基于AMEsim的液压机械悬臂控制动态仿真研究

引言

随着人工智能时代的到来,智能化机械手臂得到了越来越广泛的应用,液压悬臂作为其组成部分发挥着重要作用,对液压悬臂进行研究具有极大的实际应用价值。由于液压系统具有非线性特点,所以不易通过建立控制模型进行仿真研究,本文在AMEsim平台上建立模型进行动态仿真研究。AMEsim是一个多学科领域复杂系统的建模仿真平台,具有可视化操作、库类丰富、多软件接口等优点。用户可以在该平台上建立复杂的、多学科领域的系统模型,并在此基础上进行仿真计算和深入分析,从而帮助用户降低开发成本,缩短开发周期。AMEsim已经被成功应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域,成为包括流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂系统建模和仿真的优选平台。

1工作原理及功能实现

1.1液压机械悬臂系统结构原理

本文研究的悬臂系统的液压缸通过电磁换向阀控制进行伸缩,液压缸的一端通过较链与固定端相连,另一端通过较链与悬臂相连:悬臂的一端通过较链与固定端相连,另一端悬挂重物。当液压缸伸缩时,会带动悬臂绕固定端旋转,从而带动重物的上升与下降。

1.2仿真环境及功能实现

本系统包含液压缸、电磁换向阀等元件,所以必须要用液压库:本系统包含较链、悬臂等元件,所以必须要用平面机构库:本系统需要悬挂重物,所以需要进行重力模拟。伺服液压机械臂系统的整体仿真草图如图1所示。

元件5功能函数模块的作用是对位移传感器7的信号输出值和液压缸6的活塞位移值进行补差,保证元件5的输出值与液压缸6的活塞位移值一致。元件4触发函数模块的作用是通过设置液压杆的位移边界值,控制液压杆的变向运动,每个边界值对应一个输出信号送入元件3,电磁换向阀元件3根据接收来自元件4的不同电信号,触发电磁阀进行不同的变位动作,从而控制液压杆的伸出与收缩,实现重物的上升与下降。元件4和元件5配合位移传感器、液压缸、伺服阀等,实现了液压杆位移的精准反馈控制功能。这种通过功能函数进行控制的策略,相比传统的PID控制更加简便,且易于操作。

元件8和元件10是固定端,通过位置坐标的设置可以模拟实际实体的空间相对位置。元件9是液压杆连接,元件11、13为旋转副,元件12为3端口连杆,通过设置参数可以模拟悬臂杆的形状、长度以及质量:元件14也为3端口连杆,通过设置参数可以模拟重物的位置、形状以及质量。

2仿真步骤及参数设置

使用AMEsim仿真平台,用户可以搭建草图,修改元件的子模型,设置子模型的参数,运行仿真。

第一步:进入草图模式,搭建如图1所示的系统仿真草

图。第二步:进入子模型模式,为每一个元件选择子模型,本文直接点击首要子模型按键即可,系统会为元件分配常见的子模型。第三步:进入参数模式,部分元件的参数设置如表1所示,其他参数或其余元件参数保持默认值即可。

现对关键元件参数的设置做具体说明。如图2所示曲线1为液压缸活塞的位移,曲线2为位移传感器的输出信号,可以发现二者之间的差值为一个定值,位移传感器的输出信号将会送入功能函数,为了进行精准地反馈控制,功能函数必须对差值进行补偿,所以元件5的Va1ue参数值设置为"x＋0+065"。

如图3所示为元件4触发函数模块的作用原理图,只有输入信号在Vma.与Vmix之间时触发函数才会起作用,当达到Vma.值时会输出一个高的信号值,当达到Vmix值时会输出一个低的信号值,本文设定低阈值为0+3m,高阈值为0+6m。元件4触发函数通过将不同的电信号输入电磁阀从而控制活塞杆只会在位移0.3～0.6m内进行往复循环运动。

元件12的坐标参数设置是为了模拟杆的位置、长度以及形状,元件14的坐标参数设置是为了模拟重物的位置、尺度以及形状,元件8和元件l0的坐标参数设置是为了模拟悬臂固定端与液压杆固定端的相对位置,具体参数设置可以根据实际情况进行更改。

第四步:进入运行模式,设置运行时间等参数进行仿真运行。当运行完成后右键单击平面机构库的标签,选中Launchplanar选项,将会进入动画仿真页面。

图4、图5分别为重物上升到最高点和下降到最低点时所对应的仿真图。由实际动态仿真结果可知,功能函数和触发函数配合位移传感器、液压缸、伺服阀等,这种控制策略能够很好地实现液压杆位移的精准反馈控制功能。

3仿真分析

稳定性是液压机械臂的一个重要性能指标,下面结合仿真情况具体说明各参数对稳定性的影响。

不同活塞直径对应的重物加速度曲线如图6所示。图中曲线l、2、3、4分别对应液压缸活塞直径为40mm、45mm、50mm、60mm时重物的位移曲线。由分析可知,当液压缸活塞直径为40mm时系统的稳定性较好。

不同悬臂质量对应的重物加速度曲线如图7所示。图中曲线1、2、3、4分别对应悬臂质量为20kg、30kg、40kg、50kg时重物的位移曲线。由分析可知,当悬臂质量为40kg时系统的稳定性较好。

不同重物质量对应的重物加速度曲线如图8所示。图中曲线1、2、3、4分别对应重物质量为40kg、60kg、80kg、100kg时重物的位移曲线。由分析可知,重物质量越大系统的稳定性越好。

不同悬臂与液压杆交点对应的重物加速度曲线如图9所示。图中的曲线1、2、3、4分别对应悬臂与液压杆交点位置离重物悬挂点的距离为0.2m、0.3m、0.4m、0.5m(悬臂长度为1m）时重物的位移曲线。由分析可知,当悬臂与液压杆交点位置离重物悬挂点的距离在0.2～0.3m内时系统具有较好的稳定性。

4结语

本文在实际液压机械悬臂结构的基础上,通过建立模型、设置参数以及运行仿真的验证,成功地实现了液压杆位移的精准反馈控制功能。同时仿真分析了系统稳定性的影响因素,具有一定的实际应用价值,可以为同类型问题的研究提供一些参考思路。