不同負載條件下的液壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)特性分析

王野牧， 孟照成

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽110870）

0 引言

液壓力控制系統(tǒng)的研究對生產(chǎn)實際有著十分重要的意義，在很多力加載試驗中，如果精度不高,就會降低試驗數(shù)據(jù)的可靠性,影響實際生產(chǎn)的質(zhì)量。本文以我校正在教學中使用的液壓實驗臺為背景，對閉環(huán)力加載系統(tǒng)進行研究。

1 基于AMEsim的閉環(huán)力控制系統(tǒng)建模

實驗臺的閉環(huán)力控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)分別針對剛性負載和彈性負載進行加載。對于剛性負載，油缸伸出后，活塞桿即壓在放置于工作臺上的質(zhì)量塊上；對于彈性負載，油缸伸出后活塞桿作用在放置于工作臺上的彈簧上。

圖1 閉環(huán)控制框圖

圖2及圖3分別為閉環(huán)力系統(tǒng)針對剛性負載及彈性負載兩種狀態(tài)下的AMEsim仿真模型。

設置各元件的各項參數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。

2 控制系統(tǒng)特性分析

對剛性負載加載系統(tǒng)進行仿真時，先去掉蓄能器，暫不考慮蓄能器對系統(tǒng)動態(tài)響應特性的影響，設置仿真時間為0.3 s，仿真結(jié)果如圖4所示。對彈性負載加載系統(tǒng)進行仿真，設置仿真時間為7 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真曲線可以看出，剛性負載加載系統(tǒng)在加載瞬間出現(xiàn)很大的超調(diào)量，經(jīng)過多次振蕩后系統(tǒng)最終穩(wěn)定在理論值附近。彈性負載加載系統(tǒng)仿真曲線比較光滑，無超調(diào)和振蕩，油缸伸出后力逐漸加大，系統(tǒng)最終穩(wěn)定在理論值附近。

圖2 剛性負載加載系統(tǒng)

圖3 彈性負載加載系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)元件參數(shù)設置

圖4 剛性系統(tǒng)加載曲線

圖5 彈性系統(tǒng)加載曲線

對剛性負載加載系統(tǒng)加入氣囊式蓄能器，以便改善系統(tǒng)的動態(tài)響應過程，減小系統(tǒng)的超調(diào)量和振蕩次數(shù)。設置蓄能器的體積分別為10、20、30、40 mL，對該系統(tǒng)進行仿真，其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出蓄能器的體積大小，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應過程，隨著蓄能器的體積增大，系統(tǒng)響應時間不斷增加，若蓄能器的體積過小，系統(tǒng)仍然會出現(xiàn)超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象。

對于本實驗臺的剛性負載加載系統(tǒng)，蓄能器的體積選為20 mL時，對系統(tǒng)性能改善的效果最好。由于實際工作中沒有20 mL的蓄能器，所以選用0.075 L的蓄能器。圖7為校正前后的曲線對比。

圖6 剛性負載加載系統(tǒng)校正后曲線

圖7 校正前后的對比曲線

3 結(jié)論

1）力控制系統(tǒng)對彈性負載加載和剛性負載加載的響應過程完全不同，在未校正時，彈性負載加載無超調(diào)量和振蕩；而剛性負載加載時，有較大的超調(diào)量和振蕩。兩種狀態(tài)均存在控制誤差。

2）對于剛性加載系統(tǒng)，若想改善系統(tǒng)的動態(tài)響應特性并提高控制精度，可以加入氣囊式蓄能器對系統(tǒng)的性能加以校正，從仿真曲線上可以看出效果比較明顯。

3）兩種負載條件下的閉環(huán)力控制系統(tǒng)設計，利用AMEsim仿真軟件進行建模和仿真，與建立數(shù)學、推導系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析方法相比較，更加簡單、直觀。

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