基于AMEsim 的50t液壓伺服加載系統的仿真分析

王鴻宇，江禮鵬

（南京理工大學，江蘇 南京 210094）

0 引言

結構靜力試驗是研究復雜工程構件靜特性的重要手段，是校核產品設計靜強度、剛度、穩定性，鑒定產品可靠性的有效途徑。目前許多領域，包括土木、汽車、船舶、航空、航天領域的大型結構件的研發過程中，都需要對構件進行結構靜力試驗，以保證產品的質量和可靠性，避免產品的實際參數達不到設計要求。

液壓伺服加載系統憑借其穩定性、精確性、操作方便等優點越來越被廣泛運用于結構靜力試驗中。在設計液壓加載系統之前對其進行建模與仿真分析對液壓伺服加載系統的設計過程具有較強指導作用。傳統的數學建模方法較為復雜，本文運用面向工程設計的高級建模軟件AMEsim 對50t伺服液壓加載系統進行了建模和仿真分析。

1 AMEsim 仿真軟件

AMEsim（Advanced Modeling Environment For Performing Simulations of Engineering Systems）是法國IMAGINE公司開發的高級工程系統仿真建模環境，是一個多學科領域的建模仿真平臺，在統一的平臺上實現了多學科領域系統工程的建模與仿真。不同領域的模塊之間直接的物理連接方式使AMEsim 成為多學科領域系統工程建模和仿真的標準環境。AMEsim 具有豐富的模型庫（18個模型庫，1000多個模塊），用戶可以采用基本元素法，按照實際物理系統來構建自定義模塊或仿真模型，而不需要去推導復雜的數學模型。AMEsim 采用變步長、變階數、變類型魯棒性強的智能求解器，根據用戶所建模型的數學特性自動選擇最佳的積分算法，并根據不同仿真時刻系統的特點動態地切換積分算法和調整積分步長，以縮短仿真時間和提高仿真精度。AMEsim 提供了豐富的與其他軟件的接口。基于這些優點，AMEsim 軟件已廣泛地被GM、Ford、LG、ZF、Bosch等公司采用，成為汽車、液壓和航空航天等研發部門的理想選擇。

2 AMEsim 建模和仿真分析

2.1 液壓系統建模

在AMEsim 軟件中建立的50t液壓伺服加載系統模型如圖1所示［1］。該系統由液壓缸、伺服閥、溢流閥、開關閥、油泵、位置傳感器、過濾器、冷卻器等組成。從整體上看這是一個典型的閉環控制系統，其工作原理為：位移傳感器X 采集液壓缸活塞桿的位置信號，與系統給定的位移信號1進行比較，形成的誤差信號通過放大處理后輸入給伺服閥，驅動伺服閥閥芯運動，從而控制液壓缸活塞桿前進或后退。此系統有兩種工作狀態，信號2控制開關閥打開時系統進入低壓空載狀態，此時可較快調節活塞桿位置；開關閥關閉時系統進入高壓負載狀態，此時需要系統緩慢加載并精確控制。由于低壓空載狀態較為簡單，本文只分析系統在高壓加載工作狀態下的動態性能。

2.2 系統參數設置

在AMEsim 中建模后進入參數模式進行系統參數的設置，表1為50t液壓伺服加載系統的主要參數，其他參數保持默認［2］。其中，安裝角度是指液壓缸軸向與水平線的角度，－90°表示液壓缸活塞桿豎直向下。

2.3 仿真計算及結果分析

進入仿真模式，設置仿真時間為200s，間隔為0.01s，運行仿真。運行完畢，繪制無桿腔壓力曲線、有桿腔壓力曲線和溢流閥壓力曲線，如圖2所示。

圖1 50t液壓伺服加載系統模型

表1 系統參數設置表

由圖2可以直觀地觀察液壓缸無桿腔、有桿腔、溢流閥油壓變化情況。在0s～100s活塞桿前進階段，經過初始的短暫壓力上升階段后，無桿腔壓力持續上升，有桿腔壓力持續下降。在100s～120s活塞桿位移保持階段，液壓缸有桿、無桿腔壓力也保持不變。在120s～170s活塞桿后退階段，經過短暫壓力上升階段后，無桿腔壓力持續下降，有桿腔壓力持續上升。在170s～200s活塞桿位移保持階段，液壓缸有桿、無桿腔壓力又保持不變。而溢流閥在整個階段始終處于開啟狀態，其作用是保證油泵提供給伺服閥P口的油源保持22 MPa的高壓。而在活塞桿位移保持階段，由于通過溢流閥的流量增大，溢流閥入口壓力會稍稍增大，這也符合圖2的仿真曲線結果。

圖2 壓力曲線

繪制理想位移曲線（即階躍信號1的輸入曲線）、活塞桿位移曲線以及兩者的差值曲線，如圖3所示。

圖3 位移曲線

圖3的位移曲線在未放大的情況下理想輸出位移曲線和實際位移曲線幾乎重疊，難以觀察。將圖3中圓形區域局部放大，得到局部放大位移曲線，見圖4。

圖4 局部放大的位移曲線圖

從圖4可以觀察到實際位移相對于理想的輸出位移有0.02s～0.05s的滯后，位移誤差為0.06mm。

2.4 系統優化

為了減小位移誤差，通過改變增益K2的值來觀察位移曲線的變化。在AMEsim 的參數模式中設置批處理參數K2從100 變化到400，變化間隔為100。繪制局部放大的位移曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同K2 值時局部放大的位移曲線

由圖5可以觀察到K2＝200時位移誤差減小到0.03mm；K2＝300時，位移曲線誤差為0.02mm，位移量有較小的超調；K2＝400 時，位移誤差減小到0.015mm，位移量有較大超調并產生輕微震蕩。為了優化系統，減小位移誤差，更改K2的值為300能明顯減小位移誤差并提高系統響應速度。

3 結論

（1）運用AMEsim 軟件對液壓系統進行建模和仿真分析具有簡單、快速、仿真精度高等特點，可運用于液壓系統的研發和改進，對液壓系統的設計具有一定的指導意義，較以往的數學建模分析設計方法更適合運用于企業及科研機構的產品開發。

（2）利用AMEsim 的批處理運行可以直觀地從仿真曲線中觀察不同的系統參數對系統性能的影響，從而得出最優化的系統參數，優化系統性能。

［1］ 付永領，祁曉野.AMEsim 系統建模和仿真——從入門到精通［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［2］ 王強，吳張永.基于AMEsim 電液伺服控制系統仿真分析［J］.液壓氣動與密封，2008（4）：31－33.