基于AMESim仿真的液压系统参数耦合研究

1、2010年第 11期 液压与气动基于 A MESim 仿真的液压系统参数耦合研究 李 毅 , 谷立臣Study on the para meters coupli ng of hydrau lic syste mbased on AMES m i sm i u l ati onLI Y , i GU L-i chen(西安建筑科技大学 机电工程学 院 , 陕西 西安 710055摘 要 :该文提出了基于 AMES i m 的液压系统动态仿真的方法 , 从理论上研究电动机 齿轮泵 负载模 型的机电液耦合关系 , 通过调节比例溢流阀电流来模拟液压系统负载变化 , 分析了负载变化与电动机参数和 液压

2、系统参数的变化关系 , 并在液压动力系统实验台上进行加载和卸载实验 , 将仿真结果与实验结果进行了 对比分析 。关键词 :AMES i m ; 液压系统 ; 仿真 ; 耦合中图分类号 :TH 137 文献标识码 :B 文章编号 :1000-4858(2010 11-0019-04前言目前 , 冶金、 矿山及工程建设等领域的大型设备都 采用液压传动及控制技术 , 而液压传动及控制技术发 展至今 , 已成为一门融液压、 微电子、 传感检测、 计算机 控制等技术于一体的综合性学科 , 具有显著的机电液 一体化特征。随着自动化程度的不断提高 , 这类设备 的结构和信息传递过程越来越复杂。因而 , 对机

3、电液 一体化系统故障的预测、 早期预防和诊断已成为亟待 解决的技术难题。液压动力系统是一种典型的机电液 系统 , 建立液压动力系统的模型 , 并利用该模型研究系 统的机电液参数耦合规律 , 对于液压动力系统的设计 具有重要 价值 , 也为液压 动力系统 的故障诊 断提供 参考。AMES i m 软件是由法国某公司推出的专门用于液 压 /机械系统建模、 仿真及动力学分析的优秀软件 , 该 软件不要求用户具备完备的仿真专业知识 , 采用面向 系统原理 图建模的 方法 , 便于工程 技术人员 掌握和 使用。本文 根 据 液 压 动 力 试 验 台 的 工 作 原 理 , 采 用 AMES i m 软

4、件建立了液压动力 试验台的仿真模型 , 并 进行动态仿真 , 分析了液压动力试验台的耦合关系 , 为 液压系统监测和诊断研究提供一定的参考依据。 1 液压动力系统实验台简介液压动 力系统主要由电动机、 齿轮泵、 电磁溢流 阀、 蓄能器、 电磁换向阀、 液压马达和比例溢流阀组成 , 本文研究的液压动力系统实验台如图 1所示。1. 油箱 2. 过滤器 3. 截止阀 4. 齿轮泵 5. 电动机6. 电磁溢流阀 7. 压力表 8、 14. 截止阀 9. 蓄能器10、 15. 组合传感器 11. 电磁换向阀 12. 液压马达13. 比例溢流阀 16. 散热器图 1 液压 动力系统实验台原理图收稿日期 :

5、2010-05-10基金项目 :陕西省自然科 学基金资助项目 (50575168 作者简介 :李毅 (1984 , 男 , 陕西西 安人 , 硕士 , 主要从 事液 压系统机电液控制方面的科研工作。齿轮泵 4通过电动机 5驱动 , 其输出压力通过三 位四通电磁换向阀 11进入液压马达 12使其运转 , 经 过比例溢流阀 13流回油箱。通过改变电磁换向阀 11 19 液压与气动 2010年第 11期的进油方向 , 实现马达 12的正反转。通过改变比例溢流阀 13控制电流的大小 , 从而控制阀口开口度 , 实现负载的模拟。2 机电液参数耦合机理分析电动机的电磁转矩方程为 :T M = 23pL m

6、 (i T i m -i M i t (1式中 L m 定转子相绕组之间的互感 i M , i T 电动机定子电流分量 i m , i t 电动机转子电流分量 p 电动机磁极对数电动机的转子运动方程为 :J e p d rd t=T M -T L (2式中 J e 电动机转子的转动惯量p 电动机磁极对数r 转子的电角速度T M 电动机产生的转矩T L 电动机的负载转矩齿轮泵的理论输入转矩为 :T i =pV i (3 式中 p 液压泵的出口压力差V i 液压泵的理论排量由式 (1 (3 分析 :液压系统的负载决定齿轮泵 出口压力 , 当油压升高时 , 通过机电耦合 , 使电动机定、 转子电流增

7、加 ; 当油压降低时 , 通过机电耦合 , 使电动 机定、 转子电流减小。如果液压泵发生故障 , 会使液压 泵的压力、 效率、 流量发生变化 , 同时通过机电耦合 , 影 响电流变化 ; 若电动机发生故障 (如短路、 断条等 , 必 使其电感发生变化 , 再导致电流变化 , 也会通过机电耦 合 , 影响油压变化。3 液压动力系统模型建立利用仿真建模软件 AM ES i m , 在机械库、 信号和控 制库、 液压库和电学库中选取适当的模型 , 建立液压动 力系统机械和液压仿真模型。如图 2所示。电动机的电压为 510V, 频率为 50H z , 极对数为 2, 转动惯量为 0. 07kg m 2

8、液压马达排量为 50mL /r, 溢 流阀设定压力为 8MPa , 马达排量为 1000m L /r, 比例 溢流阀模拟加载 , 压力从 1M Pa 缓慢增加到 7MPa , 模 拟卸载 , 压力从 7M Pa 减小到 1M Pa 。4 仿真结果和分析液压系统工作时 , 通过增加比例溢流阀的设定压图 2 液 压动力系统仿真模型力 , 使系统压力增大 , 模拟马达连续加载 ; 通过减小比 例溢流阀 的 设定 压 力 , 使系 统 压力 降 低 , 模 拟 马达 卸载。液压系统启动后 , 给换向阀一个固定信号使其左 位接通 , 马达空转 , 1s 后系统开始加载 , 模拟负载的压 力在 6s 内从

9、 1MPa 增加到 7MPa , 在 7s 到 9s 保持 模拟负载 7M Pa 不变 , 9s 后到 15s 模拟负载压力从 7 M Pa 减小到 1MPa 。仿真时间为 15s 。 仿真结果如图 3、 图 4 所示。图 3 电动机 电压和电流信号变化曲线图 4 液压系统压力和流量变化曲线202010年第 11期 液压与气动用比例溢流阀模拟系统加载和卸载过程 , 同时监测电动机电压、 电流信号 , 液压系统压力、 流量信号。由图 3中电流信号变化可知 , 在 (01 s 电动机是空载启动 , 当电动机启动的瞬时 , 电动机的电流非常大 , 经过 0. 3s 左右达到稳定状态。当负载从 1s

10、开始增大时 , 电动机 的电流相 应的增大 , 到 7s 时负载稳定 , 电动机的电流也趋于稳定。当负载稳定运行 2s 后 ,从第 9s 负载开始减小 , 电动机的电流也相应的较小。在负载加载和卸载的过程 , 电动机的电压变化不明显 ,趋于恒定 , 而电流的变化与负载的变化趋势基本一致。由图 4中流量变化曲线可知 , 液压系统流量在电 机启动瞬间达到最大值 , 在 0. 3s 左右有明显的流量 波动 , 然后 趋于稳定。当系统 从 (17 s 加载的时 候 , 液压系统的流量减小 , 变化比较缓慢。当负载稳定 时 , 流量基本稳定。当负载稳定运行 2s 后 , 从 第 9s 负载开始减小 ,

11、流量缓慢增大。由图 4中压力变化曲 线可知 , 当电动机启动瞬时 , 系统压力波动非常大 , 随 着系统的稳定压力 也稳定下来。加载 的时候压力升 高 , 卸载的时候压力下降 , 而且趋势很明显。从图中还 可以看到 , 压力升高 , 流量减小 ; 压力降低 , 流量增大 , 压力和流量的变化趋势始终相反。对比图 3中电流信号与图 4中液压系统压力信号 可以看到 , 模拟负载的变化引起液压系统压力的变化 , 压力的变化又引起电动机电流的变化 , 而且变化趋势 基本一致 , 为液压系统机电液耦合研究提供理论依据。 5 液压动力系统实验5. 1 实验内容系统加载和卸载实验。如图 1所示 , 电磁溢流

12、阀 6的设定压力为 8M Pa , 比例溢流阀 13的压力从 1MPa 增加到 7M Pa , 模拟负载加载 , 从 7MPa 增加到 1M Pa , 模拟负载卸载。电动机 5启动 , 运行稳定后 , 用霍尔传 感器采集电动机的电流和电压信号 , 组合传感器 10的 液压系统压力和流量信号 , 通过 CRAS 数据采集箱 , 将 采集的信号传递到 CRAS 采集分析软件进行信号的采 集和分析。5. 2 实验结果和分析本实验将液压系统加载和卸载的实验结果进行分 析 , 实验结果如图 5、 图 6所示。如图 5载荷变化时电动机电压和电流变化情况可 知 , 增大比例溢流阀的压力 , 电动机的电流缓慢

13、增大 ; 减小比例溢流阀的设定压力 , 电动机的电流信号缓慢减 小 , 电动机的电压在加载和卸载过程中没有明显变化。图 5 电压和电流信号变化曲线图 6 压力和流量信号变化曲线由图 6可知 , 比例溢流阀模拟负载加载时 , 系统压 力升高 , 流量减小 ; 比例溢流阀模拟负载卸载时 , 系统 压力下降 , 流量增大。由于系统内部保持一定压力 , 所 以当压力降到 2M Pa 时 , 变化趋势就变得非常缓慢。 伴随负载的减小 , 系统流量缓慢增加 , 而且系统的压力 和流量变化趋势相反。6 结论将液压动力系统仿真结果与实验结果进行对比 , 得出以下结论 :(1 液压动力系统实验与仿真结果进行了对

14、比 , 其结果的一致性证明了仿真模型正确 , 从而说明液压 动力系统得到的仿真结果可信 ;(2 实验证明 , 运用 AM ESi m 软件对液压系统进 行仿真研究是一种有效的手段 , 在电动机 齿轮泵 负载仿真模型上分析系统的机电液耦合情况和变化规 律有重要的实际意义 , 为液压系统的状态监测和故障 诊断提供理论依据 ;(3 通过 AM ES i m 建模仿真可以分析解决工程实 际问题 , 与仿真结果做对比分析 , 明确实际系统或方案 的不足 , 能够有针对性地进行改进。参考文献 :1 马玉 . 基于电流信号的液压设备 状态监测方 法研究 D .西安 :西安建筑科技大学 , 2005.21 液

15、压与气动 2010年第 11期2 张传才 . 液压动 力系统 建模 与实验 研究 D .西安 :西 安 建筑科技大学 , 2002.3 马玉 , 谷立臣 . 基于电流信号的液压设备状态监测技 术研 究 J.液压与气动 , 2005, 30(7.4 王益群 , 张伟 . 流体 传动 及控 制技 术的 评述 J.机械 工 程学报 , 2003. 39(10.5 王楠 , 谷立臣 . 霍尔传感器状态监测电路的设计及其 应用 J.中国测试 , 2009, (9.6 苏东海 , 于 江华 . 液压仿真新技术 AM ES i m 及应用 J.计算机应用技术 , 2006, 33(11 :35-37.7 余

16、佑国 , 龚国芳 , 等 . AM ES i m 仿真 技术 及其 在液 压系 统 中的应用 J.液压气动与密封 , 2005, (3:28-31.8 刘海丽 , 李华聪 . 液压机械系统建模仿真软 件 AM ES i m 及 其应用 J.机床与液压 , 2006, (6:124-126.9 秦家升 , 游善兰 . AM ESi m 软 件的特征 及其应用 J.工程 机械 , 2004, (12 :23-25.10 万理 想 , 丁 保华 , 周 洲 , 徐 军 . 基于 AM ES i m 和 S i m uli nk 的液压伺服系统动态仿真 J.煤矿机械 , 2007, (9.基于模糊自适

17、应 PID 的直驱式容积控制 电液伺服系统性能的研究秦二卫 , 刘军龙 , 姜继海 , 黄 铮The researc h on DDVC servo syste m based on f uzzy adapti ve PI D Q I N Er -w e, i LI U Jun -long , JI A NG J-i ha, i HUANG Zheng(哈尔滨工业大学 , 黑龙江 哈尔滨 150001摘 要 :针对直驱式容积控制电液伺服系统的大时滞 、 非线性等因素制定了模糊自适应 PI D 控制器 , 并 进行了相应的试验研究 , 研究结果表明 , 该控制器实现了良好的控制效果 , 较好地改

18、善了直驱式位置伺服系 统的性能 。关键词 :直驱式容积控制 ; 电液伺服系统 ; 模糊自适应 PI D中图分类号 :TP273. 4 文献标识码 :B 文章编号 :1000-4858(2010 11-0022-04前言直接驱动容积控制电液伺服系统 (DDVC , 是交 流伺服电机技术和变频技术在 液压领域中的成功应 用。这种新型的伺服系统既具有电机 易于控制的特 点 , 又结合了液压出力大的特点 , 而且因为没有节流溢 流损失 , 其能量的利用率较高 , 在一定的场合 , 可以替 代传 统 的 阀控 式 电 液 伺 服 系统 , 达 到 高 效节 能 的 目的 12。传统 PI D 控制器原理简单、 实用性强 , 是工业控制 中应用最为广泛的技术 , 但对于非线性系统或参数时 变系统 , 其不能根 据系统工况适时进行参 数自调整。 直驱式容积控制系统存在起步及转向阶段的大时滞、 运行过程中的正反向不对称性以及长期运行时液压油 的非线性 , 使得传统 PI D 控制器控制效果不理想。 为了解决以上问题 , 本文引入了处理非线性、 大时 滞、 时变系统性能优越的模糊自适应控制