基于AMESim的0.01 mm液壓位置控制系統研究

張靖雨，王野牧，張日新

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

由于科學技術的進步以及液壓伺服系統的不斷普及，液壓位置控制系統已廣泛應用于工業生產的各個領域[1]。在國際競爭日益激烈的今天，高精度、高質量、高要求成為制造業企業新的追求。而液壓伺服系統作為工業生產設備中關鍵的一員，理應策應制度規范探索更高的控制精度，生產出更高質量的產品。但是對于液壓系統這樣的非線性系統而言，高精度位置控制系統無疑對設計者提出了全新的挑戰[2]。本文以控制精度0.01 mm為目標，研究影響控制精度的因素，并在一定程度上提出更具普遍適用性的方案。

1 0.01 mm位置控制系統建模與仿真

1.1 模型的建立

模擬壓機模墊系統的工作情況，液壓缸豎直放置，外力負載為模具重力，采用控制器、伺服閥、伺服油缸、位移傳感器構成閉環位置控制系統，配合油泵電機組采用離散式PID控制的形式搭建成0.01 mm位置控制系統模型[3]。基于AMESim的0.01 mm位置控制系統模型如圖1所示。

1-位置信號；2-信號放大器；3-PID控制器；4-限位保護器；5-閥分辨率；6-閥滯環；7-二階頻寬；8-閥體結構；9-伺服油缸；10-阻尼孔；11-位移傳感器；12-外力信號；13-油泵電機組；14-溢流閥

針對0.01 mm位置控制采取極端手段，以世界液壓水平最先進技術作為仿真的限定條件，以0.01 mm控制精度作為最終目的，忽略經濟因素，以高精度設備、高系統壓力、低摩擦、快輪詢控制器設定模型參數。模型參數設置如表1所示。

表1 模型參數設置

1.2 仿真分析

仿真得到的伺服油缸位置曲線如圖2所示，局部位置曲線如圖3所示。從圖2、圖3可以看出，位置控制曲線平穩，放大后可以清晰看到曲線在0.01 mm范圍內成鋸齒形波動，滿足控制精度要求。此方案對伺服閥與伺服油缸要求太高，導致經濟成本太高，需要對影響控制精度的因素進行分析并探索合適的控制方案。

圖2 伺服油缸位置曲線

圖3 局部位置曲線

2 影響控制精度因素分析

2.1 比例伺服閥性能對位置控制的影響

比例伺服閥對位置控制精度的影響主要體現在分辨率和滯環上，分辨率精度越高越接近目標值，而滯環越小越接近目標值。以PARKER公司伺服閥(分辨率0.03%，滯環0.05%)與經濟性價比更好的ATOS比例伺服閥(分辨率0.1%，滯環0.1%)進行對比，得到的比例伺服閥分辨率和滯環對位置控制的影響如圖4所示。

圖4 比例伺服閥分辨率和滯環對位置控制的影響

由圖4仿真結果可以得出結論：比例伺服閥分辨率與滯環是影響系統控制精度的重要因素，在高壓力低摩擦的理想條件下，只改變了分辨率與滯環參數，控制精度就達不到技術要求；分辨率0.1%、滯環0.1%的曲線振蕩特點是呈規律性、出現尖點，這種現象往往是液壓系統阻尼比不足或是伺服油缸運動不穩定造成的[4]，若能消除振蕩現象控制效果會好一些。

2.2 系統內泄漏對位置控制的影響

系統內泄漏主要是由伺服閥和伺服油缸造成的，但是隨著制造技術的不斷提高，系統內泄漏量越來越小。內泄漏過大會造成系統響應時間變慢、影響控制精度、能耗增加等，但也會帶來一些好處，比如增加系統傳遞函數中阻尼比等。因此，在對系統響應時間要求不高的實際工程中往往會在液壓缸壓力油路與回油路之間并聯一個阻尼孔以適當增加系統內泄漏，從而增加系統穩定性。阻尼孔尺寸對位置控制的影響如圖5所示。

圖5 阻尼孔尺寸對位置控制的影響

圖5中，對比阻尼孔直徑為0.01 mm與0.1 mm的曲線，位置控制精度并沒有改善反而振蕩加劇；對比阻尼孔直徑為0.01 mm與1 mm的曲線，位置控制精度沒有明顯變化，但是曲線振蕩尖點消失，曲線成周期性波動。所以增加內泄漏并不會直接改善系統位置控制精度，隨著系統內泄漏的增加，系統阻尼比也在隨之增加，且振蕩加劇，當阻尼比穩定性作用逐漸大于泄漏帶來的振蕩作用時，位置控制精度轉好；當阻尼比穩定性作用逐漸小于泄漏帶來的振蕩作用時，位置控制精度轉差。系統阻尼比的提高確實有助于改善系統穩定性，使波動更平穩[5]，但是增加內泄漏量嚴重影響了系統動態特性。由此可見，通過改變內泄漏量提高位置控制精度的辦法并不可行。

2.3 伺服油缸啟動壓力對位置控制的影響

伺服油缸的啟動壓力是指空載情況下推動伺服油缸的最小壓力值。由于受工業制造水平的限制，低啟動壓力伺服油缸需要更高要求的內部元件、更高精度的接觸表面和特殊的密封組件，會成倍增加伺服油缸的制造成本。

降低伺服油缸啟動壓力值可以提高伺服油缸的壓力敏感度和動態響應速度，從而提高控制精度，但是啟動壓力與內泄漏之間存在著必然聯系，與之對應的伺服油缸密封效果相對較差，內泄漏增加，系統穩定性變差。與之相反，適當增加伺服油缸啟動壓力值，雖然犧牲了部分動態響應，卻換取了伺服油缸更好的密封效果和更好的抗干擾能力，提高系統的控制穩定性。

分別將伺服油缸啟動壓力設定為0.02 MPa與0.1 MPa進行仿真，得到伺服油缸啟動壓力對位置控制的影響,如圖6所示。

對比圖6中的兩條曲線可以看出，適當增加伺服油缸啟動壓力曲線更穩定且成規律性變化。這種穩定且規律的曲線波動是我們所期望的效果。

圖6 伺服油缸啟動壓力對位置控制的影響

3 普遍適用性方案

通過上文論述可以得知，伺服閥的分辨率、滯環和伺服油缸啟動壓力對系統控制精度影響較大，一定程度的內泄漏的確可以增加系統阻尼系數使系統穩定性轉好，但是內泄漏的增大也伴隨著對系統穩定性的影響。因此，利用加速度反饋校正的方式提高系統阻尼比，消除分辨率與滯環帶來的不穩定振蕩[6]，適當增加伺服油缸啟動壓力提高其運動穩定性和抗干擾能力。對0.01 mm位置控制系統模型進行調整，建立的加速度反饋校正適用性模型如圖7所示。

圖7 加速度反饋校正適用性模型

將0.01 mm位置控制模型仿真曲線與加速度反饋校正適用性模型仿真曲線進行對比如圖8所示。

由圖8可以看出，加速度反饋校正適用性模型位置曲線控制精度已經達到了0.01 mm，曲線成規律性波動，控制效果良好。

圖8 不同控制方案對比

普遍適用性方案在一定程度上彌補了伺服閥分辨率、滯環對位置控制精度的影響，降低了伺服閥的選型要求。普遍適用性方案中適當提高了伺服油缸啟動壓力，降低了伺服油缸的加工要求。綜上，普遍適用性方案可以達到液壓系統0.01 mm位置控制精度，從根本上降低了系統加工的經濟成本，適用性更強。

4 結論

本文基于AMESim軟件對0.01 mm液壓位置控制系統進行了建模、仿真，分析其主要影響位置控制精度的因素，并提出了適用性更強的方案。通過對影響因素的分析得出結論：閥的分辨率、滯環和伺服油缸的啟動壓力是影響位置控制精度的關鍵因素，適當提高伺服油缸摩擦阻尼并應用加速度反饋校正的方案，可以降低系統諧振提高系統穩定性，彌補伺服閥性能上的不足。