基于AMESim卷帶裝置液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計

1、基于AMESim卷帶裝置液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計仲維超中國礦業(yè)大學機電工程學院徐州221116摘要:在運用AMESim仿真軟件的基礎上,對卷帶裝置液壓系統(tǒng)進行了建模和仿真,運用軟件的優(yōu)化功 能,對卷帶裝置液壓系統(tǒng)的控制參數(shù)進行了優(yōu)化分析,提高了控制精度,給出了相應的仿真結(jié)果。運用該方法 可以對類似液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。關鍵詞:AMESim;液壓卷帶裝置;仿真;優(yōu)化設計中圖分類號:TH69文獻標識碼:A 文章編號:10010785(201106001704Abstract:Based oll AMESim simulation software,the paper carries out modehn

2、g and simulation on the belt-winding mechanism hydraulic system.applies optimization analysis to the control parameters of the hydraulic system witIl the use of software optimization function,improves the control precision,andpresentsthe corresponding simulation results.Using such method,optimizatio

3、n design call be realized on similar hydraulic systems.Keywords:AMESim;hydraulic belt-winding mechanism;simulation;optimization design0引言。評價液壓系統(tǒng)各項性能指標時,除要求液壓系統(tǒng)必須滿足所需的靜態(tài)特性外,還要求其具有良好的動態(tài)特性(包括穩(wěn)定性、準確性和靈敏度。為研究系統(tǒng)的動態(tài)性能,在真實系統(tǒng)上進行實際試驗不可缺少,而受到諸多因素的制約,計 算機仿真相對于實際試驗具有以下優(yōu)點:1自主性高仿真時刻對系統(tǒng)中感興趣的 參數(shù)進行變動,尋找影響系統(tǒng)性能的主要參數(shù), 并

4、指出如何修改參數(shù)以達到提高系統(tǒng)性能的 目的;2重復性好在重復仿真過程中,可以通過 保持相同的仿真條件獲得相同的仿真結(jié)果;3研究成本低可重復或改變參數(shù)進行多次 仿真,而不大量增加運行成本;4實驗效率高仿真實驗避免了真實試驗臺 的搭建,可將工作重點集中于研究本身。然而,仿真研究同時具有如下的缺點:1由于建模假設和模型簡化,使得仿真結(jié)果 可能是錯誤的;2仿真結(jié)果不如試驗測試結(jié)果具有結(jié)論性。 本文以液壓卷帶機構(gòu)(見圖1為例,進行液 壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析。起重運輸機械 2011(6圖1液壓卷帶裝置結(jié)構(gòu)1基于遺傳算法的PID參數(shù)整定原理 在確定了被控制對象的模型及對控制系統(tǒng)的 技術要求后,為了確定控制器的參

5、數(shù),需要進行 大量的計算。工程實踐上常用的方法是經(jīng)驗法和 試湊法,這樣的設定參數(shù)方法對比較簡單的被控 制對象模型應用較多。通常的工作步驟是設計者 根據(jù)對實際系統(tǒng)的了解,先初步確定控制器參數(shù) 的1組初始值,通過軟件仿真或者直接在實際系 統(tǒng)中應用,得到系統(tǒng)對典型輸人的響應特性,然 后對結(jié)果進行分析,修改參數(shù),重新進行仿真或 者試驗,直至性能滿足系統(tǒng)的要求。PID參數(shù)的調(diào) 整在理論上的方法主要有Zieglernichols設定法、 臨界靈敏度法、ISTE最優(yōu)設定法、基于增益優(yōu)化 一17萬方數(shù)據(jù)參數(shù)整定法和基于總和時間常數(shù)法等,但理論的 前提是要有被控制對象的準確的數(shù)學模型。隨著 科學技術的發(fā)展和應用

6、范圍的擴大,系統(tǒng)越來越 復雜,對控制的效果也提出了更高的要求,繼續(xù) 采用上面的方法已不能滿足要求,所以為了獲得 最佳的設計效果,出現(xiàn)了最優(yōu)化技術。1.1遺傳算法的概述遺傳算法(Genetic Algorithm是一類借鑒生 物界的進化規(guī)律(適者生存,優(yōu)勝劣汰的遺傳機 制演化而來的隨機化搜索方法,1975年由美國 的J.Holland教授首先提出,其主要特點是直接對 結(jié)構(gòu)對象進行操作,不存在求導和函數(shù)連續(xù)性的 限定;具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能 力;采用概率化的尋優(yōu)方法,能自動獲取和指導 優(yōu)化的搜索空間,自適應地調(diào)整搜索方向,不需 要確定的規(guī)則。遺傳算法的這些性質(zhì),已被人們 廣泛地應用于

7、組合優(yōu)化、機器學習、信號處理、 自適應控制和人工生命等領域。它是現(xiàn)代有關智 能計算中的關鍵技術。1.2基于遺傳算法的PID參數(shù)整定原理1參數(shù)的確定及表示PID參數(shù)(K,Ki, 民的范圍一般由設計者給定,然后根據(jù)精度的 要求,對其進行編碼。選用二進制字串來表示每 一個參數(shù),并建立與參數(shù)間的關系。再把二進制 連接起來就組成了一個長的二進制字串,該字串 為遺傳算法可以操作的對象。2選取初始種群通過計算機編程可隨機產(chǎn) 生0至1的初始種群。3適配函數(shù)的確定一般取優(yōu)化目標函數(shù)為 適配函數(shù),主要根據(jù)控制系統(tǒng)得到穩(wěn)定性、準確 性和快速性3個指標來綜合確定。4遺傳算法的尋優(yōu)操作 首先利用適應度比 例法進行復制,

8、即通過適配函數(shù)求得適配值,進 而求每個串對應的復制概率。復制概率與每代字 串的個數(shù)的乘積為該串在下一代中應復制的個數(shù)。復制概率大的在下一代中將有較多的子孫,相反 則會被淘溉其次進行單點交叉,交叉概率為 P。從復制后的成員里以P,的概率選取字串組 成匹配池,而后對匹配池的成員進行隨機匹配, 交叉的位置也是隨機確定的。最后以P。進行 變異。一18 2控制參數(shù)的優(yōu)化根據(jù)卷帶機構(gòu)的特點,回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的工作 原理可按圖2進行分析。圖2中,液壓泵1通過換 向閥3向液壓馬達4提供壓力油,換向閥3左、右 位接通時,分別實現(xiàn)液壓馬達的正、反轉(zhuǎn),從而 帶動卷筒進行卷帶或放帶。當系統(tǒng)壓力達到或超 過額定工作壓力時,

9、與工作腔相連的溢流閥2或6開啟,工作腔壓力油溢流回油箱。432圖2卷帶機構(gòu)液壓工作原理液壓卷帶機構(gòu)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是液 壓馬達,其將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能,向工作機構(gòu) 輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。液壓馬達動態(tài)特性的優(yōu)劣直 接影響到整個系統(tǒng)的安全性和工作穩(wěn)定性,因此 對液壓馬達進行階躍響應分析具有非常積極的 意義。根據(jù)系統(tǒng)的液壓原理,利用AMESim仿真軟 件中的液壓圖庫和機械圖庫建立卷帶機構(gòu)回轉(zhuǎn)液 壓系統(tǒng)仿真模型,如圖3所示。圖3液壓系統(tǒng)仿真模型起重運輸機械 201l(6萬方數(shù)據(jù)該仿真模型中,電機轉(zhuǎn)速為1470r/rain,液 壓泵的排量為63ml/r,容積效率和機械效率均設 為0.97,溢流閥調(diào)定壓

10、力均為25MPa,液壓馬達 的排量為3000ml/r,馬達輸出軸等效轉(zhuǎn)動慣量、 旋轉(zhuǎn)阻尼和負載根據(jù)需要進行設置。PID控制器: K,=5,K=0.03,Kd=0.1;位移傳感器的增益為 10。設定仿真時間為6s,采樣周期為0.01s,在 Run模式下得出仿真結(jié)果。流量階躍輸入時液壓馬達轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力隨 時間的變化如圖4和5所示。從圖4的仿真曲線中 可以看出:在流量階躍輸入(即起動時,馬達 轉(zhuǎn)速有幾次振蕩,振蕩峰值比穩(wěn)態(tài)值(30.698r/ rain高出一些(達到42.5r/min,即最大超調(diào) 量為38.445%,經(jīng)過1.5s調(diào)整后轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn), 但仍存在一個輕微的振蕩,2S之后系統(tǒng)完全平穩(wěn)。二

11、、IcE刪漿蟈酊圖4流量階躍輸入對馬達轉(zhuǎn)速的影響 最優(yōu)解?？梢酝ㄟ^批處理仿真得到參數(shù)變化對系 統(tǒng)響應的影響。通過批處理結(jié)果分析得到最終參 數(shù)范圍為:硨(0200,Ki(05,民(010。 運行AMESim中的設計開發(fā)模塊,首先通過 實驗設計DOE進行參量分析,獲得約束與響應之 間的關系。再選擇Optimization中的遺傳算法進行 參數(shù)優(yōu)化,設定遺傳算法優(yōu)化的參數(shù)為種群大小 為40,復制概率為70%,變異概率為4%,經(jīng)過 46代的進化后的PID參數(shù)為:K,=19.185,Ki= 0.0411,Kd=0.06。系統(tǒng)采用優(yōu)化結(jié)果后的流量階躍輸入對馬達 轉(zhuǎn)速的影響及對系統(tǒng)壓力的影響如圖6和7所示。

12、圖6優(yōu)化后的流量階躍輸入對馬達轉(zhuǎn)速的影響簍20莪ll5一;時間/s圖7優(yōu)化后的流量階躍輸入對系統(tǒng)壓力的影響圖5流量階躍輸入對系統(tǒng)壓力的影響3結(jié)論系統(tǒng)壓力的變化如圖5所示,從該仿真曲線 中可以看出:在起動的瞬間(約0.03s系統(tǒng)壓 力達到溢流閥的設定值25MPa,并維持約0.07s, 約0.15s后系統(tǒng)壓力降至0,并維持約0.1s,經(jīng) 過幾次振蕩,1.5s后系統(tǒng)壓力趨于平穩(wěn)(8.254 MPa,2.4s后,系統(tǒng)完全平穩(wěn)。說明在流量階躍 輸入時系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。因此使用遺傳算法對 控制器的PID的參數(shù)進行優(yōu)化,尋找滿足要求的 起重運輸機械 2011(6通過優(yōu)化前后的曲線比較,系統(tǒng)性能得到了 一定的

13、改善。運用AMESim軟件中優(yōu)化設計功能 模塊中的遺傳算法優(yōu)化功能,對卷帶裝置液壓系 統(tǒng)的PID控制參數(shù)進行了優(yōu)化,此方法可以快速、 方便、有效地實現(xiàn)目標的優(yōu)化,且可以借助優(yōu)化 設計模塊中的繪圖功能直觀地看到優(yōu)化過程。是 一種無需借助太多的系統(tǒng)初始信息就可以建立尋 求最優(yōu)化結(jié)果的方法,而且可以運用批處理仿真, 一】9一 鈣弘笛加”m.cIm/燃磐蟈胛鈣弘藥加培m 萬方數(shù)據(jù)基于ARIZ算法的輪胎成型鼓創(chuàng)新設計+蘇少航12張鎖龍12苗乃明k2蔣雷31常州大學 常州 2130162江蘇省油氣井口裝備技術工程中心 常州 2130163常州市武進陽湖模具有限公司 常州 213016摘要:TRIZ理論中的

14、ARIZ算法主要用于解決復雜問題,ARIZ集成了TRIZ的多個工具,給出從問題分 析到方案解評價的整個流程。本文在總結(jié)TRIZ理論的方法和觀點的基礎上,介紹了ARIZ包含的概念和解決問 題的基本流程,并應用ARIZ算法設計了新型機械助推成型鼓。實際應用表明,所設計的新型成型鼓能實現(xiàn)足夠 高度的連續(xù)反包。關鍵詞:輪胎成型鼓;TRIZ;ARIZ;創(chuàng)新設計中圖分類號:THl66文獻標識碼:A 文章編號:10010785(201106002004Abstract:The ARIZ algorithm in the TRIZ theory is mainly used to solve complex

15、problems.ARIZ integrates several TRIZ tools,giving the entire process from problem analysis to solution evaluation.Based on the summary of TRIZ theory,the paper introduces theconcepts contained in ARIZ and the basicprocessesfor problem solving,and designs a new mechanical tire building dnma.Practica

16、l application shows that the new designed tire building drum call achieve continuous tire building operation with ellough height.Keywords:tire building drum;TRIZ;ARIZ;innovative design0引言t江蘇省常州市科技攻關項目(項目號:CE2008046 實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具組成的綜合理論 體系,包含了用于分析和解決問題的多種工 具2o,主要有:1產(chǎn)品技術進化理論;2物理沖突及分離原理;3技術沖突及沖突矩陣:用39個通用的工 程參數(shù)將各種沖突進行標準化歸類,并采用40條 發(fā)明原理解決;4用物質(zhì)一場模型定義5類問題并建立對應避免了參數(shù)范圍過大而影響效率,減少了尋優(yōu)的 盲目性,省掉了大量的計算。對實際系統(tǒng)建模仿 真及優(yōu)化證明了基于AMESim和遺傳算法的PID 參數(shù)整定是正確的,且運算量低,精度高,為液 壓卷帶裝置的控制系統(tǒng)開發(fā)和優(yōu)化控制方案提供 了比較準確和簡便的方法。參考文獻1余佑官,龔國芳,胡國良.AMESim仿真技術及其在 液壓系統(tǒng)中的應用J.液壓氣動與密封,2005(3: 2831.一20一 2秦家升,游善