基于AMEsim角位置液壓閉環控制系統研究

趙吉蛟，王野牧

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

在風洞實驗中，攻角的重要位置控制是整個液壓系統完成攻角動作功能的關鍵部分[1]。它控制液壓馬達的扭轉，按照體系給定的位置來實現馬達的扭轉，從而驅動攻角的轉變。而其突出的設計要求是不僅要保證馬達旋轉角度實現系統給定位置的獨立精確控制，而且要保證定位精度±3′和每次角度變化間隔300 ms并且不能超調，還有每次角度變化的停頓時間10 s用來測得需要的實驗參數。

1 攻角位置液壓系統工作原理

圖1為攻角位置控制液壓原理圖，該系統的組成主要是角位移傳感器、伺服閥、液壓馬達和溢流閥等[2]。輸出位置信號由D/A模塊轉換，傳輸到閥放大控制。伺服閥作為控制元件，通過改變閥芯的開度大小位移，來控制各個系統的流量，實現位置控制，保證液壓馬達的正常工作。定量泵作為動力輸出裝置，提供系統的運作保障[3]。

圖1 攻角位置控制系統液壓原理圖

整個系統動作簡述：液壓系統提供穩定壓力油源，上位機發送設定旋轉角度指令，控制系統通過控制器控制電液伺服閥開口量，通過伺服閥開口控制液壓馬達旋轉速度和定位。控制系統將角度位置值反饋到上位機。

由伺服閥與角位移傳感器及工控機構成閉環位置系統。對于液壓位置閉環控制系統來說，角位移傳感器與伺服比例閥構成獨立的位置閉環控制系統，滿足位置控制要求。馬達到達位置后自動形成定位控制，此時伺服比例閥的輸入信號不再增大且保持不變。在滿足位置控制精度的條件下，擬采用計算機控制方式實現系統的獨立控制，不僅使用方便，而且也易于滿足位置控制的精度要求。工控機向伺服閥放大器發送角位置信號，確保馬達運行。在液壓馬達運行過程當中，由工控機的一整套系統隨時檢測液壓馬達的動態位置。當液壓馬達由于某種原因而處于不同位置時，系統將該信號作為新的控制信號進行處理。經過控制伺服閥的開口的幅度和大小，來控制液壓馬達的旋轉角度[4]。當滿足實驗技術要求時，系統建立了一個新的平衡點，其參數不變，趨于穩定。

2 數學模型建立及穩定性分析

模型體系的傳遞函數成立的依據是3個基本方程：閥的流量方程、馬達流量連續性方程與馬達與負載的力均衡方程。上述3個方程的3個拉普拉斯轉化可以基本形容液壓馬達的動態特性[5]。3個基本方程的拉氏變換式如下:

傳遞函數是線性模型，有利于分析穩定性。線性模型分析穩定性，對我們改善控制系統有很高的指導意義，比如改善某些參數會提升性能，改變固有頻率，改變阻尼比增大放大倍數、提高系統壓力等，在線性模型看得更準。真正工作的時候，通過AMEsim軟件進行動態特性分析和精度分析，可以更進一步考慮它的真實模型，把非線性因素考慮進去，建立動態特性模型。接下來就是把建立的所有數學模型按照實驗參數進行系統的計算，計算位置控制系統各環節數學模型的參數，對所得各參數量進行賦值，得到位置控制系統的BODE圖，如圖2所示，能夠判別該模型是穩定的。

圖2 位置控制BODE圖

3 位置控制系統的AMESim模型的建立和仿真

3.1 建立伺服閥仿真模型

如圖3所示，通過設置和調整參數建立閥體模型，根據實際伺服閥的樣品, 使模型的技術指標非常接近真正的伺服閥,其動態和靜態特征與樣品是一致的[6]。

圖3 伺服閥仿真模型

3.2 位置控制系統模型建立

控制系統仿真模型如圖4所示，此系統作為仿真的重中之重，各環節的參數設定尤為重要，適當運用批處理功能，進行多個參數的對比，選出最適合的控制參數，且要考慮能源消耗的問題，進而采用此模型進行仿真，是本次研究的主要問題。

圖4 液壓位置控制系統仿真模型

3.3 控制系統的仿真

根據系統輸入信號，使用疊加信號，要考慮實際中的情況，因此后續的仿真工作需要串聯一個慣性環節控制液壓馬達的輸出。當系統輸入輸入信號時，在兩種情況下進行嘗試，分別是有無負載時的液壓馬達的轉角，仿真圖如圖5和圖6所示。

圖5 無負載情況下馬達軸的轉角仿真圖形

圖6 有負載情況下馬達軸的轉角仿真圖形

從以上有無負載轉角圖可以看出，無負載情況下馬達軸的轉角按照給定位置旋轉，而有負載條件下偏差角度為2°，在模型加入PID之后，有無負載對比下可以看出誤差滿足條件，本文中只列舉實驗主要的仿真工作，后續還會在系統中加入蓄能器、滯環等等，并且分別運用批處理來對比不同參數下的結果，再進行深入研究。

4 結論

本文通過建立攻角位置閉環液壓控制系統AMEsim模型，分析了有無負載情況下的馬達轉角和馬達負載的曲線圖，輸入信號還要根據實際情況進行合理選擇，在控制系統中加入PID校正可以提升系統的響應速度和控制精度，采用試湊法的PID控制參數，可以達到定位精度，實驗沒有理想狀態，在保證穩定性和正確性的前提下，盡量減少系統發熱，節約能源。