基于AMESim 的电液伺服速度控制系统仿真分析

基于AMESim 的电液伺服速度控制系统仿真分析
王强吴张永李红星武鹏飞刘建强
（昆明理工大学流体控制工程研究所，云南昆明650093）
摘要：在电液伺服控制系统设计分析中，由于传统的数学建模方法比较复杂，本文利用面向工程设计的高级建模软件AMESim 对阀控液压马达电液伺服速度控制系统进行建模，并对其动态特
性进行了仿真分析，得到了较好的分析结果。

关键词：电液伺服控制系统；AMESim；仿真分析
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1008- 0813（2008）04- 0031- 03 Simulation Analysis of Electro- Hydraulic Servo Velocity Control System Based on AMESim WANG Qiang WU Zhang-yong LI Hong-xing WU Peng-fei LIU Jian-qiang (Institute of Fluid Power Control Engineering, Kunming University of Science and Technology,
Kunming 650093, China)
Abstract: Conventional mathematical modeling, which is used in analysis of designing eletro-hydraulic servo control system, is comparative complex. This paper use AMESim software, which orients engineering design ,modeling hydraulic valve- controlled velocity system, analyzing dynamic characteristics of this system, getting a better analytical result.
Key Words: eletro-hydraulic servo control system；AMESim；simulation analysis
0 引言
在实际工程中，经常需要进行速度控制，如机床进给装置的速度控制，雷达天线、炮塔、转台的姿态跟踪以及发电机、气轮机和水轮机的调速系统等。

在电液位置伺服系统中也经常采用速度局部反馈回路来提高系统的刚度和减小伺服阀等参数变化的影响，提高系统的刚度。

电液速度控制系统按控制方式可分为：阀控液压马达速度控制系统和泵控液压马达速度控制系统。

阀控马达系统一般用于小功率系统，而泵控马达系统一般用于大功率系统[1]。

本文以一种典型的阀控液压马达速度控制系统为例，利用AMESim 软件对其动态特性进行仿真。

1 仿真平台
AMESim (Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems) 是法国IMAGINE 公司1995 年开始推出的一种建模和仿真软件，现已推出最新版本AMESim4.3。

该软件提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在同一平台上建立多学科领域系统的模型，包括机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域。

基于系统原理图的建模方法，使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来，专注于物理系统本身的设计，从而便于工程技术人员的掌握和使用。

AMESim的智能求解器能够根据用户所建模型的数学特性自动选择最佳的积分算法，并根据在不同仿真时刻的系统特点，动态地切换积分算法和调整积分步长，以缩短仿真时间和提高仿真精度，内嵌式自动数学步连续处理工具解决数字仿真中间断点的问题
[2]。

2 电液伺服速度系统
2.1 阀控液压马达电液伺服速度系统
如图1 所示，该系统由伺服放大器、电液伺服阀、液压马达、测速电动机等组成。

测速电机轴与负载机轴相联，用于检测负载轴的速度，检测到的速度信号与指令信号差（误差信号）经伺服放大器进行功率放大，产生的电流用来控制电液伺服阀的阀芯位置，电液伺服阀输出压力油
驱动液压马达及负载旋转。

2.2 系统的主要参数和系统性能指标
负载转动惯量为0.3kg/m2；
外干扰力矩T f=12N·m；
系统工作压力p s=7MPa；
系统期望的马达转速为400r/min；
动态跟踪误差小于60r/min；
稳态误差小于4r/min；
调节时间小于3s。

3 系统建模仿真及分析
在AMESim 的草图模式下（Sketch Mode），根据阀控液压马达电液伺服速度系统原理图建立控制系统的仿真原理图，如图2 所示，采用阶跃信号1 模拟外干扰力矩T f，期望的马达转速用分段线性信号源2 来模拟，3为信号放大器，4 为伺服放大器。

系统模型构建好之后，进入子模型模式（Submodels Mode），为每个元件选取数学模型。

在本系统中可以使用Premier Submodel 功能选择最简单的数学模型，接下来在参数模式(Parameter Mode)中为每个子模型设置参数。

设定的参数如下：电动机的转速为1500r/min；泵的排量为35mL/r，转速为1 500r/min；溢流阀的调整压力为7MPa；电液伺服阀各通路的流量为28.4r/min，阻尼比取0.7，阀芯固有频率为135Hz，阀压降1MPa；速度传感器的增益为0.01r/min；信号放大器3 的增益kgm2设置为0.01；马达的排量为27r/min；负载的转动惯量
为0.3kgm2；阶跃信号1 设置为12，则经过信号到力矩的转换，就可以得到外干扰力矩
T f=12N·m；将分段线性信号源1 设置为在0～0.5s 内从0 变化到400，在0.5s 之后保持400 不变。

其他参数设置为默认值。

最后进入在运行模式(Run Mode) 中的运行参数(Run Parameters)设置运行时间为6s，采样周期为0.01s。

点击开始运行(Start Run)，得到仿真结果。

在电液伺服速度系统中，根据自动控制原理，伺服放大器4 的增益对系统的性能影响比较大，调节增益4，观察液压马达实际的转速与期望值的差值。

图3 所示为k4=3 时的差值曲线图，从图3 中可以读出马达转速达到稳态时的误差为17.4r/min，不满足系统性能要求。

根据传递函数，阀控液压
马达[3]
电液速度伺服系统为零型系统，该系统在阶跃信号作用下是个有差系统，不论怎样调整k4，系统始终有误差。

图4 为k4=11.55 时的差值曲线图，从图4 中可以读出马达转速达到稳态时的误差为4.74r/min，仍然满足不了系统性能要求。

k4值增大，虽然可以减小误差，但是由于受到系统稳定性的限制，k4值不可能无限制地增大，如图5 所示，k4=12 时马达转速出现了小幅度的波动。

因此通过增大伺服放大器4 的增益来达到系统性能指标是不可取的，必须在主通道中串联一个积分环节（积分放大器），使之成为1 型系统，使系统在阶跃信号作用下无静差，
图6 为校正后的系统仿真原理图。

（1）当k4=0.5 时，马达实际转速与期望转速随时间的曲线如图7 所示，从该图中可以得出稳态误差为0，满足要求；调节时间t s小于3s，满足要求；但是动态跟踪误差的最大值为210r/min，超出了系统指标所要求的60r/min，不满足要求。

（2）当k4=5.7 时，马达实际转速与期望转速以及两者之差随时间的曲线如图8 所示，从该图中可以得出稳态误差小于4，满足要求；动态跟踪误差小于60r/min，满足要求；但是调节时间
t s大于3s，不满足要求。

反复调整增益k4的值，得到满足系统性能指标的增益值的范围2.74～5.26。

在反复调整增益k4的过程中，可以得出：k4的值越大，响应速度越快，动态跟踪误差越小，但调节时间t s越长，超调量越大，振荡次数增多，所以k4的值不可以太大，太大会造成系统不稳定。

因此在调节的过程中，可以根据调节时间t s和具体要求来确定系统的最佳增益值。

4 结论
利用建模仿真软件AMESim 对电液伺服速度系统进行仿真，可以得到以下结论：
（1）AMESim基于物理模型的图形化建模方式非常直观，便于掌握；
（2）系统对输入信号的响应速度和系统的瞬态性能以及超调量是互相矛盾的，即响应速度越快，系统瞬态性能越差，超调量越大，从而系统也就越不稳定。

对于电液伺服速度来说，应该在保证
稳定的前提下，尽量提高响应的快速性；
（3）通过反复调整仿真系统中各个元件的参数值，可以得到最优化的系统，这对设计实际的电
液伺服系统具有指导意义。

参考文献
[1] 王春行.液压控制系统[M].北京:机械工业出版社，2006.
[2] 付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真———从入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出
版社,2006.
[3] 刘长年,袁子荣.液压控制系统导论[M].北京:北京科学技术出版社,1987.。