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1、驱动力加载系统仿真一、项目背景：根据国家能源局新兴能源产业发展规划，至2020年风电装机容量可达1. 5 亿千瓦，风机大型化是大势所趋，预计到2020年单机容量将达到15MW,由于研 发及装配阶段的试验条件限制，大型风机的可靠性难以保证，配置大功率试验台, 实现风机安装前试验是提高风机运行可靠性、降低故障率的保障。液压加载具有 单位重量功率比高、动态响应高、安全可靠的特点。本项目主要任务：1）建立单轴液压加载试验系统仿真模型、分别采用Simulink与AMESim对 系统动态特性进行仿真分析；2）对控制系统进行校正；3）优化控制器参数；4）完成加载序列的仿真并对两种软件Simulink与AME
2、Sim的仿真结果进行 对比分析。二、控制系统模型本液压系统的模型为对称伺服阀控制非对称伺服液压缸，阀控缸模型为:控制系统模型:Be查送3S驱动力控制系统是由放大器、校正器、电液伺服阀、液压缸及力传感器等主 要部分组成的闭环系统，原理框图如图3-1所示，当力指令电压信号当与力传 感器反馈电压信U号不等时，偏差电压进入伺服放大器，输出电流i控制电液 伺服阀的动作，使液压缸输出液压力凡，直到 = U时，作用负载上的力才为定 值。因假设力传感器和活塞杆的刚度远大于负载刚度，故系统为单自由度驱动力 控制系统。三、系统的数学建模1. 阀控缸模型根据项目要求，缸的内径和杆径己给出，故液压缸两腔的有效面积比：
3、A 7- d 3202-2202n= =弓 =0。27A 力2320-4仿真的液压缸组为Fy3,根据出力正负的定义，我们可以看出，活塞伸出的 方向为正，活塞缩回的方向为负。由于液压缸是非对称的，活塞在伸出和缩回的 过程流量是不同的，因此应该分开讨论。参考液压控制系统（吴振顺），对称 阀控制非对称液压缸的传递函数，可以得出负载压力随着对称阀阀芯的位移变化 的传递函数。（这里采用了简化形式）。怕(X-+1) Xv - ,4kce l蔬 ) v KKce(表+E+1)30)KeelKCe2其中，当活塞伸出时,Vt2(l+n2)3 eKeel . Be 2可0当活塞缩回时,Vt2(l+n2)p eKc
4、e2 . Be 2s()其中参数2(l+n2)p eA?1 2(l + n2)P eKce2 Be 1 230VtrnBe11 2VmK式中kq为伺服阀的流量增益，两个方向运动时，流量增益是不同的。2. 电液比例阀模型伺服阀的方程为：Q(S)_ W _ Kq而一 一+2纽s+忒一 /注孔Y I b XL由于我们的阀控缸模型可以简化为：?(弓+皿+ 1)瑚sF_，ce、耳】1疝n】)KKeePl (旦 + 1)(马 + 11+1)砰 / XSq 3o )3. 伺服放大器模型设V为伺服放大器的力控制信号，心为传感器的反馈信号，i为伺服放大器 给伺服比例阀的控制电流。参考液压控制系统(吴振顺)，伺服
5、放大器时间常 数非常小，忽略伺服放大器的动态时，它们之间的传递函数可以写成i= (Ur -UF )式中：K一一伺服放大器的增益，A/Vo4. 力反馈元件数学模型假设力传感器的刚度很大，在力的作用下，基本没有变形，并且忽略动态, 则输出力信号凡与反馈电压信号伍之间的关系为：Uf = KfFe式中：Kf一一力传感器的传感系数，V/N。四、参数计算1）负载弹簧刚度计算由仿真计算书的表4,共有五种缸，每个缸等效负载弹簧刚度为K = MnAxFzlFz2FxlFx2Fy3+Fy4Fyl+Fy24个油缸2个油缸1个油缸1个油缸共2个油缸共2个油缸时序1-27462517149149717-869时序2-4
6、6774392114114-1. 9-196变形量0. 5mm4mm0. 1mm0. 1mm2mm0. 2mm刚度N/m2. 34e95. 49e81.49e91. 49e91. 7925e82. 173e92）负载总质量负载总质量JF50t=5X10*kg,在用方向上共有3个缸，对一个缸来说, EQEOkg。3）油液体积弹性模量Z?e=6.9xlOsPa,系统供油压力31.5MP&根据实验数据或经验估计液压缸的粘性阻尼系数良二1000Ns/m。4）活塞有效面积A= D2=-x0322=0.080m2445）缸的有效容积v =2V0 =-D2x=-x0.322x0.0518=8332xl03m
7、322式中V10缸的无杆腔初始容积，ms；A一一无杆腔体长度，mo在两腔容积相等情况下，可由活塞杆的行程求得。6）伺服比例涧的选择压力选择额定压力为31.5MPa,流量计算如下：液压缸行程4mm时，进入液压缸油液的最大体积：Yz=A1=008x0 004=3.2x10M=0. 32L因为力的输出值在Is末必须稳定，将油液的流动时间设为0.4s,阀的流量 估计为Q=t =22=48 4 L/min选择力士乐的伺服比例阀，型号为4WRPEH6C1B24L-2X/G24K0/F1M,其额定 流量为24L/min,固有频率95Hz。液压弹簧刚度2 (1-Hi2 )队葺 2(1-K)272)6.9 xl
8、0sx0.0829-=135 x 1.0N/m8332x10-38)力传感器系数电压选择12V,7）最大输出力为1443.8kN,取1500kN,力传感器系数Kf= 12=8x1015xl069)伺服放大器系数20X10-3 “3空=1.67x10U 12A/V10）伺服比例阀实际流量及流量增益由于油源压力为31.5Mpa,负载回油被压为IMPa。在伺服阀的实际工作进程 中，我们可以认为负载压力是在逐渐变大的，由于负载最小的时候，流量增益最 大，此时系统稳定性差，而负载最大的时候，流量增益最小，系统响应速度最慢， 跟据我们的经验，我们在设计的时候，液压系统的响应速度是很快的，因此主要 从系统的
9、稳定性角度来设计参数，最终只对响应快速性性验证。当负载压力为。时，对应的流量为q,=g30.511)q = 24 |亏 = SOfiniin伺服阀的流量-电流增益为:Vqvl 50 X 0.001Im 60X0.024.17e3(m3/s/A)11）伺服比例阀的参数指标内泄漏系数：可根据液压缸的实验参数进行估算，一般其数量级在IxlO-11 (m7s) /Pa,这里取Cic=3xl011(m3/s)/Pa外泄漏系数4=0总的泄露系数CL告E古w捋g=3.996 xl0-11(m3/s)/Pa12) 所用油液性质根据要求，使用46号抗磨液压油，查表知40C时运动粘度为，=45.8cst,密 度Z
10、7=896kg/m动力粘度为896x45.8 八Li=pv=t=410.4x10 Pa -s10613) 阀的流量压力系数正反方向的流量压力系数基本一致，根据伺服比例阀样本取K = 8Q%P; =4.3xlO4MPa/Ap 2%也Kc =2S_ = i.8x1O11 (m3/s/P a)Kp14) 总的流量压力系数由于理想的零位伺服阀的流量增益一般是很小的，理论值为0,因此零位综合增 益主要取决于阀的加工质量和泄露系数，实际上，流量压力系数对于液压系统仿 真来说属于软参数，在没有获得实验数据之前只能估算。在仿真时，可采用经验 值，一般其范围在 1 x 1012(m3/s a广9 x 10 (m
11、3/s4 a)。1000c Be111 2VmK15) 负载的阻尼比=2.89 X 10一42 /|e4X 1.79e816) 负载的弹簧与质量构成机械系统固有频率=103.63 rad/s1。液压、负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数比Ctc4+寿=0.987 rad/s18）液压缸的固有频率（无阻尼液压固有频率）3h =Kh=284.59 rad/s19）系统固有频率=302.87 rad/s3()=20）系统阻尼比=1.24 X 1022(1 + n2)p eCtc 工 BeHm五、建立系统各个部分的传递函数：伺服放大器：I = Ka（Ur 一 Uf）,其中 Ka = 1.67 X 103
12、A/V伺服阀流量电流传递函数：Q（s）_ W, KqI（s） s+2 如2L+s+1& n其中，Kq=4.17e-3（m3/s/A），阻尼为 0. 6,固有频率为 95x 2tt = 596.9 rad/s阀控缸传递函数:=号M备-的sF(茶+1)(备+混+1)3其中,Kce=Ctc=4x 10n( /Pa), 5 m = 2.89 X 如一七 g h = 1.24 X IO2,swo = 302.87 rad/s,码.=0.987 rad/s, 7uni = 103.63 rad/s, FY3 方向上可以认 为外干扰力为0。输出力：0.08F = PL*A = PL (kN)1000 i 7
13、力反馈环节：UF = KfFe,其中，反馈系数Kf = 8 X10-3V/kN六、搭建模型仿真计算:根据传递函数模型，建立simulink原始模型（不带任何控制器）。璋由力CheO Step ResponseCharactefisticsSimulink原始模型原始系统特性分析：绘制系统的开环和闭环传递函数图像：sysl=tf(O. 00417, 1/596. 92 2*0.6/596.9 1);sys2=tf(2327925. 15039025139438. 386567596 25000000000. 0000,1. 10e-05 9. 386e-05 1. 01 1);sys3二sysl
14、*sys2*0. 00167*0. 08/1000*0. 008;margin(sys3);grid:figure;margin(sys3/(l+sys3);grid; figureBode DiagramGm = 55.5 dB (at 603 rad/s), Pm = Inf 0step(sys3/(l+sys3);-50-100-200Frequency (rad/s).15。原始系统开环bode图;m)m)miii)m)meiiiiii*iiiiii_iii)m)miii)mmiiiiii)mez!Bode Diagram Gm = 55.5 dB (at 603 rad/s). Pm = Inf 0Es(DpmuEM-50-100-150-200 900-90180-270 _、10210110 io1 102 io3 io4 w5Frequency (rad/s)原始系
