基于malabamesim的液压缸位置同步控制仿真研究

基于malabamesim的液压缸位置同步控制仿真研究

0基于amesim的建模方法simulik是nb中最重要的组件之一，广泛应用于数字处理器的模拟和设计中。但Simulink本身没有专门针对流体仿真的工具箱,用户使用时要自己建立模型,如若遇到较复杂的液压系统,使用Simulink还需要对系统的数学模型有较深刻的理解。AMESim是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台,它提供了一个系统级工程设计的完整平台。AMESim的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型,从而使用户从繁琐的数学建模中解放出来而专注于其物理系统本身的设计。本文分别用Simulink和AMESim的建模和仿真方法比较研究了液压缸的同步控制问题。1他-驱动的组成及其应用液压同步驱动在高精度同步驱动技术占据非常重要的地位。这是因为同其他同步驱动方式相比具有结构简单、组成方便、易于控制和适宜大功率场合等特点。本文研究的控制方法为闭环同步控制,其系统主要组成部件包括:液压缸、伺服阀、位移传感器、控制器等。系统控制框图如1所示。2simulin模拟数学模型的构建2.1液压缸栓塞分析现所需为液压缸活塞位移对液压缸输入油液的传递函数,简单推导过程如下。建立液压缸输入流量连续性方程,线性化并拉氏变换可得:建立液压缸活塞的受力平衡方程,线性化并拉氏变换可得(外负载为恒力):由式(1)、(2)可得液压缸活塞位移对输入流量的传递函数为:式中X——活塞位移;A——液压缸进油腔活塞有效面积;Vt——液压缸高压腔及进油管路油液体积;Bp——黏性阻尼系数。2.2ksv—伺服阀数学模型的构建电液伺服阀的详细推导过程较麻烦,在此略去(推导过程可参看文献1)。其传递函数常用震荡环节来近似,即:式中Ksv——电液伺服阀的流量增益,单位为(m3/s)/A;Tv——电液伺服阀的时间常数,单位为s;ωsv——电液伺服阀的固有频率,单位为rad/s;2.3同步控制系统模型根据以上液压缸及伺服阀的数学模型,伺服阀以电流为输入,流量为输出,液压缸以流量为输入,位移为输出,采用PI调节器,根据图1,可建立液压缸同步控制系统的Simulink仿真模型如图2所示。3基于amesim的系统模型构建如前言中所述,AMESim基于图形接口,可直接利用系统提供的各库中的图形模型以直观的鼠标拖动连接办法构建系统仿真模型。对于简单的液压系统仿真,利用液压库(Hydraulic)提供的各种阀、泵、马达等即成模型即可完成模型的构建和仿真。但对于复杂的或者有特殊需求的场合,液压库不可能提供所有特殊的各种液压元件模型,为了解决这个问题,AMESim提供了HCD库,即液压元件设计库。此库提供一些比较通用的子模型。由这些基础层次的通用子模型,用户可以构建出多种符合自己需求的液压元件模型。本文所研究的液压系统采用液压库中提供的模型即可完成系统模型的构建及仿真。但为了验证两种建模方法的等效情况,对液压缸也进行了HCD建模。3.1配置模型的建立液压库中提供了几种液压缸的子模型,我们采用的是actuator002子模型列表中的子模型HJ021。这个子模型除了可以描述液压缸的几何参数之外,同时也考虑了液压缸的泄漏、摩擦、行程等,但没有质量属性,故需添加mass-friction-endstops质量子模型列表中的MAS005,这个质量模型考虑了摩擦和限位。这与用Matlab进行仿真而建立传递函数时候考虑的因素一致,存在可比性。完整模型如图3中虚线框组合模型3。采用HCD库对上述液压缸进行建模。首先考虑液压缸几何结构,采用的是图中的子模型11(BAP11),表示一个“半缸”;泄漏因素由模型12(BAP12)考虑;活塞及活塞杆质量同样由13(MAS005)考虑;液压缸的死区容积则由模型10(BHC11)考虑。如此,用HCD构建了一个完整的对称液压缸模型(图4中虚线框的组合模型3)。由以上建模过程叙述可知,液压缸Matlab传递函数的建立,以及AMESim液压库内液压缸模型的选取和用HCD库进行的液压缸建模,考虑因素都是一样的,设置参数也是相同的。故它们反映的应是同一个液压缸的工作状态。3.2液压库的建模采用的是一个三位四通的电液伺服阀。采用HCD库的建模过程比较复杂,这里直接利用液压库提供的子模型SV00(图4中编号2)。并保证其参数设置和传递函数模型参数一致。3.3液压库子模型采用AMESim建立的系统仿真模型如下图所示。图3中液压缸模型采用液压库子模型,图4中液压缸模型采用HCD库构建。5为位移传感器,6是一个比例因子,用于比例转化位移值,7为控制信号,8为PI控制器,9为流量源,1为安全阀,4为力发生器,用于模拟施加在液压缸活塞上的外力。4算法的仿真比较对以上Matlab模型及AMESim模型分别运行仿真,设控制量为0.3。并在Matlab中运用ameloadt()命令将AMESim中模型的运行结果导入Matlab的工作空间,运用plot()命令将两个软件仿真的结果绘制在同一张图上,以比较采用Matlab及AMESim对同一系统的仿真结果,如图5所示。同时,也对AMESim的两种建模方法的仿真结果进行了比较,如图6所示。图5是采用AMESim和Matlab两者方法所得的控制结果的比较,可以看出,两条曲线基本一致,但也并不完全重合。思考分析其差异的原因:第一,AMESim平台基于功率键合图理论,而Matlab/Simulink基于传递函数,两者的建模方法不同;第二,两软件求解器的求解算法或有不同。这些都会造成计算结果的差别,具体原因有待于进一步的研究。图6是分别利用HCD库和液压库进行的仿真结果。可见两种方法所得曲线完全重合。5液压系统建模及仿真本文基于一个液压缸位置同步控制系统,研究比较了利用Matlab传递函数和AMESim图形建模及仿真的方法。结果表明,二者所得结论基本一致而不完全相同。采用Matlab/Simulink的建模及仿真方法是