基于malabamesim的液壓缸位置同步控制仿真研究

基于malabamesim的液壓缸位置同步控制仿真研究

0基于amesim的建模方法simulik是nb中最重要的組件之一，廣泛應(yīng)用于數(shù)字處理器的模擬和設(shè)計(jì)中。但Simulink本身沒有專門針對流體仿真的工具箱,用戶使用時(shí)要自己建立模型,如若遇到較復(fù)雜的液壓系統(tǒng),使用Simulink還需要對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有較深刻的理解。AMESim是世界著名的工程系統(tǒng)高級建模與仿真平臺,它提供了一個(gè)系統(tǒng)級工程設(shè)計(jì)的完整平臺。AMESim的圖形化用戶界面使得用戶可以在完整的應(yīng)用模型庫中選擇需要的模塊來構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型,從而使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來而專注于其物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。本文分別用Simulink和AMESim的建模和仿真方法比較研究了液壓缸的同步控制問題。1他-驅(qū)動(dòng)的組成及其應(yīng)用液壓同步驅(qū)動(dòng)在高精度同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)占據(jù)非常重要的地位。這是因?yàn)橥渌津?qū)動(dòng)方式相比具有結(jié)構(gòu)簡單、組成方便、易于控制和適宜大功率場合等特點(diǎn)。本文研究的控制方法為閉環(huán)同步控制,其系統(tǒng)主要組成部件包括:液壓缸、伺服閥、位移傳感器、控制器等。系統(tǒng)控制框圖如1所示。2simulin模擬數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建2.1液壓缸栓塞分析現(xiàn)所需為液壓缸活塞位移對液壓缸輸入油液的傳遞函數(shù),簡單推導(dǎo)過程如下。建立液壓缸輸入流量連續(xù)性方程,線性化并拉氏變換可得:建立液壓缸活塞的受力平衡方程,線性化并拉氏變換可得(外負(fù)載為恒力):由式(1)、(2)可得液壓缸活塞位移對輸入流量的傳遞函數(shù)為:式中X——活塞位移;A——液壓缸進(jìn)油腔活塞有效面積;Vt——液壓缸高壓腔及進(jìn)油管路油液體積;Bp——黏性阻尼系數(shù)。2.2ksv—伺服閥數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建電液伺服閥的詳細(xì)推導(dǎo)過程較麻煩,在此略去(推導(dǎo)過程可參看文獻(xiàn)1)。其傳遞函數(shù)常用震蕩環(huán)節(jié)來近似,即:式中Ksv——電液伺服閥的流量增益,單位為(m3/s)/A;Tv——電液伺服閥的時(shí)間常數(shù),單位為s;ωsv——電液伺服閥的固有頻率,單位為rad/s;2.3同步控制系統(tǒng)模型根據(jù)以上液壓缸及伺服閥的數(shù)學(xué)模型,伺服閥以電流為輸入,流量為輸出,液壓缸以流量為輸入,位移為輸出,采用PI調(diào)節(jié)器,根據(jù)圖1,可建立液壓缸同步控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖2所示。3基于amesim的系統(tǒng)模型構(gòu)建如前言中所述,AMESim基于圖形接口,可直接利用系統(tǒng)提供的各庫中的圖形模型以直觀的鼠標(biāo)拖動(dòng)連接辦法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型。對于簡單的液壓系統(tǒng)仿真,利用液壓庫(Hydraulic)提供的各種閥、泵、馬達(dá)等即成模型即可完成模型的構(gòu)建和仿真。但對于復(fù)雜的或者有特殊需求的場合,液壓庫不可能提供所有特殊的各種液壓元件模型,為了解決這個(gè)問題,AMESim提供了HCD庫,即液壓元件設(shè)計(jì)庫。此庫提供一些比較通用的子模型。由這些基礎(chǔ)層次的通用子模型,用戶可以構(gòu)建出多種符合自己需求的液壓元件模型。本文所研究的液壓系統(tǒng)采用液壓庫中提供的模型即可完成系統(tǒng)模型的構(gòu)建及仿真。但為了驗(yàn)證兩種建模方法的等效情況,對液壓缸也進(jìn)行了HCD建模。3.1配置模型的建立液壓庫中提供了幾種液壓缸的子模型,我們采用的是actuator002子模型列表中的子模型HJ021。這個(gè)子模型除了可以描述液壓缸的幾何參數(shù)之外,同時(shí)也考慮了液壓缸的泄漏、摩擦、行程等,但沒有質(zhì)量屬性,故需添加mass-friction-endstops質(zhì)量子模型列表中的MAS005,這個(gè)質(zhì)量模型考慮了摩擦和限位。這與用Matlab進(jìn)行仿真而建立傳遞函數(shù)時(shí)候考慮的因素一致,存在可比性。完整模型如圖3中虛線框組合模型3。采用HCD庫對上述液壓缸進(jìn)行建模。首先考慮液壓缸幾何結(jié)構(gòu),采用的是圖中的子模型11(BAP11),表示一個(gè)“半缸”;泄漏因素由模型12(BAP12)考慮;活塞及活塞桿質(zhì)量同樣由13(MAS005)考慮;液壓缸的死區(qū)容積則由模型10(BHC11)考慮。如此,用HCD構(gòu)建了一個(gè)完整的對稱液壓缸模型(圖4中虛線框的組合模型3)。由以上建模過程敘述可知,液壓缸Matlab傳遞函數(shù)的建立,以及AMESim液壓庫內(nèi)液壓缸模型的選取和用HCD庫進(jìn)行的液壓缸建模,考慮因素都是一樣的,設(shè)置參數(shù)也是相同的。故它們反映的應(yīng)是同一個(gè)液壓缸的工作狀態(tài)。3.2液壓庫的建模采用的是一個(gè)三位四通的電液伺服閥。采用HCD庫的建模過程比較復(fù)雜,這里直接利用液壓庫提供的子模型SV00(圖4中編號2)。并保證其參數(shù)設(shè)置和傳遞函數(shù)模型參數(shù)一致。3.3液壓庫子模型采用AMESim建立的系統(tǒng)仿真模型如下圖所示。圖3中液壓缸模型采用液壓庫子模型,圖4中液壓缸模型采用HCD庫構(gòu)建。5為位移傳感器,6是一個(gè)比例因子,用于比例轉(zhuǎn)化位移值,7為控制信號,8為PI控制器,9為流量源,1為安全閥,4為力發(fā)生器,用于模擬施加在液壓缸活塞上的外力。4算法的仿真比較對以上Matlab模型及AMESim模型分別運(yùn)行仿真,設(shè)控制量為0.3。并在Matlab中運(yùn)用ameloadt()命令將AMESim中模型的運(yùn)行結(jié)果導(dǎo)入Matlab的工作空間,運(yùn)用plot()命令將兩個(gè)軟件仿真的結(jié)果繪制在同一張圖上,以比較采用Matlab及AMESim對同一系統(tǒng)的仿真結(jié)果,如圖5所示。同時(shí),也對AMESim的兩種建模方法的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較,如圖6所示。圖5是采用AMESim和Matlab兩者方法所得的控制結(jié)果的比較,可以看出,兩條曲線基本一致,但也并不完全重合。思考分析其差異的原因:第一,AMESim平臺基于功率鍵合圖理論,而Matlab/Simulink基于傳遞函數(shù),兩者的建模方法不同;第二,兩軟件求解器的求解算法或有不同。這些都會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的差別,具體原因有待于進(jìn)一步的研究。圖6是分別利用HCD庫和液壓庫進(jìn)行的仿真結(jié)果?？梢妰煞N方法所得曲線完全重合。5液壓系統(tǒng)建模及仿真本文基于一個(gè)液壓缸位置同步控制系統(tǒng),研究比較了利用Matlab傳遞函數(shù)和AMESim圖形建模及仿真的方法。結(jié)果表明,二者所得結(jié)論基本一致而不完全相同。采用Matlab/Simulink的建模及仿真方法是