基于AMESim/Simulink的數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)聯(lián)合仿真

黃國權(quán) 李新峰

(哈爾濱工程大學機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于AMESim/Simulink的數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)聯(lián)合仿真

黃國權(quán) 李新峰

(哈爾濱工程大學機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

以數(shù)控旋壓機床的旋輪座伺服進給系統(tǒng)作為研究對象，在Simulink環(huán)境下建立旋輪座伺服進給系統(tǒng)的仿真程序。在AMESim中建立了旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型，通過對比模糊PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制器對旋輪座伺服進給系統(tǒng)的仿真結(jié)果，確定在聯(lián)合仿真中采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。在聯(lián)合仿真環(huán)境下進行了滑模變結(jié)構(gòu)控制器對AMESim中建立的旋輪座伺服進給系統(tǒng)物理模型控制的仿真，從理論上證實了使用滑?？刂撇呗钥刂菩喿欧M給系統(tǒng)的可行性。

數(shù)控旋壓機床；旋輪座；伺服進給系統(tǒng)；AMESim/Simulink；聯(lián)合仿真

近年來，隨著被控對象模型的日益復(fù)雜化，經(jīng)典的PID控制策略對電液伺服系統(tǒng)的控制效果已經(jīng)逐漸不能滿足人們的要求。這種改變是由電液伺服系統(tǒng)的缺陷引起的，其缺陷主要包括外界干擾、參數(shù)不確定性以及耦合干擾[1]。電液伺服系統(tǒng)的非線性在低頻條件下對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響幾乎可以忽略不計，但是隨著某些應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)頻寬的不斷提高，在高速快響應(yīng)的系統(tǒng)中，電液伺服系統(tǒng)嚴重的非線性給系統(tǒng)帶來的影響已經(jīng)不容忽略。此時，經(jīng)典的PID控制策略已逐漸難以符合要求。

西安交通大學的趙升噸[2]等根據(jù)數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的工作要求和技術(shù)參數(shù)，設(shè)計了其控制方案。采用最常用的二維模糊PID控制對其進行了仿真。作者在對數(shù)控旋壓機床旋輪座的進給系統(tǒng)進行建模的時候，對系統(tǒng)進行了大量簡化，并沒有充分考慮到液壓系統(tǒng)的非線性和參數(shù)變化。許文斌[3]等針對無法確定精確數(shù)學模型的數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)，提出了一種模糊自適應(yīng)PID控制器，并成功地將其用于數(shù)控機床進給系統(tǒng)。四川大學的唐銳[4]等以并聯(lián)機床的閥控制非對稱液壓缸伺服進給系統(tǒng)作為研究對象，提出一種將模糊控制、滑?？刂朴袡C結(jié)合的自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒?。所提出的控制策略解決了對稱滑閥控制非對稱液壓缸系統(tǒng)中存在的動態(tài)性能不好、穩(wěn)態(tài)精度偏低以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性差等一系列問題，能夠有效地快速跟蹤變化信號，對有界的干擾量和系統(tǒng)的參數(shù)攝動具有不變性。Lizalde.C[5]提出了一類采用動態(tài)的滑模切換面的控制方法，切換面可以使用自適應(yīng)方法估算求得，能夠完成被控對象的自適應(yīng)滑?？刂?。

數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)采用的是電液位置控制系統(tǒng)，其控制策略的選取對系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精度有很大的影響。通過合理地選取控制策略，能夠從很大程度上減少由非線性產(chǎn)生的問題，提高機床的加工精度。作為新型的控制策略的代表，模糊PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制可以在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度和魯棒性[6]，這對于提高數(shù)控旋壓機床的加工精度有非常重要的意義。

本文在AMESim環(huán)境下建立具有與Simulink接口功能的數(shù)控旋壓機床旋輪座電液位置伺服系統(tǒng)的物理模型，通過對比模糊PID控制和滑?？刂茖δＰ偷目刂菩Ч?，確定在聯(lián)合仿真環(huán)境下使用滑模控制。進行兩組不同期望位移時的仿真，以檢驗其控制效果。

1 數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的建模

1.1 在Simulink環(huán)境下旋輪座伺服進給系統(tǒng)的仿真程序建立

根據(jù)數(shù)控旋壓機床進給系統(tǒng)的原理，數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)是個典型的電液位置伺服控制系統(tǒng)，在加工過程中，需要對旋輪座的位移進行精確控制，其原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，旋輪座進給系統(tǒng)所采用的控制方式是伺服比例閥控制液壓缸的位置伺服控制方式。

在確定了旋輪座伺服進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)之后，為了檢驗不同的控制策略的控制效果，下面以主旋輪電液位置伺服系統(tǒng)作為被控對象，建立系統(tǒng)的仿真程序如圖2所示。

在完成了旋輪座伺服進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)仿真程序的建立以后，就可以使用不同的控制策略對其進行控制效果的仿真實驗。

1.2 基于AMESim旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型建立

由于電液伺服系統(tǒng)具有非線性，在Simulink中建立的數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型并不能很準確地反映其特性。為了獲得更接近真實情況的仿真效果，除了在Simulink環(huán)境下對數(shù)控旋壓機床旋輪座電液位置伺服系統(tǒng)進行仿真分析之外，還用到了AMESim。

利用AMESim仿真平臺，建立復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)的仿真模型，可以對所建立的模型進行仿真計算和深入分析。除此之外，AMESim具有與其他領(lǐng)域的仿真軟件的接口，可以實現(xiàn)與其他軟件的聯(lián)合仿真，以發(fā)揮其在各自領(lǐng)域的優(yōu)點，得到更加令人滿意的仿真結(jié)果。在AMESim中建立的數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)的模型如圖3所示。

圖3為在AMESim環(huán)境下建立的數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)的物理模型。其中，左上角油滴狀的符號為液壓油特性標志，通過它可以設(shè)置系統(tǒng)中所使用的液壓油的參數(shù)，例如密度、運動粘度、氣體含量以及彈性模量等。元件6為系統(tǒng)的輸入信號，它與位移傳感器3測得的活塞的實際位移值作差，得到系統(tǒng)的偏差量。14為蓄能器，用來吸收系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的流量和壓力波動，在某些情況下還可以用作臨時的油源。17為溢流閥，可以對系統(tǒng)中的液壓元件起到保護作用。5為負載，通過力轉(zhuǎn)換器4把常值轉(zhuǎn)化成力加載到液壓缸活塞上面?？刂破?根據(jù)系統(tǒng)偏差信號的值，輸出控制電流，以此控制伺服比例閥10的輸出流量，從而實現(xiàn)控制器8對液壓缸1活塞位移的控制。

2 基于AMESim/Simulink的旋輪座進給系統(tǒng)聯(lián)合仿真

在數(shù)控旋壓機床工作時，系統(tǒng)的主要參數(shù)是會發(fā)生變化的，例如液壓缸的的固有頻率會隨著活塞位置的改變而發(fā)生變化，作用在旋輪上的干擾力也會發(fā)生改變，而且液壓執(zhí)行元件的泄漏量會隨著油液溫度的升高而增大。為了得到與實際情況更加接近的仿真結(jié)果，進行AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真。利用AMESim的接口可以與Simulink進行聯(lián)合仿真。這樣既能充分發(fā)揮AMESim在物理建模方面的優(yōu)勢，也可以充分發(fā)揮Simulink在數(shù)值計算方面的優(yōu)勢，從而使仿真結(jié)果更加接近實際。

2.1 聯(lián)合仿真環(huán)境下的仿真模型建立及控制策略選取

AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真，是通過AMESim模型中的接口圖標功能和Simulink的S-fucntion模塊來實現(xiàn)的。AMESim中建立的物理模型在VC++編譯器的作用下，生成供Simulink中S-function模塊調(diào)用的中間文件；而Simulink中建立的控制器根據(jù)S-function模塊輸出的狀態(tài)量，通過接口圖標輸出控制作用給AMESim中建立的物理模型。聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交換原理如圖4所示。

2.1.1 聯(lián)合仿真環(huán)境下仿真模型的建立

在AMESim中建立了單個旋輪座進給系統(tǒng)的物理模型，其物理模型中不僅包含了系統(tǒng)的基本元件，而且還具有用于聯(lián)合仿真的接口模塊。在AMESim中建立的數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)的物理模型如圖5所示。

圖5中模型的系統(tǒng)采用位置反饋的閉環(huán)控制方式，旋輪的期望位移R與傳感器3測得的旋輪實際位移Y作差，得到其位移偏差E。然后將這3個物理量作為接口模塊6的輸入量，通過接口模塊6傳遞給在Simulink中設(shè)計的控制器?？刂破髑蟪鱿鄳?yīng)的控制量，然后通過接口模塊6將控制電流I傳遞給伺服比例閥7，伺服比例閥在控制電流的作用下，輸出相應(yīng)流量的液壓油到液壓缸1中，從而控制旋輪座2的精確位移。

在完成了數(shù)控旋壓機床旋輪座進給系統(tǒng)物理模型的建立之后，進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，進行聯(lián)合仿真。

在完成了AMESim中數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型的建立之后，在Simulink中選擇合適的控制器進行仿真。

2.1.2 聯(lián)合仿真環(huán)境下控制策略的選取

為了選擇合適的控制策略對數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)進行控制，進行了對比模糊PID控制器與滑膜變結(jié)構(gòu)控制器對旋輪座進給系統(tǒng)控制效果的仿真。仿真程序如圖6所示。

為了對比模糊PID控制和滑?？刂破鲗π喿M給系統(tǒng)的控制效果，進行了以下仿真。設(shè)定旋輪座的期望位移為1 mm，負載力為80 kN，干擾力為周期變化的f(t)。分別采用模糊PID控制器和滑膜變結(jié)構(gòu)控制器，對系統(tǒng)進行控制。得到的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和8可以看出，當系統(tǒng)中存在干擾，用滑模變結(jié)構(gòu)控制器進行控制時，系統(tǒng)的上升時間更短，旋輪能夠更快地到達期望的位移，而且其定位誤差更小。所以，在聯(lián)合仿真中，選擇滑模變結(jié)構(gòu)控制器對數(shù)控旋壓機床旋輪進給系統(tǒng)進行控制。

2.2 旋輪進給系統(tǒng)的聯(lián)合仿真

為了進一步驗證本文設(shè)計的滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制效果，進行了基于AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真。

2.2.1 滑?？刂频穆?lián)合仿真

AMESim中建立的數(shù)控旋壓機床旋輪電液位置伺服進給系統(tǒng)的物理模型如圖5所示，在Simulink中的滑模變結(jié)構(gòu)控制器的仿真程序如圖9所示。

在圖9中，仿真程序中的S-fucntion模塊是AMESim和Simulink的接口模塊，代表了AMESim環(huán)境下建立的數(shù)控旋壓機床旋輪進給系統(tǒng)物理模型，聯(lián)合仿真采用的控制器為滑模變結(jié)構(gòu)控制器。然后進行了以下兩組仿真。

(1)設(shè)定旋輪的期望位移為10 mm，旋輪受到的負載力為80 kN，同時還受到周期變化的干擾f(t)的作用。在AMESim中得到的仿真結(jié)果如圖10、11和12所示。

(2)設(shè)定旋輪的期望位移是最大幅值為10 mm，最小幅值為0，占空比為50%，周期為5 s的方波形。旋輪在工作中受到的負載力為80 kN，此外還受到周期性變化的干擾力f(t)的作用。在AMESim中得到的仿真結(jié)果如圖13、14和15所示。

2.2.2 仿真結(jié)果分析

由圖10和13中的旋輪位移曲線可以看出，在存在干擾力的作用下，旋輪很快地運動到期望位置，略有超調(diào)，系統(tǒng)的快速性比較好。圖11和圖14中的旋輪位移偏差曲線表明，系統(tǒng)的平穩(wěn)性比較好，沒有發(fā)生劇烈的抖振。而通過觀察圖12和15的接口模塊參數(shù)列表可以發(fā)現(xiàn)，在不同的期望位移下，旋輪的定位精度分別為0.029 mm和0.021 mm。通過分析上述仿真結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)使用滑模變結(jié)構(gòu)控制器能夠很好地實現(xiàn)數(shù)控旋壓機床旋輪進給系統(tǒng)的控制。

3 聯(lián)合仿真與Simulink仿真對比及分析

與單獨使用Simulink仿真相比，Simulink與AMESim的聯(lián)合仿真有以下幾個優(yōu)點。

(1)在建模方面。通過對比圖5所示的數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型和圖3所示的旋輪座伺服進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型可以看出，圖5所示的模型基于實際的系統(tǒng)來建立，在建模過程中，只需要在草圖模式下建立出系統(tǒng)的物理模型，然后根據(jù)實際系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置相關(guān)模型的參數(shù)之后就能夠進行仿真。而圖3所示的傳遞函數(shù)模型則需要進行大量的數(shù)學計算，然后推導傳遞函數(shù)模型，費時費力，不如在AMESim中建立模型方便。此外，在AMESim中建立的物理模型更容易進行修改。

(2)對比圖5和圖3可以看出，圖5所示的旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型，與實際的系統(tǒng)很接近，模型中各個液壓元件的圖標都是易于識別的標準的ISO圖標，而且這些代表液壓元件的圖標的模型都是基于實際的液壓元件的模型。圖5中所示的物理模型可以更好地對旋輪座伺服進給系統(tǒng)的工作原理進行了解。而僅通過圖3中所示的旋輪座伺服進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型則不能很好地反映出機床的工作原理。因此，使用聯(lián)合仿真可以更加真實地表達出實際的系統(tǒng)。

4 結(jié)語

基于Simulink與AMESim論文進行了數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。在AMESim環(huán)境下建立了具有與Simulink接口的數(shù)控旋壓機床旋輪座伺服進給系統(tǒng)的物理模型。為了選取合適的控制器，進行了比較模糊PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制器對旋輪座伺服進給系統(tǒng)的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果確定在聯(lián)合仿真中使用滑模變結(jié)構(gòu)控制作為控制方法。在Simulink環(huán)境下設(shè)計了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，分別使用兩種期望位移，運行聯(lián)合仿真，分析得到的仿真結(jié)果。與只使用Simulink的仿真進行對比分析。仿真的結(jié)果表明，Simulink和AMESim的聯(lián)合仿真更接近真實情況，對實際工程有著很大的指導意義。

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Co-simulation of servo feeding system of CNC spinning machine spinning wheel seat based on AMESim/Simulink

HUANG Guoquan, LI Xinfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, CHN)

In this paper, the servo feeding system of spinning machine spinning wheel seat was treated as a research object, the simulation program model of spinning wheel seat servo feeding system was modeled in Simulink.The physical model of spinning wheel seat servo feeding system was modeled in AMESim and sliding mode controller was chosen to be used in co-simulation by comparing the control effect of fuzzy PID controller and sliding mode controller in Simulink.Then sliding mode controller in Simulink was used to control the physical mode in AMESim.And the practicability of using sliding mode controller to control the spinning wheel seat servo feed system was certified in theory.

CNC spinning machine; spinning wheel seat; servo feeding system; AMESim/Simulink; co-simulation

TG305

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.009

黃國權(quán)，男，1965年生，碩士，教授，主要研究方向為機電系統(tǒng)及自動化，已發(fā)表論文30 多篇。

(編輯 李 靜)

2016-04-19)

161116