基于AMESim仿真軟件的平穩(wěn)降壓系統(tǒng)控制的建模與仿真

沈兆奎，杜愛學(xué)

(天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384)

0 前言

液壓系統(tǒng)因其具有功率大等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)[2]。隨著人們對設(shè)備精度的要求越來越高，一些普通的PID控制設(shè)備已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)的需求，而具有伺服或人工智能控制系統(tǒng)的一些設(shè)備雖然能夠滿足生產(chǎn)的需求，但費用很貴。為了減小費用，同時又能達到生產(chǎn)要求，就需要對現(xiàn)有設(shè)備的硬件組成和控制邏輯進行改進。

針對傳統(tǒng)液壓機泄壓過程精度不高且開泵卸壓功率損耗大的缺點，結(jié)合已有的“精密驅(qū)動單元”專利技術(shù)，本文構(gòu)建了一個連續(xù)平穩(wěn)降壓的液壓缸精密驅(qū)動單元，該單元采用數(shù)字方式控制，通過以PLC控制的步進電機與減速器相連接的絲杠螺母機構(gòu)控制輔助油缸柱塞桿的位移用壓力傳感器進行信號反饋，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為了實現(xiàn)控制過程，本文進行了相關(guān)參數(shù)的計算，并對各個元件的信號進行時間上的邏輯控制。

1 系統(tǒng)需求及系統(tǒng)的組成

實驗要求在7 200 s的時間里，液壓缸上腔的壓力從25 MPa連續(xù)平穩(wěn)降到0 MPa，降壓速率為0.0034 MPa/s。為了保證精密驅(qū)動單元在平穩(wěn)降壓方面保證一定的性能，本文利用直徑為90 mm的主液壓缸模擬液壓機油缸建模并進行實驗驗證。[3]。

系統(tǒng)的硬件主要由油箱、電機、液壓泵、閥、過濾器、散熱器、液壓缸、管路、PLC、步進電機驅(qū)動器、步進電機、減速器、螺紋絲杠、傳感器等元件組成，軟件由上位機中PLC軟件編寫的控制程序?qū)崿F(xiàn)對液壓缸的控制。

2 工作原理

系統(tǒng)原理如圖1所示。實驗開始后，三位四通換向閥左側(cè)電磁鐵通電，兩位四通換向閥的電磁鐵通電，步進電機驅(qū)動器不能得到脈沖信號，步進電機不起作用；隨著時間的延長，液壓缸下行，當液壓缸運行至底端時，隨著上腔液壓油的增加，上腔壓強不斷增大，當達到預(yù)設(shè)值25 MPa時，由于溢流閥的開啟，壓力不再變化；當液壓缸上腔的壓力維持一定時間后，兩個換向閥的電磁鐵斷電，液壓缸上腔在借助液控單向閥的反向閉合功能，主液壓缸上腔與精密驅(qū)動單元的輔助油缸構(gòu)成了實驗裝置的封閉液壓容積，此時，步進電機驅(qū)動器得到脈沖信號，在脈沖信號的作用下，步進電機開始運轉(zhuǎn)，液壓缸上腔的封閉液壓容積開始變大，上腔壓強逐漸變小，當脈沖信號作用了7200 s后，信號不再作用，液壓缸上腔的壓強也剛好變?yōu)? MPa。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 AMESIM軟件系統(tǒng)的建模及仿真

系統(tǒng)的軟件仿真建模就是將實際系統(tǒng)中的元件用仿真軟件中的符號來表示，AMESim仿真軟件[4，5]中需要經(jīng)過草圖、子模型、參數(shù)以及運行四種工作模式來完成實際系統(tǒng)最終的動態(tài)運行仿真，本文從控制邏輯、硬件系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)三方面的建模來完成系統(tǒng)原理圖所對應(yīng)的實際系統(tǒng)的軟件模型構(gòu)建，最后通過液壓缸上腔壓力參數(shù)來驗證理論控制邏輯的合理性。

3.1 控制邏輯的建模

3.1.1 需要的脈沖總數(shù)的計算

本系統(tǒng)是通過脈沖數(shù)來控制步進電機，從而控制液壓缸上腔空間體積的變化，根據(jù)實驗需求和彈性模量等公式計算出所需要脈沖總數(shù)的邏輯模型如圖2所示。

圖2 脈沖總數(shù)計算邏輯圖

3.1.2 單個脈沖和換向閥的控制

脈沖的數(shù)量有了以后，對脈沖信號進行控制，包括作用時間以及向轉(zhuǎn)速信號的轉(zhuǎn)化等等，圖3是這個過程的邏輯建模。

換向閥與步進電機都有自己的輸入信號，但兩者在任何一個時刻只能有一個信號起用，而信號作用的與否取決于液壓缸的位置，因此需要建立一個換向閥和步進電機與液壓缸位之間的邏輯關(guān)系，其邏輯建模如圖4所示。

圖3 單個脈沖控制邏輯圖

圖4 換向閥控制邏輯圖

3.2 設(shè)備主要參數(shù)的設(shè)置

(1)液壓油。

密度/kg·m-3850

彈性模量/MPa 1 200

運動粘度/cp 51

(2)三相異步電機。

轉(zhuǎn)速/r·min-11 500

頻率/Hz 50

(3)液壓泵。

位移/ml· r-1100

轉(zhuǎn)速/ r·min-11 000

(4)單向閥。

開啟壓力/MPa 0.3

流速壓力梯度 5

公稱流量/L·min-1100

公稱壓降/MPa 25

試點面積比 3.5

(5)溢流閥。

開啟壓力/MPa 25

流速壓力梯度 500

(6)換向閥。

額定電流/mA 40

固有頻率/Hz 80

阻尼率 0.8

臨界流數(shù) 1 000

最大開口流量/L·min-11

相應(yīng)壓降/MPa 0.1

(7)液壓缸。

活塞直徑/mm 25

桿直徑/mm 12

行程/m 1.2

質(zhì)量/kg 100

傾斜角度/(°) 0

端口1固定容積/cm350

端口2固定容積/cm350

粘性摩擦系數(shù) 0

泄露/L·min-10

阻尼系數(shù) 100

3.3 整個工作系統(tǒng)的建模

根據(jù)硬件系統(tǒng)模型將各個控制邏輯模塊相對應(yīng)的接口相連接，整個系統(tǒng)的控制邏輯建模就完成了，最后再將控制邏輯模塊與系統(tǒng)的動力源、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行元件的模型相連接，整個系統(tǒng)軟件模型如圖5所示。

圖5 整個系統(tǒng)模型

3.4 運行結(jié)果

3.4.1 脈沖計數(shù)器所計算的脈沖數(shù)

由于圓周率是個無限不循環(huán)小數(shù)，因此在計算過程中，圓周率的取值與軟件取值會產(chǎn)生一個差值，所以造成了脈沖數(shù)的計算中軟件計算結(jié)果與理論計算之間有一個差值，而圓周率的差值帶入計算公式，其結(jié)果數(shù)值等于脈沖數(shù)的差值。以軟件自身計算的脈沖總數(shù)為依據(jù)來查看計數(shù)器的數(shù)值。

圖6顯示的數(shù)值是公式計算出的需要脈沖的總數(shù)為1 138 890，圖7和圖8分別是計數(shù)器得到的脈沖數(shù)和步進電機的旋轉(zhuǎn)的角度，通過圖7看到計數(shù)器的數(shù)值一直在增加，通過圖8看到步進電機轉(zhuǎn)到一定角度后停止運轉(zhuǎn)，負號表示反向旋轉(zhuǎn)。

圖6 公式計算的脈沖數(shù)值

圖7 計數(shù)器的脈沖數(shù)

圖8 步進電機的旋轉(zhuǎn)角度

圖9和圖10分別是圖8和圖7中某個時間點的標值進行放大，在圖10可以看步電機停止轉(zhuǎn)動間點是5 256.92 s，相對應(yīng)在圖9中，在時刻5 256.915 s時計數(shù)器得到的脈沖數(shù)1 138 890該數(shù)值正好與圖7中的數(shù)值相等，由于5 256.92與5 256.915基本相等，所該控制邏輯中對脈沖數(shù)的控制是正確的，也就是當步進電機接收到一定數(shù)量的脈沖后，步進機就不再運行。

圖9 步進電機停止時刻的坐標值

圖10 步進電機停止時刻所對應(yīng)計數(shù)器的脈沖數(shù)

3.4.2 液壓缸上腔壓強的變化

從圖11可以看到：在7 200 s的時間段內(nèi)，液壓缸上腔壓強從25 MPa平穩(wěn)變化到0 MPa，壓降速率約為0.034 bar/s,也就是0.0034 MPa/s，符合理論設(shè)計值，從軟件上驗證了理論的可行性。

圖11 液壓缸上腔壓強的變化

4 結(jié)論

經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果的查看，“驅(qū)動單元”模型很好的實現(xiàn)了對給定液壓系統(tǒng)模型的壓力進行連續(xù)、平穩(wěn)的降壓控制，基本滿足預(yù)先設(shè)定的壓降速率，由于系統(tǒng)在計算時，涉及到有理數(shù)的取值與其真實值存在一個微小的差值，可能會造成壓降速率與設(shè)定值產(chǎn)生一個微小偏差，但精度還在可接受的范圍內(nèi)再次證明了控制方案的可行性；同時，也表明了軟件系統(tǒng)控制模型中各個模塊的建模與理論相一致，例如：脈沖總數(shù)的計算、單個脈沖在時間上的控制、閥與步進電機在時間上的邏輯控制、系統(tǒng)硬件等等，各個模塊接口之間的連接真實的展現(xiàn)了實際系統(tǒng)中信號的工作的流程，為今后類似液壓系統(tǒng)模型的設(shè)計提供了一個很好的參考方案，減少了系統(tǒng)在時間邏輯模型上的設(shè)計時間。由于硬件尺寸的原因，這種控制方法會造成壓力變化范圍受到限制，為了能夠控制更高的壓力范圍以及壓力變化速率，系統(tǒng)的硬件組成還有待通過該仿真軟件進行更深入的研究。

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