液壓系統故障注入仿真研究

2014-03-18 07:19:18丁遙陳小虎陽能軍高淑祥

機床與液壓 2014年5期

丁遙，陳小虎，陽能軍，高淑祥

(第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

故障注入是一種可靠性驗證技術，通過受控實驗向系統中刻意引入故障，并觀察系統中存在故障時的行為。故障注入技術一般分為:基于硬件的故障注入、基于軟件的故障注入以及基于仿真的故障注入。目前較為常用的方法是將液壓系統進行線性簡化分析，再在此基礎上做實驗［1］。然而面對有較高要求、復雜的液壓系統，想獲得比較精確的數據，時間、人力和實驗工作量都將會大幅度增長，并且在實驗過程中物理元件的投入必然會導致成本的增加，經濟效益大打折。為解決這個問題，文中采用AMESim 仿真的方式實現復雜裝備故障注入。

故障注入的核心在于如何對液壓系統實現精確控制［2］。PID 控制器具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、設計容易、適應面廣的特點，是應用最廣泛的一類基本控制器。

利用MATLAB/Simulink 對PID 控制器在液壓系統應用性能進行了仿真分析，利用AMESim 建立了液壓系統仿真模型，通過參數的調整實現了復雜液壓系統故障注入。

1 中支柱液壓回路

液壓中支柱是某大型設備的主要總成之一。文中以該中支柱液壓回路作為研究對象進行研究，它主要包含一個三位四通閥、一個雙向液壓鎖、液控單向閥、阻尼孔以及一個液壓缸，中支柱部分的液壓回路原理簡圖如圖1所示。

圖1 中支柱液壓回路簡圖

其中三位四通閥控制液壓系統的動作;雙向液壓鎖在起重機懸空時鎖死液壓缸，防止前支腿在重力作用下自然下降;液控單向閥和阻尼孔防止大量回油時，回油壓力過高;液壓缸是液壓系統的工作部件。工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

中支柱液壓缸，完成某型設備作業(yè)時的頂起動作。雖然出于安全考慮含有液壓鎖、液控單向閥等液壓元件，但從功能實現角度液壓油主要在液壓泵、三位四通閥及垂直液壓缸中流動，故可以把系統認為是閥控不對稱缸回路。不對稱缸的模型如圖3所示。

圖3 不對稱缸模型

其數學模型分析如下:

力平衡方程為:

式中:μ 為黏性阻尼系數，FL為負載力。

無桿腔流量連續(xù)方程為:

式中:Ci為液壓缸內泄漏系數，βe 為液體體積彈性模數。

2 基于PID 的液壓回路控制

(1)PID 控制原理與程序流程

現今的自動控制技術反饋理論包含3 個部分:測量、比較和執(zhí)行。測量關心變量，與期望相比較，用比較誤差糾正調節(jié)控制系統的響應。PID(比例－積分－微分)控制是迄今為止最為通用的控制方法，PID控制器作為最早實用化的控制器已有70 多年的歷史，至今仍有90%左右的控制回路采用PID 結構［3］。

在PID 控制系統中，PID 控制器分別對誤差信號e(t)進行比例、積分與微分運算，其結果的加權和構成系統的控制信號u(t)，送給對象模型加以控制［3］。

PID 控制器的數學描述為:

其傳遞函數表示為:

式中:Kp為比例系數;Td為微分系數;Ti為積分系數。

圖4 為PID 控制流程圖。被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。

圖4 PID 控制流程圖

(2)PID 控制器的Ziegler－Nichols 參數整定

在實際的過程控制系統中，有大量的對象模型可以近似地由一階模型來表示。這個對象模型可以表示為［4］:

如果不能建立起系統的物理模型，可通過試驗測取對象模型的階躍響應，從而得到模型參數。當然，也可在已知對象模型的情況下，利用MATLAB，通過使用step()函數得到對象模型的開環(huán)階躍響應曲線。在被控對象的階躍響應中，可獲取K、L 和T 參數，也可在MATLAB 中由dcgain()函數求取K 值。