2009年2月第37卷第2期
机床与液压
MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CS
Feb 12009
Vol 137No 12
收稿日期:2008-03-10
作者简介:谭宗柒(1957—),男,重庆人,硕士生导师,研究方向为流体传动与控制。电话:139********,E -mail:
zqtan@ctgu 1edu 1cn 。
基于A MESim 的深度模拟器液压系统设计与仿真
谭宗柒,戴浩林,汪云峰
(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌443002)
摘要:以深度模拟器液压系统为研究对象,建立了该系统基于AM ESi m 下的仿真模型;为满足系统响应迅速和高精度的要求,采用了P I D 控制策略对系统的动态响应进行了仿真。仿真结果表明通过对系统参数的合理选择能够使系统具有较高的精度。仿真模型的建立为深度模拟器的设计提供了重要的理论依据。
关键词:深度模拟器;计算机仿真;AMESi m 中图分类号:TH137 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2009)2-150-3
D esi gn and S i m ul a ti on of Hydrauli c D epth S i m ul a tor Ba sed on AM ES im
T AN Zongqi,DA I Haolin,WANG Yunfeng
(China Three Gorges University,Yichang Hubei 443002,Chian )
Abstract:The hydraulic syste m of dep th si m ulat or was researched,the si m ulati on model of the syste m was set up based on AMESi m ;I n order t o meet the require ment of high s peed of res ponse and high contr ol p recisi on,P I D strategy was used .The si m ula 2ti on results of the syste m indicate that with app r op riate para meter the syste m can fulfill the demands of the app licati on .
Keywords:Dep th si m ulat or;Computer si m ulati on;AM ESi m
液压深度模拟器是水下运动体控制系统仿真中的关键设备之一,由仿真主控计算机控制运行,产生要求的压力输出,用以模拟水下运动体在不同水下深度航行时所承受的水压。深度模拟器是一个电液压力伺服系统,系统通过控制伺服阀的开合实现密闭工作腔的进出油,进而控制该腔的压力值。新型深度模拟器具有深度范围大、动态响应快、精度高等特点。通过液压系统仿真软件AMESi m 的仿真分析,表明所建模型具有较高的精度。
1 深度模拟器的组成与工作原理
深度模拟器是模拟物体在不同水深条件下运动时所承受水压的压力输出装置。其工作原理是利用给定的压力输入信号,通过自动控制系统,控制压力产生装置输出相应的压力。该模拟器由两部分组成,一为控制系统,是该装置的计算机控制部分;一为液压系统,是该装置的液压油源和电液转换执行部分,用于实现信号到压力的转换。其主要组成
及原理图见图1[1]
。
图1 深度模拟器原理图
反馈传感器是影响系统精度的重要因素,本系统在压力输出通道上采用大、小量程不同的2个传感器。大量程传感器的压力范围是7MPa,综合补偿011%,绝对误差017m;小量程传感器的压力范围是115MPa,耐压可达715MPa,综合误差0105%,绝对误差0108m 。通过软件拟合,在高压力时采用大传感器反馈值,在低压力时采用小传感器反馈,可以使深度模拟器既具有650m 水深压力的工作范围,同时在小深度时保持较高精度,从而解决了深度模拟器在深浅水域连续工作时在浅水段仿真误差相对较大的问题。
2 液压系统组成
深度模拟器的液压系统主要由油箱、电动油泵、滤油器、板式溢流阀、控制阀、压力表和压力传感器等液压元器件组成,其组成与工作原理如图2所示
。
图2 液压系统组成与工作原理图
从图2可以看出,控制阀是液压系统的核心部件,也是控制系统的控制对象。控制系统采集压力传感器的反馈压力,根据控制模型产生压力输出控制信号,加载到控制阀上,调节控制阀的阀芯开度和液流方向,从而得到指定的液压压力。
节流阀在系统中的作用是除了溢流流量外允许系统中存在一个小流量通过伺服阀,这个小流量在系统输入信号较小时会使系统建立不了需要的压力,使得比较器计算后的偏差较大,从而伺服阀的驱动电流就会大于零位区(±5%额定输入电流)电流,这样就使伺服阀的工作区越过零位区,从而减小内漏、滞环等因素的影响,增加了系统的稳定性。
3 系统模型的建立
311 仿真环境
为了对深度模拟器的液压系统进行仿真,本文作者以AMESi m软件为平台[2],其自带的HCD(Hy2 draulic Component Design)库中包含多种液压元件及流体结构的基本组成元素,可以按照实际情况来组装所需的特殊结构,提高了设计的灵活性。
312 仿真模型建立
在AMESi m仿真平台上建立图3中所示的液压系统。考虑到AMESi m液压库中现成的溢流阀模型过于简化,不能体现出溢流阀的动态响应,故运用软件自带的HCD
库建立了溢流阀模型。
图3 仿真模型
4 仿真结果及分析
411 系统响应能力与频响特性
对系统在调定压力为10MPa条件下进行615MPa (水深约650m处)与011MPa(水深约10m处)的阶跃响应仿真,起始压力均为0。仿真参数工况设置见表1。图4(a)中615MPa阶跃响应在0102s内上升到系统要求的精度范围(≤3125m)内,图4(b)中011MPa阶跃响应在0116s内上升到精度要求范围内。
表1 系统响应能力与频响特性仿真工况参数设置
参数系统调定压力/M Pa节流开度/mm起始时刻/s终止时刻/s K p/K i/K d线性化时刻/s 图4(a)工况100155110112/66/0100188—
图4(b)工况100155110112/66/0100188—
图5工况100155110112/66/0100188
10
图5中所示为615MPa压力阶跃响应在第10s时刻对系统进行线性化所得到的Bode图,在响应频率为10Hz时系统的幅值衰减为1131dB,相位滞后为14°。在幅值衰减为3dB时系统对应的频率响应为170Hz,相位滞后为90°时的频率响应为120Hz。412
典型工况系统响应
图6 典型工况时间响应(15Hz)
依据系统的工作要求,系统应能够在设定的工作深度产生阶跃、正弦、方波、锯齿波、斜坡等形式的压力输出信号。图6所示的曲线图分别是系统在压力为3MPa(水深300m处)的正弦、方波、锯齿波、斜坡输入的时间响应。其它仿真参数见表2。
?
1
5
1
?
第2期谭宗柒等:基于AMESi m的深度模拟器液压系统设计与仿真
表2 典型工况仿真参数设置
参数系统调定压力/M Pa
节流开度/mm
输入信号频率/Hz 输入信号幅值/M Pa
K p /K i /K d
图6工况
10
0155
15
20
112/66/0100188
图6中得到的四种工况的时间响应是在随机的
P I D 参数情况下得到的仿真结果,从图中可见,在该组P I D 参数下曲线振荡较小。这也说明若引入控制策略,对P I D 参数进行适时的调节可以得到更好的响应性能。
413 系统调定压力对响应的影响
系统的主要输出是压力信号,伺服阀是控制该输出信号的关键元件,其正常工作会对流经的液压油产生较大的压降,因此要求系统压力在一定程度上高于输出压力。图7所示的是起始时刻为1s,幅值为615MPa 的阶跃响应,仿真时的系统调定压力区间为7～13MPa,其它参数与图6工况相同。通过AMESi m 软件的批处理功能绘制了不同压力下系统的阶跃响应曲线。从图中可以看出,系统压力为7MPa 时阶跃响应的最大压力只能达到612MPa,即系统的调定压力为7MPa 时不能全范围满足工作要求。同时,随着系统调定压力的增大系统的响应能力增强,且在调定压力大于10MPa
以后系统输出出现超调。
图7 不同系统压力的阶跃响应
414
节流阀开度对响应的影响
图8
图8、9所示是系统对起始时刻为1s,幅值为
615MPa 阶跃信号的瞬态响应和稳态值与设定信号的对比(设定值与响应值),由图8、9可以看出,系统中设置节流阀能够有效地降低系统的超调量并提高
系统的稳态精度。
图9
但是节流阀的开度过大会导致伺服阀在正常工作区时系统也同样建立不了压力,所以节流阀的开度应该在适当的范围内进行调节。图10所示阶跃响应的节流阀开度的等效孔径区间为0135～0185mm,其它仿真参数与图6工况相同。从图中可知,等效孔径为0185mm 时系统输出压力为613MPa,
不能满足要求。
图10 不同节流阀开度等效孔径的阶跃响应
5 结论
通过对液压系统主要元件性能参数的分析,在AMESi m 软件平台上建立其仿真模型,并对系统的响应能力与频响特性、节流阀开度与系统调定压力对系统响应的影响以及典型工况下的系统响应做了仿真研究。得出以下结论:
(1)系统在合理的工作参数下能够输出011～615MPa 压力信号;
(2)依据工况,选用适当的P I D 调节参数能够达到≤015%FS 的稳态精度要求;
(3)压力变化快速响应能力能够满足≥80m /s 的性能要求;
(4)系统频响特性能够满足≥10Hz (幅值衰减
不大于3dB,相位滞后不大于90°
)的性能要求,并存在一定余量;
(5)系统工作过程中需按工况调节系统压力
(下转第200页)
图1 叉车工作部分液压系统原理图
叉车工作部分液压系统原理图如图1所示。根据
原理图分析故障机理,形成以升降无力或不能起升为顶事件的故障树如图2所示,其中T 为顶事件,E 为中间事件,X
为底事件。
图2 升降无力或不能起升故障树
图2中所列底事件中X1:升降液压缸活塞密封
不良,内泄较大;X2:活塞杆拉毛别劲;X3:油温
过高,粘度下降,内泄增加;X4:油箱损坏,密封不严,导致外泄;X5:液压泵损坏;X6:滤油器损坏;X7:油箱油量不足;X8:溢流阀卡死在打开位置;X9:单向阀卡死在小开度或关闭位置;X10:单向节流阀卡死在小开度或关闭位置;X11:液压油管管接头漏油;X12:多路换向阀3阀体阀芯磨损严重,内泄增大;X13:多路换向阀3阀体之间的O 型密封圈破损或漏装,造成漏油。
3 故障排查及诊断
根据所列故障树底事件,升降无力或不能起升故障共有13个。按照本文所述方法进行故障排查及诊断。
第1步:观察叉车其它系统是否正常工作,加限制条件,缩小诊断范围。通过观察发现,门架前倾、后倾均正常。因此,E3和E4中的一部分油路故障(升降和倾斜共用的油路)可排除,即底事件{X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9}均可排除,故障原因缩小在{X1,X2,X10,X11,X12,X13}中。
第2步:利用观察法,进一步缩小诊断范围。检查油管管接头是否漏油,只需检查倾斜和升降不共用部分油路的管接头。故障原因缩小在{X1,X2,X10,X12,X13}中。
第3步:根据液压元件平均失效率,确定底事件的排查顺序。常用液压元件百万小时的平均失效率如表1所示。根据表1,剩余底事件发生概率从大到小顺序为X12,X10,X13,(X1+X2),因此确定排查顺序为换向阀、单向节流阀、升降液压缸。按照以上分析结果,依次拆检了故障元件,发现单向节流阀卡死在关闭位置。经过研磨、清洗后,故障排除。
表1 常用液压元件百万小时的平均失效率元件名称液压泵
油箱
滤油器
O 型密封圈
溢流阀
单向阀
液压缸
换向阀
平均失效次数/106h
1315
115
018
0102
517
510
01008
1110
4 结论
故障树分析法是一种逻辑性强、直观形象的可靠性分析方法,通过故障树分析过程可以透彻了解系统,找出系统薄弱环节,以便改进系统设计、运行和维修,并用于培训和指导系统运行维护人员。液压系统其它类型故障可以采用同样方法建立故障树,然后将它们进行组合建立故障树,列出液压系统全部故障原因,有助于掌握液压系统故障规律和特征。故障树分析理论可以进一步将常规的故障诊断方法和计算机技术有机地结合起来,形成专家系统,为液压系统进行更有效的故障诊断。
参考文献
【1】徐声钧.液压设备液压故障诊断技术教程[M ].武
汉工业大学出版社,1990.
【2】张龙,熊国良,等.机床液压系统故障树分析[J ].
机床与液压,2005(2):170.【3】史纪定,嵇光国.液压系统故障诊断与维修技术
[M ].北京:机械工业出版社,1990.
(上接第152页)
(715～14MPa )与节流阀开度(0135～0175mm );
基于AMESi m 模型的仿真为深度模拟器液压系统的设计提供了参考。
参考文献
【1】万亚民,康文钰,沙琪.高性能深度模拟器控制系统
研究[J ].鱼雷技术,2002(9).【2】刑科礼,冯玉,等.基于AMESi m /Matlab 的电液伺服
系统的仿真研究[J ].机床与液压,2004(10).