運用AMESim/Simulink的液壓機同步平衡控制系統的模擬研究

摘要：對液壓機活動橫樑偏載不平衡的動力學模型進行分析，運用AMESim模擬平台搭建一種溢流補償型同步平衡控制系統的動力學模型，通過模擬分析了控制參數、載入速度、摩擦阻力和感測器精度對同步精度和調節時間的影響。驗證了這種同步平衡控制系統和採用的有關液壓元件能滿足Y322315T試驗測試性專用壓機的設計要求。
關鍵詞：同步平衡;AMESim軟體;液壓機;模擬研究
同步控制一直是液壓行業的一個重要課題，它在巨型液壓機的運動中顯得尤為突出。模鍛件各部位幾何形狀、溫度等方面的差別導致其變形抗力的合力偏離液壓機的中心，並且主工作缸的泄漏、摩擦、阻力、製造精度、油液中含氣量及結構的彈性變形也能導致設備的不同步動作，從而產生偏心力矩，使活動橫樑發生傾斜。部分力矩將傳遞給液壓機框架，導致液壓機各構件的受力情況惡化，立柱的附加彎曲力矩明顯增加，有可能導致總應力超過允許值而發生事故。同時，巨型模鍛液壓機上模鍛件的水平尺寸一般較大，活動橫樑發生傾斜后，上、下模不能準確壓合，必然使模鍛件不能達到要求的變形量，滿足不了精度要求。
液壓同步平衡，本質上是一種液壓位置保持系統，主要有封閉型、節流型和補償型三種工作方式，目前最先進的方案是採用具有溢流控制的補償型同步平衡系統，具有控制精度高、補償時間短和能量損耗小的特點。
Y322315T試驗測試性模擬樣機為三梁四柱式結構。其同步平衡控制系統工作原理如圖1所示。

圖1同步平衡系統工作原理圖該樣機是在活動橫樑和下橫樑的四個角上各設置一個活塞式液壓缸(同步平衡缸)，缸體固定在液壓機的下橫樑上，活塞桿與液壓機的活動橫樑鉸性連接。各對角線上一角的液壓缸的上腔和另一角的液壓缸的下腔用管道相連通，形成封閉系統。每組液壓缸控制兩對角液壓缸活塞位移之差。其設計要求同步控制精度應達到01040mm/m，調節時間小於3s。原理圖1中的方向閥控制補、溢流油液的方向和通斷;比例流量閥1、比例流量閥2分別控制補油流量和溢流流量。偏心載荷時，如活動橫樑受到順時針方向的偏心力矩，併發生傾斜，則對角液壓缸活塞位移產生偏差，達到某一規定值時，通過控制器產生控制方向閥和比例流量閥的電壓量，從而向管道B中補充高壓液體，並通過管道A溢出部分液體，使補償平衡力矩增大，使活動橫樑逆時針轉動，偏差減少。當偏差減小到一定值時，控制器又產生信號，控制方向閥和比例流量閥截斷補、溢流通道。
1模擬環境
基於Matlab平台的Simulink是動態系統模擬領域中著名的模擬集成環境，它藉助Matlab的計算功能，可方便地建立控制系統原型和控制對象模型，通過模擬不斷地優化和改善設計。但是在Matlab/Simulink下對液壓油源系統進行建模及模擬需要做很多簡化工作，而模型的簡化使得模擬結果往往出現較大的誤差。
系統工程高級建模和模擬平台AMESim軟體是由法國IMAGINE公司推出的綜合系統模擬軟體，為多學科領域複雜系統建模模擬提供了解決方案。AMESim能夠從元件設計出發，可以考慮摩擦、油液和氣體的本身特性和環境溫度等非常難以建模的部分，並由此組成部件和系統進行功能性能模擬和優化，使設計出的產品完全滿足實際應用環境的要求。另外AMESim提供豐富的軟體介面，可以與ADAMS、Matlab等軟體聯合進行更複雜的混合領域模擬。各個子系統在各自領域的專用軟體下搭建，進行聯合模擬，然後用各軟體自身的處理工具對屬於各自領域的結果進行分析研究。
為了設計、測試、驗證和改進系統模型，需要把Simulink模型輸入到AMESim環境中進行模擬，而為了對系統施加控制策略、改進系統的穩態和動態性能，則可以將AMESim模型輸入到Simulink環境中進行模擬。
2模型的建立及參數設置
2.1活動橫樑受力數學模型
活動橫樑的受力模型如圖2所示，其姿態是各種力矩綜合作用於其上的結果。
圖2活動橫樑的受力模型同步平衡控制系統起作用時，活動橫樑的運動方程為:式中:活動橫樑旋轉慣性力矩Δx為對角液壓缸活塞位移偏差，J為活動橫樑的轉動慣量;鍛造偏心力矩M=Fe，F為液壓機主缸的工作壓力，e為鍛造偏心距;Mm為干摩擦阻力矩;活動橫樑旋轉的黏性阻力矩Mz=-BdΔx/dt，B為黏性係數;液壓缸產生的平衡力矩Mt=Mf+Mb，封閉平衡力矩Mf=-KfΔx，Kf為液壓缸內液體彈性剛度係數，補償平衡力矩Qt1為補液速度，Qt2為溢流速度。
當活動橫樑處於水平靜止初始狀態時，偏差及其導數均為零，則活動橫樑的運動方程可化簡為:
M-Mb+Mm=0……………………………(2)
當偏心力矩M逐漸增大超過Mm的臨界值MM時，式(2)平衡被打破，活動橫樑開始偏轉。同步平衡控制系統的目的就是控制Mb做相應變化，使式(2)重新成立，即:
|M-Mb|≤MM
2.2同步平衡控制系統的AMESim模型
首先在草圖模式下選擇相關單元，對於AMESim標準庫中沒有的單元可以通過液壓元件設計(HydraulicComponentDesign，HCD)庫很方便地搭建，然後連接相應的油路，並在子模型模式下為每個單元選擇合適的子模型。搭建好的同步平衡控制系統的AMESim模型如圖3所示。
圖3同步平衡系統的AMESim模型2.3有關參數的設置
在AMESim軟體中模擬時系統所有模型均被參數化，各種參數均在參數模式下進行設置。設液壓油密度為998kg/m3，液體體積彈性模數為1.82×103MPa，絕對黏度為1.057cP。兩對角液壓缸活塞直徑為140mm，活塞桿直徑為75mm，工作行程為800mm，工作壓力為25MPa，油泵額定壓力為31.5MPa，公稱排量為25mL/r，電動機轉速為1400r/min，比例流量閥的最大流速為63L/min，位移感測器選用有效測量長度為900mm的光柵尺，其解析度為1μm，可由此設置工作死區的大小。
模擬設定活動橫樑受逆時針偏心力矩，相當於給左側液壓缸活塞桿一個向下的力，同時給右側液壓缸活塞桿一個向上的力，兩力大小相等，方向相反。在1s時開始施力，在一定時間內載入到額定工作壓力。設定兩側液壓缸活塞初始位置均在液壓缸中部且處於靜止平衡狀態，上、下兩腔壓力相等，各處管道均有相應的壓力。先導邏輯閥A、B、C、D全閉，形成封閉系統。在Simulink中對先導邏輯閥A、B、C、D採用開關控制，對控制補、溢油的兩個比例流量閥採用易於實現的PID控制。設定參數並鎖定初始狀態後進入運行模式，開始模擬。
3模擬分析
在同步平衡控制系統的控制要求中，最重要的性能指標是動態最大偏差、靜態偏差和調節時間。動態最大偏差指在系統調節過程中，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值，靜態偏差指系統調節穩定后，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值。動態最大偏差的大小決定了同步平衡控制系統的使用可靠性和液壓機框架最大附加應力的大小。靜態偏差的大小則直接決定了被加工工件的尺寸精度。同步平衡控制系統的調整時間是以外載穩定后至將活動橫樑校正到穩態死區下限內為止的時間，減少調整時間有利於提高生產效率和提高產品質量。
在液壓機的載入過程中，活動橫樑所受外載中偏心力矩對同步平衡控制系統的控制精度影響最大，它隨著液壓機主缸載入力及偏心矩的變化而時刻改變，當液壓機載入完畢時，偏心力矩也隨之穩定。另外活動橫樑轉動黏性阻尼及液壓缸活塞受到的動/靜態摩擦力矩的變化也對系統的控制特性有很大的影響。
圖4所示是控制參數不同時兩對角液壓缸活塞位移偏差的變化圖。對兩比例流量閥採用的是易於實現的PID控制，比例係數大，動態最大偏差小;比例係數小，動態最大偏差大。微分係數對動態最大偏差的影響較小，對偏差曲線的變化快慢有較大作用，微分係數大，曲線的斜率就小，曲線圓滑，調整時間長;微分係數小，曲線陡直，調整時間短。積分項是對過去所有值的累加，當液壓機載入速度穩定時，也能使偏差曲線有下降趨勢。圖5所示是載入時間不同時兩對角液壓缸活塞位移偏差的變化圖。載入時間長時，動態最大偏差小;載入時間短時，動態最大偏差大。
補油開口與溢流開口不一致時，對位移偏差曲線的影響如圖6所示。補油開口大於溢流開口，能使液壓機尚在均勻載入且未達到最大工作壓力時就可以實現部分糾偏，應當減少調整時間。若補油開口小於溢流開口達到一定程度時，能減小動態最大偏差，提高動態精度。圖7所示為摩擦力對位移偏差的影響。由圖7看出液壓缸活塞受到的動/靜態摩擦力是影響調整時間的重要因素，靜態摩擦力越大，調整時間越長。
圖8所示為位移感測器精度對位移偏差的影響。由圖8看出感測器精度越高，可以設置的死區範圍越小，同步平衡系統糾偏的動/靜態偏差都會相應地減小。
4結語
本研究運用AMESim軟體為液壓機一對對角液壓缸的同步平衡控制系統迴路建立了模擬模型，分析對比了控制參數、載入速度、感測器精度以及活塞桿所受動/靜摩擦力等因素對最大動態偏差、靜態偏差和調節時間同步性能指標的影響。
AMESim提供了一個系統工程設計的完整平台，其基本元素的概念，使得用戶可以用儘可能少的元素來建立儘可能詳細的複雜模型，並在此基礎上進行模擬分析，進而從繁瑣的數學建模中解放出來，更專註於物理系統本身的設計。
經過模擬分析，採用了溢流補償型同步平衡控制系統的某試驗樣機，通過控制參數的設置，其同步平衡控制系統精度能達到01034mm/m，調節時間小於218s，滿足同步系統設計要求。
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