最新機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真知識分享

1、挖掘機(jī)系統(tǒng)建模與仿真摘要:闡述挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理。 根據(jù)液壓元件、工作裝置的布置結(jié)構(gòu)和尺寸， 在AMES i m軟件平臺上對該型挖掘機(jī)的液壓系 統(tǒng)和工作裝置進(jìn)行了建模，并通過對模型參數(shù) 的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化系統(tǒng)運(yùn)動仿真。 重點(diǎn)就其中壓力脈動與工作裝置跟隨效果差 等問題進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)、建模、AMESim 、建模與仿真 為實(shí)現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確的控制，對機(jī)電系統(tǒng)正確建模是十分重要的。所謂 的機(jī)電系統(tǒng)建模就是對物理對象（即物理實(shí)體） 的建模，也就是將物理對象的輸入、輸出變化 規(guī)律抽象為一種數(shù)學(xué)描述。通過它不僅可實(shí)現(xiàn) 對機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確分析和預(yù)測，而且還可 以實(shí)現(xiàn)機(jī)

2、電系統(tǒng)的正確控制。目前，機(jī)電系統(tǒng)建模的方法大致有兩 類:機(jī)理分析法（又稱理論建模）和實(shí)驗(yàn)測試法（又稱試驗(yàn)建模）O機(jī)理分析法是通過分析系統(tǒng) 的運(yùn)動規(guī)律，在一些合理假設(shè)下，運(yùn)用一些己 知的定理、定律和原則建立起機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型，其中包括傳統(tǒng)理論建模、通用建模法、 專業(yè)建模軟件;而實(shí)驗(yàn)測試法則是通過合理的 實(shí)驗(yàn)方法，利用輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息建 立系統(tǒng)模型，其中包括頻域參數(shù)估計(jì)法、系統(tǒng) 掃頻分析法。二、液壓挖掘機(jī)中的建模在液壓挖掘機(jī)中，發(fā)動機(jī)通過液壓系統(tǒng)來 驅(qū)動工作裝置，液壓系統(tǒng)效率的高低對挖掘機(jī) 的經(jīng)濟(jì)性有很大影響，其液壓系統(tǒng)的效率僅為 40%左右，這是液壓挖掘機(jī)效率低下的主要原因之一。因此

3、，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和研究, 對提高液壓挖掘機(jī)的效率，改善液壓挖掘機(jī)的 工作性能具有重要的意義。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)是由多種液壓元件組成 的非線性系統(tǒng)，各個元件間靠壓力油傳遞能 依靠控制信號實(shí)現(xiàn)壓力、流量的控制。ElinAMESim軟件是基于圖形化的仿真軟件，帶有 多種工程軟件包，其中液壓仿真軟件包包含了 大量的常用液壓元件、液壓源和液壓管路等， 控制軟件包包括多種信號源和運(yùn)算法則，非常 適合工程系統(tǒng)尤其是液壓及其控制系統(tǒng)的建 模仿真和動態(tài)分析。1工作裝置建模仁1挖掘機(jī)的挖掘循環(huán)制定合理的工作循環(huán)，是為了在仿真 過程中使挖掘機(jī)的動作流暢協(xié)調(diào)。挖掘機(jī)的工 作模式大致可以分為挖掘、平整和精細(xì)3種， 其中

4、以挖掘作業(yè)為主。典型的挖掘過程包括確 定挖掘工位、挖掘、運(yùn)動到卸料工位、卸料、 返回挖掘工位5個工序。本文基于挖掘循環(huán)試驗(yàn)中各油路先導(dǎo)壓力的變化，計(jì)算液壓缸的外伸行程，據(jù)此設(shè)定一個挖掘過程中各工作裝置的動作過程， 掘循環(huán)中各工作裝置的動作過程（工作的先后 順序和位移）o作為仿真模型的輸入。所示為在16s的挖12挖掘機(jī)工作裝置與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)建模L1挖掘機(jī)的工作裝置由鏟斗、斗桿、動臂組 成，三者的協(xié)調(diào)動作是由3組液壓缸的伸縮聯(lián) 動來實(shí)現(xiàn)的。圖2為挖掘機(jī)工作裝置在工程仿 真軟件AMESim中的模型，各個部件的建?；?于軟件的平面機(jī)械庫（Planar MeehanicaI庫, 簡稱PLM庫）:PLMBOD

5、是可以連接到二維機(jī)械 上構(gòu)成動力系統(tǒng)的基本形式，而且其端口可以 用作外部輸入的端口，通過PLM傳感器將輸入 量以力的形式作用于液壓缸。o O 0-0芒«電«世±|«上條1挖掘循環(huán)中各工作裝置動作過程金占62挖掘機(jī)工作裝置的AMES I m模型液壓挖掘機(jī)中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為液壓執(zhí) 行系統(tǒng)的一部分，其動力來源于主泵驅(qū)動的回 轉(zhuǎn)馬達(dá)?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)上的角位移傳感器檢測并反饋其位移，通過PID控制器進(jìn)行控制，來跟蹤 目標(biāo)運(yùn)動軌跡，如圖3所示。仁3工作參數(shù)的計(jì)算挖掘機(jī)在作業(yè)過程中，負(fù)載主要包括挖掘 負(fù)載和由各個工作部件自重產(chǎn)生的負(fù)載。自重 產(chǎn)生的負(fù)載可以通過在AMES im軟

6、件中給定部件的質(zhì)量由軟件自行計(jì)算；而挖掘負(fù)載是在挖 掘過程中產(chǎn)生的，由于挖掘物料的局部密度、結(jié)構(gòu)形狀等物理參數(shù)在挖掘過程中的不確定性，挖掘負(fù)載是會時常發(fā)生變化的，但是變化的挖掘負(fù)載通常具有規(guī)律性。因此，模擬出一",11個合理有效的挖掘負(fù)載將會對仿真試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。通過計(jì)算，得到了如圖4所 示的挖掘負(fù)載輸入曲線。3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的AMES i m模型轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算:轉(zhuǎn)動慣量與工作裝置各部分質(zhì)量及其中心位置有關(guān)，實(shí)際 ±,轉(zhuǎn)動慣量是一個變化量。本模型中，取工 作裝置3種不同的中心位置，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì) 算，取平均值近似代表回轉(zhuǎn)裝置工作過程中的 轉(zhuǎn)動慣量。4 個工作循

7、環(huán)中挖掘負(fù)載入曲線2、液壓控制系統(tǒng)建模 2.1泵控系統(tǒng)建模挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)分為泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)。泵控系統(tǒng)是以變量泵為功率放大 元件的系統(tǒng)，通過改變泵的排量來控制進(jìn)入執(zhí) 行元件的流量，從而改變其輸出流量，以實(shí)現(xiàn) 泵功率與發(fā)動機(jī)功率更好的匹配。液壓系統(tǒng)按控制流量的方式主要包括全功率控制和壓力切斷控制、正流量控制和負(fù)流量控制。在AMESim軟件平臺中，利用液壓庫、機(jī)械庫和控制信號庫建立了具有全功率和負(fù)流量復(fù)合控制的泵控系統(tǒng),模型如圖5所示。利用壓力傳感器分別檢測兩泵出口處的壓力 之和即全功率控制信號壓力P 1切2,以及油路節(jié)流孔前的壓力即負(fù)流量控制信號壓力Po通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起了切t切Z>

8、>p與泵輸出流量口之間的Map如6所示，通過查表的方式可以得到泵在任意反饋壓力下的輸出流量。圖6泵輸出流量和壓力MAP圖2. 2閥控系統(tǒng)建模液壓閥是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中控制液 流運(yùn)動方向、壓力高低、流量大小的控制元件。 根據(jù)各種液壓設(shè)備性能要求的不同，將液壓閥 進(jìn)行相應(yīng)的組合，對液壓設(shè)備進(jìn)行控制。主油路采用雙液壓泵、雙回路、高壓 恒功率變量系統(tǒng)，主液壓泵為變量柱塞泵，系 統(tǒng)最大工作壓力由主泵溢流閥來決定。液壓泵 A泵出的油進(jìn)入左換向閥組，液壓泵B泵出的 油進(jìn)入右換向閥組。換向閥組和合流閥都是液 控三位六通閥。在右換向閥組內(nèi),換向閥1,2, 3 并聯(lián)，它們依次控制了動臂、鏟斗和斗桿液壓 缸;換

9、向閥5是合流閥，串聯(lián)在液壓泵A的油 路中。在左換向閥組內(nèi)，換向閥4, 5,6并聯(lián)， 它們依次控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)、斗桿液壓缸、動臂液 壓缸。在每一個分油路上均有溢流閥和補(bǔ)油 閥，以保證分油路的安全。在動臂液壓缸大腔 出口還設(shè)有單向節(jié)流閥，使得較重的大臂下落 時的速度不致太快而引起沖擊。當(dāng)斗桿伸出時，斗桿液壓缸有桿腔一 側(cè)的回油被斗桿的自重加壓并回到主控制閥 閥芯入口，此時斗桿回流閥關(guān)閉，全部回油流 入斗桿無桿腔，即斗桿回流動作。本文利用AMES i m軟件中的控制模塊和液壓模塊搭建了回油再生閥的邏輯模型如圖7 所示:當(dāng)斗桿液壓缸的控制信號為正值時，多 路閥工作在右位，通過控制命令控制換向閥 仁2打開，換向閥3關(guān)閉。液壓油流向如實(shí)線 箭頭所示，即在斗桿液壓缸伸出時，小腔的回 油不直接返回油箱，而是通過單向閥匯入液壓 缸大腔的右路，實(shí)現(xiàn)回油再生功能，加快液壓 缸的運(yùn)動速度。虛線箭頭表示多路閥工作在右 位時，液壓油的流向;實(shí)線箭頭表示多路閥工 作在左位時，液壓油的流向。7回油再生閥的AMES i s模型液壓挖掘機(jī)中的仿真分析以上主要介紹了挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)模型的建立，在此模型基礎(chǔ)