新型三自由度电液比例并联仿真平台液压系统动态特性分析

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随着计算机仿真技术的发展 .在工程系统的设计中使用计算机对实际系统的动态特性进行数字仿真成为可能。通过对液压系统的仿真，设计人员可以在设计阶段就考虑到液压系统动态特性.这会大大地缩短液压系统或元件的设计周期 .且可及早地认识到该系统在动态特性方面所存在的薄弱环节并加以消除。而且。

通过仿真还可以对所设计的系统有更深入的了解 .从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。

D。Stewart设计研制出了-台广受推崇的六自由度并联机构并以其名字命名为 Stewart平台。图 1所示的平台机构就是典型的Stewart形式的空间并联机构 其收稿日期：2013-01-04作者简介：霍电辉(1985～)，男，河南濮阳人 ，硕士研究生，主要研究方向为流体传动与控制。

后国内外对其产生了深厚的研究兴趣.研制出应用领域广泛的六自由度并联电液伺服仿真平台 这种设备硬件系统设计简单但是控制算法和软件的开发十分复杂.另外由于使用了伺服阀.成本相应提高。本论文设计了-种新型的三自由度并联电液比例仿真平台.控制算法比较简单〉低了成本，并且拥有-定的应用领域。本文应用AMESim仿真软件平台.对其位置伺服系统进行动态特性仿真分析.经过分析得出利用高性能的电液比例阀取代电液伺服阀构成闭环制系统是可行的图 1 六自由度 Stewart形势并联平台9液 压 气动 与密 封/2013年第 O6期1 并联仿真平台工作原理及其位置伺服系统简单介绍平台的液压系统原理图如图 2所示.图中液压泵的输出压力油分成 3路。分别经比例阀后进人液压缸从而使 3个液压缸的运动仅受控制电压的影响.能容易地实现同步.即可同时升降或分别按特定的曲线运动。只要发生预想的控制电压波形.并用它来控制比例阀，平台就能输出相应的波形。

1～叶片泵 2-高压过滤器 3、4、5-比例换 向阀 6、7、8-电磁球阀图2 平台液压系统原理图本系统采用的比例换向阀控制电压为10V.其中死区电压 02V。

电气控制系统由-台PC机和数据采集卡组成.其中关键部分是 CPU对输入输出信号的处理 位移传感器的信号经 A/D转换后与控制程序产生的控制信号比较.得出差值控制信号。由于实际控制系统的惯性和滞后较大 ，为此，对差值控制信号进行了数据 PID调节。

经 PID调节后的信号送入数据采集卡.经 D/A转换和比例放大器。最后用来控制比例阀和液压缸。图3为单缸电液比例控制系统原理图。

主控 数据 三自计算 采集 由度仿真 机 卡- I位移 l- l 平台- 图3 单缸电液比例控制系统原理图上位机控制软件采用 VC编程.充分利用了其友好的界面及 PC机超强的算法计算能力完成对平台姿态坐标转换的实时计算，另基于 OpenGL技术对平台轨迹规划进行三维立体动态仿真分析。

1O2 AMESim仿真模型建立AMEsim是基于键合图的液压/机械系统建模仿真及动力学分析软件 AMESim提供了-个系统工程设计的完整平台.使得用户可以在-个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型.并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。本论文以其中某-个缸为研究对象，其在 AMESim中的仿真模型如图4所示 .部分基本参数见表 1图4 单缸电液比例位置伺服系统仿真模型图表 1 仿真模型部分基本参数3 模型仿真及结果分析3.1 AMESim 模型仿真以阶跃输入经典工况为分析对象.对其动态特性进行分析。仿真过程如下：首先建立仿真模型原理图。

其次.为元件选取数学模型.本系统选择最简单的数学模型.将连接伺服缸与比例阀的管道设置为可压缩加摩擦的管道模型HL01利用 AMESim中内嵌的遗传算法对 PID控制器参数进行优化 ，结果为 ：比例增益系数 K80；积分系数Ki0.5；微分系数Kd0.07。由于篇幅限制。PID控制器参数优化过程不再赘述。比例阀放大器增益系数 30。

接下来在 Parameter模式下设置部分图形拈的仿真参数。部分元件仿真参数设置见表 2。

3.2 有关参数对系统动态特性的影响为了更好地掌握影响系统动态特性的因素.利用AMESim的批处理功能设定模型元件的参数值 .可以提Hydraulics Pneumatics＆ Seals，NO.O6.2013供-组不同设定值下的仿真结果 .从而了解有关参数对系统性能影响的程度，方便系统参数优化，为改善系统动态性能提供依据。鉴于比例阀和伺服阀的区别在此选择以比例阀死区、通径大小以及负载的大小为例，说明参数对系统动态特性的影响。

表 2 仿真参数设置1)比例阀死区对液压系统动态性能的影响由于比例阀存在死区.伺服阀不存在死区所以对在比例阀控缸的位置伺服系统中研究其动态特性有重要意义 。对控制软件的编程将提供重要依据。图5为比例阀死区大小对液压缸活塞杆速度响应的影响曲线 。

图6为其局部放大曲线图 由图6可知.大死区将影响系统的稳定性 .软件编程阶段要对死区信号进行慎重地考虑。

g 0 O 1 O 2 O 3 0 40 5 O 6 O 7 O时间/s图5 比例阀死区对活塞杆速度响应的影响曲线O 300 25O20乓 0 15簧 .10稳定性。随着负载的增大，由于负载惯性的影响，对系统的响应速度造成不良影响。所以设计仿真平台时尽量减小负载的大小，或者通过加强软件编程的功能，加强控制器对信号的处理功能来提高系统的动态性能。

O 3O0 250200.150 lO0 050 O0 l 0 2 O 3 0 4 O 5 O 6 O时间 ，S图 7 不 同通径下 系统的速度响应 曲线-- m40kg lOOkg图 9 不 同负载对 系统 的速度响应局 部放大 图4 结论经过对电液比例三 自由度仿真平台液压系统的建模和仿真分析.结果表明：比例阀死区越大系统的响应速度波动越大：比例阀通径的大小对系统动态性能有比较大的影响：大负载将不利于系统的稳定性。以上研究对控制软件上位机的编程提供了重要依据.将对系统的设计和编程提供有益的帮助