基于AMESim主从同步控制系统仿真研究.docx

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王野牧，胡牧青
(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)
0 前言
对于重型机械，特别是盾构机的支护作业来说，在复杂多变的工况下，多缸运动的同步性显得尤为重要。钢拱架安装器的水平移动主要依靠两个水平油缸的伸出与缩回完成。由于安装器的质量大，重心高，极易出现负载不恒定、极端偏载的情况，所以油缸同步精度的好坏直接影响到钢拱架安装精度的高低，从而对液压同步控制系统提出更高的要求。
根据实际工况需要，实验台所需要实现的技术指标如下：(1)驱动最大负载力100 000 N；(2) %。
1 实验台的组成及工作原理
液压同步控制实验台主要由同步控制和负载加载两部分组成。图1为液压同步实验台液压原理图。同步控制是由工业计算机、伺服比例阀、位移传感器构成的位置闭环控制系统。位移传感器采集两油缸不同位置信号，传递给运动控制卡，再由工业计算机进行计算、分析并控制伺服比例阀的开度，从而实现同步控制。负载加载是由工业计算机、三通比例减压阀和压力传感器构成的压力闭环控制系统。通过改变三通比例减压阀的出口压力的大小来模拟盾构机支护作业过程中出现的负载力。
图1 液压同步试验台液压原理图
2 基于AMESim主从同步控制系统模型建立
比例伺服阀模型的建立
伺服比例阀作为主从同步控制系统的重要核心元件，其好坏直接影响系统的响应时间、稳定性和控制精度。为了模拟真实的伺服比例阀，在实验中，该阀的
实际频宽大于液压系统固有频率的3～5倍，因此将其简化成比例环节进行仿真分析，最后在AMESim中建立的模型如图2所示。模型中具体参数值如表1所示。
图2 伺服比例阀仿真模型
参数参数值响应时间/ms5最大流量(在p=7 MPa)/L·min-118最大流量(在p=3 MPa)/L·min-128圆角半径/
伺服油缸模型的建立
伺服油缸是主从同步控制系统的动力执行机构，油缸的技术参数直接影响最大承受负载力情况及仿真的真实性。根据伺服油缸的实际的技术参数(如表2)，利用AMESim建立的伺服油缸模型如图3所示 。
表2 伺服油缸相关技术参数
图3 伺服油缸仿真模型
闭环控制系统模型的建立
液压主从同步控制框图如图4所示。工控机通过给阀放大器输入相同的电压信号，控制比例伺服阀开度的大小，从而控制油缸的移动速度。当油缸接触到负载出现移动速度的不同步及位置偏差时，偏差值会通过差值反馈的方式累加到移动速度较慢油缸的阀放大器上，从而提高伺服比例阀的开度，进而提高油缸的移动速度。直至偏差值为0时，系统会重新建立一个新的平衡点达到稳定。同时，每个独立的位置传感器与比例伺服阀、油缸构成独立的位置闭环控制系统，实现每个油缸均能独立进行位置控制。
根据液压主从同步控制框图，针对100000 N和0 N两种负载状态建立AMESim模型如图5所示。
图4 液压主从同步控制框图
图5 液压主从同步闭环控制系统模型
3 控制系统动态特性分析
当信号源输入信号为0～10时，对应伺服比例阀阀芯位移为0～100%。实验台的位移传感器的工作范围0～ m，所对应的信号为0～1。溢流阀的开启压力为250 MPa；柱塞泵的排量为 125 L/min；电机转速为1 500 r/min，仿真时间200 s。
对于刚性负载的液压同步系统来说，在接触负载的瞬间会对系统产生很大的超调量，经过震荡以后才能达到稳定。在实际实验过程中为了避免产生较大的超调量、测量元器件的损坏以及实验数据的不准确，在系统中加入PID控制器对
系统进行校正，经过多次实验获得最终PID调整器中比例、积分、微分环节的数值大小，P=，I=×10-3，D=0。
从图6曲线上可以看出，液压缸在伸出过程中， L/min；缩回过程中， L/min。仿真到50 s之后，液压缸处于支撑状态，因此流量为0 L/min。从图7曲线上可以看出，伸出与缩回过程中，双液压缸速度均稳定在22 mm/s，速度误差可以忽略不计。在液压缸的行程内， mm，%%，满足实验所需的精度要求。
图6 伺服油缸的动态流量曲线
图7 伺服油缸的速度变化曲线
图8 伺服油缸的位置变化曲线
4 结束语
(1)对于阀控缸液压系统来说，当实际使用的伺服比例阀的频宽大于液压固有频率的额的3～5倍时，伺服比例阀简化成惯性环节，有利于系统的仿真分析。
(2)对于负载是刚性的液压同步系统来说，在接触负载的瞬间会产生一个较大的阶跃力，使系统产生一个较大的超调量和震荡。如果想要提高控制精度，改善系统的响应特性，可以增加PID校正环节。
(3)通过仿真分析可以得出，负载为0与负载为100 000 N的油缸在行程范围内，无论伸出与缩回的同步精度均能满足实验要求，得到满意的结果。同时为极端偏载的工况下的液压同步控制提供一个科学的理论支持。
(4)液压同步控制试验台负载力控制系统的设计利用AMESim软件进行建模和仿真，与传统的数学建模推导传递函数相比，更加直观、方便得到系统的动态响应曲线。
 
-全文完-