引言：
三級(jí)電液伺服閥包括先導(dǎo)閥、功率滑閥、位移傳感器和伺服控制器。筆者根據(jù)三級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理, 運(yùn)用新型仿真軟件AMESim對(duì)其進(jìn)行建模, 依據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的參數(shù)來設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行仿真, 根據(jù)仿真結(jié)果來驗(yàn)證所建模型的正確性, 從而為閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。
摘要: 介紹三級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理, 利用AMESim仿真軟件對(duì)三級(jí)電液伺服閥建模, 依據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行仿真, 仿真結(jié)果驗(yàn)證了建模的正確性, 從而為三級(jí)電液伺服閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。
關(guān)鍵詞: 三級(jí)電液伺服閥; 模型; 仿真
三級(jí)電液伺服閥具有大流量和高響應(yīng)等特點(diǎn), 在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載加載器等高性能設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。但三級(jí)電液伺服閥的關(guān)鍵技術(shù)目前還掌握在少數(shù)國(guó)外廠商手里, 如美國(guó)的MOOG公司和德國(guó)的REXROTH公司等, 其產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。國(guó)內(nèi)對(duì)三級(jí)電液伺服閥的研究目前還處在試驗(yàn)探索階段。雖然國(guó)內(nèi)也有少數(shù)廠家能生產(chǎn)三級(jí)電液伺服閥, 但閥的各項(xiàng)性能指標(biāo)都與進(jìn)口閥有差距。這主要是因?yàn)樵陂y的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料性能、制造工藝和檢測(cè)手段等方面與國(guó)外廠商還有較大差距。國(guó)內(nèi)學(xué)者需要在這些方面進(jìn)行深入的研究, 從而掌握三級(jí)電液伺服閥的關(guān)鍵技術(shù)。
三級(jí)電液伺服閥包括先導(dǎo)閥、功率滑閥、位移傳感器和伺服控制器。筆者根據(jù)三級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理, 運(yùn)用新型仿真軟件AMESim對(duì)其進(jìn)行建模, 依據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的參數(shù)來設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行仿真, 根據(jù)仿真結(jié)果來驗(yàn)證所建模型的正確性, 從而為閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。
1 三級(jí)電液伺服閥原理
三級(jí)電液伺服閥是為了滿足大流量要求而出現(xiàn)的一種先導(dǎo)式電液伺服閥, 其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示, 結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。它由一個(gè)小流量的雙噴嘴擋板式力反饋式二級(jí)伺服閥(先導(dǎo)閥)、功率滑閥、位移傳感器和伺服控制器組合而成。功率滑閥由先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng),通過位移傳感器檢測(cè)功率滑閥閥芯位移并反饋到伺服控制器構(gòu)成位置閉環(huán), 以實(shí)現(xiàn)閥芯位移與輸入信號(hào)成比例變化, 因輸出流量與閥芯位移成比例, 從而使得三級(jí)電液伺服閥的輸出流量與輸入信號(hào)成比例關(guān)系。
2 三級(jí)電液伺服閥建模
2.1 仿真軟件AMESim介紹
AMESim是法國(guó)IMAGINE公司推出的基于鍵合圖的液壓和機(jī)械系統(tǒng)建模仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。
AMESim是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域的建模仿真平臺(tái), 在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程的建模與仿真, 包括機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電和磁等物理領(lǐng)域。不同領(lǐng)域的模塊之間直接的物理連接方式使AMESim成為多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。AMESim 具有豐富的模型庫(kù)( 23 個(gè)模型庫(kù),2 500 多個(gè)模塊, 每個(gè)模塊用直觀的ISO標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)來示) , 用戶可以采用基本元素法, 用已有模塊按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型, 而不需要去推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。智能求解器能根據(jù)所建模型的數(shù)學(xué)特性自動(dòng)地在17種算法中選擇最佳的積分算法,并具有精確的不連續(xù)性處理能力, 以縮短仿真時(shí)間和提高仿真精度。AMESim提供了齊全的分析工具以方便用戶分析和優(yōu)化系統(tǒng), 包括線性化分析工具、模態(tài)分析工具、頻譜分析工具和模型簡(jiǎn)化工具等。
2.2 建立仿真模型
根據(jù)圖1所示三級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理將模型分為: 先導(dǎo)閥、功率滑閥和伺服控制3個(gè)部分。
先導(dǎo)閥選用AMESim 軟件液壓庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)伺服閥模塊, 此模塊考慮了先導(dǎo)閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性, 并按國(guó)外已有的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的特性來設(shè)置參數(shù)。如圖3所示。
圖3 先導(dǎo)閥模型圖
功率滑閥模型選用AMESim 軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、液壓庫(kù)和機(jī)械庫(kù)中的模塊來建立, 如圖4 所示。在功率滑閥模型中, 用模塊5來考慮閥芯的質(zhì)量、閥芯的粘性阻尼、閥芯所受庫(kù)侖摩擦力和限制閥芯的行程; 用模塊3、4、6、7、10和11來考慮閥芯所受的液動(dòng)力、閥芯和閥套的徑向間隙以及節(jié)流棱邊的重疊量; 用模塊1、2、8和9來考慮閥芯兩端控制面積和控制腔的容積。
圖4 功率滑閥模型圖
將先導(dǎo)閥模型與功率滑閥模型連接起來, 再加上伺服控制部分、控制信號(hào)源, 接上壓力油源和油箱, 將功率滑閥模型的A口和B 口通過一個(gè)帶控信號(hào)的節(jié)流閥模塊連接起來。這樣就得到了完整的三級(jí)電液伺服閥仿真模型, 如圖5所示。
圖5 三級(jí)電液伺服閥模型圖
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2.3模型仿真和結(jié)果分析
依據(jù)國(guó)外某一標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)電液伺服閥來設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)。取先導(dǎo)閥幅頻寬f-3dB = 140Hz, 供油壓力為21MPa。主控制閥芯直徑D = 22mm, 供油壓力為7MPa。設(shè)置好所有相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行仿真, 在仿真過程中動(dòng)態(tài)修改PID控制器的各項(xiàng)參數(shù)來優(yōu)化閥的各項(xiàng)性能參數(shù)。這里主要關(guān)注閥的流量增益、壓力增益、流量- 壓力系數(shù)和頻寬等性能參數(shù)。仿真優(yōu)化結(jié)束后繪制不同曲線來得到閥的各項(xiàng)性能參數(shù), 如空載流量曲線和閉環(huán)波德圖, 圖6為空載流量曲線, 通過此曲線可得到閥的死區(qū)大小、流量增益和額定流量等; 圖7 為閉環(huán)波德圖,通過此圖可得到閥的幅頻寬和相頻寬。
圖6 三級(jí)電液伺服閥空載流量曲線
圖7 三級(jí)電液伺服閥閉環(huán)波德圖
把通過仿真得到的閥的各性能參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品樣本提供的性能參數(shù)相比較, 結(jié)果基本是一致的, 這充分說明用AMESim軟件建立的三級(jí)電液伺服閥模型是正確的。
對(duì)于結(jié)構(gòu)原理相同而額定流量不同的閥, 只需一次性建模, 然后改變對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)和控制參數(shù)就可以直接進(jìn)行仿真。可以通過修改各參數(shù)以使閥達(dá)到最佳性能, 從而為三級(jí)電液伺服閥的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制器參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。同時(shí)也可仿真三級(jí)電液伺服閥的各種故障, 為伺服閥現(xiàn)場(chǎng)故障的診斷和維修提供指導(dǎo), 提高工作效率。
3 結(jié)論
三級(jí)電液伺服閥是集機(jī)械技術(shù)、電氣技術(shù)和液壓技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng), 運(yùn)用仿真軟件AMESim進(jìn)行建模和仿真分析, 可得到以下結(jié)論:
(1) AMESim的圖形化建模仿真界面直觀易懂, 使用方便, 容易掌握, AMESim的圖形處理功能比較完善, 可以將所感興趣的數(shù)據(jù)直接圖形化并進(jìn)行各種疊加處理, 還可以對(duì)所得圖形進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新, 有利于提高工作效率。
(2) AMESim模型庫(kù)豐富, 其液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)和控制庫(kù)特別適用于三級(jí)電液伺服閥的建模。
(3) 基于AMESim建立三級(jí)電液伺服閥的模型,修改結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)后直接仿真就可得到伺服閥的各性能參數(shù)。這為下一步進(jìn)行三級(jí)電液伺服閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。
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