基于AMESim的阀控不对称缸速度特性仿真分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

液压系统广泛应用于工程机械中，它是机电液-体化系统的主要组成部分。液压驱动机构由液压功率放大元件、液压执行元件和负载组成，是液压伺服系统中进行动态分析的核心。其中，阀控不对称缸是液压驱动机构重要-类。在实际的阀控不对称缸液压系统设计、调试过程中，当系统建立之前，如果能够通过对系统输入、输出及各变量的相互关系建立-个数学模型，然后通过数学方程式求解，构建-个虚拟的仿真系统模型，可以优化系统设计，提高系统可靠性，指导系统进行机电液调试，加快新设备的投入时间。

1 阀控不对称液压缸数学模型的建立图 1是-个四通滑阀控制非对称液压缸的液压伺服系统，液压缸受到外负载力、弹性阻力、粘性阻力以及液压油液驱动力，伺服阀在电信号控制下，驱动滑阀阀芯左右移动，从而控制液压缸进油和排油，实现液压缸活塞运动及换向。

PsPo图1 阀控不对称缸液压伺服系统1.1 阀控缸位移传递函数为了便于分析零开口伺服阀控非对称液压缸，假定阀匹配对称，阀口处节流窗口处的流动为紊流；温度和液体压缩性的影响在阀中忽略不计，伺服阀和液压缸所连接管道短而粗且不考虑管道的动态和损失；系统为纯刚性负载，取 K 0，不考虑系统内外泄漏；阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位置和阀压降的变化相应的流量变化能瞬间发生；供油压力P 恒定不变，回油压力P 为零。

当阀作正向移动时，建立伺服阀流量方程(1)、(2)，伺服阀-液压缸流量方程(3)、(4)，液压缸的力平衡方程(5)：Q ：CdwxQ2Cd警 Q -- dx(1)(2)(3)(4)pIA1-p2A2 m 髻邶 dxF (5)式中：W-- 伺服阀窗口面积梯度，m收稿 日期：2012-05-10作者简介：张国生(1970-)，男，河北邯郸人，工程师，硕士，长期从事液压设备研究、维护、维修工作。

2012年第 12期 液压与气动 21C -- 伺服阀阀El系数P-- 液体密度，kg/In。

、 - - 无杆腔和有杆腔的容积，m卢。-- 油液体积弹性模量，Pam。-- 活塞和负载折算活塞上的总质量，kgB -- 粘性阻尼系数，N·s/m、 - - 液压缸、伺服阀阀芯的位移，nl令：7 Q1P2 A2<1 (6)并定义负载流量：Q (Q Q：)/2 (7)负载压力：P A P1-卯2 (8)根据流体流经微小隙缝的流量特性，对方程(1)、(2)进行小偏差线性化简化，得：Q K -kopL (9)式中：K。 c /(p -PL)/p为流量增益kc - 为流量 - 压力增益。

： <1 (10Ot ) --二三二 t，/2(1叼 )设 VA。 ，贝4 (V- )叩由方程(3)、(4)、(5)、(7)、(9)计算并进行拉式变换得出：Ao 矗A1( kc～ A ～。 ，- 蕊 -(11)式中： A ：(A A2)/2 (12) 2V[叼 V1(1-叼 )/v]/(1叼 ) (13)L-- 液压缸最大行程，mA -- 液压缸平均面积，m- - 等效容积，m。

wh √-。√酱 鲁1.2 阀控缸速度传递函数只考虑电流作为控制信号的伺服比例阀，由于阀芯的位移与电流成正比，令 Ka，，又由于液压缸速度： f1]上式经拉式变换得：口 ·S (14)以上两式代人方程(11)得：，-kc(1 V5由以上方程式可以看出，伺服阀控制非对称缸速度系统是-个二阶振荡过程，当，为阶跃输入时，活塞的输出速度 需经过-个二阶振荡过程才能达到给定值。

2 模型仿真2.1 仿真模型开环特性1)开环模型的建立在 AMESim环境下，利用系统提供的液压库、机械库和信号库构建开环仿真模型，选择阶跃信号作为控制信号建立图2所示。

图2 阀控不对称缸伺服系统开环仿真模型2)系统数据系统数据见表 1-表5。

表 1 流体特性表名称 数值 单位温度 40 ℃流体名称 HM-46#密度 850 ks/m体积模量系数 7000 bar动力粘度 39.1 CP表2 泵-电机参数表名称 数值 单位排量 71 ec/rev理论转速 1500 rev/mln22 液压与气动 2012年第12期表3 溢流阀参数表名称 数值 单位开启压力 150 CC/rev溢流阀流量-压力增益 500 re ，mln表4 伺服阀参数表名称 数值 单位额定流量 100 L/min额定压降 1 bar额定电流 40 mA额定功率 80 Hz阀阻尼比 2表5 液压缸和负载参数表名称 数值 单位活塞直径 l25 mm活塞杆直径 90 mm行程 750 mm无杆腔剩余体积 50 3 Cm有杆腔剩余体积 50 3 Cm重量 2000倾斜度 90 度摩擦力 0 N(m/s)3)液压缸的速度特性仿真时间设置为1 S，利用以上数据进行仿真，如图 3所示 。

图3 阀控不对称缸伺服系统活塞速度开环仿真曲线从上图可以看出，系统单位阶跃响应最终达到稳定状态，但存在超调量大，延迟时间长局限，无法满足实际工艺要求，必须加以调整。

2.2 仿真模型闭环特性为保证负载运行平稳，即负载实际输出速度与给定值的-致性及运行时速度的稳定性，系统采用闭环PID调节见图4，由于控制系统为闭环，当由于各种原因使负载发生变化时，速度检测装置实时检测，反馈到闭环控制器实时调整。

图4 阀控缸速度控制系统方块图1)闭环模型 PID的调节原理系统的稳态性能主要撒于系统的型次和开环增益，而系统的瞬态性能主要撒于系统的零点、极点分布。PID的选择就是将其增益调整到使系统的开环增益满足稳态性能指标的要求，而所设置的调节器零点、极点，能使改变后系统的闭环主导极点位于所希望的位置，满足瞬态性能指标的要求。传递函数：G ) 确定三个系数，系统的性能也就确定下来2)闭环模型的建立实际系统中采用位移传感器，所以首先检测到的是位移信号，需要在反馈中加入-个微分环节，将位移信号转化为速度信号。数字式位移传感器将位移数据送人 PLC，由 PLC处理程序进行微分处理，再与输入电流信号相比较。由此可得到加 PID后的闭环系统实际控制方块图，如图5所示。

图5 阀控不对称缸伺服系统闭环方块图在 AMESim环境下，利用机械库的位移传感器检测负载的位移，系统提供的液压库、机械库和信号库构建开环仿真模型，选择阶跃信号作为控制信号，仿真模型如图6所示。

3)闭环模型 PID三个参数的确定本系统考虑采用 PI(比例、积分)调节，采用临界比例度法结合经验试凑法确定 、 参数，首先建立系统仿真闭环模型图，将积分系数和微分系数都设为零，比例认大值，使系统仿真。当仿真曲线出现不稳定状况时，减小比例值，直到出现等幅振荡，记录此时2012年第l2期 液压与气动 23图 6 阀控不对称缸伺服 系统 闭环仿 真模 型的 值和临界振荡周期 ，然后按照K。0.45 K ，K 0.83 ，计算三个参数初步值，然后结合存在干扰负载曲线情况用经验试凑法，最终确定 K 0.45，Ki 0.0415。

4)液压缸的速度特性仿真时间设置为1 S，位移传感器增益 k1，利用以上数据进行仿真，仿真曲线见图7所示。

0.160.14o.12O.1O黜0.04O.020·图7 阀控不对称缸伺服系统活塞速度闭环仿真曲线从上图看出，系统在单位阶跃信号作用下，经过HD调节后，瞬态响应指标明显改善，表现在调整时间短、超调量孝稳态误差减少。

3 工程上的实现现场采用 $7g00拈化可编程控 制器，采用STEP7进行组态和编程。STEP7提供丰富的 PID控制功能拈 ，可以方便创建 PID控制器和处理设定值、过程反馈值及对控制器输出值进行处理。监控软件采用WinCC，可以实现对闭环控制过程的监控，而