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，廣泛應用于數(shù)字處理器的模擬和設計中。但Simulink本身沒有專門針對流體仿真的工具箱,用戶使用時要自己建立模型,如若遇到較復雜的液壓系統(tǒng),使用Simulink還需要對系統(tǒng)的數(shù)學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,它提供了一個系統(tǒng)級工程設計的完整平臺。AMESim的圖形化用戶界面使得用戶可以在完整的應用模型庫中選擇需要的模塊來構建復雜系統(tǒng)的模型,從而使用戶從繁瑣的數(shù)學建模中解放出來而專注于其物理系統(tǒng)本身的設計。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-驅動的組成及其應用液壓同步驅動在高精度同步驅動技術占據(jù)非常重要的地位。這是因為同其他同步驅動方式相比具有結構簡單、組成方便、易于控制和適宜大功率場合等特點。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)學模型的構建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——液壓缸進油腔活塞有效面積;Vt——液壓缸高壓腔及進油管路油液體積;Bp——黏性阻尼系數(shù)。2.2ksv—伺服閥數(shù)學模型的構建電液伺服閥的詳細推導過程較麻煩,在此略去(推導過程可參看文獻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拖動連接辦法構建系統(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、馬達等即成模型即可完成模型的構建和仿真。但對于復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,為了解決這個問題,AMESim提供了HCD庫,即液壓元件設計庫。此庫提供一些比較通用的子模型。由這些基礎層次的通用子模型,用戶可以構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)模型的構建及仿真。但為了驗證兩種建模方法的等效情況,對液壓缸也進行了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。這個子模型除了可以描述液壓缸的幾何參數(shù)之外,同時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,這個質(zhì)量模型考慮了摩擦和限位。這與用Matlab進行仿真而建立傳遞函數(shù)時候考慮的因素一致,存在可比性。完整模型如圖3中虛線框組合模型3。采用HCD庫對上述液壓缸進行建模。首先考慮液壓缸幾何結構,采用的是圖中的子模型11(BAP11),表示一個“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構建了一個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庫進行的液壓缸建模,考慮因素都是一樣的,設置參數(shù)也是相同的。故它們反映的應是同一個液壓缸的工作狀態(tài)。3.2液壓庫的建模采用的是一個三位四通的電液伺服閥。采用HCD庫的建模過程比較復雜,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庫構建。5為位移傳感器,6是一個比例因子,用于比例轉化位移值,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模型分別運行仿真,設控制量為0.3。并在Matlab中運用ameloadt()命令將AMESim中模型的運行結果導入Matlab的工作空間,運用plot()命令將兩個軟件仿真的結果繪制在同一張圖上,以比較采用Matlab及AMESim對同一系統(tǒng)的仿真結果,如圖5所示。同時,也對AMESim的兩種建模方法的仿真結果進行了比較,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。這些都會造成計算結果的差別,具體原因有待于進一步的研究。圖6是分別利用HCD庫和液壓庫進行的仿真結果。可見兩種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。結果表明,二者所得結論基本一致而不完全相同。采用Matlab/Simulink的建模及仿真方法是