FluidSIM在液壓與氣動控制仿真實驗中的應用

郭聯金, 潘 斌

(1. 東莞職業技術學院 機電工程系, 廣東 東莞 523808；2. 中山職業技術學院 電子信息工程學院, 廣東 中山 528404)

FluidSIM在液壓與氣動控制仿真實驗中的應用

郭聯金1, 潘 斌2

(1. 東莞職業技術學院 機電工程系, 廣東 東莞 523808；2. 中山職業技術學院 電子信息工程學院, 廣東 中山 528404)

采用基于FluidSIM軟件的系統仿真技術,簡化了液壓與氣動控制系統的設計和分析。介紹了最新版FluidSIM軟件的功能特點,并分別通過電液比例控制系統的建模及仿真、氣動步進順控系統的建模及仿真兩個實例,說明FluidSIM在現代液壓與氣動控制新技術中的應用方法和實現過程。仿真過程及結果表明,FluidSIM的運用有助于液壓與氣動控制系統的分析、設計和工程應用研究。

電液比例位置控制； 氣動控制系統； 仿真實驗； FluidSIM

液壓與氣壓傳動是研究以壓力油或壓縮空氣為主的受壓流體作為能源介質,實現各種機械傳動和自動控制的技術[1]。近20年來,液壓和氣動技術與現代電子和信息技術緊密結合,在現代科技領域中顯現出新的活力[2]。將計算機控制技術應用到液壓與氣動設備中,對改善機電設備產品的性能,實現高智能化、信息化和人機界面的集成控制具有重要的現實意義。

雖然目前已有AMESim、ADAMS/Hydraulics、Matlab/simulink等液壓與氣動相關的軟件[3-8]用于液壓控制系統的建模設計及分析,但這些軟件都需要建立復雜的數學模型,在參數設置方面需要較全面而專業的知識。FluidSIM軟件是一款科學、準確、運行穩定、功能完善的液壓與氣動仿真軟件。它集液路、氣路、電路等模型的設計及模擬運行于一體,且仿真速度快、精度高,與實際運行結果非常接近,為液壓與氣動控制的工程應用提供了一種理想的仿真實驗工具[9-11]。

1 FluidSIM軟件簡介

FluidSIM是德國Festo公司和Paderborn大學聯合開發的一款可對氣、液、電等多技術領域進行一體化建模及仿真的軟件。用FluidSIM建模簡單、操作方便、效率高、效果好,具有良好的人機交互性能,對工程設計非常實用。FluidSIM有以下功能特點。

(1) 較完備的元件庫。由氣動、液壓、電氣控制、電氣工程及電子、數字技術、順序功能圖、EasyPort/OPC/DDEJ接口、雜項共8個模塊庫組成,每個模塊庫都包含大量的常用和采用新技術的元件。

(2) 豐富的學習材料。有幻燈片、圖片、動畫、零件圖、視頻資料；有物理-數學仿真模型的細節描述；有初學者循序漸進的學習案例,它們按難易程度分門別類地歸納于多個案例庫中；有供學習電液比例技術、真空技術等新技術的基礎級和進階級培訓包。

(3) 高分辨率的模擬。FluidSIM的信號處理頻率達10 kHz；虛擬示波器的頻率高達100 kHz。它們可在一個項目中同時模擬液壓、氣壓、電氣等各種回路的運行狀態,運行時顯示壓力、位移、電壓、電流等各種模擬值,并通過EasyPort USB接口連接仿真軟件與PLC等真實設備。

(4) 專業的CAD功能。可以使用對齊線及捕捉功能以便于繪圖；在已有的連接中易于插入新符號；繪圖架構可變、圖形可連續縮放和旋轉；可進行尺寸標注；可對線形、矩形和橢圓形進行交叉計算。

(5) 標準化。所有符號符合DIN ISO1219和DIN EN81346-2標準；順序功能圖根據最新標準進行設計。

(6) 方便的文檔管理。支持項目管理的多種圖表；個性化設置繪圖框架的大小；可自動建立材料、流程編號，開關元件表，端子圖，電纜、線路列表和油管列表；以多種常見的格式輸出文檔。

2 電液比例位置控制系統的建模及仿真

電液比例位置控制是液壓傳動控制技術的重要分支,它有液壓功率大、剛性大、響應快的優點,也有電子控制的靈活性,在眾多工業領域中應用廣泛。電液比例的基礎理論涉及工程流體力學、自動控制理論、電力電子技術、液壓傳動與控制技術[12]。在FluidSIM中,可對電液比例位置控制系統做如下建模及仿真。

2.1 創建仿真原理圖

將簡化液壓源及油箱、電液比例閥、液壓缸分別從液壓庫的能源元件、液壓閥和執行元件子庫中選出,連接成圖1(a)所示的液壓回路原理圖；將24 V直流電源和信號發生器、位移傳感器、PID控制器、比例電磁鐵分別從電氣控制庫的電源、測量元件及傳感器、控制器、繼電器子庫中選出,連接成圖1(b)所示的電液比例控制電路。

電液比例閥用于控制液壓缸活塞的運動速度和方向；活塞的位置信息由位移傳感器檢測并反饋回PID的輸入端,與信號發生器發出的位置控制電信號相比較,得出的偏差信號,再經PID控制器運算后控制電液比例閥的開度,使活塞向偏差減小的方向運動,直至偏差為零。這時活塞按輸入的指令信號輸出相應的位移x。液壓回路與電液比例控制電路的元件通過設置相同的標簽進行關聯,如位移傳感器設置為X,比例電磁鐵設置為Y。

圖1 液壓控制系統模型

2.2 參數設置

液壓回路的參數設置:液壓源壓力6 MPa,流量4 L/min,內泄漏0 L/(min·MPa)；電液比例閥液阻0.14 MPa·(L/min)-2,內泄漏0.0026 L/(min·MPa),閥芯相對疊合量0%；雙作用缸的最大行程400 mm,外負載10 kg,活塞直徑16 mm,活塞桿直徑10 mm,內泄漏0 L/(min·MPa)。

電液比例控制電路的參數設置:電路電源24 V DC,位移傳感器輸出電壓0～10 V；信號發生器輸出信號為矩形波,頻率0.1 Hz,峰值5 V,偏置5 V；PID控制器輸出范圍-10～+10 V,KP、KI、KD分別設為5、0、0。

仿真參數設置:仿真速度保持實時,其余參數取系統缺省值。

2.3 仿真結果及分析

從“雜項”庫中選擇“狀態表”,并將信號發生器、位移傳感器、PID控制器、電液比例閥、液壓缸等所需監測的元件放置其中,選擇電壓、位移、速度等監測參數,并設置顯示時間間隔為自動調整。根據建立的液壓控制系統模型運行仿真軟件,各元件的狀態參數隨時間變化如圖2所示。

圖2表明,信號發生器發出0.1 Hz、峰值為10 V的矩形波指令信號；位移傳感器將活塞的位置0～400 mm轉換為0～10 V電壓信號；PID控制器比較位移指令信號與傳感器檢測信號的差值,經過運算發出-10～+10 V的控制電壓信號,用于控制比例電磁鐵的輸出電流,進而驅動電液比例閥的開度和方向,使得活塞以不同的速度和方向運動。活塞的輸出位移x與輸入的指令信號相對應且與輸入電信號成正比。

在0 s時,信號發生器發出10 V(400 mm)的位置控制指令信號。此時液壓缸活塞位于原位(0 mm),位移傳感器的檢測值為0 V；PID比較兩者的差值,發出10 V的最大輸出電壓,使電液比例閥獲得相應的輸出電流并向右位移動,產生最大開度；液壓油瞬間進入液壓缸左腔,活塞以初始速度0.52 m/s向右移動。

在0～0.84 s,隨著液壓油持續進入液壓缸的左腔,活塞從0 mm向右以0.33 m/s運動至318 mm處。

0.84～2 s內,隨著活塞逐漸靠近目標位置400 mm,PID的輸出逐漸減為0 V,電液比例閥移向中位,開度和流量減小；活塞運動速度平滑下降至0 m/s。

2～5 s內,活塞已到達指定位置而不需要再移動,此時PID的輸出為0V,電液比例閥處于中位,其開度與流量皆為0；活塞運動速度為0 m/s。

5 s時,信號發生器發出0 V(0 mm)的位置指令信號；PID控制器以最小輸出-10 V控制電液比例閥向左位移動,驅動活塞返回至原點。

此后的5～10 s各參數的變化過程分析與上述類似。可見,液壓缸的位置能以較快的速度,穩定、準確地跟隨輸入指令信號的變化而變化,僅存在短時間的滯后,穩態誤差為0。這表明電液比例位置控制系統能有效地進行位置跟蹤。

圖2 仿真結果

3 氣動步進順控系統的建模及仿真

氣動自動化控制技術是利用機械、液壓、電氣、電子、PLC等控制,部分或全部綜合構成控制回路,使氣動元件按生產工藝要求的工作狀況,自動按設定的順序或條件動作的一種自動化技術。在FluidSIM中,氣動步進順控系統建模及仿真的實驗方法與步驟如下。

3.1 創建仿真原理圖

(1) 設計氣路原理圖。從氣動元件庫中選擇氣源、二位五通電磁換向閥1V1、單向可調節流閥1V2、1V3和雙作用氣缸1A1,按照圖3(a)所示的氣路原理圖放置并連接各元件。設置氣源壓力0.6 MPa,二位五通電磁換向閥設置為先導式手動電控復合控制,并選擇常態工作位。將可調節流閥開度設為50%,氣缸行程范圍設為0～100 mm。通過標尺指定2個位置檢測點0 mm處1B1和100 mm處1B2。其余參數取缺省值。

(2) 設計邏輯控制器。從電控元件庫、數字技術庫選擇電源、按鈕、磁性接近開關(位置檢測傳感器)、電磁閥線圈和邏輯模塊,并根據控制系統所需的輸入輸出進行I/O分配(見圖3(b))。把控制系統啟動按鈕S1、停止按鈕S2和執行位置檢測的兩傳感器1B1、1B2作為輸入元件,分別連接到邏輯模塊輸入端口I1—I4；將控制電磁閥換向的兩電磁線圈1M1、1M2作為輸出元件,分別連接至邏輯模塊輸出端口Q1、Q2。在邏輯模塊中設計控制器的控制邏輯。圖3(c)為輸入輸出邏輯電路,它可以模擬西門子的logo[13],其邏輯控制原理與PLC內部控制程序一致(也可采用OPC技術使FluidSIM與PLC進行聯合仿真)[14]。

(3) 設計步進順控狀態轉移圖。從順序功能圖庫選擇元件,設計如圖3(d)所示的狀態轉移圖,對氣動回路的動作順序進行控制。根據控制要求,把整個工作過程分為初始、運行兩個基本狀態(步序1、2)作為主狀態轉移圖；再將運行狀態細化為氣缸伸出、縮回兩個狀態(步序4、5),并作為子狀態轉移圖嵌套在運行狀態中。根據輸入輸出的控制邏輯及動作順序要求,按工作順序設定狀態的轉移條件、轉移方向及驅動輸出。

(4) 設置標簽,建立各回路元件之間的關聯。將氣動回路、邏輯模塊的I/O接線回路及狀態轉移圖中對應的元件以相同的符號作為標簽,通過標簽作為接口,建立各回路之間的聯系,以使各回路協調運行。

圖3 氣動步進順控系統的模型

3.2 仿真設置

在狀態圖表中設置觀測元件及其參數,即啟動按鈕S1、停止按鈕S2的開關狀態,位移檢測傳感器1B1、1B2的通電狀態,電磁比例閥1V1的工作位置及其左右位線圈1M1、1M2的得電狀態,氣缸1A1的移動位置。仿真速度保持實時,觀測時間間隔設置為“自動調整”。其余參數取系統缺省值。

根據建立的步進順控氣動控制模型,運行系統仿真軟件,某一時刻的瞬時仿真狀態如圖4所示。當仿真軟件運行時,氣路的進出方向以不同顏色的箭頭表示,通電線路以紅色粗實線顯示,狀態轉移圖的工作步以綠色方框及框內黑點標志。仿真時選擇“單步”或“仿真至狀態改變”的模式,可清晰觀察各元件動作的動態變化。

圖4 步進順控氣動系統的仿真狀態

3.3 仿真結果及分析

氣缸活塞處于原位0 mm,位置傳感器1B1輸出高電平檢測信號,按下啟動按鈕S1,使電磁閥線圈1M1得電,電磁換向閥左位工作,活塞伸出。至終點100 mm處,位置傳感器1B2輸出高電平檢測信號,使電磁閥線圈1M2得電,電磁換向閥右位工作,活塞縮回至原位,位移傳感器1B1再次輸出高電平信號。此后活塞在0～100 mm之間周期性往復運動,直至按下停止按鈕S2,活塞返回原點后運動停止。可見,借助于FluidSIM軟件,可以非常直觀地觀測到各元件的狀態隨時間動態變化的復雜過程(見圖5)。

圖5 步進順控氣動控制的仿真結果

4 結束語

FluidSIM無需進行復雜的數學建模,為液壓與氣動、傳感器技術、電氣與電子、自動控制等多個工程領域的聯合建模及仿真提供了簡易而可靠的解決方案。本文列舉電液比例控制系統的建模及仿真和步進順控氣動控制系統的建模及仿真實例,說明FluidSIM在現代液壓與氣動控制新技術中的應用方法和實現過程,有助于液壓與氣動控制系統的分析、設計和工程應用,為液壓與氣動的科研提供一種實用的仿真實驗工具,可為FluidSIM在其他領域的應用提供參考。

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Application of FluidSIM in simulation experiment of hydraulic and pneumatic control

Guo Lianjin1, Pan Bin2

(1. Department of Electrical and Mechanical Engineering, Dongguan Polytechnic, Dongguan 523808, China; 2. Electronics Department, Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404, China)

Based on FluidSIM software, system simulation technology was used to simplify the design and analysis of the hydraulic and pneumatic control system. The features of the newest version of FluidSIM software are introduced, and the operation method and realization process in new technology of modern hydraulic and pneumatic control were explained, respectively by two examples of modeling and simulation of electro-hydraulic proportional control system and stepping sequence control pneumatic system.

electro-hydraulic proportional control; pneumatic control system; simulation experiment; FluidSIM

2015- 02- 27

2014年廣東省教育廳項目(201401313)；2014年東職院校級科研項目(ZXHQ2014d005)

郭聯金(1981—),女,廣東廣州,碩士,講師,主要從事機電一體化方向的研究.

TP31;TP271

A

1002-4956(2015)8- 0121- 06