运用AMESim/Simulink的液压机同步平衡控制系统的仿真研究

摘要：对液压机活动横梁偏载不平衡的动力学模型进行分析，运用AMESim仿真平台搭建一种溢流补偿型同步平衡控制系统的动力学模型，通过仿真分析了控制参数、加载速度、摩擦阻力和传感器精度对同步精度和调节时间的影响。验证了这种同步平衡控制系统和采用的有关液压元件能满足Y322315T试验测试性专用压机的设计要求。
关键词：同步平衡;AMESim软件;液压机;仿真研究

同步控制一直是液压行业的一个重要课题，它在巨型液压机的运动中显得尤为突出。模锻件各部位几何形状、温度等方面的差别导致其变形抗力的合力偏离液压机的中心，并且主工作缸的泄漏、摩擦、阻力、制造精度、油液中含气量及结构的弹性变形也能导致设备的不同步动作，从而产生偏心力矩，使活动横梁发生倾斜。部分力矩将传递给液压机框架，导致液压机各构件的受力情况恶化，立柱的附加弯曲力矩明显增加，有可能导致总应力超过允许值而发生事故。同时，巨型模锻液压机上模锻件的水平尺寸一般较大，活动横梁发生倾斜后，上、下模不能准确压合，必然使模锻件不能达到要求的变形量，满足不了精度要求。

液压同步平衡，本质上是一种液压位置保持系统，主要有封闭型、节流型和补偿型三种工作方式，目前最先进的方案是采用具有溢流控制的补偿型同步平衡系统，具有控制精度高、补偿时间短和能量损耗小的特点。

Y322315T试验测试性模拟样机为三梁四柱式结构。其同步平衡控制系统工作原理如图1所示。

图1 同步平衡系统工作原理图

该样机是在活动横梁和下横梁的四个角上各设置一个活塞式液压缸(同步平衡缸) ，缸体固定在液压机的下横梁上，活塞杆与液压机的活动横梁铰性连接。各对角线上一角的液压缸的上腔和另一角的液压缸的下腔用管道相连通，形成封闭系统。每组液压缸控制两对角液压缸活塞位移之差。其设计要求同步控制精度应达到01040mm /m，调节时间小于3 s。原理图1中的方向阀控制补、溢流油液的方向和通断;比例流量阀1、比例流量阀2分别控制补油流量和溢流流量。偏心载荷时，如活动横梁受到顺时针方向的偏心力矩，并发生倾斜，则对角液压缸活塞位移产生偏差，达到某一规定值时，通过控制器产生控制方向阀和比例流量阀的电压量，从而向管道B 中补充高压液体，并通过管道A 溢出部分液体， 使补偿平衡力矩增大，使活动横梁逆时针转动， 偏差减少。当偏差减小到一定值时， 控制器又产生信号， 控制方向阀和比例流量阀截断补、溢流通道。

1 仿真环境

基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它借助Matlab 的计算功能，可方便地建立控制系统原型和控制对象模型，通过仿真不断地优化和改善设计。但是在Matlab /Simulink下对液压油源系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现较大的误差。

系统工程高级建模和仿真平台AMESim 软件是由法国IMAGINE公司推出的综合系统仿真软件，为多学科领域复杂系统建模仿真提供了解决方案。AMESim能够从元件设计出发，可以考虑摩擦、油液和气体的本身特性和环境温度等非常难以建模的部分，并由此组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。另外AMESim提供丰富的软件接口，可以与ADAMS、Matlab等软件联合进行更复杂的混合领域仿真。各个子系统在各自领域的专用软件下搭建，进行联合仿真，然后用各软件自身的处理工具对属于各自领域的结果进行分析研究。

为了设计、测试、验证和改进系统模型，需要把Simulink模型输入到AMESim环境中进行仿真，而为了对系统施加控制策略、改进系统的稳态和动态性能，则可以将AMESim模型输入到Simulink环境中进行仿真。

2 模型的建立及参数设置

2.1 活动横梁受力数学模型

活动横梁的受力模型如图2所示，其姿态是各种力矩综合作用于其上的结果。

图2 活动横梁的受力模型

同步平衡控制系统起作用时，活动横梁的运动方程为:

式中:活动横梁旋转惯性力矩Δx为对角液压缸活塞位移偏差， J 为活动横梁的转动惯量;锻造偏心力矩M = Fe， F为液压机主缸的工作压力， e为锻造偏心距;Mm 为干摩擦阻力矩;活动横梁旋转的黏性阻力矩Mz = - B dΔx / dt， B 为黏性系数;液压缸产生的平衡力矩Mt =Mf +Mb ，封闭平衡力矩Mf = - KfΔx，Kf 为液压缸内液体弹性刚度系数， 补偿平衡力矩Qt1为补液速度， Qt2为溢流速度。

当活动横梁处于水平静止初始状态时， 偏差及其导数均为零，则活动横梁的运动方程可化简为:

M - Mb +Mm = 0 …………………………… (2)

当偏心力矩M 逐渐增大超过Mm 的临界值MM时，式(2)平衡被打破，活动横梁开始偏转。同步平衡控制系统的目的就是控制Mb 做相应变化，使式( 2)重新成立，即:

|M - Mb | ≤MM

2.2 同步平衡控制系统的AMESim模型

首先在草图模式下选择相关单元，对于AMESim标准库中没有的单元可以通过液压元件设计(Hydraulic Component Design， HCD) 库很方便地搭建，然后连接相应的油路，并在子模型模式下为每个单元选择合适的子模型。搭建好的同步平衡控制系统的AMESim模型如图3所示。

图3 同步平衡系统的AMESim模型

2.3 有关参数的设置

在AMESim软件中仿真时系统所有模型均被参数化，各种参数均在参数模式下进行设置。设液压油密度为998kg/m3 ， 液体体积弹性模数为1.82 ×103MPa，绝对黏度为1.057cP。两对角液压缸活塞直径为140mm， 活塞杆直径为75mm， 工作行程为800mm， 工作压力为25MPa， 油泵额定压力为31.5MPa，公称排量为25mL / r，电动机转速为1400 r/min，比例流量阀的最大流速为63L /min，位移传感器选用有效测量长度为900mm的光栅尺，其分辨率为1μm，可由此设置工作死区的大小。

仿真设定活动横梁受逆时针偏心力矩，相当于给左侧液压缸活塞杆一个向下的力，同时给右侧液压缸活塞杆一个向上的力，两力大小相等，方向相反。在1 s时开始施力，在一定时间内加载到额定工作压力。设定两侧液压缸活塞初始位置均在液压缸中部且处于静止平衡状态，上、下两腔压力相等，各处管道均有相应的压力。先导逻辑阀A、B、C、D 全闭， 形成封闭系统。在Simulink中对先导逻辑阀A、B、C、D 采用开关控制， 对控制补、溢油的两个比例流量阀采用易于实现的P ID 控制。设定参数并锁定初始状态后进入运行模式，开始仿真。

3 仿真分析

在同步平衡控制系统的控制要求中，最重要的性能指标是动态最大偏差、静态偏差和调节时间。动态最大偏差指在系统调节过程中，两对角液压缸活塞位移差绝对值的最大值，静态偏差指系统调节稳定后，两对角液压缸活塞位移差绝对值的最大值。动态最大偏差的大小决定了同步平衡控制系统的使用可靠性和液压机框架最大附加应力的大小。静态偏差的大小则直接决定了被加工工件的尺寸精度。同步平衡控制系统的调整时间是以外载稳定后至将活动横梁校正到稳态死区下限内为止的时间，减少调整时间有利于提高生产效率和提高产品质量。

在液压机的加载过程中，活动横梁所受外载中偏心力矩对同步平衡控制系统的控制精度影响最大，它随着液压机主缸加载力及偏心矩的变化而时刻改变，当液压机加载完毕时，偏心力矩也随之稳定。另外活动横梁转动黏性阻尼及液压缸活塞受到的动/静态摩擦力矩的变化也对系统的控制特性有很大的影响。

图4所示是控制参数不同时两对角液压缸活塞位移偏差的变化图。对两比例流量阀采用的是易于实现的PID控制，比例系数大，动态最大偏差小;比例系数小，动态最大偏差大。微分系数对动态最大偏差的影响较小，对偏差曲线的变化快慢有较大作用，微分系数大，曲线的斜率就小，曲线圆滑，调整时间长;微分系数小，曲线陡直，调整时间短。积分项是对过去所有值的累加，当液压机加载速度稳定时，也能使偏差曲线有下降趋势。

图5 所示是加载时间不同时两对角液压缸活塞位移偏差的变化图。加载时间长时，动态最大偏差小;加载时间短时，动态最大偏差大。

补油开口与溢流开口不一致时，对位移偏差曲线的影响如图6所示。补油开口大于溢流开口，能使液压机尚在均匀加载且未达到最大工作压力时就可以实现部分纠偏，应当减少调整时间。若补油开口小于溢流开口达到一定程度时，能减小动态最大偏差，提高动态精度。

图7所示为摩擦力对位移偏差的影响。由图7看出液压缸活塞受到的动/静态摩擦力是影响调整时间的重要因素，静态摩擦力越大，调整时间越长。

图8所示为位移传感器精度对位移偏差的影响。由图8看出传感器精度越高，可以设置的死区范围越小，同步平衡系统纠偏的动/静态偏差都会相应地减小。

4结语

本研究运用AMESim软件为液压机一对对角液压缸的同步平衡控制系统回路建立了仿真模型，分析对比了控制参数、加载速度、传感器精度以及活塞杆所受动/静摩擦力等因素对最大动态偏差、静态偏差和调节时间同步性能指标的影响。

AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，其基本元素的概念，使得用户可以用尽可能少的元素来建立尽可能详细的复杂模型，并在此基础上进行仿真分析，进而从繁琐的数学建模中解放出来，更专注于物理系统本身的设计。

经过仿真分析，采用了溢流补偿型同步平衡控制系统的某试验样机，通过控制参数的设置，其同步平衡控制系统精度能达到01034mm /m，调节时间小于218 s，满足同步系统设计要求。

参考文献:
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