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1、2010 年第 11 期 液压与气动基于 A MESim 仿真的液压系统参数耦合研究 李毅，谷立臣Study on the para meters coupli ng of hydrau lic syste mbased on AMES m i sm i u l ati onLI Y , i GU L-i che n(西安建筑科技大学 机电工程学院,陕西西安 710055摘要：该文提出了基于 AMES i m 的液压系统动态仿真的方法，从理论上研究 电动机 齿轮泵负载模型的机电液耦合关系，通过调节比例溢流阀电流来模拟液压 系统负载变化，分析了负载变化与电动机参数和 液压系统参数的变化关系，并在
2、液 压动力系统实验台上进行加载和卸载实验，将仿真结果与实验结果进行了 对比分 析。关键词:AMES i m ;液压系统；仿真；耦合中图分类号:TH 137 文献标识码:B 文章编号:1000-4858(2010 11-0019-04.、八、-刖言目前，冶金、矿山及工程建设等领域的大型设备都 采用液压传动及控制技术，而液压传动及控制技术发 展至今，已成为一门融液压、 微电子、传感检测、计算 机控制等技术于一体的综合性学科，具有显著的机电液 一体化特征。随着自动化 程度的不断提高，这类设备 的结构和信息传递过程越来越复杂。因而，对机电液一 体化系统故障的预测、 早期预防和诊断已成为亟待解决的技术难
3、题。 液压动力系 统是一种典型的机电液 系统，建立液压动力系统的模型，并利用该模型研究系 统的 机电液参数耦合规律，对于液压动力系统的设计 具有重要价值，也为液压 动力系 统的故障诊 断提供参考。AMES i m 软件是由法国某公司推出的专门用于液 压/机械系统建模、仿真及 动力学分析的优秀软件，该软件不要求用户具备完备的仿真专业知识，采用面向系 统原理图建模的方法，便于工程技术人员掌握和使用。本文根据液压动力试验台的工作原理,采用 AMES i m 软件建立了液 压动力试验台的仿真模型，并进行动态仿真，分析了液压动力试验台的耦合关系，为液压系统监测和诊断研究提供一定的参考依据。1 液压动力系
4、统实验台简介液压动力系统主要由电动机、齿轮泵、电磁溢流 阀、蓄能器、电磁换向阀、液压马达和比例溢流阀组成，本文研究的液压动力系统实验台如图 1 所示。1.油箱 2.过滤器 3.截止阀 4.齿轮泵 5.电动机6.电磁溢流阀 7.压力表 8、14.截止阀 9.蓄能器10、15.组合传感器 11.电磁换向阀 12.液压马达13.比例溢流阀 16.散热器图 1 液压动力系统实验台原理图收稿日期:2010-05-10基金项目：陕西省自然科 学基金资助项目（50575168 作者简介：李毅（1984 ,男，陕西西安人，硕士，主要从 事液压系统机电液控制方面的科研工作。齿轮泵 4 通过电动机 5 驱动，其输
5、出压力通过三 位四通电磁换向阀 11 进入液 压马达 12 使其运转，经过比例溢流阀 13 流回油箱。通过改变电磁换向阀 11 193液压与气动 2010 年第 11 期的进油方向，实现马达 12 的正反转。通过改变比例溢 流阀 13 控制电流的大小,从而控制阀口开口度,实现 负载的模拟。2 机电液参数耦合机理分析电动机的电磁转矩方程为：pL m (i T i m -i M i t (1式中 L m 定转子相绕组之间的互感 i M,i T 电动机定子电流分量 i m,i t 电动 机转子电流分量 p 电动机磁极对数电动机的转子运动方程为：J e p d rd t=T M -T L (2式中 J
6、e 电动机转子的转动惯量p 电动机磁极对数r 转子的电角速度T M 电动机产生的转矩TL 电动机的负载转矩齿轮泵的理论输入转矩为：T i =pV i (3 式中 p 液压泵的出口压力差Vi 液压泵的理论排量由式(1 (3 分析：液压系统的负载决定齿轮泵 出口压力，当油压升高时，通过 机电耦合，使电动机定、转子电流增加；当油压降低时，通过机电耦合，使电动机 定、转子电流减小。如果液压泵发生故障，会使液压 泵的压力、效率、流量发生 变化，同时通过机电耦合，影响电流变化；若电动机发生故障(如短路、断条等，必使其电感发生变化，再导致电流变化，也会通过机电耦 合，影响油压变化。3 液压动力系统模型建立利
7、用仿真建模软件 AM ES i m ,在机械库、信号和控制库、液压库和电学库 中选取适当的模型，建立液压动 力系统机械和液压仿真模型。如图 2 所示。电动机的电压为 510V,频率为 50H z ,极对数为 2,转动惯量为 0. 07kg m 2 液压 马达排量为 50mL /r,溢流阀设定压力为 8MPa ,马达排量为 1000m L /r,比例溢流 阀模拟加载,压力从 1M Pa 缓慢增加到 7MPa ,模拟卸载，压力从 7M Pa 减小到 1M Pa。4 仿真结果和分析液压系统工作时I LJ通过增加比例溢流阀的设定压图 2 液压动力系统仿真模型力，使系统压力增大，模拟马达连续加载；通过减
8、小比 例溢流阀的设定压力, 使系统压力降低,模拟马达卸载。液压系统启动后，给换向阀一个固定信号使其左 位接通，马达空转，1s 后系统 开始加载,模拟负载的压 力在 6s 内从 1MPa 增加到 7MPa ,在 7s 到 9s 保持模拟负 载 7M Pa不变,9s后到 15s 模拟负载压力从 7 M Pa 减小到 1MPa。仿真时间为 15s。仿真结果如图3、图 4时间冉HldiCrAWEriMI所示。图 3 电动机电压和电流信号变化曲线图 4 液压系统压力和流量变化曲线202010 年第 11 期 液压与气动用比例溢流阀模拟系统加载和卸载过程，同时监测电动机电压、电流信号，液压系统压力、流量信
9、号Afe由图 3 中电流信号变化可知,在（01 s 电动机是空载启动，当电动机启动的瞬时，电动机的电流非常大,经过 0. 3s 左右达到稳定状态。当负载从 1s 开始增大时，电动机的电流相应的增大，到 7s 时负载稳定，电动机的电流也趋于稳定。当负载稳定运行 2s 后，从第 9s 负载开始减小，电动机的电流也相应的较小。在负载加载和卸载的过程，电动机的电压变化不明显，趋于恒定，而电流的变化与负载的变化趋势基本一致。由图 4 中流量变化曲线可知，液压系统流量在电 机启动瞬间达到最大值，在 0.3s 左右有明显的流量 波动,然后趋于稳定。当系统 从（17 s 加载的时 候,液压系 统的流量减小，变
10、化比较缓慢。当负载稳定 时，流量基本稳定。当负载稳定运行 2s 后，从第 9s 负载开始减小，流量缓慢增大。由图 4 中压力变化曲 线可知，当电动 机启动瞬时，系统压力波动非常大，随着系统的稳定压力也稳定下来。加载的时 候压力升 高，卸载的时候压力下降，而且趋势很明显。从图中还 可以看到，压力升 高，流量减小；压力降低，流量增大，压力和流量的变化趋势始终相反。对比图 3 中电流信号与图 4 中液压系统压力信号 可以看到，模拟负载的变化引 起液压系统压力的变化，压力的变化又引起电动机电流的变化，而且变化趋势 基本 一致，为液压系统机电液耦合研究提供理论依据。 5 液压动力系统实验5. 1 实验内
11、容系统加载和卸载实验。如图 1 所示，电磁溢流阀 6 的设定压力为 8M Pa ,比例 溢流阀 13 的压力从 1MPa 增加到 7M Pa ,模拟负载加载,从 7MPa 增加到 1M Pa , 模拟负载卸载。电动机 5 启动，运行稳定后，用霍尔传 感器采集电动机的电流和电 压信号,组合传感器 10 的液压系统压力和流量信号,通过 CRAS 数据采集箱,将 采集的信号传递到 CRAS采集分析软件进行信号的采集和分析。5. 2 实验结果和分析本实验将液压系统加载和卸载的实验结果进行分析，实验结果如图 5、图 6 所 示。如图 5 载荷变化时电动机电压和电流变化情况可 知，增大比例溢流阀的压力，电
12、动机的电流缓慢增大；减小比例溢流阀的设定压力，电动机的电流信号缓慢减 小，电动机的电压在加载和卸载过程中没有明显变化。图 5 电压和电流信号变化曲线图 6 压力和流量信号变化曲线由图 6 可知，比例溢流阀模拟负载加载时，系统压力升高，流量减小；比例溢 流阀模拟负载卸载时，系统压力下降，流量增大。由于系统内部保持一定压力，所 以当压力降到 2M Pa 时，变化趋势就变得非常缓慢。伴随负载的减小，系统流量缓 慢增加，而且系统的压力和流量变化趋势相反。6 结论将液压动力系统仿真结果与实验结果进行对比，得出以下结论：(1 液压动力系统实验与仿真结果进行了对比，其结果的一致性证明了仿真模型 正确，从而说
13、明液压 动力系统得到的仿真结果可信；(2实验证明,运用 AM ESi m 软件对液压系统进 行仿真研究是一种有效的手 段，在电动机 齿轮泵负载仿真模型上分析系统的机电液耦合情况和变化规律有重要的实际意义，为液压系统的状态监测和故障 诊断提供理论依据；(3 通过 AM ES i m 建模仿真可以分析解决工程实 际问题，与仿真结果做对比 分析，明确实际系统或方案 的不足，能够有针对性地进行改进。参考文献1 马玉基于电流信号的液压设备 状态监测方 法研究D .西安：西安建筑科 技大学,2005.21丄n电动机电压-500J.丄468时间z/ms1012xlO4-66时间msxlO4时间r/ms液压与
14、气动 2010 年第 11 期2 张传才.液压动力系统建模与实验研究D .西安：西安建筑科技大学，2002.3 马玉，谷立臣.基于电流信号的液压设备状态监测技术研究J.液压与气动,2005, 30(7.4 王益群，张伟.流体传动及控制技术的评述J.机械工程学报，2003.39(10.5 王楠，谷立臣.霍尔传感器状态监测电路的设计及其应用J.中国测试，2009, (9.苏东海,于江华.液压仿真新技术 AM ES i m 及应用J.计算机应用技术,2006, 33(11 :35-37.7 余佑国,龚国芳,等.AM ES i m 仿真技术及其在液压系统中的应用J.液压气动与密封,2005, (3:2
15、8-31.8 刘海丽,李华聪.液压机械系统建模仿真软 件 AM ES i m 及其应用J.机床与液压，2006, (6:124-126.9 秦家升,游善兰.AM ESi m 软件的特征 及其应用J.工程机械,2004, (12 :23-25.10 万理想，丁保华，周洲，徐军.基于 AM ES i m 和 S i m uli nk 的液压伺 服系统动态仿真J.煤矿机械，2007, (9.基于模糊自适应 PID 的直驱式容积控制电液伺服系统性能的研究秦二卫，刘军龙，姜继海，黄铮The researc h on DDVC servo syste m based on f uzzy adapti ve
16、 PI D Q I N Er -w e, iLI U Jun -long , JI A NG J-i ha, i HUANG Zheng（哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150001摘要：针对直驱式容积控制电液伺服系统的大时滞、非线性等因素制定了模 糊自适应PI D 控制器，并进行了相应的试验研究，研究结果表明，该控制器实现了 良好的控制效果，较好地改善了直驱式位置伺服系统的性能。关键词：直驱式容积控制；电液伺服系统；模糊自适应 PI D中图分类号：TP273. 4 文献标识码：B 文章编号：1000-4858（2010 11-0022-04.、八、-刖言直接驱动容积控制电液伺服系统（DDVC
17、,是交流伺服电机技术和变频技术在 液压领域中的成功应 用。这种新型的伺服系统既具有电机 易于控制的特 点，又结 合了液压出力大的特点，而且因为没有节流溢 流损失，其能量的利用率较高，在一 定的场合，可以替代传统的阀控式电液伺服系统，达到高效节能的目的 12。传统 PI D 控制器原理简单、实用性强，是工业控制 中应用最为广泛的技术，但对于非线性系统或参数时 变系统，其不能根据系统工况适时进行参数自调整。 直驱式容积控制系统存在起步及转向阶段的大时滞、运行过程中的正反向不对称性以及长期运行时液压油 的非线性，使得传统 PI D 控制器控制效果不理想。为了解决以上问题，本文引入了处理非线性、大时滞、时变系统性能优越的模糊自适应控制，将其与传统 PI D 结合起来构成模糊自适应 PI D 控制器，利用模糊 控制在 线整定 PI D 控制器参数，使控制器既具有模糊 控制灵活且适用性强的优点又具有 传统 PI D 控制精度高的优点,实现了良好的控制效果34。1 直驱式容积控制电液伺服系统直驱式容积控制电液伺服系统控制结构如图 1 所示。由系统控制结构图可以看出系统存在以下几个方面的问题：(1 在系统起步及转向阶段电机本身存在一定的收稿日期：2010-05-01作者简介：秦二卫(1985 ,男,河南郑州人,硕士研究生,主要从事直驱式电液 伺服系统的研究开发工作。22
基于AMESim仿真的液压系统参数耦合研究解读
