摘    要：在AEMSim仿真環境下，運用該軟件內置的液壓庫、機械庫以及相關模型庫，構建液壓缸的位置控制系統模型，通過調節仿真模型中各個部件的參數對液壓缸活塞桿的位移進行仿真分析，繪制液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望位移和兩者之差的仿真結果。結果表明：當增益4為250時，輸出的位移與預期設置的位移之間的穩態誤差是符合要求的，但動態跟蹤誤差超過了預期設定的范圍，即超過了0.015 m；當增益4調整為500時，雖然動態跟蹤誤差滿足要求，但穩態誤差超標，超過了0.000 5 m。所以增益值不是越大越好，而應該根據要得到的精度和具體要求進行實時調整，進而通過獲得最佳的增益值來獲得最佳的輸出。研究結果為液壓系統設計、后續評估及測試提供了參考。

關鍵詞：AMESim液壓仿真;液壓缸;活塞桿位移;

0 引言

現代液壓系統設計不僅要滿足靜態性能要求，更要滿足動態特性要求。而動態特性的輸出受增益大小的制約，一般來說，增益越大，輸出越穩定，但任何事都過猶不及。因此，需要通過仿真來確定增益與輸出之間的關系，為液壓系統的設計提供參考。初琦等[1]利用AMESim軟件進行故障仿真分析，采取可靠性仿真和優化設計相結合的方法使系統的穩定性提高到89%，可靠性提高到了0.81。譚壯壯等[2]通過建立液壓控制系統模型，對多種工況進行了仿真分析，得到液壓子系統充壓時間、操作時間和關斷時間等仿真結果，并對系統的性能和穩定性進行了分析，優化了系統性能。

隨著計算機技術的發展和普及，利用計算機進行數字仿真已成為液壓系統動態性能研究的重要手段。而計算機仿真必須具有2個主要條件：建立準確描述液壓系統動態性能的數學模型；利用仿真軟件對建立的數學模型進行數字仿真。AMESim仿真軟件在液壓領域應用極為廣泛，沈仙法等[3]為測試汽車懸架彈性元件的疲勞強度，利用AMESim軟件對液壓系統進行了壓力和流量仿真，其研究成果為汽車懸架彈性元件液壓動態疲勞試驗臺的改進提供了技術參考；王吉平等[4]采用AMESim對EBZ75型掘進機截割部液壓系統進行了仿真，驗證了其功能。

利用AMESim對液壓元件和系統進行仿真研究，需要考慮許多因素，如參數設置的合理性，參數過大或過小，都會對仿真結果造成影響。因此，需要根據實際應用進行調整和分析，使得液壓仿真技術的應用更加成熟，使它成為液壓系統設計人員的有力工具[5]。

1 AMESim軟件簡介

AMESim是法國IMAG1NE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件。AMESim全稱為Advanced Environment for Performing Sim?ulations of Engineering Systems（高級工程系統仿真建模環境），該軟件包含IMAGINE的專門技術，并為工程設計提供交互能力。AMESim為流體動力（流體及氣體）、機械、熱流體和控制系統提供一個完善、優越的仿真環境及最靈活的解決方案，例如在燃油噴射、制動系統、動力傳動、機電系統和冷卻系統中的應用。使用者能夠借助其友好的、面向實際應用的方案來研究元件或回路的動力學特性[6]。面向工程應用的定位使得AMESim在航空航天工業、汽車制造和傳統液壓行業等領域得到了廣泛的應用。AMESim由一系列軟件構成，包括AMESim、AMESet、AMECusto和AMERun，這4個部分有其各自的功能和特性。

AMESin為用戶提供了一個圖形化的時域仿真建模環境，使用已有模型和建立新的子模型元件，構建優化設計所需的實際原型，方便用戶建立復雜系統及用戶所需的特定應用實例，通過修改模型和仿真參數，進行仿真計算、繪制曲線并分析仿真結果。

2 對液壓缸位置控制的仿真研究

2.1 研究目的

液壓缸是液壓系統中的執行元件，它實現了液壓能到機械能的轉換，因結構簡單、工作可靠，在機械系統中得到了廣泛應用。但是在很多情況下，液壓缸在工作時達不到它的最大性能。通過仿真對液壓缸的性能進行研究，可以使其在工作時具有更高的可靠性和更好地發揮性能[7]。

以一個液壓缸的位置控制系統為例說明AMESim的應用。采用位置反饋控制液壓缸推動一個負載，位置傳感器將采集到的位置信號實時傳輸到位置控制系統中。位置循環用位置循環子模型設定。指定的位置同傳感器反饋的位置比較產生誤差。該誤差乘以一個增益后的信號用于驅動伺服閥。另一個工作循環通過位移傳感器對液壓缸施加一個外負載。

2.2 模型的建立與運行

(1）搭建模型

在AMESim草圖模式下，運用液壓庫提供的液壓泵和溢流閥組、機械庫和信號控制庫組建液壓缸位置控制系統的仿真模型，如圖1所示。

圖1 液壓機械位置控制系統

(2）為系統設置最簡單的子模型

進入子模型模式，為測試系統中的每個圖形模塊選取子模型。AMESim提供了首選子模型功能。

(3）設置子模型參數

在AMESim系統參數模式下為每個子模型設置參數。根據液壓缸的組成，分別設置液壓缸內各個子部件的參數，為仿真測試提供輸入的參考數據。其中，液壓缸組成模塊中的活塞半徑初步設定為15 mm，活塞桿半徑初步定為10 mm，沖程長度設置為1 m，模擬的負載質量設置為2 500 N。一般來說，液壓缸內執行器的固有頻率都是50 Hz，阻尼率為2，設置電流為200 mA。按照常規設置好動力裝置即啟動泵的性能參數、信號源的參數，這樣活塞桿一般會得到一個1 000 N阻力的恒力。再設定好期望位移、執行位移，為了保證測試精度，增益一般設置為10 dB。為獲得詳細的仿真測試結果，將信號源分段設置：0～1 s設置為0,1～4 s的變化范圍0～0.8,4～5 s保持0.8不變；5～8 s變回到0.2，此后直至30 s，一直保持0.2不變。

根據前面參數的設置，系統預期達到的性能指標為：從開始到運行30 s的時間范圍內，動態跟蹤誤差不超過0.015 m，穩態誤差不超過0.000 5 m。在這里，通過調節增益4的大小，觀察活塞桿的期望位移與實際輸出位移之差，找到滿足性能指標的增益范圍。最后，在運行模型中設置好運行時間及采樣周期，點擊運行，即可得到仿真結果。

3 仿真結果

當k4=250時，實際位移與期望位移的關系曲線如圖2～3所示。由圖可知，液壓缸活塞實際位移與期望位移之間的穩態誤差是符合要求的，但動態跟蹤誤差超過了預期設定的范圍，即超過了0.015 m。

當k4=500時，實際位移與期望位移的關系曲線如圖4所示。由圖可知，雖然動態跟蹤誤差滿足要求，但穩態誤差超標了，超過了0.000 5 m。

通過調整增益，得到當增益范圍為443.5～478時能夠滿足性能的指標。在這個范圍內，位置跟蹤系統具有較好的閉環跟蹤效果。通過反復調整、分析，可以得出以下結論：

圖2 k4=250時液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望值

圖3 k4=250時液壓缸活塞桿的實際輸出位移與期望值之差  

(1）通過調整增益4，在小范圍內，增益與響應速度呈現了正相關的關系，即增益4增大的同時液壓缸響應速度變快了，則動態跟蹤誤差變小了；（2）任何調整都會有過猶不及的結果，若增益4的值調整的過大，系統運行一段時間后，跟蹤曲線會出現超調，系統存在明顯的振蕩，不穩定。

因此，在實際應用中，為使系統保持一定的穩定性，可以根據要得到的精度和具體要求進行實時調整，進而通過獲得較佳的增益值來獲得較佳的輸出。

另外，液壓缸油腔死區的含油量對系統也有一定的影響，當將液壓缸油腔死區油量從默認值50 cm3改為10cm3仿真運行后，得到如圖5所示的曲線。比較圖4～5可以得出，液壓缸油腔區油量越大，系統越不穩定。這是因為油液有一定的可壓縮性，當含油量越大時，壓縮性就越明顯，系統就越不穩定。

圖4 k4=500時液壓缸活塞桿的實際位移與期望位移之差  

圖5 液壓缸油腔死區油量為10 cm3時活塞桿實際位移與期望值之差   

4 結束語

本文基于AMESin對液壓缸的位置控制系統進行了仿真研究，將液壓系統的性能輸出作為結論反推液壓元件的設計要求，詳細分析了增益設置的大小對動態輸出及穩態輸出的影響，得到需要根據實際的輸出進行反復調整以獲得較佳的輸出結果。同時，液壓系統中液壓缸油腔死區的含油量越大，系統越不穩定。通過仿真取得了需要經過繁瑣的流體計算和大量的測試實驗才能得出的結論。利用AMESim的仿真特性，為系統的設計及成型提供了參考，提高了設計效率。

參考文獻

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[2] 譚壯壯,曲文星,岳元龍.水下生產控制系統液壓子系統仿真與優化設計[J].自動化儀表,2022,43(4):67-71.

[3] 沈仙法,馮利,陳曉穎.汽車懸架彈性元件動態疲勞試驗臺液壓系統設計與仿真[J].機電工程技術,2022,51(3):74-77.

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[12] 王以倫.液壓傳動[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2005:62-15.

文章來源：機電工程技術