基于AMESim/Simulnk的電液伺服系統研究與仿真

張道德， 嚴　翩

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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基于AMESim/Simulnk的電液伺服系統研究與仿真

張道德， 嚴翩

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

以5自由度關節型液壓機械手為控制對象，闡述液壓機械手的電液伺服閥控系統的結構組成及原理。研究電液伺服系統的閉環控制系統，計算液壓機械手的電液伺服系統傳遞函數，并在MATLAB平臺下繪制bode圖來驗證系統的動態穩定性，有針對性地提出電液伺服系統性能優化方案。同時，針對機械手液壓驅動系統的電液伺服閥位置閉環控制系統，在AMESim平臺下建立閥控非對稱液壓缸的液壓-機械系統模型，在Simulink平臺下建立PID控制系統模型，通過AMESim/Simulink進行聯合仿真分析，解決了電液伺服控制系統在AMESim平臺下難以建模的問題，系統響應速度明顯加快。

液壓機械手； 電液伺服閥； AMESim/Simulink聯合仿真

隨著工業4.0時代的到來，智能化機械手的應用越來越普及，對其工業現場要求也越來越高[1]。電液伺服系統在工程上的應用比較成熟，但由于其為非線性，控制模型不易建立。本文通過計算電液伺服系統的傳遞函數[2]，仿真并繪制bode圖來驗證伺服閥控系統穩定性并對電液伺服系統進行優化。在AMESim平臺下建立的液壓伺服閥控制系統模型不具直觀性且建模困難，而Matlab提供的Simulink平臺是一個可視化仿真工具，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。因此，結合兩者各自的優勢，選擇在AMESim平臺下建立液壓系統模型，在Matalab平臺下建立控制系統模型。通過AMESim/Simulink進行聯合仿真分析，解決電液伺服控制系統在AMESim平臺下難以建模的問題[3]。

1　仿真環境介紹

AMESim(Asvanced Modeling Environment for simulation of engineering systems)軟件是集流體、機械、控制、電磁等多領域于一體的高級工程系統仿真建模軟件，用戶能夠建立復雜的系統模型，可在此基礎上進行仿真計算，研究系統的穩態和動態性能[4]。

AMESim/Simulink的聯合仿真，利用AMESim軟件便捷直觀的機電液一體的物理建模仿真功能，結合Simulink卓越的數據處理和圖形輸出功能，在各自專業軟件環境中分別建模，通過相互之間的接口進行整個系統的聯防和優化研究。AMESim/Simulink聯合仿真技術，滿足了基于物理模型設計建模仿真的需求，同時，也解決了控制系統在AMESim平臺下難以建模的問題[5]。

2　電液伺服系統的數學模型

電液伺服系統由伺服放大器、電液伺服閥、液壓執行機構、位置檢測裝置及被控對象組成，為閉環控制系統(圖1)。其核心為電液伺服閥，直線性好，靈敏度高，動態響應速度快，控制精度高，結構緊湊，便于通過電控裝置或數字計算機實現各種復雜的控制規律及遠程控制[6]。

圖 1　電液伺服系統原理圖

2.1電液伺服系統傳遞函數

液壓閥控系統控制對象為非對稱液壓缸行程(即末端操作器的位置)，整個系統分為動力部分、控制部分和執行機構，包括單作用定量泵、電液伺服閥、非對稱液壓缸和負載。以電流作為輸入量，流量作為輸出量，根據負載要求對相關元件進行計算及選型，具體參數如下： 質量塊m，0.3 kg；伺服閥型號,D633；模擬負載F，20 kN；閥規格，三位四通；閥壓降P,7 MPa；輸入電流I，40 mA；壓力損失，1 MPa；頻率w，80 Hz。

圖 2　閥非對稱缸結構示意圖

本研究選用非對稱液壓缸，其結構如圖2所示。其中：p1為液壓缸無桿腔壓力，Pa；A1為無桿腔活塞面積，m2；Q1為無桿腔流量，m3/s；p2為液壓缸有桿腔壓力，Pa；A2為有桿腔活塞面積，m2；Q2為有桿腔流量，m3/s；xv為滑閥閥芯位移，m；xp為液壓缸活塞位移，m；阻力f為彈性負載、阻尼負載以及質量mt的總和。

根據液壓缸-負載傳遞函數、D633伺服閥及力-位移傳感器的反饋方程可得電液伺服系統的傳遞函數如下：

(1)

式中：Ka為伺服閥放大器增益；Kf為位移傳感器增益。

根據液壓缸-負載傳遞函數及伺服閥傳遞函數確定系統方框圖(圖3)。

圖 3　電液伺服控制系統方塊圖

2.2系統開環波特圖

確定系統傳遞函數以后，根據電液伺服系統結構框圖，輸入信號為伺服閥的給定位移值0.5 m，在MATLAB平臺下建模(圖4)。

圖 4　電液伺服系統模型

仿真繪制電液伺服系統傳遞函數的Bode圖(圖6)。

圖 5　伺服系統開環Bode圖

從系統波特圖特性曲線的幅頻率、相位曲線可得，液壓伺服系統穩定，在給定條件下滿足作業要求。但該系統參數的設定都是在忽略外界干擾以及在理想設備的基礎上，沒有考慮伺服系統的非線型性、擾動大、時變參量多等因素。

3　基于AMESim/Simulink的電液伺服閥控制系統建模與仿真

電液伺服閥具有一定的死區，其閥口流量增益會隨著閥口的壓力變化而變動；其次，液壓缸也存在死區及摩擦特性，而摩擦特性會對系統的低速性能產生影響。液壓系統負載的非線性特性對系統的影響也很大，隨著液壓系統壓力、油溫等性能參數的改變，位移反饋中的泄漏系數也會隨之改變。針對以上問題，本系統加入PID控制器[7]，對電液伺服閥的輸入輸出位移進行跟蹤和調節，控制精度，提高電液伺服系統的穩定性。

PID控制算法中的決定因素為kp、ki、kd參數值的確定，kp、ki、kd的取值大小決定了整個PID控制的效果。因此，根據每個階段電液伺服閥的位移偏差e和偏差變化率ec，kp、ki、kd參數值整定規則為：

1) 比例系數即kp值的調節直接決定系統的響應速度和控制精度。kp值越高，則系統響應越迅速，但kp過高會引起超調和振蕩；而kp過低，系統響應慢，精度差，過渡時間長；因此，當被控量遠離給定值，即偏差增大時，適當的調節比例作用能夠有效控制偏差，但kp不宜過大，否則會引起超調。

2) 積分系數ki的取值將決定系統的穩態誤差。ki取值過大，會導致系統產生過大超調，降低性能ki過小又會使系統積分速度變慢，穩態誤差消除減慢，過渡時間長。因此，對于積分值的選取要適中，過高過低都達不到預期效果。

3) 微分系數kd的作用是控制動態性能。主要跟蹤偏差信號的發展趨勢，對其起到預測和抑制作用；kd的作用主要是輔助kp、ki調節，通過預知偏差從而抑制被控量變化，提高系統的穩定性，加快調節速度，減小穩態誤差。

電液伺服控制系統原理如圖6所示。

圖 6　電液伺服控制系統原理圖

3.1基于AMESim/Simulnk的液壓機械手控制系統模型

AMESim是基于功率鍵合圖的仿真軟件，簡單直觀的物理模型能將操作者從繁瑣的數學模型中解放出來，專注物理系統本身的設計。因此，在AMESim環境下利用Mechanical library、Hydraulic library及Signal and Control library迅速搭建所需的系統模型(圖7)。

圖 7　液壓機械手控制系統圖

機械臂由伸縮液壓缸驅動，多路閥為三位四通伺服閥，與位移傳感器構成閉環控制回路；系統采用液控單向閥實現互鎖，節流單向閥控制回油速度，溢流閥作為系統背壓閥。

各參數為：負載20 kN，控制主臂伸縮的液壓缸內徑為80 mm，活塞桿直徑為45 mm，液壓缸行程為500 mm，其他參數取默認值。

在MATLAB/Simulink模塊下建立PID控制系統模型(圖8)，ke取為3.75，kc取值7.5。進行參數設定時，只需計算各臂轉過特定角度油缸所需的行程，即可將其作為閥的輸入信號，從而控制各臂的位置狀態。給定輸入信號后，AMESim系統自行繪制生成路徑曲線，整個過程相對穩定。

圖 8　電液伺服系統的PID控制模型

3.2系統仿真與結論分析

在AMESim/Simulink平臺下進行仿真分析，仿真結束后，系統自行計算各元件的最終參數數據狀態，因此能夠很好地得知運行結果是否滿足設計要求，避免了很多繁雜的運算過程[8]。獲取各臂的最終參數數據可知，大臂轉過最大角度為30°，以位移和壓力作為縱坐標的變化曲線如圖9、10所示。

圖 9　電液伺服閥位移跟蹤特性曲線

圖10　執行機構壓力變化曲線

如圖9所示，電液伺服系統能夠很好地進行位移跟蹤，誤差小于0.1%；從圖10執行機構的壓力特性曲線可以看出，系統在開始初期和穩定時刻出現輕微振蕩，隨即保持穩定狀態，壓力值最終穩定在6.67 MPa,低于系統給定的最大壓力7 MPa，結果滿足預期要求。

4　結論

1) 通過對液壓機械手臂的液壓系統模型進行設計及仿真分析可知，系統結構設計合理，穩定性好，位移、壓力、流量都能滿足作業要求。

2) AMESim軟件具備強大的液壓元件庫和仿真數據庫函數，方便建模的同時，也能實時反饋系統動態數據和結論分析,電液伺服閥的位置跟蹤精度基本滿足要求，系統運行相對平穩。運動初期，系統壓力突增，對系統沖擊較大，且流量曲線有一定波動；當執行機構到達運動位置時，出現明顯振蕩，流量突降。由此說明，對于存在外加負載擾動的液壓系統，系統穩定性較差。加入PID控制算法后，系統的響應速度得到顯著提升，響應時間大大縮短，位置跟蹤誤差小于0.1%，且穩定性更好，無超調和震蕩。

3) AMESim和Simulink的聯合仿真，很好地利用了AMESim方便建模的優勢，Simulink則解決了電液伺服閥在AMESim中難以建立控制系統模型的問題。

[1]倪敬,程樂平.五自由度液壓伺服機械手研制[J].機電工,2014,31(5):595-599.

[2]劉俊,覃剛,王強.基于AMESim/Simulink的電液伺服系統的控制器設計[J].船海工程，2015,44(1):122-125.

[3]李謹，鄧衛華. AMESim與MATLAB/Simulink聯合仿真技術及應用[J].情報指揮控制系統與仿真技術,2004(5)：61-64.

[4]江玲玲,張俊俊.基于AMESim的液壓位置伺服系統動態特性仿真[J].機械工程與自動化,2007(1):35-37.

[5]李廣瑞,焦儂,洪術華.基于AMESim/Simulink的調距槳裝置伺服系統聯合仿真對比研究[J].船舶工程，2014(1):49-51.

[6]張文毅, 張福梅, 陳祖希.電液伺服閥調試過程關鍵點控制方法[J].液壓氣動與密封, 2016，36(2)：56-58.

[7]王勇,劉樹林,張潤忤.管柱移運液壓機械手的PID控制系統研究[J].工業控制計算機,2013,26(11):95-96.

[8]麥云飛，程奇.基于AMESim/Simulink的液壓位置伺服系統仿真[J].機械工程與自動化,2015(2)：59-61.

[責任編校： 張眾]

Research and Simulation of Electro-hydraulic Servo System Based on AMESim/Simulnk

ZHANG Daode, YAN Pian

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

This paper, taking the hydraulic manipulator with five degree freedom as the control objects, described the structure and principle of the control system of electro-hydraulic servo valve. It studied the electro-hydraulic servo position closed-loop control system, calculated the electro-hydraulic servo transfer function of hydraulic manipulator system , drew the bode diagram in MATLAB platform, and verified the dynamic stability of the system, based on which it thus put forward the improvement and research direction of electro-hydraulic servo system performance. At the same time, it studied the electro-hydraulic servo valve position closed-loop control system of manipulator hydraulic drive system, and established a hydro-mechanical model of valve controlled asymmetrical cylinder in AMESim environment and a PID control system in simulnk platform. Through the software platform of AMESim/Simulink for co-simulation analysis, it solved the problem that it’s difficult to build electro-hydraulic servo control system model in AMESim platform. The control optimization effect is obvious, and the response speed of the system is significantly accelerated.

hydraulic manipulator; electro-hydraulic servo valve; AMESim/Simulation

2015-05-25

張道德(1973-)， 男， 湖北黃岡人，博士，湖北工業大學教授，研究方向為智能控制系統和機器視覺,圖像處理等

嚴翩(1991)，女，湖北天門人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為液壓系統和智能控制

1003-4684(2016)04-0030-04

TH137.9

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