基于AMEsim的液压缸位置控制系统的建模与仿真

基于AMESim 的液压缸位置控制系统的建模与仿真
吴勇1
，徐保强1
，王颖1
，战立鹏2
（1.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083；2.山东五征集团，山东 日照 262300）
摘要： 在分析液压缸位置控制的工作原理基础上，计算出液压缸位置控制系统各个环节的传递函数，得出影响系统响应的两个重要的参数：伺服阀的阻尼比和反馈回路的增益。

利用AMESim 仿真软件搭建了液压缸位控系统的仿真模型。

通过分析伺服阀不同的阻尼比，不同的反馈回路增益，不同的入口容积大小等参数的变化对系统动态性能的影响，从而得出液压缸位置控制系统关键参数的最优值，从而为系统的的结构优化和改进提供了参考依据。

关键词：液压缸位置控制 AMESim 建模仿真
Modeling And Simulation of Hydraulic Cylinder Position Control Based
on AMESim
WU Yong 1, XU Bao −qiang 1 , WANG Ying 1 , ZHAN Li −peng 2
(1. School of Mechanical Electronic ＆ Information Engineering ，China University of Mining and Technology ，
Beijing ，Haidian ，100083, China; 2.WUZHENG, ShanDong RiZhao 262300, China)
Abstrac t : The working principle of hydraulic cylinder position control has been introduced, the transfer function of each part of hydraulic cylinder position control system has been calculated, indicates that the two important parameters affecting the system response the model has been built by AMESim simulation software. The different damping ratio of servo-valve, the different feedback gain, the different valve nature frequency have been analyzed. The results provided theoretical reference for the optimization design of the structural parameters of the hydraulic cylinder position control system. The aim is to provide assistance and guidance to relevant research in developing new technologies and products. Key words: hydraulic cylinder position control ，AMESim ，dynamic characteristics ，simulation 前言: 液压缸位置控制系统是电液伺服控制系统的一种，输出位移能够以一定的精度连续、自动、快速地复现输入电信号变化规律的液压伺服系统。

液压缸位置控制系统具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈和控制的优点，在冶金、机械、化工、船舶、航空航天、电力等部门的自动控制系统有着广泛的应用。

1 液压缸位置控制的原理
液压缸推动一个负载采用位置反馈进行控制。

位置传感器用于转换液压缸的位置信号。

指定的位置信号同传感器反馈的位置比较产生偏差值。

该偏差乘以一个增益后的信号即控制电流，控制电液伺服阀输出液压能，推动液压缸向减小偏差的方向运动，使液压
缸的输出位置随输入信号的改变而改变。

原理如图1：
图1 液压缸位置控制原理框图
2液压缸位置控制系统理论分析
电液伺服系统的理论分析是建立在系统传递函数等数学模型的基础上的，首先根据框图建立各个环节
u 伺服放大器
的传递函数。

（1）伺放大器的传递函数为:
K s=
i(s)
u i(s)−u f(s)
(2) 位移传感器的传递函数为:
K f=u f(s) x p(s)
（3）电液伺服阀的传递函数:
G sv(s)=
K sv
s2
w sv2+
2ξsv
w sv+1
当电液伺服阀的固有频率比液压动力元件的固有频率大5到7倍时，电液伺服阀的传递函数可以看成比例环节可化简为：
G sv(s)=q l0(s)
i(s)
=K sv
(4)电液伺服阀的线性化流量方程:
q L(s)=q L0(s)− K c(s)P L(s)
液压缸的流量连续性方程的拉氏变换:
q L(s)=A P s x P(s)+(C tP+V t(s)
4βe
s)P L(s)
液压缸与负载的平衡方程的拉氏变换: A P P L(s)=(m t s2+ B P s)x P(s)+F L(s)（5）电液伺服阀控液压缸的位置输出方程：
x P(s)=q L0(s)
A P−
K ce(s)
A P2（1+
V t
4βe K ce s）F L(s)
s(
s2
wℎ2
+
2ξℎ
wℎs+1)
3 AMESim建模仿真及参数设置
（1）根据液压缸位置控制的原理图，在AMESim 中利用机械库、液压库、信号源等模块搭建液压缸位置控制原理模型，模型如图2。

（2）设置仿真参数
在创建好系统的草图之后，进入子模型模式，构建好完整的系统，然后进入参数模式，按照各元件的结构及功能设置参数，主要子模型的参数设置：
图2 液压缸位置控制系统的仿真模型
1 非对称液压缸
2 电液伺服阀
3 计算机控制系统
液压缸活塞直径∅/mm 30
液压缸活塞杆直径∅/mm 20
液压缸活塞位移长度m 1 泵排量cc/rev 35 伺服阀自然频率Hz 50 伺服阀阻尼比 1 伺服阀额定电流mA 200 位移传感器增益1/m 10 电气增益1 10 电气增益2 250 仿真时间s 12 通信间隔s 0.05 4 仿真结果分析
图3为伺服阀阀芯位移曲线，该阀芯的运动轨迹符合求差器输出指令。

仿真结果如图4所示，仿真回路中伺服阀的设置是死区为零，阻尼比为1的条件下，在1秒的时候开始输入信号，液压缸活塞能够很好的随动，延迟时间大概是0.15秒。

图3伺服阀阀芯位移
3
2
1
图4 液压缸输入与输出压力曲线
（1）伺服阀阻尼比对系统的影响
图5为不同伺服阀阻尼比对液压缸输出随动性能的影响
图5 阻尼比分别为1、30、60时的液压缸活塞位移
图5的仿真结果表明，随着伺服阀的阻尼比增大，对液压缸的随动性影响不大，但换向速度低，响应变慢，阻尼比越小，换向越快，响应越好，阻尼比为1时响应最快。

但是随着响应的加快，高压油对系统带来较大的冲击，必然引起震动和噪声。

（2）反馈增益对系统的影响
图6为不同的反馈回路增益对液压缸活塞位移随动性及稳定性的影响，结果如图所示：
图6 反馈回路增益对液压缸活塞位移的作用曲线
仿真结果表明，随着反馈增益的增大，活塞的随动变得更快，但活塞的振动增大，即系统的响应变快，稳定性变差。

经过变换大量仿真数据，反馈回路增益450是该系统的最优值。

5结论
（1）通过分析液压缸位置控制系统原理，计算出系统各个环节的传递函数，找出影响系统响应性能的参数，伺服阀的阻尼比和反馈系统的增益。

伺服阀入口容积大小对系统几乎没有影响。

（2）伺服阀的阻尼比，对液压缸活塞的随动性影响不大，但阻尼比越小，液压缸活塞的换向速度越快，随着换向速度的增加，高压油对系统会产生较大的冲击，带来较大噪声，经仿真实验得知，该系统伺服阀阻尼比的最优值为1。

（3）反馈回路的增益对系统的影响较大，随着反馈增益的增大，液压缸活塞位移的随动性和波动性随之提高，即系统的响应性能提高，稳定性降低。

经仿真实验得知，该系统的反馈增益最优值为450。

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作者简介：徐保强（1989-），男，山东济宁人，研究生，就读于中国矿业大学（北京），机械电子工程专业，主要从事液压伺服控制方面的研究工作。