基于AMEsim角位置液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)研究

趙吉蛟，王野牧

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

在風(fēng)洞實驗中，攻角的重要位置控制是整個液壓系統(tǒng)完成攻角動作功能的關(guān)鍵部分[1]。它控制液壓馬達的扭轉(zhuǎn)，按照體系給定的位置來實現(xiàn)馬達的扭轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動攻角的轉(zhuǎn)變。而其突出的設(shè)計要求是不僅要保證馬達旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)系統(tǒng)給定位置的獨立精確控制，而且要保證定位精度±3′和每次角度變化間隔300 ms并且不能超調(diào)，還有每次角度變化的停頓時間10 s用來測得需要的實驗參數(shù)。

1 攻角位置液壓系統(tǒng)工作原理

圖1為攻角位置控制液壓原理圖，該系統(tǒng)的組成主要是角位移傳感器、伺服閥、液壓馬達和溢流閥等[2]。輸出位置信號由D/A模塊轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)介y放大控制。伺服閥作為控制元件，通過改變閥芯的開度大小位移，來控制各個系統(tǒng)的流量，實現(xiàn)位置控制，保證液壓馬達的正常工作。定量泵作為動力輸出裝置，提供系統(tǒng)的運作保障[3]。

圖1 攻角位置控制系統(tǒng)液壓原理圖

整個系統(tǒng)動作簡述：液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力油源，上位機發(fā)送設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度指令，控制系統(tǒng)通過控制器控制電液伺服閥開口量，通過伺服閥開口控制液壓馬達旋轉(zhuǎn)速度和定位?？刂葡到y(tǒng)將角度位置值反饋到上位機。

由伺服閥與角位移傳感器及工控機構(gòu)成閉環(huán)位置系統(tǒng)。對于液壓位置閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，角位移傳感器與伺服比例閥構(gòu)成獨立的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足位置控制要求。馬達到達位置后自動形成定位控制，此時伺服比例閥的輸入信號不再增大且保持不變。在滿足位置控制精度的條件下，擬采用計算機控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立控制，不僅使用方便，而且也易于滿足位置控制的精度要求。工控機向伺服閥放大器發(fā)送角位置信號，確保馬達運行。在液壓馬達運行過程當(dāng)中，由工控機的一整套系統(tǒng)隨時檢測液壓馬達的動態(tài)位置。當(dāng)液壓馬達由于某種原因而處于不同位置時，系統(tǒng)將該信號作為新的控制信號進行處理。經(jīng)過控制伺服閥的開口的幅度和大小，來控制液壓馬達的旋轉(zhuǎn)角度[4]。當(dāng)滿足實驗技術(shù)要求時，系統(tǒng)建立了一個新的平衡點，其參數(shù)不變，趨于穩(wěn)定。

2 數(shù)學(xué)模型建立及穩(wěn)定性分析

模型體系的傳遞函數(shù)成立的依據(jù)是3個基本方程：閥的流量方程、馬達流量連續(xù)性方程與馬達與負載的力均衡方程。上述3個方程的3個拉普拉斯轉(zhuǎn)化可以基本形容液壓馬達的動態(tài)特性[5]。3個基本方程的拉氏變換式如下:

傳遞函數(shù)是線性模型，有利于分析穩(wěn)定性。線性模型分析穩(wěn)定性，對我們改善控制系統(tǒng)有很高的指導(dǎo)意義，比如改善某些參數(shù)會提升性能，改變固有頻率，改變阻尼比增大放大倍數(shù)、提高系統(tǒng)壓力等，在線性模型看得更準(zhǔn)。真正工作的時候，通過AMEsim軟件進行動態(tài)特性分析和精度分析，可以更進一步考慮它的真實模型，把非線性因素考慮進去，建立動態(tài)特性模型。接下來就是把建立的所有數(shù)學(xué)模型按照實驗參數(shù)進行系統(tǒng)的計算，計算位置控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，對所得各參數(shù)量進行賦值，得到位置控制系統(tǒng)的BODE圖，如圖2所示，能夠判別該模型是穩(wěn)定的。

圖2 位置控制BODE圖

3 位置控制系統(tǒng)的AMESim模型的建立和仿真

3.1 建立伺服閥仿真模型

如圖3所示，通過設(shè)置和調(diào)整參數(shù)建立閥體模型，根據(jù)實際伺服閥的樣品, 使模型的技術(shù)指標(biāo)非常接近真正的伺服閥,其動態(tài)和靜態(tài)特征與樣品是一致的[6]。

圖3 伺服閥仿真模型

3.2 位置控制系統(tǒng)模型建立

控制系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，此系統(tǒng)作為仿真的重中之重，各環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定尤為重要，適當(dāng)運用批處理功能，進行多個參數(shù)的對比，選出最適合的控制參數(shù)，且要考慮能源消耗的問題，進而采用此模型進行仿真，是本次研究的主要問題。

圖4 液壓位置控制系統(tǒng)仿真模型

3.3 控制系統(tǒng)的仿真

根據(jù)系統(tǒng)輸入信號，使用疊加信號，要考慮實際中的情況，因此后續(xù)的仿真工作需要串聯(lián)一個慣性環(huán)節(jié)控制液壓馬達的輸出。當(dāng)系統(tǒng)輸入輸入信號時，在兩種情況下進行嘗試，分別是有無負載時的液壓馬達的轉(zhuǎn)角，仿真圖如圖5和圖6所示。

圖5 無負載情況下馬達軸的轉(zhuǎn)角仿真圖形

圖6 有負載情況下馬達軸的轉(zhuǎn)角仿真圖形

從以上有無負載轉(zhuǎn)角圖可以看出，無負載情況下馬達軸的轉(zhuǎn)角按照給定位置旋轉(zhuǎn)，而有負載條件下偏差角度為2°，在模型加入PID之后，有無負載對比下可以看出誤差滿足條件，本文中只列舉實驗主要的仿真工作，后續(xù)還會在系統(tǒng)中加入蓄能器、滯環(huán)等等，并且分別運用批處理來對比不同參數(shù)下的結(jié)果，再進行深入研究。

4 結(jié)論

本文通過建立攻角位置閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)AMEsim模型，分析了有無負載情況下的馬達轉(zhuǎn)角和馬達負載的曲線圖，輸入信號還要根據(jù)實際情況進行合理選擇，在控制系統(tǒng)中加入PID校正可以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，采用試湊法的PID控制參數(shù)，可以達到定位精度，實驗沒有理想狀態(tài)，在保證穩(wěn)定性和正確性的前提下，盡量減少系統(tǒng)發(fā)熱，節(jié)約能源。