基于AMESim的機(jī)匣翻轉(zhuǎn)沖洗機(jī)壓力控制系統(tǒng)研究

王野牧，楊 於

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

0 引言

機(jī)匣翻轉(zhuǎn)沖洗機(jī)用于沖洗航空發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣。傳統(tǒng)的機(jī)匣沖洗方式是采取人工沖洗，但沖洗的質(zhì)量得不到保證，而且效率低。機(jī)匣翻轉(zhuǎn)沖洗機(jī)與人工沖洗相比，沖洗的質(zhì)量和效率都得到了提高。機(jī)匣翻轉(zhuǎn)沖洗機(jī)的壓力控制系統(tǒng)是沖洗機(jī)的核心系統(tǒng)，其性能的好壞決定沖洗質(zhì)量的高低。因此，對(duì)沖洗機(jī)的壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究是非常必要的。該系統(tǒng)最主要的控制參數(shù)是機(jī)匣入口處的壓力，并且要求系統(tǒng)壓力的控制范圍為0.15 MPa～1 MPa，系統(tǒng)壓力的控制精度為±0.01 MPa。

1 沖洗機(jī)壓力控制系統(tǒng)的組成及工作原理

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的壓力控制范圍比較廣，并且控制精度要求高，為了保證控制系統(tǒng)的壓力控制精度，采用閉環(huán)控制方式來控制壓力。機(jī)匣翻轉(zhuǎn)沖洗機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，分別是液壓泵站和廢油泵站。液壓泵站用于實(shí)現(xiàn)機(jī)匣入口的壓力控制，采用伺服比例換向閥來控制機(jī)匣入口處壓力，同時(shí)在機(jī)匣入口處設(shè)有壓力傳感器，可以配合伺服比例換向閥來實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制；并且采用雙通道供油方式，以減少壓力損失，增大通流面積，來滿足系統(tǒng)的流量要求；還具有油液的在線清洗功能，能夠保證油液的清潔度。廢油泵站主要用于收集沖洗過程中泄漏的油液，能夠?qū)崿F(xiàn)廢油的自動(dòng)收集。

2 基于AMESim的閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)建模

2.1 伺服比例閥模型建立

伺服比例閥各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)壓力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和壓力控制精度有很大的影響。因?yàn)樵贏MESim仿真軟件液壓庫中的閥模型不能精確地仿真實(shí)際伺服比例閥，所以就需要重新建立伺服比例閥模型?；趯?shí)際伺服比例換向閥，運(yùn)用AMESim仿真軟件建立的伺服比例換向閥模型如圖2所示。通過調(diào)整閥模型內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)，使其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性與真實(shí)的伺服比例閥一致。最終確定的閥模型內(nèi)部參數(shù)如表1所示。

表1 伺服比例換向閥參數(shù)

1,32-加熱器;2,5,6,15,22,27,29-過濾器;3-球閥;4,21,28-油泵電機(jī)組;7-節(jié)流閥;8-換向閥;9-溢流閥;10,11,16-壓力表;12-伺服比例閥;13-流量計(jì);14-單向閥;17,18,19-三級(jí)過濾器;20-冷卻器;23,31-溫度傳感器;24,25,26-液位計(jì);30-壓力傳感器

1-輸入信號(hào);2-放大器;3-二階振蕩環(huán)節(jié);4-閥芯位移限位;5-信號(hào)位移轉(zhuǎn)換;6-閥體;7-油源

2.2 閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)模型建立

沖洗機(jī)閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)框圖如圖3所示?？刂破鹘o閥放大器一定的電壓信號(hào)，使閥芯產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，閥口開度發(fā)生改變，從而控制閥的輸出壓力。當(dāng)輸出壓力大于系統(tǒng)設(shè)定的壓力時(shí)，壓力傳感器采集信號(hào)，反饋給控制器，控制器經(jīng)過運(yùn)算后重新發(fā)送信號(hào)給放大器，控制閥改變閥口開度，從而使閥的輸出壓力減小，到達(dá)設(shè)定的壓力后，系統(tǒng)建立新的平衡并保持穩(wěn)定。

圖3 閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)框圖

機(jī)匣的入口相當(dāng)于固定的節(jié)流口，在系統(tǒng)建模時(shí)可以采用節(jié)流口模型來模擬機(jī)匣入口。運(yùn)用AMESim仿真軟件建立的閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

3 壓力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

設(shè)定壓力控制系統(tǒng)模型的參數(shù):泵的排量為32.3 mL/r，驅(qū)動(dòng)泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速為940 r/min，溢流閥的開啟壓力為2.5 MPa。設(shè)定壓力控制信號(hào):0 s～1 s為0.15 MPa，1 s～2 s為0.5 MPa，2 s～3 s為1 MPa。之后進(jìn)行仿真，得到未加入PID控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線和系統(tǒng)控制壓力的誤差曲線，分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，在給定一個(gè)階躍信號(hào)以后，壓力也跟隨著改變，壓力存在一定的超調(diào)，并且在較短的時(shí)間內(nèi)，壓力達(dá)到穩(wěn)定。由圖6可知，系統(tǒng)具有較大的穩(wěn)態(tài)誤差，并且控制壓力增大，穩(wěn)態(tài)誤差也增大，穩(wěn)態(tài)誤差的最小值為0.010 4 MPa，超過壓力控制精度要求。

圖5 系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線 圖6 系統(tǒng)控制壓力誤差曲線 圖7 PID校正后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線

1-油泵電機(jī)組;2-溢流閥;3-可調(diào)節(jié)流口;4-干擾信號(hào);5-控制信號(hào);6-PID控制器;7-采樣開關(guān);8-伺服比例閥;9-流量計(jì)等效節(jié)流口;10-壓力傳感器;11-負(fù)載模擬節(jié)流口

為了減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在系統(tǒng)中加入PID控制器進(jìn)行校正。通過調(diào)節(jié)PID的各個(gè)參數(shù)，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，并得到較好的系統(tǒng)性能，以此找到最佳參數(shù)。最終得到的PID參數(shù)為KP=0.05，KI=12，KD=0。加入PID控制器后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線和系統(tǒng)控制壓力的誤差曲線分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，校正后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小，而且壓力不存在超調(diào)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變得更好。從圖8中可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差接近于0，滿足壓力控制精度的要求。

圖8 PID校正后的系統(tǒng)控制壓力誤差曲線 圖9 節(jié)流口大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響 圖10 干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

由于泵在工作過程中會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，可以采用在泵出口串聯(lián)可調(diào)節(jié)流口的方式來減小壓力脈動(dòng)。但可調(diào)節(jié)流口的大小可能對(duì)系統(tǒng)的性能有影響。在實(shí)際工作過程中會(huì)存在一定的干擾信號(hào)，也可能會(huì)影響為系統(tǒng)的性能。設(shè)定控制壓力為1 MPa，干擾信號(hào)幅值±0.1 V，進(jìn)行仿真，獲得不同大小的節(jié)流口和干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如圖9和圖10所示。圖9和圖10中，y1、y2、y3分別對(duì)應(yīng)節(jié)流口直徑Φ5.5 mm、Φ4.5 mm、Φ3.5 mm。從圖9中可以看出，隨著節(jié)流口孔徑的縮小，達(dá)到控制壓力所需要的時(shí)間在增加，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變長。從圖10中可以看出，在加入干擾信號(hào)后，系統(tǒng)的控制壓力出現(xiàn)波動(dòng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性發(fā)生改變，會(huì)增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié)論

對(duì)于沖洗機(jī)的壓力控制系統(tǒng)，在未加入PID控制器對(duì)系統(tǒng)校正時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較大，并且誤差會(huì)隨著控制壓力的增大而增大。在加入PID控制器對(duì)系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)壓力控制精度得到提高，能夠滿足規(guī)定的要求。

用于抑制泵壓力脈動(dòng)的可調(diào)節(jié)流口的大小和干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生影響。節(jié)流口的孔徑不能設(shè)置太小,過小的節(jié)流口會(huì)增加系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。而干擾信號(hào)會(huì)對(duì)壓力控制精度產(chǎn)生一定的影響。