摘要：以深度模拟器液压系统为研究对象, 建立了该系统基于AMESim下的仿真模型; 为满足系统响应迅速和高精度的要求, 采用了P ID控制策略对系统的动态响应进行了仿真。仿真结果表明通过对系统参数的合理选择能够使系统具有较高的精度。仿真模型的建立为深度模拟器的设计提供了重要的理论依据。
关键词：深度模拟器; 计算机仿真; AMESim

液压深度模拟器是水下运动体控制系统仿真中的关键设备之一, 由仿真主控计算机控制运行, 产生要求的压力输出, 用以模拟水下运动体在不同水下深度航行时所承受的水压。深度模拟器是一个电液压力伺服系统, 系统通过控制伺服阀的开合实现密闭工作腔的进出油, 进而控制该腔的压力值。新型深度模拟器具有深度范围大、动态响应快、精度高等特点。通过液压系统仿真软件AMESim的仿真分析, 表明所建模型具有较高的精度。

1深度模拟器的组成与工作原理

深度模拟器是模拟物体在不同水深条件下运动时所承受水压的压力输出装置。其工作原理是利用给定的压力输入信号, 通过自动控制系统, 控制压力产生装置输出相应的压力。该模拟器由两部分组成, 一为控制系统, 是该装置的计算机控制部分;一为液压系统, 是该装置的液压油源和电液转换执行部分, 用于实现信号到压力的转换。其主要组成及原理图见图1[ 1 ] 。

图1 深度模拟器原理图

反馈传感器是影响系统精度的重要因素, 本系统在压力输出通道上采用大、小量程不同的2 个传感器。大量程传感器的压力范围是7MPa, 综合补偿0.1% , 绝对误差0.7m; 小量程传感器的压力范围是1.5MPa, 耐压可达7.5MPa, 综合误差0.05% , 绝对误差0.08m。通过软件拟合, 在高压力时采用大传感器反馈值, 在低压力时采用小传感器反馈, 可以使深度模拟器既具有650m水深压力的工作范围, 同时在小深度时保持较高精度, 从而解决了深度模拟器在深浅水域连续工作时在浅水段仿真误差相对较大的问题。

2液压系统组成

深度模拟器的液压系统主要由油箱、电动油泵、滤油器、板式溢流阀、控制阀、压力表和压力传感器等液压元器件组成, 其组成与工作原理如图2所示。

图2 液压系统组成与工作原理图

从图2可以看出, 控制阀是液压系统的核心部件, 也是控制系统的控制对象。控制系统采集压力传感器的反馈压力, 根据控制模型产生压力输出控制信号, 加载到控制阀上, 调节控制阀的阀芯开度和液流方向, 从而得到指定的液压压力。

节流阀在系统中的作用是除了溢流流量外允许系统中存在一个小流量通过伺服阀, 这个小流量在系统输入信号较小时会使系统建立不了需要的压力, 使得比较器计算后的偏差较大, 从而伺服阀的驱动电流就会大于零位区( ±5%额定输入电流) 电流, 这样就使伺服阀的工作区越过零位区, 从而减小内漏、滞环等因素的影响, 增加了系统的稳定性。

3系统模型的建立

3.1仿真环境

为了对深度模拟器的液压系统进行仿真, 本文作者以AMESim 软件为平台[ 2 ] , 其自带的HCD ( Hydraulic Component Design) 库中包含多种液压元件及流体结构的基本组成元素, 可以按照实际情况来组装所需的特殊结构, 提高了设计的灵活性。

3.2 仿真模型建立

在AMESim仿真平台上建立图3中所示的液压系统。考虑到AMESim液压库中现成的溢流阀模型过于简化, 不能体现出溢流阀的动态响应, 故运用软件自带的HCD库建立了溢流阀模型。

图3 仿真模型

4仿真结果及分析

4.1系统响应能力与频响特性

表1 系统响应能力与频响特性仿真工况参数设置

对系统在调定压力为10MPa条件下进行6.5MPa(水深约650m处) 与0.1MPa (水深约10m处) 的阶跃响应仿真, 起始压力均为0。仿真参数工况设置见表1。图4 ( a)中6.5MPa阶跃响应在0.02 s内上升到系统要求的精度范围( ≤3.25m) 内, 图4 ( b) 中0.1MPa阶跃响应在0.16 s内上升到精度要求范围内。

图5中所示为615MPa压力阶跃响应在第10 s时刻对系统进行线性化所得到的Bode图, 在响应频率为10Hz时系统的幅值衰减为1.31dB, 相位滞后为14°。在幅值衰减为3dB 时系统对应的频率响应为170Hz, 相位滞后为90°时的频率响应为120Hz。

4.2典型工况系统响应

依据系统的工作要求, 系统应能够在设定的工作深度产生阶跃、正弦、方波、锯齿波、斜坡等形式的压力输出信号。图6所示的曲线图分别是系统在压力为3MPa (水深300m 处) 的正弦、方波、锯齿波、斜坡输入的时间响应。其它仿真参数见表2。

图6 典型工况时间响应(15Hz)

图6中得到的四种工况的时间响应是在随机的PID参数情况下得到的仿真结果, 从图中可见, 在该组PID参数下曲线振荡较小。这也说明若引入控制策略, 对PID参数进行适时的调节可以得到更好的响应性能。

4.3系统调定压力对响应的影响

系统的主要输出是压力信号, 伺服阀是控制该输出信号的关键元件, 其正常工作会对流经的液压油产生较大的压降, 因此要求系统压力在一定程度上高于输压力。图7 所示的是起始时刻为1 s, 幅值为6.5MPa的阶跃响应, 仿真时的系统调定压力区间为7～13MPa, 其它参数与图6工况相同。通过AMESim软件的批处理功能绘制了不同压力下系统的阶跃响应曲线。从图中可以看出, 系统压力为7MPa时阶跃响应的最大压力只能达到6.2MPa, 即系统的调定压力为7MPa时不能全范围满足工作要求。同时, 随着系统调定压力的增大系统的响应能力增强, 且在调定压力大于10MPa以后系统输出出现超调。

图7 不同系统压力的阶跃响应

4.4 节流阀开度对响应的影响

图8、9 所示是系统对起始时刻为1 s, 幅值为6.5MPa阶跃信号的瞬态响应和稳态值与设定信号的对比(设定值与响应值) , 由图8、9 可以看出, 系统中设置节流阀能够有效地降低系统的超调量并提高系统的稳态精度。

图8

图9

但是节流阀的开度过大会导致伺服阀在正常工作区时系统也同样建立不了压力, 所以节流阀的开度应该在适当的范围内进行调节。图10 所示阶跃响应的节流阀开度的等效孔径区间为0.35 ～0.85mm, 其它仿真参数与图6工况相同。从图中可知, 等效孔径为0.85mm时系统输出压力为6.3MPa, 不能满足要求。

图10 不同节流阀开度等效孔径的阶跃响应

5结论

通过对液压系统主要元件性能参数的分析, 在AMESim软件平台上建立其仿真模型, 并对系统的响应能力与频响特性、节流阀开度与系统调定压力对系统响应的影响以及典型工况下的系统响应做了仿真研究。得出以下结论:

(1) 系统在合理的工作参数下能够输出0.1 ～6.5MPa压力信号;
(2) 依据工况, 选用适当的PID 调节参数能够达到≤0.5% FS的稳态精度要求;
(3) 压力变化快速响应能力能够满足≥80m / s的性能要求;
(4) 系统频响特性能够满足≥10Hz (幅值衰减不大于3dB, 相位滞后不大于90°) 的性能要求, 并存在一定余量;
(5) 系统工作过程中需按工况调节系统压力(7.5～14MPa) 与节流阀开度(0.35～0.75mm) ;

基于AMESim模型的仿真为深度模拟器液压系统的设计提供了参考。

参考文献
【1】万亚民, 康文钰, 沙琪. 高性能深度模拟器控制系统研究[ J ]. 鱼雷技术, 2002 (9).
【2】刑科礼, 冯玉, 等. 基于AMESim /Matlab的电液伺服系统的仿真研究[ J ]. 机床与液压, 2004 (10)