AMESim仿真軟件在電液伺服系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

曾億山，張 濤，虢 銳，高文智

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

“液壓伺服系統(tǒng)”課程中涉及到了眾多元件和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，這些函數(shù)形式復(fù)雜，簡(jiǎn)化過程十分復(fù)雜，學(xué)生理解難度較大，難以留下深刻印象。以力反饋兩級(jí)電液伺服閥為例，其傳遞函數(shù)涉及到許多復(fù)雜的電壓方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析、傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化、估計(jì)頻寬時(shí)，若單是進(jìn)行理論推導(dǎo)，不僅理解難度大，還會(huì)大大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。因此，在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)之上，引入AMESim軟件進(jìn)行仿真，在判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，通過軟件畫出其力反饋回路伯德圖，能使學(xué)生更直觀地理解其穩(wěn)定條件。而在傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化時(shí)，通過軟件設(shè)置不同的固有頻率，能更清楚地展現(xiàn)其傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化的結(jié)果。

1 軟件簡(jiǎn)介

AMESim軟件能為多個(gè)領(lǐng)域提供由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的仿真平臺(tái)[1]。用戶可在此平臺(tái)上建立復(fù)雜的、多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方正計(jì)算和深入分析，同時(shí)，也可以在此平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能。其模型是基于系統(tǒng)的物理模型建立的，這可以使一般用戶不必經(jīng)歷復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模過程，而是通過物理機(jī)理直接搭建模型，使仿真操作變得簡(jiǎn)單。在子模型模式下給每個(gè)元件設(shè)置不同的子模型以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際要求定義工作參數(shù)，然后進(jìn)行仿真，完成對(duì)系統(tǒng)或元件的模擬[2]。

AMESim用戶界面如圖1，主要包括主窗口、主菜單、工具欄、和右側(cè)的元件庫。在草圖模式下，通過拖拽右側(cè)元件庫中的圖標(biāo)，用戶可以自由搭建自己所需要的模型，此外，通過“幫助—實(shí)例幫助”可直接使用軟件中建立好的模型。在子模型模式下選擇不同子模型，軟件將為元件分配相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在參數(shù)模式下可以對(duì)每個(gè)元件的細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在運(yùn)行模式中可以運(yùn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理。

圖1 AMESim用戶界面

2 AMESim力反饋兩級(jí)電液伺服閥仿真建模

雖然在諸如“液壓伺服系統(tǒng)”、“液壓與氣壓傳動(dòng)”等許多工程設(shè)計(jì)中都可以用到AMESim軟件，但目前課程教學(xué)中該軟件的應(yīng)用較少[3]，若將其加入到這些課程的教學(xué)之中，既能更為方便的驗(yàn)證結(jié)論的正確性，使學(xué)生們對(duì)課程結(jié)論留下更加深刻的印象，同時(shí)也可以給原本枯燥的理論推導(dǎo)帶來一些趣味性，提高學(xué)生們的積極性，促進(jìn)學(xué)生們的學(xué)習(xí)。

2.1 力反饋兩級(jí)電液伺服閥簡(jiǎn)介

力反饋兩級(jí)電液伺服閥由于擋板和銜鐵均在中位附近工作，線性好。對(duì)力矩馬達(dá)的線性要求也不高，可允許滑閥有較大的工作行程。常見的力反饋兩級(jí)電液伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。圖中N和S分別為永磁鐵的北極和南極，Ps為供油壓力，PL和PL分別為負(fù)載負(fù)載的壓降和流量。其第一級(jí)液壓放大器為雙噴嘴擋板閥，通過永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)控制，第二級(jí)放大器為四通滑閥，閥芯的位移與銜鐵擋板組件通過反饋桿相連，共同構(gòu)成滑閥位移力反饋回路。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖

滑閥位移力反饋回路的工作原理：沒有電流輸入時(shí)，由于反饋桿的約束，閥芯處在中位，有控制電流通過時(shí)，產(chǎn)生的電磁力矩使銜鐵板組件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使反饋桿變形[4]。噴嘴擋板閥兩端間隙產(chǎn)生變化，滑閥兩腔產(chǎn)生壓差，閥芯左移。閥芯左移使反饋桿形變產(chǎn)生的力矩與電磁力矩趨于平衡。閥芯左移過程中，擋板閥左右間隙趨同，滑閥閥芯兩端壓差減小，各力平衡時(shí)，閥芯停止運(yùn)動(dòng)。閥芯的位移與控制電流成比例，在負(fù)載壓差一定時(shí)，閥輸出的流量與控制電流也成比例。其傳遞函數(shù)方塊圖如圖3所示。

圖3 傳遞函數(shù)方塊圖

由圖3可見，力反饋兩級(jí)電液伺服閥的方塊圖主要包含兩個(gè)反饋回路，主要回路是滑閥位移的力反饋回路，次要回路是作用在擋板上的壓力反饋回路?？梢娏Ψ答亙杉?jí)電液伺服閥的傳遞函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，若是只進(jìn)行理論推導(dǎo)的話，將給學(xué)生帶來較大的理解難度和記憶難度。引入AMESim仿真輔助教學(xué)可以較好地解決這個(gè)問題。

2.2 力反饋電液伺服閥AMESim仿真

在AMESim軟件中打開力反饋兩級(jí)電液伺服閥的實(shí)例，其模型如下圖4，模型中包含有力矩馬達(dá)部分，先導(dǎo)閥部分，主閥部分，以及反饋桿、彈簧管等元件，此模型很好地還原了力反饋兩級(jí)電液伺服閥的數(shù)學(xué)特征[5]。同時(shí)此模型可在AMESim軟件（幫助—實(shí)例幫助）中直接獲取，操作方便，可在課堂中直接應(yīng)用。

圖4 AEMSim力反饋兩級(jí)電液伺服閥模型

3 AMESim在力反饋電液伺服閥教學(xué)中的應(yīng)用

在建立好力反饋電液伺服閥的AMESim仿真模型后，將其應(yīng)用到力反饋回路穩(wěn)定性分析和電液伺服閥傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化的教學(xué)中，在運(yùn)行模式下進(jìn)行仿真并利用AMESim軟件強(qiáng)大的后處理能力繪制相應(yīng)的曲線或圖表，更為生動(dòng)地展示課本中的結(jié)論，降低學(xué)生的理解難度。

3.1 在力反饋回路穩(wěn)定性分析教學(xué)中的應(yīng)用

力反饋伺服閥的穩(wěn)定性分析包括壓力反饋回路的穩(wěn)定性分析和力反饋回路的穩(wěn)定性分析兩部分，其中壓力反饋回路的穩(wěn)定條件一般情況下很容易得到滿足[6]，不是本次分析的主要對(duì)象。而力反饋回路的穩(wěn)定性條件為Kvf＜2ξmfωmf[7]，在教學(xué)中，通過分析銜鐵轉(zhuǎn)角與擋板位移之間的關(guān)系、滑閥的動(dòng)態(tài)特性、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方程以及作用在擋板上的力反饋等一系列物理過程并將之簡(jiǎn)化才能得到上述結(jié)論。此過程較為繁雜，并且完成純理論推理后學(xué)生也較難記住結(jié)論，若在推理過程成加入AMESim仿真來驗(yàn)證或者輔助推理，將會(huì)使原本繁雜的過程別的清晰，同時(shí)也利于提高學(xué)生的積極性。

比如在滑閥動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)化時(shí)，由于滑閥的固有頻率遠(yuǎn)大于銜鐵擋板組件的固有頻率，可忽略滑閥的動(dòng)態(tài)，將其視為比例積分環(huán)節(jié)。但這樣的純理論推導(dǎo)難以給學(xué)生們留下印象，在課堂上引入AMESim軟件既可以驗(yàn)證簡(jiǎn)化假設(shè)的正確性，同時(shí)也能讓學(xué)生們對(duì)此結(jié)論留下更深刻的印象。運(yùn)用前文所述的仿真實(shí)例，將噴嘴擋板的位移狀態(tài)設(shè)置為control（即控制狀態(tài)），將主閥的位移狀態(tài)設(shè)置為state observer（即觀測(cè)狀態(tài)），運(yùn)行仿真，可得到噴嘴擋板到閥芯位移的幅頻特性圖，如下圖5所示，觀察曲線，不難看出其具有積分環(huán)節(jié)的特征。

圖5 擋板到閥芯位移幅頻特性圖

與之相同的，在驗(yàn)證力反饋回路穩(wěn)定性條件時(shí)，運(yùn)行仿真，設(shè)置力矩馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為力反饋回路的輸入，滑閥位移為輸出，直接按照AEMESim實(shí)例中的參數(shù)來運(yùn)行仿真，得到力反饋回路的開環(huán)伯德圖，可見存在一諧振峰值，嘗試改變力反饋回路的開環(huán)放大系數(shù)，當(dāng)諧振峰值超過零分貝線時(shí)，系統(tǒng)不再穩(wěn)定，可驗(yàn)證此時(shí)Kvf≥2ξmfωmf。在簡(jiǎn)化其他環(huán)節(jié)時(shí)也可以按此操作，以方便學(xué)生們理解和分析。

3.2 電液伺服閥傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化教學(xué)中的應(yīng)用

在對(duì)伺服閥整體傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化的時(shí)，可以將伺服閥用一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)來表示。與前述穩(wěn)定性分析時(shí)相同，如果僅用純理論推導(dǎo)，有較大的理解難度和記憶難度。引入AMESim仿真來驗(yàn)證結(jié)論以加深印象。

將輸入電流狀態(tài)設(shè)置為control（即控制狀態(tài)），閥出口流量狀態(tài)設(shè)置為observer（即觀測(cè)狀態(tài)），不改變實(shí)例參數(shù)，運(yùn)行仿真，得到空載流量關(guān)于伺服閥輸入電流信號(hào)的伯德圖，如下圖6。觀察伯德圖的曲線，很明顯看出，此伯德圖具有二階振蕩環(huán)節(jié)的特征[8]。

圖6 輸入電流到空載流量的伯德圖

在后續(xù)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化時(shí)，只需改變伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率，按照相同的操作，可得到不同情況下伺服閥傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化結(jié)果。

4 結(jié)語

以力反饋電液伺服閥這一教學(xué)環(huán)節(jié)為例，在力反饋回路穩(wěn)定性分析和電液伺服閥傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化的教學(xué)過程利用AMESim軟件來分析系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)論?？梢钥吹剑谡n程中引入AMESim軟件輔助教學(xué)，能夠使學(xué)生們對(duì)原本復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型有一個(gè)更為直觀的認(rèn)識(shí)，使繁雜枯燥的純理論分析更加生動(dòng)，平衡其難度，降低學(xué)生們的理解難度。后續(xù)可將軟件引入到諸如控制工程基礎(chǔ)、液壓與氣壓傳動(dòng)等更多相關(guān)課程的教學(xué)當(dāng)中。