基于AMESim/Simulink 的“電液控制工程”教學案例應用

楊秀萍，楊 璐，宋 陽，張 磊

（1.天津理工大學機械工程學院機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384；2.天津理工大學天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；3.天津津研機械設(shè)計有限公司，天津 300457）

0引言

電液控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對執(zhí)行元件的精準控制，使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。同時，電液控制系統(tǒng)功率質(zhì)量比高，剛度大，響應速度快，因此，其在礦山、冶金、農(nóng)業(yè)和工程機械、航空航天領(lǐng)域等得到廣泛應用[1-4]。“電液控制工程”是在液壓傳動和自動控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門較新的課程，涉及流體力學、液壓傳動、控制工程理論、電氣控制等內(nèi)容，電液融合，屬于典型的交叉學科。課程理論性、綜合性和實踐性都很強，是液壓技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的高級階段。該課程教學要求學生不僅要掌握電液比例閥、伺服閥等元件以及控制系統(tǒng)的工作原理，還要求對液壓控制系統(tǒng)的工作性能進行分析和設(shè)計。其中，控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計是教學的重點和難點，這部分內(nèi)容包含大量的公式推導、分析和計算，比普通的液壓傳動更為復雜、抽象和枯燥；由于與課程相關(guān)的許多實驗內(nèi)容受設(shè)備費用或技術(shù)等因素影響，無法實現(xiàn)，所以學生理解和掌握都比較困難[6]。為此，教師在教學中，在講授理論基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，可以以典型的工程實例為教學案例進行教學設(shè)計，同時引入AMESim/Simlink 仿真技術(shù)，虛擬實驗環(huán)境，分析控制系統(tǒng)的性能以及參數(shù)對性能的影響，設(shè)計系統(tǒng)的控制器，將教學與科研相結(jié)合，理論聯(lián)系實際。同時，應用虛擬仿真實驗教學，可以將先進的設(shè)計理念引入教學中，能使學生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計方法，從而提高學生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，也解決了由于實驗條件不足而無法進行物理實驗的困難。

1 教學案例設(shè)計思路

“電液控制工程”要達到的教學目標是：掌握液壓比例與伺服控制的工作原理及特性；掌握比例閥、伺服閥的結(jié)構(gòu)及特性。在此基礎(chǔ)上，進一步使學生掌握液壓比例與伺服系統(tǒng)的建模、分析、校正和系統(tǒng)設(shè)計理論，使學生能夠?qū)﹄娨嚎刂葡到y(tǒng)的可行性進行分析論證。具備對液壓系統(tǒng)進行分析、設(shè)計及實驗能力，具備分析復雜液壓系統(tǒng)的初步能力。

選擇和設(shè)計教學案例應圍繞教學目標和教學任務，主要從三方面考慮：第一，選擇簡單案例（如比例閥、伺服閥的結(jié)構(gòu)和工作特性分析等），建模簡單，仿真時間短，便于課堂教學，學生通過簡單案例的仿真，可以熟悉和掌握軟件的使用；第二，選擇典型的案例（如帶鋼糾偏電液位置控制系統(tǒng)、材料試驗機電液控制系統(tǒng)、盾構(gòu)推進液壓伺服控制系統(tǒng)等），使學生通過典型案例學習，了解工程背景，樹立工程概念，將理論與實際系統(tǒng)的性能聯(lián)系起來，掌握課程教學的重點內(nèi)容，舉一反三；第三，把教學與科研相結(jié)合，將教師的科研成果及應用作為綜合教學案例，啟發(fā)學生思維，鞏固理論基礎(chǔ)知識，提高復雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計能力。選擇綜合教學案例時，如工業(yè)閥門電液伺服控制系統(tǒng)、重載機械臂液壓伺服控制系統(tǒng)、造波機電液伺服控制系統(tǒng)等，難度和大小要適中，由淺入深。對于比較大的科研項目，要將任務進行合理分解，與課程內(nèi)容相匹配，同時考慮學生的接受能力，使學生建立學習的信心。

傳統(tǒng)的多媒體課件只能定性動畫演示元件或系統(tǒng)的工作原理，無法定量分析和體現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能以及參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。AMESim 仿真軟件基于直觀圖形界面平臺，采用圖塊化的物理模型搭建仿真系統(tǒng)，避免了復雜系統(tǒng)數(shù)學建模的困難，還可以進行時域和頻域仿真實驗[5]。Simulink 借助Matlab 的強大計算功能，能夠方便地建立各種液壓系統(tǒng)控制模型。采用AMESim/Simlink 進行仿真實驗，可以提高仿真建模的精準度，提高計算效率。

2 教學案例設(shè)計

根據(jù)教學目標和教學案例確定設(shè)計思路。案例的選擇立足工程背景，設(shè)計具有典型性和綜合性的工程案例，以教學重點內(nèi)容為抓手，提煉知識點，理論聯(lián)系實際，掌握理論基礎(chǔ)知識的應用，并補充新知識。這里介紹2 個典型教學案例。

2.1 板帶糾偏電液位置控制系統(tǒng)

電液位置控制系統(tǒng)是最常用和最基本的液壓伺服控制系統(tǒng)，在冶金機械、礦山機械等行業(yè)中廣泛應用，是“電液控制工程”的重點內(nèi)容。電液位置控制系統(tǒng)輸出跟蹤輸入變化的過程是一個動態(tài)過程，在設(shè)計系統(tǒng)時，不僅要關(guān)注穩(wěn)態(tài)性能，還要特別關(guān)注動態(tài)性能，這是電液伺服系統(tǒng)與一般的傳動控制系統(tǒng)的不同點[6]。靜態(tài)、動態(tài)性能主要包括穩(wěn)定性、快速性和控制精度。板帶糾偏電液伺服控制系統(tǒng)是軋鋼、彩涂板生產(chǎn)線等生產(chǎn)過程中，為防止板帶運行時出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，對其跑偏位置進行糾正的控制系統(tǒng)[7-8]。根據(jù)系統(tǒng)原理圖，建立AMESim 仿真模型[9]，如圖1（a），設(shè)置液壓缸缸徑為30 mm，活塞桿直徑20 mm，行程1 m，液壓缸死區(qū)油量10 cm3；液壓泵排量100 ml，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，溢流閥調(diào)定壓力15 MPa；輸入信號9 設(shè)為在0 ～5 s 為斜坡信號，數(shù)值為0.8，5 s 后數(shù)值保持不變；系統(tǒng)增益6 的值K 設(shè)為100；階躍信號13設(shè)為1000。為提高測量精度，用位移傳感器將輸出位移放大10 倍，元件8 的值也設(shè)為10。仿真得到活塞的位移動態(tài)誤差曲線、速度曲線以及系統(tǒng)伯德圖等，根據(jù)仿真結(jié)果可以分析系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。

增益K 值增加時，響應速度加快，活塞位移動態(tài)誤差減小，但系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大，甚至會出現(xiàn)超調(diào)、振蕩，活塞的速度會出現(xiàn)嚴重波動。在頻域，幅頻特性曲線向上移動，穩(wěn)定裕度減小甚至變?yōu)樨撝担瑢е孪到y(tǒng)變得不穩(wěn)定。顯然，提高伺服放大器增益能減小動態(tài)誤差，加快響應速度，但是存在穩(wěn)定性問題。

電液伺服閥的固有頻率、阻尼比等也會影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。固有頻率過小時，系統(tǒng)響應速度太慢，導致動態(tài)跟蹤誤差增大，活塞速度波動較大（圖1-b），使系統(tǒng)不穩(wěn)定。伺服閥的阻尼比越小，動態(tài)跟蹤精度好，但幅頻特性出現(xiàn)峰值，幅值裕度減小，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，要選擇合適的伺服閥，才能保證整個系統(tǒng)具有良好的性能。

圖1 電液位置伺服控制系統(tǒng)

該教學案例重點分析了典型電液位置伺服系統(tǒng)的工作性能，利用AMESim 軟件，以圖形界面建模，減少了公式推導過程，可視化的定量結(jié)果形象直觀且一目了然，使學生很容易看出系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)誤差以及頻域特性等性能指標。利用批運行功能，可以方便地分析各參數(shù)對性能的影響，指導系統(tǒng)設(shè)計，使其滿足性能設(shè)計要求。利用計算繪圖，使學生學習過程不再枯燥、難懂。

2.2 重載機械臂液壓伺服控制系統(tǒng)

重載機械臂是礦山機械中常用的大型液壓設(shè)備。本教學實例來源于教師的“國家重點研發(fā)計劃重點專項”項目，為中信重工研制的用于磨機更換襯板的機械臂。其控制系統(tǒng)主要完成機械臂的變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)、平擺、滾擺、進退、關(guān)節(jié)俯仰等動作。各執(zhí)行機構(gòu)采用閥控缸或閥控馬達的控制方式。由于機械臂工況比較復雜，重復定位精度以及響應速度要求都比較高。由于設(shè)計出的系統(tǒng)不能同時滿足系統(tǒng)的各項性能指標要求，因此需要通過設(shè)計校正控制器來改善控制系統(tǒng)的性能。該項目涉及任務多，不適合直接用于教學，需要對其進行分解，考慮與課程內(nèi)容相匹配的部分，選擇變幅、回轉(zhuǎn)和伸縮動作作為教學案例，進行分析與設(shè)計。

以機械臂變幅缸為例，建立系統(tǒng)的AMESim 仿真模型[10]，如圖2（a）所示。為了實現(xiàn)AMESim 和Simulink 聯(lián)合仿真，利用AMESim 中的Interface 接口，建立2 個軟件信息交流接口，輸入端信號為液壓缸的位移反饋信號X，輸出端信號為信號X 經(jīng)Simulink 計算得到的控制信號Y[11]。

PID 控制是最常用的校正方法，采用對偏差進行比例、積分和微分運算得到控制算法。利用Simulink 建立變幅缸系統(tǒng)的PID 控制模型，2 個軟件聯(lián)合仿真，得到系統(tǒng)響應曲線，如圖2（b）所示[10]。

圖2 重載機械臂變幅缸電液伺服系統(tǒng)

PID 控制算法簡單，容易實現(xiàn)，但是確定最優(yōu)控制參數(shù)比較困難。由于機械臂控制系統(tǒng)存在各種干擾，液壓系統(tǒng)存在摩擦、流量等非線性因素，難以建立精確的數(shù)學模型，因此結(jié)合模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力，設(shè)計了模糊神經(jīng)PID 控制器[12]。給定各元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，對系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真，得到響應曲線，如圖2（b）。對比可知，模糊神經(jīng)PID 控制器使系統(tǒng)無超調(diào)，響應時間僅為1s，穩(wěn)定性和快速性都優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制[10]。

將教師科研項目中的部分任務作為教學案例，采用AMESim/Simulink 聯(lián)合仿真，并引入模糊神經(jīng)PID 控制器設(shè)計等新知識，體現(xiàn)了教學內(nèi)容的“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”。

3 教學案例的實施

案例教學強調(diào)以學生為主體的教育理念，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立網(wǎng)上教學資源，如生產(chǎn)設(shè)備等實例應用的視頻，教學案例的課件、微視頻等；利用線上線下混合教學模式，提高學生參與度。

教學案例實施貫穿課程教學的全過程，主要分為五個階段：

第一，利用簡單教學案例的應用，幫助學生學習AMESim/Simlink 仿真軟件的使用。通過錄制微視頻，介紹軟件的功能，編寫仿真指導課件，并發(fā)布到在線教學平臺。學生可以利用碎片時間在線學習，與教師互動、交流，掌握仿真教學內(nèi)容和軟件的使用方法。

第二，典型教學案例和綜合教學案例采用課件及微視頻方式，介紹案例的工程背景、工作原理、存在的問題，發(fā)布到在線教學平臺。教師課前發(fā)布學習任務，要求學生查閱相關(guān)文獻、熟悉案例的相關(guān)內(nèi)容，觀看案例應用視頻等。

第三，課上教師對案例進行分析，啟發(fā)學生思考，講解解決問題的思路。例如，如何選擇控制器，各種控制器有何優(yōu)點和缺點，適合什么工況，如何進行設(shè)計等等。

第四，學生完成大作業(yè)。學生以組為單位，對案例進行討論和交流，促使學生主動參與學習，培養(yǎng)學生的團結(jié)協(xié)作、獨立思考和創(chuàng)新能力。教師線上輔導、答疑，實現(xiàn)師生互動，生生互動。學生提交大作業(yè)報告及仿真結(jié)果文件。

第五，教師根據(jù)學生完成的情況進行總結(jié)和評價。

4 結(jié)論

以工程實例作為教學案例，將教學與科研相結(jié)合，利用AMESim/Simlink 軟件構(gòu)建教學案例的虛擬仿真實驗，并采用線上、線下混合教學模式，進行教學設(shè)計。這種教學方法有助于培養(yǎng)和促進學生主動學習，體現(xiàn)了以學生為中心的教育理念；有助于學生掌握電液控制的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計方法；多種控制器的設(shè)計與比較，補充了新知識，拓展了知識面，有利于培養(yǎng)學生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了教學內(nèi)容的“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，學生能夠應用電液控制技術(shù)和仿真技術(shù)為企業(yè)中的產(chǎn)品，如工業(yè)機器人、AGV導航車、救援機器人等液壓控制系統(tǒng)進行設(shè)計，提升了學生在就業(yè)中的競爭力。