基于AMEsim的液压同步复合控制系统仿真分析

刘 杰，吴 伟，彭立广

（中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

0 前言

大型板材拉伸机的两组主拉伸缸的液压控制系统的同步控制精度直接影响产品质量和生产效率。中国重型机械研究院股份公司为国内某铝加工厂开发的大型拉伸机主拉伸缸液压同步复合控制系统，采用泵控—阀控并联控制系统，该系统拉伸速度范围大、精度高，既能实现高效率又能保证低故障率工作。

1 同步复合控制系统组成原理简图

图1所示为两组主拉伸缸同步复合控制系统，由泵控速度系统和伺服阀位置补偿系统并联组成。其中设有位移传感器的操作侧拉伸缸、比例变量泵和主油路的电液换向阀组成的操作侧泵控速度控制系统，同时操作侧拉伸缸并联依次与单向阀、伺服阀连接组成操作侧伺服阀位置补偿系统；其中设有位移传感器的非操作侧拉伸缸、比例变量泵和主油路的电液换向阀组成的非操作侧泵控速度控制系统，同时非操作侧拉伸缸并联依次与单向阀、伺服阀连接组成非操作侧伺服阀位置补偿系统。泵控速度系统采用了泵－油缸容积控制，工作原理是用可控比例变量泵供油，确定进入拉伸缸的流量来调节拉伸缸的前进后退速度。伺服阀位置补偿系统恒压源和伺服阀组成的小流量补偿系统，动态响应快，控制精度高，快速消除两组拉伸缸的位置误差。

图1 拉伸机同步复合控制系统原理示意图

2 主拉伸同步控制系统技术特点

为了既保证系统动态性能好，又满足高工作效率，将泵控和伺服阀结合起来构成泵阀并联控制系统，主要利用伺服阀输出保证动态性能，在稳态调节时利用泵控输出进行功率调节。

主拉伸同步液压控制系统两组拉伸缸在拉伸或者返程工作开始时，操作侧和非操作侧拉伸缸根据工艺拉伸速度设定比例变量泵所给定的排量，实现两组拉伸缸拉伸的初步同步通过比较非操作侧拉伸缸的位移传感器的速度与操作侧拉伸缸实际速度，当速度超出设定同步精度范围时，通过调节控制非操作侧拉伸缸的比例变量泵的排量，实现两缸速度保持一致，达到泵控初步同步的目的。在初步同步控制的范围内，实现高精度拉伸缸拉伸同步靠伺服阀补偿系统，当两组拉伸缸位移传感器检测出两组拉伸缸的位置差时，伺服阀补偿控制回路自动选择对其中输出位移少的拉伸缸对应的伺服阀进行补油控制，将两缸位置控制在设定值之内，实现两缸的精确同步。

3 建模和仿真分析

利用仿真软件AMESim建立同步复合控制系统的仿真控制模型如图2实线部分所示，这是一个泵阀并联伺服阀缸系统，此系统由油箱、电机、比例变量泵、液压缸、安全阀、蓄能器、伺服阀组成。泵控采用等容开环控制，伺服阀位置补偿系统同时通过判断两组液压缸的位置差，对其中输出位移少的拉伸缸对应的伺服阀进行补油控制。

图2 同步复合控制系统的仿真控制模型

在AMESim／Parameter参数模式下按照系统选定的元件设定具体参数，液压控制系统仿真模型的主要参数设置如表1所示。

表1 主要仿真参数设置

设定仿真时间为3 s，采样周期为0.01 s，运行仿真分析，给定每个拉伸缸500 t拉伸力，1＃拉伸缸对应比例泵给定输入斜坡输入8 mm／s，2＃拉伸缸比例泵对应给定斜坡输入7.8 mm／s，两组拉伸缸固定速度偏差为0.2 mm／s，比较两组拉伸缸压力上升曲线、实际运行速度曲线、位移控制精度和伺服阀补油量。达到设定负载工况时的两组拉伸缸压力加载曲线、拉伸缸速度曲线和伺服阀流量动态特性曲线如图3、图4和图5所示。

从图3中可以看出，两组拉伸缸压力加载曲线趋势基本一致，稳态上升至额定工况。从图4中可以看出，在两组拉伸缸速度设定偏差时，即1＃拉伸缸给定大于2＃拉伸缸，两组拉伸缸在行走过程中位移出现偏差，伺服阀位置补偿系统迅速投入工作，可以看偏差补偿系统投入工作后2＃拉伸缸速度波动较大，从图5中可以看出伺服阀流量动态特性曲线波动较大，车体在工作过程中会出现抖动现象。

图3 拉伸缸压力加载曲线

图4 拉伸缸速度曲线

图5 伺服阀流量动态曲线

为消除伺服阀补偿系统投入后引起的速度波动，比例泵和拉伸缸采用闭环控制，加入偏差信号比较和判断，当偏差较大时采用泵控闭环控制，偏差较小时伺服阀补偿系统投入，引入PID控制器调节处理，在比例泵控制阀前信号处加一个限幅环节，低通滤波环节，提高控制同步精度。在AMEsim中建立修正后液压控制模型如图6所示

图6 修正后控制模型

设定仿真时间为3 s，采样周期为0.01 s，运行仿真分析，给定每个拉伸缸500 t拉伸力，1＃拉伸缸对应比例泵给定输入斜坡输入8 mm／s，2＃拉伸缸比例泵对应给定斜坡输入7.8 mm／s，两组拉伸缸固定速度偏差为0.2 mm／s，在观察达到设定负载工况时的两组拉伸缸拉伸缸速度曲线和伺服阀流量动态特性曲线如图7和图8所示。

图7 拉伸缸速度曲线

图8 伺服阀流量动态曲线

从图7中可以看出，两组拉伸缸出现位移差时调整过程中速度波动较小，伺服阀流量动态曲线快速调整后达到稳定恒流量补油工况。

4 结术语

本文以拉伸机同步复合控制系统为研究对象，分析了两组拉伸缸实现同步工作原理和技术特点。基于AMEsim软件建立了控制系统仿真模型，分析了液压同步复合控制系统动态特性曲线。通过AMEsim建模仿真，方便设计人员在今后设计中改善系统，大大的降低系统的出错率，有效地提高效率，对系统的设计和改进具有较大的指导意义。

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