例應(yīng)用的視頻，教學(xué)案例的課件、微視頻等；利用線上線下混合教學(xué)模式，提高學(xué)生參與度。

教學(xué)案例實(shí)施貫穿課程教學(xué)的全過程，主要分為五個(gè)階段：

第一，利用簡單教學(xué)案例的應(yīng)用，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)AMESim/Simlink 仿真軟件的使用。通過錄制微視頻，介紹軟件的功能，編寫仿真指導(dǎo)課件，并發(fā)布到在線教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生可以利用碎片時(shí)間在線學(xué)習(xí)，與教師互動(dòng)、交流，掌握仿真教學(xué)內(nèi)容和軟件的使用方法。

第二，典型教學(xué)案例和綜合教學(xué)案例采用課件及微視頻方式，介紹案例的工程背景、工作原理、存在的問題，發(fā)布到在線教學(xué)平臺(tái)。教師課前發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)、熟悉案例的相關(guān)內(nèi)容，觀看案例應(yīng)用視頻等。

第三，課上教師對(duì)案例進(jìn)行分析，啟發(fā)學(xué)生思考，講解解決問題的思路。例如，如何選擇控制器，各種控制器有何優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適合什么工況，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)等等。

第四，學(xué)生完成大作業(yè)。學(xué)生以組為單位，對(duì)案例進(jìn)行討論和交流，促使學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作、獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。教師線上輔導(dǎo)、答疑，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，生生互動(dòng)。學(xué)生提交大作業(yè)報(bào)告及仿真結(jié)果文件。

第五，教師根據(jù)學(xué)生完成的情況進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

以工程實(shí)例作為教學(xué)案例，將教學(xué)與科研相結(jié)合，利用AMESim/Simlink 軟件構(gòu)建教學(xué)案例的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并采用線上、線下混合教學(xué)模式，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。這種教學(xué)方法有助于培養(yǎng)和促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教育理念；有助于學(xué)生掌握電液控制的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；多種控制器的設(shè)計(jì)與比較，補(bǔ)充了新知識(shí)，拓展了知識(shí)面，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”。在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，學(xué)生能夠應(yīng)用電液控制技術(shù)和仿真技術(shù)為企業(yè)中的產(chǎn)品，如工業(yè)機(jī)器人、AGV導(dǎo)航車、救援機(jī)器人等液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升了學(xué)生在就業(yè)中的競爭力。