基于AMESim-Matlab的伺服電機速度-壓力回路仿真研究

李資，張海麗

(新疆工程學院 能源工程學院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

傳統電液伺服控制系統主要采用電液伺服閥控制執行元件獲得伺服動作，液壓泵輸出的液壓能經過電器、機械位移轉換后實現系統所達到的方向、位置和速度要求。但由于系統通常需要通過節流閥來控制執行元件的運動速度，存在節流功率損失，造成了很嚴重的能量損耗，效率一般只能達到20%～30%[1-2]。

伺服電機速度-壓力液壓系統回路將交流伺服電機加定量油泵組成的可控液壓源取代普通感應電機驅動的不可控液壓源，與各種傳感器結合，通過電機控制、調節以實現系統的節能性壓力、位置、速度控制。其能充分利用大功率交流伺服電機效率高、可控、可調、可靠性好的優點，實現工藝參數的優化，提高系統性能，減少系統能量消耗，簡化系統結構，克服了傳統電液伺服控制系統的缺點[3-4]。

但伺服電機速度-壓力液壓回路在工作過程中相對輸入目標控制信號存在一定的滯后和超調等問題。鑒于此，本文在對伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理分析的基礎上，利用AMESim-Matlab/Simulink 接口功能建立系統的聯合仿真模型，提出伺服電機速度-壓力反饋PID閉環控制策略,并進行聯合仿真試驗對比分析。仿真結果表明,所提出的PID閉環控制策略實現了壓力優先控制的同時能準確控制回路壓力、流量，跟隨輸入目標控制壓力、輸入目標控制轉速變化，有效解決了回路壓力、流量超調及滯后的問題,所得結論對伺服電機速度-壓力液壓回路閉環控制策略深入研究及系統優化設計提供了理論依據。

1 伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理及PID控制策略

1.1 伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理

如圖1所示，伺服電機速度-壓力液壓回路系統控制結構原理為：壓力和速度傳感器提取系統中液壓回路的壓力及電動機輸出軸轉速信號并將其轉換為相應的電信號，通過速度-壓力信號處理電路處理后，將其和系統的輸入信號進行比較。比較后的偏差信號由主控制器控制送入D/A進行轉換，通過速度-壓力反饋PID閉環控制器進行糾偏控制調節后通過一個比較環節來實現壓力優先控制，進而對伺服控制器進行控制，達到控制電動機運動控制的目的。最終實現了電動機控制定量泵轉動從而推動液壓執行機構工作，帶動負載工作，形成閉環的反饋控制。

圖1 系統控制結構原理圖

1.2 速度-壓力反饋PID控制策略原理

P1D控制器是將設定值與實際值的偏差e進行比例、積分、微分運算后，乘以相應的系數疊加構成控制量的。它的3個參數即比例系數、積分系數和微分系數是影響其控制效果的重要參數。其結構如圖2所示。

圖2 PID控制結構圖

1)比例：用來對系統的偏差進行反應，所以只要存在偏差，比例就會起作用。

2)積分：用來消除靜差。所謂靜差就是指系統穩定后輸入、輸出之間依然存在的差值，而積分就是通過偏差的累計來抵消系統的靜差。

3)微分：對偏差的變化趨勢做出反應，根據偏差的變化趨勢實現超前調節，提高反應速度。其中控制率為

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2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理，利用AMEsim軟件[5-6]建立AMESim-Matlab/Simulink回路仿真模型如圖3所示。

圖3 伺服電機仿真模型

2.2 參數設置

根據伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理，設定AMESim各主要模塊的參數如表1所示，其他參數保持默認。

表1 參數設置

2.3 仿真分析

1)模型驗證仿真分析

圖4(a)為控制器輸入目標壓力信號曲線，輸入信號在仿真時間0～10 s信號為200；圖4(b)為控制器輸入的目標轉速信號曲線，輸入轉速信號在仿真時間0～10 s信號為1 000。

圖4 回路輸入目標壓力、目標轉速信號曲線

根據經驗[7-8]設定PID控制中控制器參數Kp=500，Ki=1，Kd=0，仿真時間為10 s，進行仿真。

圖5為仿真得到系統液壓泵出口壓力、電動機轉速隨時間變化曲線。系統液壓缸出口壓力為20.165 MPa，控制器輸入目標壓力值為20 MPa；系統電機輸出轉速為998.02 r/min，控制器目標轉速值為1 000 r/min。

圖5 回路輸入目標壓力、目標轉速信號及液壓缸位移曲線

仿真開始后，仿真時間4.8 s以前，液壓缸沒有運動到行程終點，此時屬于速度控制，液壓泵轉速跟隨控制器輸入目標轉速變化；4.8 s以后，液壓缸運動到終點之后，此時屬于壓力優先控制，液壓泵出口壓力跟隨控制器輸入目標壓力變化。仿真所得結果與伺服電機速度-壓力液壓回路實際控制過程一致，證明了所建立模型的正確性及精確性。

2)PID控制參數優化仿真研究

研究表明，PID控制器控制參數中比例系數Kp、積分系數Ki對改善系統壓力和速度超調及滯后影響較大，本文利用AMESim批處理功能設定不同的比例系數Kp、積分系數Ki值并進行對比分析，用以獲得本工況下較優的PID控制參數值。

利用AMESim批處理功能設定Kp值分別為500、1 500、2 500、3 500。保持Ki=1，Kd=0不變，進行仿真，得到液壓泵出口壓力曲線如圖6所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

由圖6可知，隨著Kp參數的增加，液壓泵出口壓力值逐漸減小，壓力超調量逐漸降低到0.023 MPa。

圖6 不同比例系數下液壓泵出口壓力曲線

利用AMESim批處理功能設定Ki值分別為0.2、0.6、1、1.4、1.8。保持Kp=500,Kd=0不變,進行仿真，得到液壓泵出口壓力曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著Ki參數的增加，液壓泵出口壓力值逐漸減小，壓力超調量逐漸降低到0.03 MPa。

圖7 不同積分系數下液壓泵出口壓力曲線

3 結語

本文在對伺服電機速度-壓力液壓回路工作原理分析基礎上，利用AMESim-Matlab/Simulink 接口功能建立系統的聯合仿真模型，提出伺服電機速度-壓力反饋PID閉環控制策略,并進行聯合仿真試驗對比分析。仿真結果表明：所提出的PID閉環控制策略實現了壓力優先控制的同時能準確控制回路壓力、流量跟隨輸入目標控制壓力、輸入目標控制轉速變化,有效解決了回路壓力、流量超調及滯后的問題,并且通過對比仿真分析得到了本文工況下較優的PID控制參數為Kp=3 500，Ki=0.2，Kd=0。

所得結論為伺服電機速度-壓力液壓回路閉環控制策略研究及系統優化設計提供了理論依據。