核環境機器人電液比例位置系統動態特性分析*

王曄晗,鄒樹梁,朱平平

(1.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001；2.核設施應急安全技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

0 引言

從三哩島核事故到切爾諾貝利核事故再到福島核事故，核環境機器人的使用具有重大價值已成為人們的共識[1，2]。核環境機器人面臨地形復雜難測、作業任務多種多樣的挑戰[3]。近年來，電子技術、計算機技術、液壓控制技術不斷進步，促使電液比例技術在實際工程中的應用越來越廣泛[4-6]。針對中低輻射水平的核事故應急與核設施退役場景改造的某一型號核環境機器人以SWE-18為原型機，不僅加裝了抑塵裝置和屏蔽駕駛艙，更主要的是進行了電液比例改造，使得改造后的核環境機器人可實現人工駕駛和1 000 m遠程遙控兩種工作模式[7，8]。由于改造后的電液比例位置控制系統的動態特性直接影響核環境機器人的工作性能，為提升機器人在核環境中的運動表現，急需分析改造后液壓系統的動態特性。

1 模型建立與仿真

電液比例位置PID控制系統主要由信號源、比例放大器、電液比例閥、液壓缸、負載和位移傳感器組成。按照建立系統模型草圖、元件賦予首選子模型、參數設置3個步驟完成AMESim系統模型的搭建并開展仿真研究，建立的基于PID反饋的電液比例位置系統模型如圖1所示。

1.1 參數設置

基于PID反饋的電液比例位置系統主要液壓元件的參數設置如表1所示。

表1 電液比例位置系統主要液壓元件的參數設置

1.2 仿真分析

在仿真系統中，仿真時間設置為10 s，仿真時間間隔設置為0.01 s，對比例閥閥芯和液壓缸活塞桿的位移及液壓缸無桿腔的流量、壓力特性進行仿真分析研究。得到的比例閥閥芯位置系數(比例閥閥芯實際運動在比例閥閥芯總運動行程中的占比，正向為伸出，負向為回縮)曲線如圖2所示，液壓缸活塞桿實際位移與期望位移曲線如圖3所示。由圖2和圖3可知：比例閥閥芯的運動曲線隨著期望位移的變化而變化，在0 s～1 s時，期望位移輸出的電信號為0，比例閥的閥芯靜止不動；在1 s～4 s時，期望位移輸出的電信號不斷上升，閥芯的位移也不斷上升；在4 s～6 s時，期望位移輸出的電信號保持不變，閥芯反向運動，在6 s末閥芯回到初始位置；在6 s～8 s時，期望位移輸出的電信號不斷減小，閥芯繼續反向運動，閥芯的位移不斷增加；在8 s～10 s時，期望位移輸出的電信號保持不變，閥芯的位移正向移動，返回至閥芯初始位置，并保持不變。

圖2 比例閥閥芯位置系數曲線

圖3 液壓缸活塞桿實際位移與期望位移曲線

1-信號源；2-液壓缸；3-位移傳感器；4-電液比例閥；5-PID；6-比例放大器；7-溢流閥；8-電動機；9-液壓泵圖1 基于PID反饋的電液比例位置系統模型

2 系統動態特性分析

根據建立的系統模型，采用單一變量法研究參數的變化對系統動態特性的影響。本文主要研究電液比例閥和液壓動力元件的阻尼比和固有頻率對系統動態性能的影響。

2.1 比例閥的阻尼比對系統動態特性的影響

將比例閥的阻尼比分別取0.8、10、30和50，其他變量參數值保持不變進行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知：隨著比例閥阻尼比的不斷增大，閥的響應速度不斷變慢，閥芯位移、液壓缸無桿腔的流量和壓力變化曲線愈發振蕩，活塞桿運動變化曲線跟蹤效果變差。

圖4 不同比例閥阻尼比下的系統動態特性

2.2 比例閥的固有頻率對系統動態特性的影響

將比例閥的固有頻率分別取8 Hz、80 Hz、200 Hz和500 Hz，其他變量參數值保持不變進行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知：不同比例閥固有頻率下的系統動態特性曲線基本重合，無明顯振蕩和偏移，說明比例閥的固有頻率對電液比例位置控制系統動態特性的影響很小，至少在同一數量級范圍內變化時對電液比例位置控制系統的動態特性幾乎沒有影響。

圖5 不同比例閥固有頻率下的系統動態特性

2.3 液壓動力元件的阻尼比和固有頻率對系統動態特性的影響

液壓動力元件的固有頻率ωh和阻尼比ζh計算公式為：

(1)

(2)

其中：A1為液壓缸的有效作用面積；βe為液壓油體積彈性模量；m為負載質量；Vt為液壓缸的等效總容積；kce為總流量-壓力系數。

由式(1)、式(2)可知：適當增大液壓缸的有效作用面積A1，能夠提高固有頻率ωh，但減小了阻尼比ζh；適當增大負載的質量m，能夠提高阻尼比ζh，但減小了固有頻率ωh；適當提高液壓油體積彈性模量βe、減小液壓缸的等效總容積Vt對增大系統動力元件的固有頻率ωh、阻尼比ζh均是有益的。

在工程實際中，一般通過縮短閥與缸之間管道的長度來降低Vt，此處研究增大液壓油體積彈性模量βe對系統動態特性的影響。將液壓油體積彈性模量分別取700 MPa、1 200 MPa、1 500 MPa和1 700 MPa，其他變量參數值保持不變進行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同液壓油體積彈性模量下的系統動態特性

由圖6可知：液壓油的體積彈性模量在標準范圍內對比例閥閥芯位置系數曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量變化曲線幾乎沒有影響；液壓缸無桿腔的壓力隨著液壓油體積彈性模量βe的減小而產生了偏移，所以在電液比例系統的工作及平時的維護過程中，應該采取各種措施減少空氣、水、灰塵等物質混入液壓油液中，避免液壓油體積彈性模量的減小。

3 結論

本文基于AMESim對核環境機器人電液比例位置系統的動態特性進行分析，可以得出以下結論：改變比例閥的阻尼比對系統的影響較大，隨著比例閥的阻尼比的增大，系統的振蕩增大，響應速度變慢，選用阻尼比為0.8左右的比例閥可提升系統的動態特性；增大液壓油的體積彈性模量、縮短閥與缸之間管道的長度可以增大液壓動力元件的阻尼比和固有頻率，從而改善系統的動態性能。