机电系统建模与仿真

挖掘机系统建模与仿真

摘要:阐述挖掘机液压系统的工作原理。根据液压元件、工作装置的布置结构和尺寸，在AMESim软件平台上对该型挖掘机的液压系统和工作装置进行了建模，并通过对模型参数的设置，实现了机电液一体化系统运动仿真。重点就其中压力脉动与工作装置跟随效果差等问题进行了分析。

关键词：液压系统、建模、AMESim

一、建模与仿真

为实现对机电系统平稳、快速、准确的控制，对机电系统正确建模是十分重要的。所谓的机电系统建模就是对物理对象(即物理实体)的建模，也就是将物理对象的输入、输出变化规律抽象为一种数学描述。通过它不仅可实现对机电系统状态的准确分析和预测，而且还可以实现机电系统的正确控制。

目前，机电系统建模的方法大致有两类:机理分析法(又称理论建模)和实验测试法(又称试验建模)。机理分析法是通过分析系统的运动规律，在一些合理假设下，运用一些己知的定理、定律和原则建立起机电系统的数学模型，其中包括传统理论建模、通用建模法、专业建模软件;而实验测试法则是通过合理的实验方法，利用输入输出数据所提供的信息建立系统模型，其中包括频域参数估计法、系统扫频分析法。

二、液压挖掘机中的建模

在液压挖掘机中，发动机通过液压系统来驱动工作装置，液压系统效率的高低对挖掘机的经济性有很大影响，其液压系统的效率仅为40%左右，这是液压挖掘机效率低下的主要原因之一。因此，对液压系统进行改进和研究，对提高液压挖掘机的效率，改善液压挖掘机的工作性能具有重要的意义。

挖掘机液压系统是由多种液压元件组成的非线性系统，各个元件间靠压力油传递能量，依靠控制信号实现压力、流量的控制。AMESim软件是基于图形化的仿真软件，带有多种工程软件包，其中液压仿真软件包包含了大量的常用液压元件、液压源和液压管路等，控制软件包包括多种信号源和运算法则，非常适合工程系统尤其是液压及其控制系统的建模仿真和动态分析。

1工作装置建模

1．1挖掘机的挖掘循环

制定合理的工作循环，是为了在仿真过程中使挖掘机的动作流畅协调。挖掘机的工作模式大致可以分为挖掘、平整和精细3种，其中以挖掘作业为主。典型的挖掘过程包括确定挖掘工位、挖掘、运动到卸料工位、卸料、返回挖掘工位5个工序。

本文基于挖掘循环试验中各油路先导压力的变化，计算液压缸的外伸行程，据此设定一个挖掘过程中各工作装置的动作过程，作为仿真模型的输入。图1所示为在16s的挖掘循环中各工作装置的动作过程(工作的先后顺序和位移)。

1.2挖掘机工作装置与回转机构建模

挖掘机的工作装置由铲斗、斗杆、动臂组成，三者的协调动作是由3组液压缸的伸缩联动来实现的。图2为挖掘机工作装置在工程仿真软件AMESim中的模型，各个部件的建模基于软件的平面机械库(Planar Mechanical库，简称PLM库):PLMBOD是可以连接到二维机械上构成动力系统的基本形式，而且其端口可以用作外部输入的端口，通过PLM传感器将输入量以力的形式作用于液压缸。

图1挖掘循环中各工作装置动作过程

图2 挖掘机工作装置的AMESIm模型

液压挖掘机中回转机构作为液压执行系统的一部分，其动力来源于主泵驱动的回转马达。回转马达上的角位移传感器检测并反馈其位移，通过PID控制器进行控制，来跟踪目标运动轨迹，如图3所示。

1.3工作参数的计算

挖掘机在作业过程中，负载主要包括挖掘负载和由各个工作部件自重产生的负载。自重产生的负载可以通过在AMESim软件中给定部件的质量由软件自行计算;而挖掘负载是在挖掘过程中产生的，由于挖掘物料的局部密度、结构形状等物理参数在挖掘过程中的不确定性，挖掘负载是会时常发生变化的，但是变化的挖掘负载通常具有规律性。因此，模拟出一个合理有效的挖掘负载将会对仿真试验结果产生重大的影响。通过计算，得到了如图4所示的挖掘负载输入曲线。

图3挖掘机回转机构的AMESim模型

回转装置转动惯量的计算:转动惯量与工作装置各部分质量及其中心位置有关，实际上，转动惯量是一个变化量。本模型中，取工作装置3种不同的中心位置，根据经验公式计算，取平均值近似代表回转装置工作过程中的转动惯量。

图4一个工作循环中挖掘负载入曲线

2、液压控制系统建模

2.1泵控系统建模

挖掘机液压控制系统分为泵控系统和阀控系统。泵控系统是以变量泵为功率放大元件的系统，通过改变泵的排量来控制进入执行元件的流量，从而改变其输出流量，以实现泵功率与发动机功率更好的匹配。

液压系统按控制流量的方式主要包括全功率控制和压力切断控制、正流量控制和负流量控制。在AMESim软件平台中，利用液压库、机械库和控制信号库建立了具有全功率和负流量复合控制的泵控系统，模型如图5所示。利用压力传感器分别检测两泵出口处的压力之和

即全功率控制信号压力p 1切2，以及回油路节流孔前的压力即负流量控制信号压力p。通过试验数据建立起了切t切z> > p与泵输出流量口之间的Map图，如图6所示，通过查表的方式可以得到泵在任意反馈压力下的输出流量。

图6 泵输出流量和压力MAP图

2.2阀控系统建模

液压阀是挖掘机液压系统中控制液流运动方向、压力高低、流量大小的控制元件。根据各种液压设备性能要求的不同，将液压阀进行相应的组合，对液压设备进行控制。

主油路采用双液压泵、双回路、高压恒功率变量系统，主液压泵为变量柱塞泵，系统最大工作压力由主泵溢流阀来决定。液压泵A泵出的油进入左换向阀组，液压泵B泵出的油进入右换向阀组。换向阀组和合流阀都是液控三位六通阀。在右换向阀组内，换向阀1,2,3并联，它们依次控制了动臂、铲斗和斗杆液压缸;换向阀5是合流阀，串联在液压泵A的油路中。在左换向阀组内，换向阀4,5,6并联，它们依次控制回转马达、斗杆液压缸、动臂液压缸。在每一个分油路上均有溢流阀和补油阀，以保证分油路的安全。在动臂液压缸大腔出口还设有单向节流阀，使得较重的大臂下落时的速度不致太快而引起冲击。

当斗杆伸出时，斗杆液压缸有杆腔一侧的回油被斗杆的自重加压并回到主控制阀阀芯入口，此时斗杆回流阀关闭，全部回油流入斗杆无杆腔，即斗杆回流动作。

本文利用AMESim软件中的控制模块和液压模块搭建了回油再生阀的逻辑模型如图7所示:当斗杆液压缸的控制信号为正值时，多路阀工作在右位，通过控制命令控制换向阀1,2打开，换向阀3关闭。液压油流向如实线箭头所示，即在斗杆液压缸伸出时，小腔的回油不直接返回油箱，而是通过单向阀汇入液压缸大腔的右路，实现回油再生功能，加快液压缸的运动速度。虚线箭头表示多路阀工作在右位时，液压油的流向;实线箭头表示多路阀工作在左位时，液压油的流向。