基于MATLAB和AMESim的恒压输油控制系统设计与仿真

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在各种流体机械和相关诚，恒压源的应用越来越广泛。如今比较普遍应用的是直接使用恒压泵系统。恒压泵原理如图 l所示。其中 1为控制滑阀，2为调压弹簧，3为变量柱塞，4为斜盘弹簧。当系统压力增大时，控制滑阀端部液压力大于调压弹簧的弹簧力而使阀芯右移，压力油进入变量活塞右端，推动变量活塞向左运行，推动泵的变量机构，使泵的排量减小，因而输出流量减小，泵的工作压力也随之降低。

当控制滑阀左端的液压力等于弹簧力时，滑阀关闭，变量活塞停止运动，变量过程结束，泵的工作压力重新稳定在调定值附近。同理，当系统压力降低，变量机构使泵的输出流量增加，工作压力回升到调定值。

该系统结构简单，有-定的稳压精度，能适应流量需求不太大的液压系统。

图 1 恒压泵原理图但由于恒压泵自身结构的限制，导致有如下不足：系统提供的流量有限；负载容积不能太大；采用半闭环反馈，控制精度有限；调压弹簧会产生疲劳效应，影响稳压精度。因此对于大流量、大负载容积的恒压输油控制系统恒压泵系统不能满足使用要求。而在飞机空中加油、油田恒压输油等方面需要进行大流量和负载容积恒压输油控制系统的研究和应用。

现有的液压仿真软件分为系统级的仿真和元件级仿真。MATLAB/Simulink是系统级仿真领域中著名的仿真集成环境，它可有效解决仿真技术中的数值处理问题。虽然 Simulink提供了较为丰富的拈库，但是在 MATLAB/Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，使得仿真结果出现较大的误差。AMESim是专门用于液压/机械系统建模 、仿真及动力分析的软件。该软件可提供的液压组件设计库对液压元件的结构进行仿真和优化，实现元件级仿真。

利用 MATLAB和 AMESim联合仿 真，既可以借助MATLAB/Simulink强大的数值处理能力，又能充分发挥AMESim突出的流体机械的仿真效能，从而使系统收稿 日期：2012-06-04基金项目：南京工程学院科研基金(青年基金)重点项 目(QKJA2009002)作者简介：王育荣(1976-)，男，江苏南京人，讲师，硕士，主要从事液压技术、机械电子方面的科研和教学工作。

2012年第 12期 液压与气动 37的仿真效果更加完善和符合实际 J。

1 控制系统的设计1.1 控制 系统原理设计根据所需大流量、大负载容积恒压输油控制系统相关要求，拟定输油系统稳定压力为 5.5 MPa，输出流量为2000 L/rain。设计所需恒压输油系统性能指标具有较好的稳定性、快速性和准确性。要求系统没有超调量，稳定时间小于5 S，稳定误差小于 ±0.05 MPa。

根据系统设计要求，对恒压泵系统进行分析和改进：首先，系统的-阶环节由负载容积决定的-阶环节转折频率较低，直接影响了系统的稳定性。因而可以在恒压泵系统输油管道端口加-个节流 口，建立系统流量和压力的关系，可以形成局部压力-流量负反馈，增加-阶环节的转折频率，提高系统稳定性；其次，在系统中用-个大流量的离心泵和-个小流量的变量柱塞泵同轴并联供油。由大流量离心泵向系统快速供应主要流量，小流量的变量柱塞泵起建压和稳压的作用 ，能较好兼顾大流量和恒压控制的要求。此外，恒压泵系统是半闭环反馈系统，与系统末端的输出压力存在- 定的误差。系统中可以在输油管道中安装压力传感器取代调压弹簧，通过传感器反馈压力并与设定值进行比较，通过偏差来控制变量泵的变量稳压。这样不仅可以实现全闭环，并且 目标压力值可以根据各个系统要求的不同，在-定范围内随意设定，具有较好的灵活性。

如图2所示为改进后恒压输油控制系统原理图，恒压输油控制系统方框图如图3所示。恒压输油控制原理如下：当系统运行时，电动机带动变量泵和离心泵同时工作，输入指令信号，在系统中逐渐建立油压，管路中的油压通过压力传感器与指令信号不停地进行比较，并将比较偏差通过电信号传给电液伺服阀。电液图2 恒压输油控制系统原理图图 3 恒压输油控 制系统 方框 图伺服阀接收到偏差信号后使阀芯产生相应的位移，从而带动单活塞杆缸运动，单活塞杆缸的运动加大了变量泵的排量，变量泵排量的增加导致系统压力相应的增加，压力增加后和指令信号相比较，导致偏差信号变小，伺服阀的阀芯位移变小，导致液压缸的移动速度变小，变量泵的排量改变的幅度变小，直到达到目标压力值。此系统形成系统压力的闭环控制，能够准确快速地实现目标压力的稳定。

1.2 系统数学模型的建立系统中各环节传递函数建立如下：伺服阀选用动圈式电液伺服阀，伺服阀近似于二阶震荡环节，其传递函数如下：G (s) -杀 (1)S 兰 s 1。

式中： 为伺服阀的增益，m /(s·A)； 为伺服阀的固有频率 ，rad/s； 为伺服阀的伺服阻尼比。

系统中液压动力机构由伺服阀、液压缸和变量机构负载组成。假设系统的负载特性为惯性负载，其传递函数如下：y - -s/4 1 1、 h h /式中：Q。为伺服阀输出流量，m /s； 为液压固有频率，rad/s； 为液压阻尼比；Ap为液压缸有效腔面积，m2。

系统中变量泵的流量和压力有-定的关系，同时负载流量也对其产生影响。其传递函数如下：P - (q。-qL) (3) - s ， J/CIJ s式中：G 为泵的总泄漏系数，m /Pa； 为负载容积，m ；为液压油的弹性模量，MPa；q 为负载流量，m /s。

选取离心泵的排量为 630 mL/r，变量柱塞泵的最大排量为58 mL/r，代人相应的参数后得到系统的开环传递函数如下：38 液压与气动 2012年第12期图4 系统的单位阶跃信号仿真模型G(s) )(Kv) ( S1)(熹- )( S-4 -4 ，4·-296 296 1)) (4) l～ q l - l IIJ 。-八4.5 /J式中：K 为系统的总开环增益，Pa/v。

2 控制系统仿真分析2.1 基于 MATLAB/Simulink的控制系统仿真根据伯德图的系统稳定性条件，选系统的最优开环增益 K 5。系统的仿真模型如图4所示。

系统的仿真结果如图5所示，输出压力经过 2.5 S系统达到稳定值，最大超调量为 3l%。系统超调量较大，对输油系统造成不利的影响。

876543210O O.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5ts图5 系统的单位阶跃信号响应曲线为了提高系统的稳定性而不牺牲快速性，选用比例-微分(PID)调节器，PID调节器是-种相位超前校正环节。令K。1，Kj0，Kd0.22。校正后的系统的仿真模型如图6所示。

系统校正前后输出的压力、流量曲线对 比如图 7和图8(蓝线代表校正前，红线代表校正后)所示。通过比较校正前后各阶段的响应曲线，校正后系统的稳力定性，快速性都有很大提高。校正后系统无超调量，经过 1.5 S后达到稳定，满足系统设计要求。

87654321OO 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5∥s(输出压力稳态值P：5.5 MPa)图7 校正前后系统输出压力曲线0.0450.040.035O.O3nc 0.0250.02O.015O.010.0050O 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5f，s(输出流量稳态值 ：0.033 ITI /s)图 8 校正前后系统输出流量曲线2.2 基于 AMESim 的控制 系统仿真由于 MATLAB是运用数学建模对系统进行仿真分析，其中存在非线性因素导致的仿真误差。而AMESim是对系统元件进行参数设定来建模的，有较为准确的模型，避免了数学建模的误差，因此有必要使用 AMESim对系统进-步仿真分析，利用两个软件各自的优点，从而能更准确地分析系统的性能。

厂L -J .-pTnI. 1.97×10 -l L 100 -。≥> 5x101 . . 1l l J r ：/- r1/37) S.4/37s1 S l(1/298) S.8/298s1 673sl入信号 黻 例 啪 系 输出压图6 校正后系统的单位阶跃信号仿真模型力2012年第12期 液压与气动 39根据设计的系统建立的 AMESim模型如图9所示。

用到的库有机械库、信号库、控制系统库和液压库。按照系统的结构设定图9中的模型的各参数。液压油弹性模量为700 MPa；伺服阀的主要参数：伺服阀的固有频率为377 Hz，固有阻尼 比为 0.2，额定流量为 4O L/min；伺服缸的主要参数：活塞直径 36 mm，活塞杆直径12 mm，有效行程 0.2 m，负载质量 40 kg；输油管的主要参数：管长 30 m，内径为 200 mm，壁厚 10 mm。

④( 图9 系统的 AMESim模型设定好各相关元件的参数后对系统进行仿真可得到系统的压力响应曲线，如图 10所示。系统超调量为5%，稳定时间为4.5 s左右。

图1O 未校正时系统的压力输出曲线根据 MATLAB仿真中确定的PID校正要求，建立PID校正后的AMESim系统模型如图 1 1所示。

毒审 图 11 PID校正后的系统 AMESim模型令K。1、KiO、Kd0.22。系统校正前后输出的压力、流量曲线对比如图 12和图 13所示(红线代表校正前，绿线代表校正后)。

图12 校正前后系统压力响应曲线图 13 校正前后系统输出流量响应曲线对图12和图 l3分析，可以看出校正后系统没有超调量，且响应时间提高到 2.5 S左右。查询输出压力误差为 -0.0551～-0.027 bar，输出流量误差为 2.92 I/min。符合系统的设计要求。

3 结论本文设计出的恒压输油控制系统利用大流量离心泵和小流量变量泵同轴工作，传感器反馈信号和指令信号比较间接控制变量泵倾角，较好实现大流量和容积负载与恒压输油的控制。为验证控制系统方案的正确性，利用MATLAB和AMESim对系统进行联合仿真。先用MATLAB对系统数学模型进行可行性分析，通过加入PID校正装置，使控制系统满足指标要求。再用AMES。

im对系统进行再次建模仿真，避免数学模型的误差，更好地分析系统的性能，得到更符合实际情况的仿真曲线♂果表明，设计的恒压输油控制系统各方面指标均符合要求，具有较好的应用价值。