基于AMESim软件的三级电液伺服阀建模与仿真
作者：刘小初
摘要: 介绍三级电液伺服阀的结构原理, 利用AMESim仿真软件对三级电液伺服阀建模, 依据国外标准产品设置模型的各项参数并进行仿真, 仿真结果验证了建模的正确性, 从而为三级电液伺服阀结构参数和控制参数的优化设计提供了条件。 关键词: 三级电液伺服阀; 模型; 仿真
三级电液伺服阀具有大流量和高响应等特点, 在六自由度运动模拟器、振动试验台和负载加载器等高性能设备上得到了广泛的应用。但三级电液伺服阀的关键技术目前还掌握在少数国外厂商手里, 如美国的MOOG公司和德国的REXROTH公司等, 其产品已经标准化和系列化。国内对三级电液伺服阀的研究目前还处在试验探索阶段。虽然国内也有少数厂家能生产三级电液伺服阀, 但阀的各项性能指标都与进口阀有差距。这主要是因为在阀的结构参数和控制器参数优化设计、材料性能、制造工艺和检测手段等方面与国外厂商还有较大差距。国内学者需要在这些方面进行深入的研究, 从而掌握三级电液伺服阀的关键技术。
三级电液伺服阀包括先导阀、功率滑阀、位移传感器和伺服控制器。笔者根据三级电液伺服阀的结构原理, 运用新型仿真软件AMESim对其进行建模, 依据国外标准产品的参数来设置模型的各项参数并进行仿真, 根据仿真结果来验证所建模型的正确性, 从而为阀的结构参数和控制器参数的优化设计提供了条件。
1 三级电液伺服阀原理
三级电液伺服阀是为了满足大流量要求而出现的一种先导式电液伺服阀, 其结构原理如图1所示, 结构方框图如图2所示。它由一个小流量的双喷嘴挡板式力反馈式二级伺服阀(先导阀)、功率滑阀、位移传感器和伺服控制器组合而成。功率滑阀由先导阀驱动,通过位移传感器检测功率滑阀阀芯位移并反馈到伺服控制器构成位置闭环, 以实现阀芯位移与输入信号成比例变化, 因输出流量与阀芯位移成比例, 从而使得三级电液伺服阀的输出流量与输入信号成比例关系。
2 三级电液伺服阀建模
2.1 仿真软件AMESim介绍
AMESim是法国IMAGINE公司推出的基于键合图的液压和机械系统建模仿真及动力学分析软件。
AMESim是一个多学科领域的建模仿真平台, 在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模与仿真, 包括机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域。不同领域的模块之间直接的物理连接方式使AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。AMESim 具有丰富的模型库( 23 个模型库,2 500 多个模块, 每个模块用直观的ISO标准符号来示) , 用户可以采用基本元素法, 用已有模块按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型, 而不需要去推导复杂的数学模型。智能求解器能根据所建模型的数学特性自动地在17种算法中选择最佳的积分算法,并具有精确的不连续性处理能力, 以缩短仿真时间和提高仿真精度。AMESim提供了齐全的分析工具以方便用户分析和优化系统, 包括线性化分析工具、模态分析工具、频谱分析工具和模型简化工具等。
2.2 建立仿真模型
根据图1所示三级电液伺服阀的结构原理将模型分为: 先导阀、功率滑阀和伺服控制3个部分。
先导阀选用AMESim 软件液压库中标准的二级伺服阀模块, 此模块考虑了先导阀的静态特性和动态特性, 并按国外已有的标准产品的特性来设置参数。如图3所示。
图3 先导阀模型图
功率滑阀模型选用AMESim 软件液压元件设计库、液压库和机械库中的模块来建立, 如图4 所示。在功率滑阀模型中, 用模块5来考虑阀芯的质量、阀芯的粘性阻尼、阀芯所受库仑摩擦力和限制阀芯的行程; 用模块3、4、6、7、10和11来考虑阀芯所受的液动力、阀芯和阀套的径向间隙以及节流棱边的重叠量; 用模块1、2、8和9来考虑阀芯两端控制面积和控制腔的容积。
图4 功率滑阀模型图
将先导阀模型与功率滑阀模型连接起来, 再加上伺服控制部分、控制信号源, 接上压力油源和油箱, 将功率滑阀模型的A口和B 口通过一个带控信号的节流阀模块连接起来。这样就得到了完整的三级电液伺服阀仿真模型, 如图5所示。
图5 三级电液伺服阀模型图
2.3模型仿真和结果分析
依据国外某一标准三级电液伺服阀来设置模型的各项参数。取先导阀幅频宽f-3dB = 140Hz, 供油压力为21MPa。主控制阀芯直径D = 22mm, 供油压力为7MPa。设置好所有相关参数后进行仿真, 在仿真过程中动态修改PID控制器的各项参数来优化阀的各项性能参数。这里主要关注阀的流量增益、压力增益、流量- 压力系数和频宽等性能参数。仿真优化结束后绘制不同曲线来得到阀的各项性能参数, 如空载流量曲线和闭环波德图, 图6为空载流量曲线, 通过此曲线可得到阀的死区大小、流量增益和额定流量等; 图7 为闭环波德图,通过此图可得到阀的幅频宽和相频宽。
图6 三级电液伺服阀空载流量曲线
图7 三级电液伺服阀闭环波德图
把通过仿真得到的阀的各性能参数和标准产品样本提供的性能参数相比较, 结果基本是一致的, 这充分说明用AMESim软件建立的三级电液伺服阀模型是正确的。
对于结构原理相同而额定流量不同的阀, 只需一次性建模, 然后改变对应的物理参数和控制参数就可以直接进行仿真。可以通过修改各参数以使阀达到最佳性能, 从而为三级电液伺服阀的几何结构设计和控制器参数选择提供理论依据。同时也可仿真三级电液伺服阀的各种故障, 为伺服阀现场故障的诊断和维修提供指导, 提高工作效率。 3 结论
三级电液伺服阀是集机械技术、电气技术和液压技术于一体的复杂系统, 运用仿真软件AMESim进行建模和仿真分析, 可得到以下结论:
(1) AMESim的图形化建模仿真界面直观易懂, 使用方便, 容易掌握, AMESim的图形处理功能比较完善, 可以将所感兴趣的数据直接图形化并进行各种叠加处理, 还可以对所得图形进行动态实时更新, 有利于提高工作效率。
(2) AMESim模型库丰富, 其液压元件设计库、液压库、机械库和控制库特别适用于三级电液伺服阀的建模。
(3) 基于AMESim建立三级电液伺服阀的模型,修改结构参数和控制参数后直接仿真就可得到伺服阀的各性能参数。这为下一步进行三级电液伺服阀结构参数和控制器参数的优化设计提供了条件。
参考文献
【1】李洪人. 液压控制系统(修订本) [M ]. 国防工业出版社, 1990.
【2】付永领. 祁晓野. AMESim系统建模和仿真[M ]. 北京航空航天大学出版社, 2006.
基于AMESim软件的三级电液伺服阀建模与仿真
