液壓系統故障注入仿真研究

丁遙，陳小虎，陽能軍，高淑祥

(第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

故障注入是一種可靠性驗證技術，通過受控實驗向系統中刻意引入故障，并觀察系統中存在故障時的行為。故障注入技術一般分為:基于硬件的故障注入、基于軟件的故障注入以及基于仿真的故障注入。目前較為常用的方法是將液壓系統進行線性簡化分析，再在此基礎上做實驗［1］。然而面對有較高要求、復雜的液壓系統，想獲得比較精確的數據，時間、人力和實驗工作量都將會大幅度增長，并且在實驗過程中物理元件的投入必然會導致成本的增加，經濟效益大打折。為解決這個問題，文中采用AMESim 仿真的方式實現復雜裝備故障注入。

故障注入的核心在于如何對液壓系統實現精確控制［2］。PID 控制器具有算法簡單、穩定性好、可靠性高、設計容易、適應面廣的特點，是應用最廣泛的一類基本控制器。

利用MATLAB/Simulink 對PID 控制器在液壓系統應用性能進行了仿真分析，利用AMESim 建立了液壓系統仿真模型，通過參數的調整實現了復雜液壓系統故障注入。

1 中支柱液壓回路

液壓中支柱是某大型設備的主要總成之一。文中以該中支柱液壓回路作為研究對象進行研究，它主要包含一個三位四通閥、一個雙向液壓鎖、液控單向閥、阻尼孔以及一個液壓缸，中支柱部分的液壓回路原理簡圖如圖1所示。

圖1 中支柱液壓回路簡圖

其中三位四通閥控制液壓系統的動作;雙向液壓鎖在起重機懸空時鎖死液壓缸，防止前支腿在重力作用下自然下降;液控單向閥和阻尼孔防止大量回油時，回油壓力過高;液壓缸是液壓系統的工作部件。工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

中支柱液壓缸，完成某型設備作業時的頂起動作。雖然出于安全考慮含有液壓鎖、液控單向閥等液壓元件，但從功能實現角度液壓油主要在液壓泵、三位四通閥及垂直液壓缸中流動，故可以把系統認為是閥控不對稱缸回路。不對稱缸的模型如圖3所示。

圖3 不對稱缸模型

其數學模型分析如下:

力平衡方程為:

式中:μ 為黏性阻尼系數，FL為負載力。

無桿腔流量連續方程為:

式中:Ci為液壓缸內泄漏系數，βe 為液體體積彈性模數。

2 基于PID 的液壓回路控制

(1)PID 控制原理與程序流程

現今的自動控制技術反饋理論包含3 個部分:測量、比較和執行。測量關心變量，與期望相比較，用比較誤差糾正調節控制系統的響應。PID(比例－積分－微分)控制是迄今為止最為通用的控制方法，PID控制器作為最早實用化的控制器已有70 多年的歷史，至今仍有90%左右的控制回路采用PID 結構［3］。

在PID 控制系統中，PID 控制器分別對誤差信號e(t)進行比例、積分與微分運算，其結果的加權和構成系統的控制信號u(t)，送給對象模型加以控制［3］。

PID 控制器的數學描述為:

其傳遞函數表示為:

式中:Kp為比例系數;Td為微分系數;Ti為積分系數。

圖4 為PID 控制流程圖。被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節器依一定控制規律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執行器作用于過程。

圖4 PID 控制流程圖

(2)PID 控制器的Ziegler－Nichols 參數整定

在實際的過程控制系統中，有大量的對象模型可以近似地由一階模型來表示。這個對象模型可以表示為［4］:

如果不能建立起系統的物理模型，可通過試驗測取對象模型的階躍響應，從而得到模型參數。當然，也可在已知對象模型的情況下，利用MATLAB，通過使用step()函數得到對象模型的開環階躍響應曲線。在被控對象的階躍響應中，可獲取K、L 和T 參數，也可在MATLAB 中由dcgain()函數求取K 值。

表1 Zeigler－Nichols 整定公式(由階躍響應整定)

(3)對比分析

利用Simulink 環境對液壓系統傳遞函數進行仿真，PID 控制模型如圖5所示。經過多次嘗試得出Kp為20，Td為0.3，Ti為0.3。

圖5 PID 控制模型

經過Simulink 仿真，利用解約函數進行調定，圖6 是沒有PID 校正時系統對于階躍輸入的響應，圖7是PID 作用下的階躍輸入響應。

圖6 系統階躍輸入的響應

圖7 PID 作用下的階躍輸入響應

從圖6 和圖7 對比可以看出:系統響應時間由4 s 提高到2 s，響應速度加快，PID 控制可以明顯改善系統對于輸入的響應。

3 液壓缸故障仿真及分析

在AMESim 中建立泵源、溢流閥等元件模型時直接從元件庫中選取相應元件的模型即可。由于AMESim 軟件中沒有雙向液壓鎖和液控單向閥的自帶模塊，文中利用HCD 液壓元件設計庫組裝了雙向液壓鎖、液控單向閥、液壓缸超級元件。AMESim 仿真模型如圖8所示［5－7］。

圖8 AMESim 仿真模型

建立準確的系統仿真模型后，根據不同的故障仿真項目分別對正常模型注入故障參數，使得程序在故障條件下運行。

仿真了內泄量為0.5 和1 L/(min·0.1MPa)液壓缸故障，圖9、10 分別是缸內泄時液壓缸活塞位移和移動速度的故障仿真曲線。

從圖9、10 得出結論:由于液壓缸存在內泄故障，液壓缸桿的移動速度隨著缸內泄的增大而降低，在實際作業過程中如果出現內泄故障會引起液壓缸伸縮速度降低、作業無力等現象。

圖9 液壓缸活塞位移

圖10 液壓缸活塞移動速度

隨后仿真了液壓缸在外泄條件下的表現，圖11是輸入信號曲線，圖12 是不同外泄故障條件下，液壓缸活塞的位移曲線。

圖11 輸入信號曲線

圖12 液壓缸活塞的位移曲線

從圖上可以看出:由于外泄的存在，在液壓缸外伸階段液壓缸有桿腔壓力降低，活塞外伸速度加快，但在液壓缸收縮時就會導致壓力不足，收縮速度會隨著外泄量的增大而降低。經過長期實地試驗與仿真對比表明，仿真現象與實際情況相符。

4 結論

對中支柱控制原理進行了分析，利用Simulink 仿真軟件對系統控制函數進行了校正，通過對比分析說明系統采用PID 控制以后對輸入的響應明顯提高。利用AMESim 建立了基于PID 控制的液壓回路仿真模型，仿真結果得出了需要大量實驗和實踐才能得出的結果。

【1】汪宇亮.基于AMESim 的工程機械液壓系統故障仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學，2012.

【2】馬昌訓.混泥土泵車泵送液壓系統故障仿真研究［D］.長沙:中南大學，2011.

【3】劉明俊，于明祁，楊泉林.自動控制原理［M］.長沙:國防科技大學出版社，2006.

【4】馮永保，常鈺.基于Fuzzy－PID 控制的調平支腿精確定位的仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2011(9):19－22.

【5】張憲宇，陳小虎，何慶飛.基于AMESim 的液壓缸故障建模與仿真［J］.液壓氣動與密封，2011(10):26－28.

【6】吳濤，徐延海，孫仁云.基于AMESim 的隨車起重運輸車支腿垂直液壓缸回路仿真研究［J］.西華大學學報，2010(4):30－32.

【7】李遠慧，陳新元.基于AMESim 的液壓缸系統動態特性仿真與優化［J］.武漢科技大學學報，2011(3):215－218.