基于AMEsim软件的大负载电液位置伺服系统分析及仿真

　　1 系统结构和工作原理

　　如图1实线部分所示,这是一个阀控缸系统,此系统由油箱、电机泵、液压缸、安全阀、蓄能器、伺服阀组成。控制器为西门子S7-400,根据系统的要求,做一个位置环反馈控制如图中点划线段所示,在外负载处加一个位置传感器反馈到设定信号处,与设定信号作比较,并将这个差值做一个PID调解器处理,在阀前信号处加一个限幅环节,低通滤波环节。

　　2 建立外载力数学模型

　　由于系统是垂直方向放置,所以外负载恒有一个重力;负载由液压缸支撑的同时还有弹簧作用在负载上,则负载还要包括弹簧的伸缩力;同时负载力还有一个摩擦力,它与负载的速度有关,由于这是一个不确定力,简化成当负载速度大于某值时为一常值,速度低于此值时为另一常值,摩擦力的变化是跳变的,在一个周期内摩擦力变化2次。

　　根据上面的分析建立力学模型为:

　　F=mg+(f₁+sign(v,v₀)f₂)+kx 　　(1)

　　其中:F为外负载力, m为质量块质量, f₁、f₂分别为设定好的某一定值, v为负载的速度, v₀为设定的速度比较值, k为弹簧的弹性系数, x为负载的位移,式(1)中等号右边3项分别指代负载重力、摩擦力以及弹簧力。

　　3 基于AMEsim软件的建模及仿真

　　仿真的关键是建模, AMEsmi是一种专门用于液压系统仿真的软件,在AMEsmi中有专门的力学模型库、电路控制库、液压元件库等等,而且这个库还在不断丰富中,通过调用这些封装好的库,设置元件的参数即可完成系统的建模。

　　系统负载为50kN时,给系统一个阶跃和正弦信号,通过观察位移传感器的输出值,由图2可以看到系统具有很好的稳定性和快速性(系统总行程为25mm),图中曲线1为位置反馈曲线,曲线2为设定位置曲线。

　　在负载为100kN时,观察仿真结果如图3所示。图3 负载为100kN时, 1mm阶跃以及1mm/1Hz正弦波由图2、3可以看出由于负载力的变化,使系统在不同的负载力下响应的效果产生变化,出现上图的抖动现象。必须对控制算法进行修正,使之能够适应大负载下的控制。

　　4 控制算法修正

　　由于有变负载力的存在,在负载较大时存在压力脉动,对控制产生影响,必需用新的控制算法补偿这种变化,负载力的变化直接作用是液压缸两端的压力差。对于液压系统而言,中间变量是油路的流量,做出阀的压力-流量方程,这是一个非线性的关系,利用线性化理论对系统进行动态分析,将压力流量线性化,定义流量压力的系数: