驱动力加载系统仿真

校正后的系统模型
校正后的开环bode图
• 经过matlab计算，该系统开环幅值裕度为 14.5db，相位穿越频率为33.3rad/s,相位裕度 为60deg，幅值穿越频率为10.1rad/s，这与 我们控制系统的要求，相位裕度在30deg— 60deg之间，幅值裕度大于5db，经过校正 的系统应该具有良好的特性，建立模型进 行仿真，可以得到相应的结果
PID校正
• 在系统前向通道中加入PID控制器，控制器 的参数可以直接利用PID控制器的TUNED 选 项，来直接控制系统输出信号的生成图像， 来计算对应的参数。
• 直接调整时间条，我们可以选出适合我们 系统的响应时间、稳态误差和超调量。
• 经过上述两种控制方法修正后我们建立起 了修正后的系统的simulink模型，其中，增 加了两个惯性环节，时间常数为0.02，增加 了一个PID环节，比例积分微分的增益分别 为96，93 ,1。
二、任务要求
• 建立单轴液压加载试验系统仿真模型、分 别采用Simulink与AMESim对系统动态特性进 行仿真分析； • 对控制系统进行校正； • 优化控制器参数； • 完成加载序列的仿真并对两种软件Simulink 与AMESim的仿真结果进行对比分析。
三、控制系统模型
系统的控制核心： 对称阀控制非对称液压缸 驱动惯性负载和弹性负载
• 根据bode图可以看出，系统在200rad/s左右 具有一个很大的谐振峰，这对我们的系统 的特性影响非常严重。为了消除这个影响， 我们可以在调节是将这个谐振峰值降低， 方法主要有：1.串联惯性环节，将系统的高 频大幅削减。2.可以利用滞后校正，在这个 谐振点将峰值压低。考虑到系统的鲁棒性 问题，谐振峰值可能会发生变化，较为实 用的是串联惯性环节。
• 3. 仿真输出具有高频振荡的高次谐波 （高频震荡）？
这是由于仿真时间的设置问题，将仿真 时间变小之后，就可以明显看到响应 曲线光滑了很多。
谢谢！！
• 但是从仿真图形中我们看到了一种不良的 现象，随时间的进行，整体曲线有往下漂 移的趋势。 • 而且随着控制信号的增强，还出现了这样 的一种情况，就是在液压缸缩回时系统是 稳定的，但是当液压缸伸出时系统不稳定。
解决办法
• 主要是由于对称阀控制非对称缸导致的结 果，由于正向和反向的增益是不同的，因 此采用同一套的控制器正反特性不同。控 制方法主要有两种： 1. 控制上应该采取的措施就是应该区分正向 和反向控制。例如采用不同的增益等 2. 结构上可以采用近几年开发出来的新技术， 非对称阀控制非对称液压缸，使两侧的特 性基本相同。
驱动力力加载系统仿真
组长：马聪 成员：杨益波 曹宝峰 何俊 苏赫
一、项目背景
• 根据国家能源局《新兴能源产业发展规 划》，至2020年风电装机容量可达1.5亿千 瓦，风机大型化是大势所趋，预计到2020 年单机容量将达到15MW，由于研发及装配 阶段的试验条件限制，大型风机的可靠性 难以保证，配置大功率试验台，实现风机 安装前试验是提高风机运行可靠性、降低 故障率的保障。液压加载具有单位重量功 率比高、动态响应高、安全可靠的特点。
1
• 2. 响应速度的问题。由于开环增益过小， 导致系统的响应速度跟不上我们的要求。 从阶跃响应的图中我们可以看出，系统的 响应速度在4s以后了，而我们要求系统需要 在1s以内完成响应。因此，从加快系统的响 应速度的角度来看，必须要增加开环增益。
对系统修正目标
• 从系统的角度看，该系统属于0型系统，该 系统对于单位阶跃响应是具有稳态误差的， 因此需要将系统型别升高，可以再系统中 加入积分环节，是系统变为1型系统，这样 对于单位阶跃响应稳态误差在理论上就变 为0了。
整个控制系统模型：
四、数学建模及参数计算
• 伺服放大器： 设Ur为伺服放大器的力控制信号，UF为传感 器的反馈信号，i为伺服放大器给伺服比例 阀的控制电流。参考《液压控制系统》 （李洪人），伺服放大器时间常数非常小， 忽略伺服放大器的动态时，它们之间的传 递函数可以写成比例环节：
i Ka * (Ur Uf )
六、提出问题
• 1. 电液比例阀的流量增益是否足够，由于 初次搭建的系统开环增益分贝数为负，系 统还需要一个很大的增益，大约100倍左右。 因此伺服阀的增益选择是否合适，还应该 继续探讨。
2. MATLAB模型的仿真和AMEsim有一定的差别？
我的解释：这些原因是系统的非线性，静态工作 点的变化，输入输出都是限幅的等因素有关。 MATLAB特性相对较好一些，这与我们的实际系统 是有一些（有时很大）的差异。但是matlab建模 指引了我们的调试方向，什么参数影响什么样的 特性，我们从建模的过程可以有明显的体现。
式中：Kf——力传感器的传感系数，V/N。
原始系统建模仿真 利用MATLAB的simulink平台 搭建的系统模型图
原始系统分析
• 1. 系统的bode图和单位阶跃响应。 • 编制一小段matlab程序来绘制系统开环，闭 环的bode图和闭环的单位阶跃响应。
• sys1=tf([0.00417],[1/596.9^2 2*0.6/596.9 1]); • sys2=tf([2327925.15039025 139438.386567596 25000000000.0000],[1.10e-05 9.386e-05 1.01 1]); • sys3=sys1*sys2*0.00167*0.08/1000*0.008; • margin(sys3); • grid; • figure; • margin(sys3/(1+sys3));grid; • figure • step(sys3/(1+sys3));grid
Simulink仿真结果
编程仿真控制系统的单位阶跃响应
驱动力控制加载时序
• 利用MATLAB的信号发生器，模拟31个时间 内的力的输出要求和实际响应。观察控制 系统输出力跟踪我们输入指令的能力
五、基于AMEsim的建模仿真
• 搭建模型：
方波响应
• 从AMEsim的仿真结果看，系统的响应速度 不够，因此将开环增益增大10倍后。
• 以上三幅图将惯性环节从一个增加到两个 再增加到三个惯性环节，可以看出，谐振 峰值得到明显的缓解，而且，低频特性几 乎没有改变。 • 考虑到实际惯性环节的作用，只有一个惯 性环节时，峰值点仍然比低频分贝数高， 并且考虑到实际的系统的复杂程度，两个 惯性环节已经达到我们的要求。因此我们 在系统中串入了两个惯性环节。
1 1 K
பைடு நூலகம் ,由于开环增益为0.1，根据此式计算，稳态误 差为 ： 1

1 K 1 / 1.1 90 .9%
• ,这与我们所做的单位阶跃响应的输出稳态值 是相互对应的。仿真单位阶跃响应误差为 ： 0.9 100 % 90% • 二者的反映基本相同。因此，从减小系统的稳 态误差来考虑，增加系统增益是必须的。
原始系统发的开环bode图
闭环bode图
单位阶跃响应
原系统特性分析
• 特性分析：从开环bode图可以看出，系统 的开环增益非常小，大约-20db，折合系统 增益为0.1，这会导致一下两个特性变得很 差：
• 1. 稳态误差的问题。由于建模完成的系统 属于0型系统，该系统对阶跃响应是有稳态 误差的，稳态误差与开环增益直接相关。 开环误差为：
削弱谐振峰值
• 可以给系统进行低通滤波（即串联惯性环 节）。具体滤波次数和时间常数选取时应 该根据具体的响应特性和系统要求选取
• 以下下我们分别串联了若干个0.02s的惯性 环节，分析一下应该进行几次滤波。（主 要看谐振峰值与低频增益的大小）
• 串联一个惯性环节
• 串联两个惯性环节：
• 串联三个惯性环节：
式中：Ka——伺服放大器的增益，A/V。
• 电液比例阀：
Q( s) Kq 2 S 2s I (s) 1 2 wn wn
• 阀控缸模型：
• 力反馈环节模型：
假设力传感器的刚度很大，在力的作用下， 基本没有变形，并且忽略动态，则输出力 信号Fe与反馈电压信号UF之间的关系为：
U f K f Fe