基于AMESim的數(shù)字液壓缸建模與動(dòng)態(tài)特性仿真

1、 基于 AMESim的數(shù)字液壓缸建模與動(dòng)態(tài)特性仿真Modeling and Dynamic CharacteristicsSimulation of the Digital HydraulicCylinder Based on AMESim學(xué)科專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究生：郭旭升指導(dǎo)教師：肖聚亮副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二一二年十二月 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其它人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的

2、任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：簽字日期：年月日年月日 中文摘要數(shù)字液壓是正在發(fā)展的液壓新技術(shù)，數(shù)字液壓缸作為其中一種執(zhí)行元件，已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。它可以運(yùn)用到絕大多數(shù)電液伺服控制的場(chǎng)合，將傳統(tǒng)液壓復(fù)雜的速

3、度控制和位置控制變成了單一的脈沖控制，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。本文主要通過(guò) AMESim軟件對(duì)其中一種內(nèi)置反饋的步進(jìn)式數(shù)字液壓缸進(jìn)行了建模與仿真，分析了其在不同情況下的動(dòng)態(tài)特性和跟蹤特性。全文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：（1）在研究數(shù)字化液壓傳動(dòng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)數(shù)字液壓缸的概念以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。利用 AMESim軟件進(jìn)行物理建模和仿真，挖掘其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，并針對(duì)不足之處提出改進(jìn)措施。（2）在研究數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)特定工況，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)，對(duì)閥控不對(duì)稱液壓缸進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和分析，為數(shù)字液壓缸的 AMESim建模與仿真分析提供參考和對(duì)照。（3）根據(jù)所建

4、立的 AMESim模型，進(jìn)行仿真。驗(yàn)證了數(shù)字液壓缸增量式的工作原理，并通過(guò)改變單一變量保持其它變量不變的方法，仿真分析了負(fù)載變化、供油壓力變化、制造誤差、閥開(kāi)口情況、連接管路楊氏模量等因素對(duì)數(shù)字液壓缸動(dòng)態(tài)特性的影響，同時(shí)提出了減小相應(yīng)影響的措施。以正弦跟蹤為例，仿真分析了數(shù)字液壓缸的跟蹤特性和改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)引起換向沖擊的原因，針對(duì)造成沖擊的原因，給出了相應(yīng)改善措施。（4）搭建了數(shù)字實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)數(shù)字液壓缸的單缸重復(fù)精度和多缸同步運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。關(guān)鍵詞：數(shù)字液壓缸；AMESim；仿真與建模；動(dòng)態(tài)性能；跟蹤特性I ABSTRACTAs one kind of actuat

5、ors of the digital hydraulic which is developing, the digitalhydraulic cylinder has showed great developed potential which can be used almost forany electro-hydraulic servo occasions. It makes the complex speed control andposition control in traditional hydraulic become single pulse control. Therefo

6、re, thecontrol system is greatly simplified. In this paper, one kind of the built-in feedbackstepping digital hydraulic cylinders is modeled and simulated by AMESim software.Its dynamic and tracking characteristics are analyzed under different circumstances.The main research contents and results of

7、the full text are listed as follows:(1) On the basis of the development of hydraulic transmission, we mainly introducethe concept and the development status of the digital hydraulic cylinder at home andabroad. By AMESim software, do the physical modeling and simulation, tap itsadvantages and charact

8、eristics and propose improvement measures for theinadequacies.(2) On the foundation of studying the structure and working principle, theparameters of the digital hydraulic cylinder are calculated against specific condition.At the same time, mathematical modeling and analysis are made for the asymmet

9、ricalhydraulic cylinder controlled by the valve so as to cross reference for simulationanalysis based on AMESim.(3) According to the AMESim model built, get the simulation. Incremental workingprinciple of the digital hydraulic cylinder is verfied. Through changing single variableand keeping the othe

10、r variables constant, simulate its impacts and proposeimprovement measures when there are load changes, oil source pressure changes,manufacturing errors, four-way valve opening and size, and so on. Taking sinusoidaltracking for example, tracking characteristics and the shock caused by the change ind

11、irection of motion are analyzed. In view of the causes of the shock, give thecorresponding improvement measures.(4) By building the digital experimental platform, experiments which includerepeat accuracy of single cylinder and synchronous operation of multi-cylinder arecarried out. At last, make com

12、parison between the experimental results and thesimulation analysis.Keywords: Digital Hydraulic cylinder, AMESim, Modeling and Simulation,Dynamic Characteristic, Tracking PerformanceII 目錄中文摘要英文摘要.目錄.第一章緒論.1課題的研究背景和意義.1數(shù)字液壓缸的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀.2國(guó)外研究與現(xiàn)狀.2國(guó)內(nèi)研究與現(xiàn)狀.3數(shù)字液壓缸的應(yīng)用.41.4 AMESim軟件的特點(diǎn)和仿真優(yōu)勢(shì).41.4.1 AMESim軟件模塊

13、和特點(diǎn)的介紹.4利用 AMESim對(duì)數(shù)字液壓缸進(jìn)行建模仿真的優(yōu)勢(shì).5本文主要研究?jī)?nèi)容.5第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析.7引言.7數(shù)字液壓缸的組成元件及工作原理介紹.7數(shù)字液壓缸的組成元件.7數(shù)字液壓缸的工作原理介紹.8四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的數(shù)學(xué)模型.10數(shù)學(xué)建模的條件.10四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的流量連續(xù)性方程.11四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的位移輸出方程.13數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算與選取.14基于 AMESim的數(shù)字液壓缸建模分析.16建模過(guò)程分析.16建立數(shù)字液壓缸的 AMESim模型.19III 本章小結(jié).20第三章數(shù)字液壓缸的仿真與動(dòng)態(tài)特性分析.22引言.22子模型的選擇和運(yùn)行

14、參數(shù)的設(shè)置.22給元件選擇子模型.22設(shè)置具體運(yùn)行參數(shù).23運(yùn)行仿真.23動(dòng)態(tài)特性仿真.27外在因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響的仿真分析.27數(shù)字液壓缸制造精度對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響的仿真分析.32其它因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響的仿真分析.36本章小結(jié).39第四章數(shù)字液壓缸的跟蹤特性和影響因素仿真分析. 40引言.40數(shù)字液壓缸正弦跟蹤理論分析.40數(shù)字液壓缸的正弦跟蹤仿真及影響因素分析.41數(shù)字液壓缸正弦跟蹤仿真.41數(shù)字液壓缸正弦跟蹤影響因素的仿真分析.43本章小結(jié).49第五章數(shù)字液壓缸現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn).51引言.51數(shù)字實(shí)驗(yàn)臺(tái)及 PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述.51數(shù)字液壓缸實(shí)驗(yàn)研究與分析.52單個(gè)數(shù)字液壓缸運(yùn)行重復(fù)精度的實(shí)驗(yàn).5

15、3多個(gè)數(shù)字液壓缸同步運(yùn)行實(shí)驗(yàn).54本章小結(jié).55第六章結(jié)論與展望.56結(jié)論.56展望.57IV 參考文獻(xiàn).58參加科研情況和發(fā)表論文說(shuō)明.62致謝.63V 第一章緒論第一章緒論課題的研究背景和意義液壓技術(shù)從出現(xiàn)以來(lái)，就不斷運(yùn)用到工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域上。閥控液壓缸是液壓傳動(dòng)中一種重要的直線傳動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)規(guī)律容易控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠1-2。用作控制的液壓閥，種類很多。其中，常用而且可以滿足一定精度要求的，主要有電液伺服閥和電液比例閥。電液伺服閥是一種精密液壓元件，死區(qū)小、3頻帶寬、響應(yīng)快，而且重復(fù)控制精度也很高。然而，它對(duì)流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，對(duì)工作場(chǎng)合溫度敏感，制造成本和維修費(fèi)用比較高，因

16、此難以在普通的工業(yè)產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。為了降低成本，電液比例閥有一定的中位死區(qū)，工作頻寬比電液伺服閥要略低一些。但是在滯環(huán)長(zhǎng)短、重復(fù)精度等性能上與電液伺服閥已相差不多；而對(duì)油液過(guò)濾精度、閥內(nèi)壓力損失和價(jià)格因素上卻接近于開(kāi)關(guān)閥，因此它在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用4-6。但是它們的共同缺點(diǎn)是：難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和智能控制，運(yùn)動(dòng)形式單一，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式。7隨著數(shù)控技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合已成為一種必然趨勢(shì)。于是，數(shù)字閥應(yīng)運(yùn)而生了，常見(jiàn)的數(shù)字閥主要有兩種：高速開(kāi)8關(guān)閥和步進(jìn)式數(shù)字閥。它們可以直接與計(jì)算機(jī)相連，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換等中間環(huán)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓閥，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)油液

17、精度要求低，對(duì)工作場(chǎng)合溫度要求低，成本相對(duì)低廉；而且重復(fù)精度高，穩(wěn)定可靠，驅(qū)動(dòng)功率小9-11。本文研究的數(shù)字液壓缸，就是把增量式數(shù)字閥與液壓缸進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接，以實(shí)現(xiàn)液壓缸運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化控制。它的工作原理是：把絲杠作為反饋元件，放置在液壓缸的中空式活塞桿中，通過(guò)一定方式，對(duì)活塞的位置進(jìn)行反饋，而活塞桿速度由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率來(lái)決定。這一技術(shù)雖然已出現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間，但在我國(guó)真正利用的時(shí)間還不長(zhǎng)，許多問(wèn)題還有待解決。數(shù)字液壓缸是一種高精度產(chǎn)品，然而液壓系統(tǒng)本身存在響應(yīng)滯后、死區(qū)、管道布置、制造誤差等非線性影響因素；系統(tǒng)本身存在泄露，且受到溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響；液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生各種沖擊等，如在啟動(dòng)

18、、換向和停止時(shí)。這些因素都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行情況與理12想情況存在一定的差別。因此，針對(duì)具體的工況，通過(guò)前期的仿真，分析運(yùn)行中，可能出現(xiàn)的各種不同狀況以及這些狀況對(duì)其正常工作的影響情況，判斷、分析甚至量化這些影響和1 第一章緒論差別，是十分必要的。這些分析和結(jié)果對(duì)數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)、制造和具體應(yīng)用，有很大的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。數(shù)字液壓缸的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀國(guó)外研究與現(xiàn)狀早在上世紀(jì)六七十年代，在國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行對(duì)數(shù)字液壓缸的研究與開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)的第一臺(tái)數(shù)字液壓缸是在德國(guó)奧林匹亞會(huì)堂出現(xiàn)的，雖然它有很多缺點(diǎn)，但在當(dāng)時(shí)仍然引起廣大液壓同行的轟動(dòng)與震驚。隨后，德國(guó)力士樂(lè)公司研制出一種基于螺紋伺服機(jī)構(gòu)的液壓脈沖缸

19、，但在今天看來(lái)，它仍屬于機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)的領(lǐng)域13-14。1982年，美國(guó)的 Ford Motor公司開(kāi)發(fā)了一種環(huán)形多極的高速電磁開(kāi)關(guān)閥，該閥的響應(yīng)時(shí)間為 2ms。之后，宮本正彥等人開(kāi)發(fā)出了三通型超高壓高速電磁開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)工作壓力為 120MPa時(shí)，閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間分別為 和 。這些閥與液壓缸相連后，便實(shí)現(xiàn)了液壓缸的數(shù)字化控制，是數(shù)字液壓缸的一種類型15。但是這種數(shù)字液壓缸的實(shí)際輸出流量小，一般小于 10L/min，不能直接用于大流量的控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)在常用脈寬調(diào)制的方式去控制高速開(kāi)關(guān)閥，再用其作為先導(dǎo)級(jí)控制二級(jí)閥，可有效提高控制流量16-18。1985年，Ramchandran等人開(kāi)始對(duì)利用步進(jìn)電

20、機(jī)控制的增量式數(shù)字閥進(jìn)行性能分析19。不久，日本的東京計(jì)器公司設(shè)計(jì)出一種電液脈沖缸，利用位置反饋的原理，對(duì)液壓缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高。之后，這一技術(shù)在日本、德國(guó)和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。日本某公司為了監(jiān)測(cè)數(shù)字液壓缸的工作情況，在液壓缸內(nèi)部裝上傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)油液的壓力波動(dòng)和沖擊等情況。如果出現(xiàn)異常情況，傳感器連接系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，以提醒操作者改變運(yùn)行條件，消除影響，這一系統(tǒng)可以及時(shí)預(yù)防突發(fā)情況的發(fā)生，極大的促成了液壓缸在重載條件下的安全運(yùn)行20-2216。除此之外，還有許多在數(shù)字液壓缸不同部位安置傳感器的例子，目的都是用來(lái)提高和改善工作性能與工作環(huán)境。2003

21、年，德國(guó)的美圖 Vikers公司在漢洛威展品會(huì)上，展示了其生產(chǎn)的專家智能伺服缸。終端執(zhí)行器由多種高新產(chǎn)品組合而成，包括了過(guò)濾器、伺服閥、內(nèi)置式位置傳感器、微機(jī)控制器等。在美國(guó)，某公司開(kāi)發(fā)出了一種帶磁致伸縮位移傳感器的液壓缸反饋裝置，由于采用了特殊的結(jié)構(gòu)、安裝方式和非接觸的測(cè)量技術(shù)，使其在高溫、高壓和高振蕩的惡劣環(huán)境下也可以使用，使得數(shù)字液2 第一章緒論壓缸技術(shù)又一次得到改進(jìn)23-24。國(guó)內(nèi)研究與現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究，始于上世紀(jì) 70年代末，直到 90年代，一直處于初步研究與探索的階段，幾乎沒(méi)有成形化的工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)。從上世紀(jì) 90年代起，浙江工業(yè)大學(xué)“數(shù)字化裝備與控制實(shí)現(xiàn)室 ”的阮健教授及其團(tuán)

22、隊(duì)利用單個(gè)閥芯的旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)的雙自由度構(gòu)成新型的二維閥（簡(jiǎn)稱 2D閥），并對(duì)其理論及應(yīng)用作了大量研究25-27。進(jìn)入 21世紀(jì)，尤其是 2002年，數(shù)字液壓缸技術(shù)納入國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目后，在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。其中，以北京億美博為代表，該公司研制出了多種性能先進(jìn)的數(shù)字液壓缸，如圖 1-1所示。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙靈活，充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)?？梢耘c專門研制的簡(jiǎn)易可編程數(shù)字控制器配合，能高精度的對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制28。圖 1-1億美博公司生產(chǎn)的數(shù)字液壓缸及智能數(shù)字控制器除此之外，重慶大學(xué)的魏祥雨，針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字液壓缸不能對(duì)系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素給運(yùn)行

23、位移和速度造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償，提出了一種采用光電編碼器檢測(cè)液壓缸運(yùn)行的方法，從而形成閉環(huán)控制的思想，并且對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算12。前面介紹的研究，都是利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行增量式控制的數(shù)字液壓缸。湖南師范大學(xué)的李偉，對(duì)一種利用高速開(kāi)關(guān)數(shù)字閥組成的數(shù)字液壓缸，進(jìn)行了基于AMESim的建模和仿真分析。該數(shù)字液壓缸以高速開(kāi)關(guān)閥作為邏輯錐閥的先導(dǎo)控制閥，在一定程度上彌補(bǔ)了高速開(kāi)關(guān)閥輸出流量小的缺點(diǎn)。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了這一驅(qū)動(dòng)方案的可行性，得出了其具有較高控制精度和滿足高壓、大流量的液壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)論16。另外，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的趙繼云、曹紅波等，對(duì)大推力的數(shù)字液壓缸（例如推3 第一章緒論力大于 100kN）通過(guò)

24、Matlab建模，進(jìn)行了仿真分析，提出了設(shè)計(jì)大推力數(shù)字液壓缸時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。數(shù)字液壓缸的應(yīng)用相對(duì)傳統(tǒng)的液壓技術(shù)，數(shù)字液壓缸運(yùn)動(dòng)特性完全數(shù)字化，適合多參數(shù)化系統(tǒng)協(xié)同工作；抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)溫度不敏感，可在最高 200左右的環(huán)境下工作；控制功率小，輸出功率大，容易實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械數(shù)控化；控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，大大減少了調(diào)試工作，對(duì)從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)要求降低了很多29-30。因此，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)民領(lǐng)域的各個(gè)方面，已經(jīng)在冶金、國(guó)防軍事、機(jī)械制造、能源、化工等領(lǐng)域中獲得廣泛推廣，帶來(lái)一系列技術(shù)進(jìn)步。隨著微機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和制造技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)液壓控制數(shù)字化是未來(lái)液壓發(fā)展的方向。目前，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研發(fā)，都已

25、經(jīng)取的了一定的成績(jī)。在國(guó)內(nèi)，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了一系列傳統(tǒng)液壓難以解決的液壓系統(tǒng)中31-32。東方電機(jī)公司于 2009年 7月，在灘坑 3號(hào)機(jī)上，把圓筒閥控制改為數(shù)字液壓缸控制，截止到 2010年 5月，已成功開(kāi)啟筒形閥 270余次，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一次卡阻故障，且運(yùn)行維護(hù)非常方便33。利用超高精度數(shù)字液壓缸，成功實(shí)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈裝彈機(jī)構(gòu)同步舉升和移動(dòng)控制，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)年，很少出現(xiàn)故障。鋼鐵研究院，在極薄非晶帶鋼的厚度控制上，運(yùn)用數(shù)字液壓缸技術(shù)后，穩(wěn)定性和控制精度都超過(guò)原來(lái)的伺服液壓技術(shù)。以上所列只是數(shù)字液壓缸眾多應(yīng)用中的一小部分，隨著這一技術(shù)的不斷完善和推廣，相信它一定會(huì)應(yīng)用到更多、更新的領(lǐng)域。這也

26、是本文對(duì)其進(jìn)行建模仿真的目的，就是為了充分了解和分析它的性能，針對(duì)有瑕疵的地方不斷改進(jìn)，為現(xiàn)有的應(yīng)用和再次的開(kāi)發(fā)制造提供參考。1.4 AMESim軟件的特點(diǎn)和仿真優(yōu)勢(shì)1.4.1 AMESim軟件模塊和特點(diǎn)的介紹AMESim軟件是一個(gè)完整的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括了機(jī)械、液壓、電氣、自動(dòng)化等眾多學(xué)科領(lǐng)域，使用戶可以在一個(gè)平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)模型。由其是運(yùn)用在機(jī)電液一體化上的建模與仿真，相對(duì)其它軟件，優(yōu)勢(shì)更加明顯。AMESim軟件的主要特點(diǎn)有34-37：4 第一章緒論（1）實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科建模仿真，應(yīng)用范圍廣泛。AMESim軟件可以在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的系統(tǒng)工程建模，而且不同領(lǐng)域模塊之間可

27、以直接連接。（2）AMESim軟件使用的是圖形化的物理建模方式，仿真模型的建立、修改都是通過(guò)圖形界面來(lái)進(jìn)行的，不再需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和編寫程序代碼。（3）AMESim軟件中，每個(gè)基本元素都是構(gòu)成工程系統(tǒng)的最小元素，使得用戶可以用盡可能少的元素，完成復(fù)雜模型的建模與仿真。（4）AMESim軟件具有魯棒性極強(qiáng)的智能求解器。當(dāng)使用者建好模型后，軟件能自動(dòng)選擇最佳積分方法進(jìn)行仿真計(jì)算，而且積分算法和積分步長(zhǎng)能隨時(shí)間變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，達(dá)到縮短仿真時(shí)間和提高仿真精度的目的。（5）AMESim軟件提供了與很多其它軟件兼容的接口。例如控制軟件接口（Matlab，MatrixX），多維軟件接口（Adams，

28、VL Motion，F(xiàn)lux）和實(shí)時(shí)仿真軟件接口（dSPACE）等。雖然 AMESim是個(gè)比較成熟的軟件，但在元件模型的參數(shù)設(shè)置上有些不便，很多參數(shù)需要設(shè)置，有的參數(shù)很難確定。另外，基本元件偏少，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，建模存在一定難度。同時(shí)，在信號(hào)控制方面不夠靈活，函數(shù)相對(duì)較少。利用 AMESim對(duì)數(shù)字液壓缸進(jìn)行建模仿真的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模難以建立精確的模型，而且建模周期長(zhǎng)，過(guò)程也非常復(fù)雜。一旦對(duì)結(jié)構(gòu)中元件進(jìn)行改變或修改，建模就可能要重新開(kāi)始。數(shù)字液壓缸是機(jī)、電、液一體化集成的系統(tǒng)，對(duì)性能影響的參數(shù)較多。若利用其它方式建模，過(guò)程復(fù)雜，不容易調(diào)試。而利用 AMESim軟件進(jìn)行建模與仿真，只需要根據(jù)數(shù)

29、字液壓缸的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，取得合適最小元素，進(jìn)行連接便可。建模中，任何一個(gè)元件的改變，都不影響其它元件已經(jīng)建好的模型，更不用從頭開(kāi)始建模過(guò)程。大大減小了建模的時(shí)間和復(fù)雜程度，可抽出更多的時(shí)間，專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)研究和對(duì)問(wèn)題的仿真分析上38-39。此外，AMESim具有強(qiáng)大的繪圖功能。在仿真分析階段，可以方便的進(jìn)行圖形分析；針對(duì)同一參數(shù)設(shè)置不同的數(shù)值，進(jìn)行批運(yùn)行，觀察該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響；通過(guò)它的回放功能，可以更直觀的觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。本文主要研究?jī)?nèi)容本文研究的對(duì)象是一種利用數(shù)字脈沖進(jìn)行控制的增量式數(shù)字液壓缸。這一5 第一章緒論技術(shù)在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間還不夠長(zhǎng)，還有諸多不完善的地方有待改進(jìn)。

30、針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)該數(shù)字液壓缸進(jìn)行建模和仿真就顯的十分必要。本文是通過(guò) AMESim軟件，對(duì)該數(shù)字液壓缸進(jìn)行建模與仿真。針對(duì)其在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析，并提出了改進(jìn)的措施和再次設(shè)計(jì)、運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意的問(wèn)題。從而達(dá)到進(jìn)一步挖掘其性能和改善不足的目的。全文內(nèi)容編排如下：第一章，簡(jiǎn)述了課題的研究背景和意義，介紹了數(shù)字液壓缸的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況；然后綜述了 AMESim軟件的特點(diǎn)和利用它進(jìn)行建模仿真的優(yōu)勢(shì)；最后提出本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章，簡(jiǎn)要介紹了數(shù)字液壓缸的主要組成元件和元件選型，在此基礎(chǔ)上介紹了它的工作原理；并建立了閥控不對(duì)稱液壓缸的數(shù)學(xué)模型，為最終的AMESim仿

31、真結(jié)果提供一定的參考，然后針對(duì)特定工況，計(jì)算了液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后完成了本文研究的數(shù)字液壓缸基于 AMESim的建模工作。第三章，本章主要對(duì)數(shù)字液壓缸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。主要從負(fù)載干擾、供油壓力變化、制造誤差、四通閥開(kāi)口方向和大小等因素出發(fā)，分析了它們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，包括對(duì)響應(yīng)速度、滯后量、速度波動(dòng)等性能的影響，并給出了減小這些影響應(yīng)該注意的問(wèn)題。第四章，繼續(xù)利用所建立的 AMESim模型，改變輸入方式。對(duì)其正弦跟蹤特性進(jìn)行了仿真分析，主要考慮了液壓缸運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，出現(xiàn)速度沖擊的問(wèn)題。除此之外，還分析了其位移曲線誤差，跟蹤滯后等問(wèn)題。針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題，給出了改進(jìn)的措施和建議。第五章

32、，通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)該數(shù)字液壓缸的增量式工作原理、多個(gè)數(shù)字液壓缸同步運(yùn)行情況進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真情況作了對(duì)比分析。第六章，對(duì)全文的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)，提出今后的工作展望。6 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析引言本章首先介紹了數(shù)字液壓缸的工作原理，并對(duì)閥控不對(duì)稱液壓缸進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模；其次，針對(duì)特定工況，對(duì)數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；最后，對(duì)數(shù)字液壓缸的各個(gè)組成模塊進(jìn)行了 AMESim建模分析，完成建模工作，為下一章的仿真作準(zhǔn)備。數(shù)字液壓缸的組成元件及工作原理介紹數(shù)字液壓缸的組成元件數(shù)字液壓缸的主要組成元件包括：步進(jìn)電機(jī)、四通閥、螺桿結(jié)構(gòu)、

33、反饋絲杠、缸體等。這些元件的種類和結(jié)構(gòu)很多，下面主要介紹一下該數(shù)字液壓缸中這些元件的相應(yīng)選型。（1）步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)中選擇的步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角為度。這種類型的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)距相對(duì)較大，而自身體積又相對(duì)較小，最高工作溫度在 100以上，性能非常適合該數(shù)字液壓缸40。（2）四通閥。選擇三位四通的 O型滑閥，簡(jiǎn)稱四通閥。它能較好的適應(yīng)該數(shù)字液壓缸對(duì)控制閥的要求，但是用在數(shù)字液壓缸上，閥芯和閥的配合精度比其它一般應(yīng)用場(chǎng)合要高。閥芯在移動(dòng)的同時(shí)，還在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)密封性和制造精度也提出了更高的要求?；y有三種開(kāi)口形式，如圖 2-1所示。（a）正開(kāi)口（b）零開(kāi)口（c）負(fù)開(kāi)口圖 2-1滑閥的三

34、種開(kāi)口形式7 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析其中，正開(kāi)口滑閥的閥口總是處于打開(kāi)狀態(tài)，因此該類型滑閥適用于系統(tǒng)有連續(xù)液流的要求，最好用在采用恒流量的系統(tǒng)中。零開(kāi)口的滑閥有最好的線性流量特性，這正好滿足了伺服系統(tǒng)盡可能具有線性增益特性的要求，但是它的密封性能差，制造成本高。負(fù)開(kāi)口滑閥的流量增益特性具有死區(qū)，導(dǎo)致一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但是通過(guò)一定的補(bǔ)償可以減小這一影響，而且負(fù)開(kāi)口滑閥的制造成本相對(duì)零開(kāi)口滑閥要低很多，密封性能又好，所以該數(shù)字液壓缸系統(tǒng)中采用了有一定負(fù)開(kāi)口量的滑閥41。（3）液壓缸。本文中數(shù)字液壓缸的執(zhí)行元件液壓缸，選用的是一種具有中空式活塞桿結(jié)構(gòu)的液壓缸，在活塞桿內(nèi)部可以安裝絲杠。具

35、體的三維結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示，當(dāng)有液壓油流入時(shí)，絲杠只發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不作左右移動(dòng)，而螺母跟隨活塞只作左右移動(dòng)，而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖 2-2中空式活塞桿液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖液壓缸中的絲杠，有三種類型的支承形式。分別為兩端固定式，主要用于長(zhǎng)絲桿或高速度，高拉壓強(qiáng)度的場(chǎng)合；一端固定、一端簡(jiǎn)支的方式，一般用于較長(zhǎng)的、需要臥式安裝絲桿的場(chǎng)合；一端固定、一端自由的方式，一般用于較短和豎直絲桿的場(chǎng)合。本數(shù)字液壓缸選用的是第三種類型的絲杠，它便于安裝，而且比較節(jié)省空間42。數(shù)字液壓缸的工作原理介紹本文所要研究的數(shù)字液壓缸的三維結(jié)構(gòu)，如圖 2-3所示。它是將步進(jìn)電機(jī)、四通閥、螺桿結(jié)構(gòu)、反饋絲杠、缸體等作為一個(gè)整體進(jìn)行集

36、成。它的工作原理如下所述：首先，由控制器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送已調(diào)制好的脈沖信號(hào)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，就會(huì)按相應(yīng)的規(guī)律，輸出一定的角速度或者角位移。這一運(yùn)動(dòng)通過(guò)花鍵、萬(wàn)向聯(lián)軸器和四通閥閥芯傳到外螺紋 5上，8 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析外螺紋 5和缸外轉(zhuǎn)軸 6配合，其中的缸外轉(zhuǎn)軸 6位置固定，只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能移動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)作用下，外螺紋帶動(dòng)閥芯產(chǎn)生軸向位移。因?yàn)樗耐ㄩy采用的是有一定死區(qū)的負(fù)開(kāi)口形式，所以剛開(kāi)始的幾個(gè)脈沖不能使液壓油源接通。死區(qū)過(guò)后，繼續(xù)輸入脈沖信號(hào)，閥口打開(kāi)，液壓油通過(guò)四通閥流入液壓缸。當(dāng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，P口和 B口接通，A口和 T口接通，前腔增壓，液壓缸開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，帶

37、動(dòng)固定在活塞上的螺母一起向右運(yùn)動(dòng)；絲杠 10開(kāi)始按比例發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向正好和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的方向相反，絲杠帶動(dòng)缸外轉(zhuǎn)軸 6轉(zhuǎn)動(dòng)，使外螺紋 5向左移動(dòng)，也就是閥芯向左移動(dòng)，閥口關(guān)閉，一個(gè)步進(jìn)過(guò)程結(jié)束12。死區(qū)過(guò)后，每個(gè)脈沖使液壓缸前進(jìn)的位移為：Ñs = Ñq ´t1360（2-1）式中Ñq 步進(jìn)電機(jī)的步距角；t1絲杠導(dǎo)程。連續(xù)輸入脈沖，閥芯的位移為：t22pxv =(qr -qm)（2-2）式中t2 閥芯連接的螺桿導(dǎo)程；qr 步進(jìn)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)角；qm 絲杠反饋轉(zhuǎn)角。1步進(jìn)電機(jī)；2花鍵；3萬(wàn)向聯(lián)軸器；4閥芯；5帶外螺紋的軸；6帶內(nèi)螺紋的缸外轉(zhuǎn)軸；7端蓋；8空心

38、活塞桿；9絲杠；10液壓缸圖 2-3數(shù)字液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖該數(shù)字液壓缸克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)對(duì)油溫變化敏感的缺點(diǎn)，可以充分利用步9 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析進(jìn)電機(jī)的調(diào)速性能進(jìn)行數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。方便操作者在后臺(tái)進(jìn)行操作，而且無(wú)累積誤差，滯環(huán)小，對(duì)四通閥的閥芯、閥體沒(méi)有特殊要求。缺點(diǎn)就是對(duì)元件的制造精度要求比較高，加工裝配有一定的難度，當(dāng)液壓缸發(fā)生內(nèi)泄露時(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成傳動(dòng)比的不穩(wěn)定43-45。四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的數(shù)學(xué)模型數(shù)字液壓缸通過(guò)脈沖頻率和數(shù)量來(lái)決定輸出情況，但最終還是靠控制閥的開(kāi)啟、關(guān)閉和開(kāi)啟量的大小來(lái)控制工作油液輸出的壓力和流量。因此，對(duì)四通閥控制的液壓缸進(jìn)

39、行壓力、流量方程等建模分析，是非常有意義的，它可以為AMESim仿真結(jié)果分析提供一定的參考和指導(dǎo)。文中數(shù)字液壓缸系統(tǒng)中的液壓缸，是一種兩端不對(duì)稱的液壓缸。數(shù)學(xué)建模的條件圖 2-4是零開(kāi)口四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的原理圖。四通閥的壓力流量特性對(duì)液壓缸系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性具有很大影響。當(dāng)閥芯處于中間位置時(shí)，由于凸肩的棱邊與油槽的棱邊分別對(duì)齊，從而把油槽完全封住，即四個(gè)節(jié)流口都關(guān)閉，此時(shí)沒(méi)有壓力和流量輸出。當(dāng)四通閥在外力的作用下，有一個(gè)正向位移時(shí)，則油液經(jīng)節(jié)流口通往液壓缸；由液壓缸另一端流回的油液，經(jīng)另一個(gè)節(jié)流口流回油箱。為了簡(jiǎn)化分析，作以下假定：（1）液壓油源是理想的，油源壓力恒定不變，回油壓力

40、近似為 0；（2）四通閥是理想的：四通閥是絕對(duì)的零開(kāi)口、閥的幾何尺寸絕對(duì)正確，也沒(méi)有泄露，各節(jié)流口的流量系數(shù)相等；（3）液體是理想的，無(wú)黏性、不可壓縮；（4）液體在管道中流動(dòng)會(huì)有壓力損失，但這種損失比起節(jié)流口處的節(jié)流損失要小的多，可忽略；（5）液體的壓縮性極小，靜態(tài)時(shí)密度的變化很小，也可忽略。10 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析psq1p0q2xvFkp1p2V1V2mtBpCep1CipLCep2FLxp圖 2-4零開(kāi)口四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的原理圖四通閥控制不對(duì)稱液壓缸的流量連續(xù)性方程閥芯的動(dòng)態(tài)位移為 xv，假定節(jié)流閥口為矩形窗口，其面積梯度為 w，那么閥開(kāi)口面積為：A = w xv

41、（2-3）（2-4）當(dāng)閥芯在外力作用下，移動(dòng)了 xv時(shí)，那么它的壓力流量方程：qL = Cdwxv r2 (ps -xvxvpL)當(dāng)閥芯向右移動(dòng)時(shí)， xv取正值；當(dāng)閥芯向左移動(dòng)時(shí)， xv取負(fù)值。式中Cd 閥口的流量系數(shù)，對(duì)于薄壁型閥口Cd = ；r 油液的密度，一般取 r =900kg/m3；ps 油源壓力；pL負(fù)載壓力。零開(kāi)口的四通閥，一般工作在零點(diǎn)附近，它的流量增益和壓力增益分別為：Kq0 = ¶¶q（2-5）（2-6）Lxv¶qLKc0 = - ¶pL11 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析由于伺服閥通常在零點(diǎn)附近工作，因此計(jì)算流量和壓力增益時(shí)，

42、采用時(shí)間的零點(diǎn)進(jìn)行流量壓力增益計(jì)算，即：p rc2w64mKc0 = Kc1 =（2-7）式中： rc 閥芯與閥套間的徑向間隙，取rc = 5´10-6m。流量增益取理想值：psrK q0 = Kq1 = Cdw（2-8）從式（2-4）可以看出，該閥的流量方程是一非線性方程，要用線性化理論對(duì)該動(dòng)力元件進(jìn)行分析時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理。處理后，得出四通閥的線性化流量方程為：DqL = Kq0Dxv - Kc0DpL（2-9）這是一個(gè)增量方程，DqL表示閥在零點(diǎn)附近工作的負(fù)載流量變化，它是由閥芯的位移變化Dxv和負(fù)載壓力變化DpL兩種因素引起的流量變化之和，這兩種因素所引起的負(fù)載流量變化的變化率分別為該工作點(diǎn)的流量增益 K q0與流量壓力增益 Kc0。當(dāng)閥芯有