基于AMESim的機匣翻轉沖洗機壓力控制系統研究

王野牧，楊 於

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

機匣翻轉沖洗機用于沖洗航空發動機的附件機匣。傳統的機匣沖洗方式是采取人工沖洗，但沖洗的質量得不到保證，而且效率低。機匣翻轉沖洗機與人工沖洗相比，沖洗的質量和效率都得到了提高。機匣翻轉沖洗機的壓力控制系統是沖洗機的核心系統，其性能的好壞決定沖洗質量的高低。因此，對沖洗機的壓力控制系統進行研究是非常必要的。該系統最主要的控制參數是機匣入口處的壓力，并且要求系統壓力的控制范圍為0.15 MPa～1 MPa，系統壓力的控制精度為±0.01 MPa。

1 沖洗機壓力控制系統的組成及工作原理

因為控制系統的壓力控制范圍比較廣，并且控制精度要求高，為了保證控制系統的壓力控制精度，采用閉環控制方式來控制壓力。機匣翻轉沖洗機液壓系統原理圖如圖1所示。該系統主要包括兩個部分，分別是液壓泵站和廢油泵站。液壓泵站用于實現機匣入口的壓力控制，采用伺服比例換向閥來控制機匣入口處壓力，同時在機匣入口處設有壓力傳感器，可以配合伺服比例換向閥來實現壓力的閉環控制；并且采用雙通道供油方式，以減少壓力損失，增大通流面積，來滿足系統的流量要求；還具有油液的在線清洗功能，能夠保證油液的清潔度。廢油泵站主要用于收集沖洗過程中泄漏的油液，能夠實現廢油的自動收集。

2 基于AMESim的閉環壓力控制系統建模

2.1 伺服比例閥模型建立

伺服比例閥各項性能指標對壓力控制系統的穩定性、響應時間和壓力控制精度有很大的影響。因為在AMESim仿真軟件液壓庫中的閥模型不能精確地仿真實際伺服比例閥，所以就需要重新建立伺服比例閥模型?；趯嶋H伺服比例換向閥，運用AMESim仿真軟件建立的伺服比例換向閥模型如圖2所示。通過調整閥模型內部的各個參數，使其靜態特性和動態特性與真實的伺服比例閥一致。最終確定的閥模型內部參數如表1所示。

表1 伺服比例換向閥參數

1,32-加熱器;2,5,6,15,22,27,29-過濾器;3-球閥;4,21,28-油泵電機組;7-節流閥;8-換向閥;9-溢流閥;10,11,16-壓力表;12-伺服比例閥;13-流量計;14-單向閥;17,18,19-三級過濾器;20-冷卻器;23,31-溫度傳感器;24,25,26-液位計;30-壓力傳感器

1-輸入信號;2-放大器;3-二階振蕩環節;4-閥芯位移限位;5-信號位移轉換;6-閥體;7-油源

2.2 閉環壓力控制系統模型建立

沖洗機閉環壓力控制系統框圖如圖3所示?？刂破鹘o閥放大器一定的電壓信號，使閥芯產生運動，閥口開度發生改變，從而控制閥的輸出壓力。當輸出壓力大于系統設定的壓力時，壓力傳感器采集信號，反饋給控制器，控制器經過運算后重新發送信號給放大器，控制閥改變閥口開度，從而使閥的輸出壓力減小，到達設定的壓力后，系統建立新的平衡并保持穩定。

圖3 閉環壓力控制系統框圖

機匣的入口相當于固定的節流口，在系統建模時可以采用節流口模型來模擬機匣入口。運用AMESim仿真軟件建立的閉環壓力控制系統仿真模型如圖4所示。

3 壓力控制系統動態特性分析

設定壓力控制系統模型的參數:泵的排量為32.3 mL/r，驅動泵的電機轉速為940 r/min，溢流閥的開啟壓力為2.5 MPa。設定壓力控制信號:0 s～1 s為0.15 MPa，1 s～2 s為0.5 MPa，2 s～3 s為1 MPa。之后進行仿真，得到未加入PID控制器的系統階躍響應特性曲線和系統控制壓力的誤差曲線，分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，在給定一個階躍信號以后，壓力也跟隨著改變，壓力存在一定的超調，并且在較短的時間內，壓力達到穩定。由圖6可知，系統具有較大的穩態誤差，并且控制壓力增大，穩態誤差也增大，穩態誤差的最小值為0.010 4 MPa，超過壓力控制精度要求。

圖5 系統階躍響應特性曲線 圖6 系統控制壓力誤差曲線 圖7 PID校正后的系統階躍響應特性曲線

1-油泵電機組;2-溢流閥;3-可調節流口;4-干擾信號;5-控制信號;6-PID控制器;7-采樣開關;8-伺服比例閥;9-流量計等效節流口;10-壓力傳感器;11-負載模擬節流口

為了減小系統的穩態誤差，在系統中加入PID控制器進行校正。通過調節PID的各個參數，使系統的穩態誤差減小，并得到較好的系統性能，以此找到最佳參數。最終得到的PID參數為KP=0.05，KI=12，KD=0。加入PID控制器后的系統階躍響應特性曲線和系統控制壓力的誤差曲線分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，校正后的系統穩態誤差減小，而且壓力不存在超調，系統的動態特性變得更好。從圖8中可以看出，系統的穩態誤差接近于0，滿足壓力控制精度的要求。

圖8 PID校正后的系統控制壓力誤差曲線 圖9 節流口大小對系統性能的影響 圖10 干擾信號對系統性能的影響

由于泵在工作過程中會產生壓力脈動，可以采用在泵出口串聯可調節流口的方式來減小壓力脈動。但可調節流口的大小可能對系統的性能有影響。在實際工作過程中會存在一定的干擾信號，也可能會影響為系統的性能。設定控制壓力為1 MPa，干擾信號幅值±0.1 V，進行仿真，獲得不同大小的節流口和干擾信號對系統性能的影響，如圖9和圖10所示。圖9和圖10中，y1、y2、y3分別對應節流口直徑Φ5.5 mm、Φ4.5 mm、Φ3.5 mm。從圖9中可以看出，隨著節流口孔徑的縮小，達到控制壓力所需要的時間在增加，系統的響應時間變長。從圖10中可以看出，在加入干擾信號后，系統的控制壓力出現波動，系統的穩態特性發生改變，會增大系統的穩態誤差。

4 結論

對于沖洗機的壓力控制系統，在未加入PID控制器對系統校正時，系統的穩態誤差較大，并且誤差會隨著控制壓力的增大而增大。在加入PID控制器對系統校正后，系統壓力控制精度得到提高，能夠滿足規定的要求。

用于抑制泵壓力脈動的可調節流口的大小和干擾信號對系統的性能會產生影響。節流口的孔徑不能設置太小,過小的節流口會增加系統的響應時間。而干擾信號會對壓力控制精度產生一定的影響。