基于AMEsim的液壓機(jī)械懸臂控制動(dòng)態(tài)仿真研究

引言

隨著人工智能時(shí)代的到來,智能化機(jī)械手臂得到了越來越廣泛的應(yīng)用,液壓懸臂作為其組成部分發(fā)揮著重要作用,對(duì)液壓懸臂進(jìn)行研究具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于液壓系統(tǒng)具有非線性特點(diǎn),所以不易通過建立控制模型進(jìn)行仿真研究,本佛在AMEsim平臺(tái)上建立模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。AMEsim是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真平臺(tái),具有可視化操作、庫(kù)類豐富、多軟件接口等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以在該平臺(tái)上建立復(fù)雜的、多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析,從而幫助用戶降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。AMEsim已經(jīng)被成功應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域,成為包括流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺(tái)。

1工作原理及功能實(shí)現(xiàn)

1.1液壓機(jī)械懸臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本佛研究的懸臂系統(tǒng)的液壓缸通過電磁換向閥控制進(jìn)行伸縮,液壓缸的一端通過較鏈與固定端相連,另一端通過較鏈與懸臂相連:懸臂的一端通過較鏈與固定端相連,另一端懸掛重物。當(dāng)液壓缸伸縮時(shí),會(huì)帶動(dòng)懸臂繞固定端旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)重物的上升與下降。

1.2仿真環(huán)境及功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)包含液壓缸、電磁換向閥等元件,所以必須要用液壓庫(kù):本系統(tǒng)包含較鏈、懸臂等元件,所以必須要用平面機(jī)構(gòu)庫(kù):本系統(tǒng)需要懸掛重物,所以需要進(jìn)行重力模擬。伺服液壓機(jī)械臂系統(tǒng)的整體仿真草圖如圖1所示。

元件5功能函數(shù)模塊的作用是對(duì)位移傳感器7的信號(hào)輸出值和液壓缸6的活塞位移值進(jìn)行補(bǔ)差,保證元件5的輸出值與液壓缸6的活塞位移值一致。元件4觸發(fā)函數(shù)模塊的作用是通過設(shè)置液壓桿的位移邊界值,控制液壓桿的變向運(yùn)動(dòng),每個(gè)邊界值對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出信號(hào)送入元件3,電磁換向閥元件3根據(jù)接收來自元件4的不同電信號(hào),觸發(fā)電磁閥進(jìn)行不同的變位動(dòng)作,從而控制液壓桿的伸出與收縮,實(shí)現(xiàn)重物的上升與下降。元件4和元件5配合位移傳感器、液壓缸、伺服閥等,實(shí)現(xiàn)了液壓桿位移的精準(zhǔn)反饋控制功能。這種通過功能函數(shù)進(jìn)行控制的策略,相比傳統(tǒng)的PID控制更加簡(jiǎn)便,且易于操作。

元件8和元件10是固定端,通過位置坐標(biāo)的設(shè)置可以模擬實(shí)際實(shí)體的空間相對(duì)位置。元件9是液壓桿連接,元件11、13為旋轉(zhuǎn)副,元件12為3端口連桿,通過設(shè)置參數(shù)可以模擬懸臂桿的形狀、長(zhǎng)度以及質(zhì)量:元件14也為3端口連桿,通過設(shè)置參數(shù)可以模擬重物的位置、形狀以及質(zhì)量。

2仿真步驟及參數(shù)設(shè)置

使用AMEsim仿真平臺(tái),用戶可以搭建草圖,修改元件的子模型,設(shè)置子模型的參數(shù),運(yùn)行仿真。

第一步:進(jìn)入草圖模式,搭建如圖1所示的系統(tǒng)仿真草圖。第二步:進(jìn)入子模型模式,為每一個(gè)元件選擇子模型,本佛直接點(diǎn)擊首要子模型按鍵即可,系統(tǒng)會(huì)為元件分配常見的子模型。第三步:進(jìn)入?yún)?shù)模式,部分元件的參數(shù)設(shè)置如表1所示,其他參數(shù)或其余元件參數(shù)保持默認(rèn)值即可。

元件8和元件10是固定端,通過位置坐標(biāo)的設(shè)置可以模擬實(shí)際實(shí)體的空間相對(duì)位置。元件9是液壓桿連接,元件11、13為旋轉(zhuǎn)副,元件12為3端口連桿,通過設(shè)置參數(shù)可以模擬懸臂桿的形狀、長(zhǎng)度以及質(zhì)量:元件14也為3端口連桿,通過設(shè)置參數(shù)可以模擬重物的位置、形狀以及質(zhì)量。

現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵元件參數(shù)的設(shè)置做具體說明。如圖2所示曲線1為液壓缸活塞的位移,曲線2為位移傳感器的輸出信號(hào),可以發(fā)現(xiàn)二者之間的差值為一個(gè)定值,位移傳感器的輸出信號(hào)將會(huì)送入功能函數(shù),為了進(jìn)行精準(zhǔn)地反饋控制,功能函數(shù)必須對(duì)差值進(jìn)行補(bǔ)償,所以元件5的Va1ue參數(shù)值設(shè)置為"x＋0+065"。

如圖3所示為元件4觸發(fā)函數(shù)模塊的作用原理圖,只有輸入信號(hào)在Vma.與Vmix之間時(shí)觸發(fā)函數(shù)才會(huì)起作用,當(dāng)達(dá)到Vma.值時(shí)會(huì)輸出一個(gè)高的信號(hào)值,當(dāng)達(dá)到Vmix值時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低的信號(hào)值,本佛設(shè)定低閾值為0+3m,高閾值為0+6m。元件4觸發(fā)函數(shù)通過將不同的電信號(hào)輸入電磁閥從而控制活塞桿只會(huì)在位移0.3～0.6m內(nèi)進(jìn)行往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

元件12的坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置是為了模擬桿的位置、長(zhǎng)度以及形狀,元件14的坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置是為了模擬重物的位置、尺度以及形狀元件8和元件10的坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置是為了模擬懸臂固定端與液壓桿固定端的相對(duì)位置,具體參數(shù)設(shè)置可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改。

第四步:進(jìn)入運(yùn)行模式,設(shè)置運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行完成后右鍵單擊平面機(jī)構(gòu)庫(kù)的標(biāo)簽,選中1aunchp1anar選項(xiàng),將會(huì)進(jìn)入動(dòng)畫仿真頁面。

圖4、圖5分別為重物上升到最高點(diǎn)和下降到最低點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的仿真圖。由實(shí)際動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果可知,功能函數(shù)和觸發(fā)函數(shù)配合位移傳感器、液壓缸、伺服閥等,這種控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)液壓桿位移的精準(zhǔn)反饋控制功能。

3仿真分析

穩(wěn)定性是液壓機(jī)械臂的一個(gè)重要性能指標(biāo),下面結(jié)合仿真情況具體說明各參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。

不同活塞直徑對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線如圖6所示。圖中曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)液壓缸活塞直徑為40mm、45mm、50mm、60mm時(shí)重物的位移曲線。由分析可知,當(dāng)液壓缸活塞直徑為40mm時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

不同懸臂質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線如圖7所示。圖中曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)懸臂質(zhì)量為20kg、30kg、40kg、50kg時(shí)重物的位移曲線。由分析可知,當(dāng)懸臂質(zhì)量為40kg時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

圖6不同活塞直徑對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線

圖7不同懸臂質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線

不同重物質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線如圖8所示。圖中曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)重物質(zhì)量為40kg、60kg、80kg、100kg時(shí)重物的位移曲線。由分析可知,重物質(zhì)量越大系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

不同懸臂與液壓桿交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線如圖9所示。圖中的曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)懸臂與液壓桿交點(diǎn)位置離重物懸掛點(diǎn)的距離為0.2m、0.3m、0.4m、0.5m(懸臂長(zhǎng)度為1m）時(shí)重物的位移曲線。由分析可知,當(dāng)懸臂與液壓桿交點(diǎn)位置離重物懸掛點(diǎn)的距離在0.2～0.3m內(nèi)時(shí)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖8不同重物質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線

圖9不同懸臂與液壓桿交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物加速度曲線

4結(jié)語

本文在實(shí)際液壓機(jī)械懸臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過建立模型、設(shè)置參數(shù)以及運(yùn)行仿真的驗(yàn)證,成功地實(shí)現(xiàn)了液壓桿位移的精準(zhǔn)反饋控制功能。同時(shí)仿真分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,可以為同類型問題的研究提供一些參考思路。