PAGEPAGE311基于AMESim的系統(tǒng)建模AMESim軟件的相關(guān)介紹AMESim簡(jiǎn)介Amesim是一款為多學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域(復(fù)雜系統(tǒng))的建模而設(shè)計(jì)和搭建的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件,用于系統(tǒng)液壓、機(jī)械系統(tǒng)等的建模,其軟件內(nèi)置微分方程,能對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行多學(xué)科的仿真和基本動(dòng)態(tài)的分析,也為了使用者提供了交互的能力,方便于工程師的計(jì)算。在平臺(tái)建模軟件中,使用者能以系統(tǒng)實(shí)物的角度出發(fā),構(gòu)造仿真的元件,對(duì)于一般不好于進(jìn)行建模的系統(tǒng)如根據(jù)液體、氣體本身的特質(zhì)也能直接建立的復(fù)雜系統(tǒng)的模型,然后通過(guò)設(shè)置各類仿真參數(shù),根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多學(xué)科的仿真和計(jì)算。然后深入的分析通過(guò)建模得到的系統(tǒng)模型仿真元件和曲線,能對(duì)系統(tǒng)模型的基本動(dòng)態(tài)和特性進(jìn)行分析研究。由于其中微分方程的設(shè)計(jì)是使用軟件來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建,節(jié)省了系統(tǒng)進(jìn)行建模的時(shí)間并大大提高了運(yùn)算的效率,所以系統(tǒng)使用者通常能很快對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模并對(duì)其加以設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證,在短的時(shí)間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這樣不僅大大節(jié)約了設(shè)計(jì)的成本,也很大的程度上降低了系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)成本。1.1.2AMESim的缺陷作為一款實(shí)用的仿真設(shè)計(jì)軟件,但Amesim也是存在一些缺點(diǎn),主要是表現(xiàn)為在建立一個(gè)模型后,需要在庫(kù)中設(shè)立非常多的元件和參數(shù),不能根據(jù)其實(shí)物情況來(lái)進(jìn)行確定建立相關(guān)的參數(shù)。元件庫(kù)的缺點(diǎn)是元件不夠豐富,比較固定。當(dāng)一個(gè)軟件使用者在庫(kù)中需要一個(gè)固定的元件而庫(kù)中沒有時(shí),則會(huì)認(rèn)為設(shè)計(jì)該一個(gè)元件僅僅需要較高的傳統(tǒng)編程軟件設(shè)計(jì)方法和豐富的軟件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),不太適用于一般軟件設(shè)計(jì)者的實(shí)際使用。而且與其他的仿真設(shè)計(jì)軟件類似,仿真的過(guò)程比較理想化,對(duì)現(xiàn)實(shí)的流體以及實(shí)物中關(guān)于流體的特性、摩擦等還須更多的研究,因而該軟件的應(yīng)用不是特別廣泛,需要在以后進(jìn)行糾正。AMESim的使用方法（1）草圖模式（Sketchmode）新建一個(gè)AMESim文檔，出現(xiàn)的就是草圖模式，在此模式下設(shè)計(jì)者根據(jù)需求對(duì)仿真對(duì)象加以設(shè)計(jì)和建模,此時(shí)為一個(gè)元件系統(tǒng)模型,然后將幾個(gè)新的元件系統(tǒng)模型按設(shè)計(jì)要求連接起來(lái),就是一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模型。在液壓系統(tǒng)建模中,一般需要使用的是液壓系統(tǒng)庫(kù)、液壓傳動(dòng)元件庫(kù)、信號(hào)系統(tǒng)庫(kù)等,其中液壓系統(tǒng)庫(kù)和元件庫(kù)在建模中使用的尤為頻繁。（2）子模型模式（Submodelsmode）此模式的目的為根據(jù)實(shí)際的需要為仿真的元件模型選取一個(gè)類型相應(yīng)的子模型,草圖模式建立的系統(tǒng)模型如果不正確，則子模型就無(wú)法正確建立。一般軟件會(huì)自動(dòng)選取最簡(jiǎn)單的子模型。（3）參數(shù)模式（Parametersmode）子模型模式結(jié)束，保存文檔，進(jìn)入下一步的參數(shù)模式。此模式是根據(jù)實(shí)物的真實(shí)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)模型的子模式設(shè)置的相應(yīng)參數(shù)。雙擊需要設(shè)置的元件，然后會(huì)出現(xiàn)此元件全部參數(shù)的對(duì)話框，找到需要更改的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可。（4）運(yùn)行模式（Runmode）此分析模式即為所謂的仿真時(shí)域分析模式,根據(jù)需要的分析如下模式:仿真時(shí)域分析模式(temporalanalysismode)和線性分析系統(tǒng)仿真模式(linearanalysismode),設(shè)定系統(tǒng)仿真的參數(shù)和步長(zhǎng),然后根據(jù)實(shí)際需要對(duì)系統(tǒng)的仿真進(jìn)行研究。減壓閥的AMESim建模及仿真先導(dǎo)閥仿真模型圖1.1先導(dǎo)減壓閥Amesim模型圖Fig1.1AMESimmodelofpilotreducingvalve先導(dǎo)減壓閥模型是一個(gè)膜片式的減壓閥,將傳統(tǒng)的閥芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)比較小的質(zhì)量塊,將各個(gè)閥的差動(dòng)關(guān)系可以通過(guò)各個(gè)閥的活塞與介質(zhì)調(diào)節(jié)閥相連接的形式表示了出來(lái),調(diào)節(jié)閥的彈簧接口繪制在先導(dǎo)閥模型的上部。p3表示上游,下部的接口通向下游,用調(diào)節(jié)閥的p2表示。先導(dǎo)閥的仿真主要參數(shù)模型如圖1.1所示。先導(dǎo)閥仿真模型中用到的先導(dǎo)閥主要參數(shù)模型見表1.1。表1.1先導(dǎo)閥仿真主要參數(shù)Table1.1Mainparametersofpilotvalvesimulation名稱代號(hào)數(shù)值進(jìn)水口壓力作用閥芯直徑D110×10-3m進(jìn)水口管道直徑D15×10-3m出水口壓力作用膜片直徑D265×10-3m流量系數(shù)Cd0.3彈簧剛度系數(shù)彈簧最大壓縮量閥芯質(zhì)量閥芯最大行程k△xmx110N/mm12mm0.1Kg10mm1.2.2模型有效性驗(yàn)證初始實(shí)驗(yàn)條件如表1.1所示,閥前彈簧壓力在580kpa~1200kpa之間隨機(jī)波動(dòng)變化,設(shè)定此時(shí)閥前彈簧預(yù)壓縮量的平均值為3mm。在amesim中我們進(jìn)行了仿真,得到預(yù)壓縮時(shí)間與閥前、閥后壓力的關(guān)系仿真結(jié)果如圖1.2、圖1.3所示,同樣初始實(shí)驗(yàn)條件下的閥前彈簧實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真數(shù)據(jù)列表見圖1.4。壓力（kPa）時(shí)間(s)圖1.2先導(dǎo)減壓閥閥前壓力和閥后壓力對(duì)比Fig1.2Comparisonofpressurebeforeandafterpilotreducingvalve壓力（kPa）時(shí)間(s)圖1.3先導(dǎo)減壓閥閥后壓力Fig1.3Pilotreducingvalverearpressure圖1.4先導(dǎo)閥閥前壓力和閥后壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig1.4Testdataoffrontandbackpressureofpilotvalve從圖1.2中我們可以明顯看出,相比于閥前的壓力,閥后的壓力波動(dòng)明顯有所減小,閥后的壓力隨著閥前信號(hào)輸入壓力的增加而有所明顯增加,在閥前信號(hào)輸入的這個(gè)初始始階段,存在一個(gè)壓力振蕩的過(guò)程。從圖3.3中我們可以明顯看出,所計(jì)算得到的實(shí)際閥后信號(hào)輸入壓力波動(dòng)的范圍大約是379kpa~424kpa,和所計(jì)算實(shí)際閥后的壓力波動(dòng)范圍為377kpa~419kpa的仿真結(jié)果很十分接近。因此,可以明確認(rèn)為此方法進(jìn)行仿真的模型確實(shí)是有效的,由此對(duì)模型進(jìn)行仿真得出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是可靠的。1.3先導(dǎo)閥的穩(wěn)態(tài)特性研究1.3.1壓力特性壓力的一種特性對(duì)應(yīng)關(guān)系壓力是主要指測(cè)量當(dāng)輸出液體傳動(dòng)流量送出輸入彈簧壓力為一定的確定測(cè)量值時(shí),輸出液體彈簧傳動(dòng)壓力與輸入液體流量輸入彈簧壓力的一種特性對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中先導(dǎo)閥的彈簧預(yù)應(yīng)力壓縮壓測(cè)量額度設(shè)定值大約為2.5mm,在Amesim中即可求得先導(dǎo)閥前閥后彈簧傳動(dòng)壓力與閥前先導(dǎo)泵和閥后閥前彈簧傳動(dòng)壓力的測(cè)量關(guān)系如下表圖3.5所示。圖1.5先導(dǎo)閥的壓力特性Fig1.5Pressurecharacteristicsofthepilotvalve從圖1.5可以清楚的看出,當(dāng)閥前彈簧壓力大于閥后彈簧壓力一定的裕量后,先導(dǎo)閥的和閥后彈簧壓力會(huì)變得比較穩(wěn)定,隨著閥前彈簧壓力的逐漸增加,閥后的壓力也會(huì)略有輕微的增加,但是增幅需要控制在9%的范圍內(nèi)。減壓閥實(shí)現(xiàn)了較好的減壓和導(dǎo)閥穩(wěn)壓的效果。為了有效改善導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓特性,導(dǎo)閥的彈簧壓力和剛度往往需要設(shè)計(jì)得比較大,盡管如此,閥前的壓力逐漸增加還是直接造成了導(dǎo)閥彈簧開度的變化和導(dǎo)致了閥后彈簧壓力的增加。1.3.2流量特性流量的特性是指閥前的壓力一定,輸出的壓力與閥后流量的相關(guān)性。在仿真環(huán)境中求得不同的彈簧壓縮量的條件下閥前流量與先導(dǎo)和閥后輸出壓力的穩(wěn)定性關(guān)系。從圖1.6可知,隨著先導(dǎo)閥后流量的穩(wěn)定性增加,閥后輸出壓力穩(wěn)定性下降的平均值在8%以內(nèi),說(shuō)明了先導(dǎo)閥后壓力具有較好的閥后流量穩(wěn)定性。先導(dǎo)閥后流量的增加穩(wěn)定性伴隨著閥后壓力穩(wěn)定性下降的主要影響因素之一是速度穩(wěn)定性增加時(shí)所帶來(lái)的損失和局部閥后壓力損失的穩(wěn)定性增加,從而直接導(dǎo)致了閥后輸出壓力的穩(wěn)定性下降。圖1.6先導(dǎo)閥的流量特性Fig1.6Flowcharacteristicsofthepilotvalve1.3.3先導(dǎo)閥的閥后壓力調(diào)節(jié)范圍對(duì)于各種先導(dǎo)減壓閥來(lái)說(shuō),改變閥后彈簧預(yù)壓縮量即可分別得到不同的先導(dǎo)閥后彈簧壓力。因此可采用先導(dǎo)閥的仿真壓力模型方法來(lái)模擬和調(diào)節(jié)閥前的壓力。當(dāng)為400kpa~1200kpa時(shí),先導(dǎo)減壓閥的閥后壓力擴(kuò)大了調(diào)節(jié)的范圍。初始條件仍為,如表1.1所述。壓力仿真模型結(jié)果所示如圖1.7所示。取兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的閥后壓力分別為先導(dǎo)閥調(diào)壓的下限和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的調(diào)壓上限。調(diào)壓下限調(diào)壓上限調(diào)壓下限調(diào)壓上限圖1.7先導(dǎo)閥調(diào)壓范圍Fig1.7Pressureregulatingrangeofpilotvalve綜合上述結(jié)果，可以得到閥前為400kPa～120kPa時(shí)，閥后壓力可調(diào)范圍是280.4kpa~601.5kPa。1.4傳統(tǒng)減壓閥Amesim建模及仿真1.4.1傳統(tǒng)減壓閥建模將采用傳統(tǒng)減壓閥的兩個(gè)主閥和傳統(tǒng)先導(dǎo)式的兩個(gè)主閥分別用一個(gè)amesim線路模型連接進(jìn)行模擬表達(dá)示例如下如圖3.11所示,相互間的兩個(gè)壓力差流反饋關(guān)系用互相對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的連接線路模型進(jìn)行模擬連接,其中將傳統(tǒng)先導(dǎo)式和主閥的兩個(gè)閥芯大小用一個(gè)質(zhì)量塊模型進(jìn)行連接模擬,大小與主閥活塞上的壓力差壓反饋關(guān)系通過(guò)一個(gè)壓力反饋導(dǎo)引連接起來(lái)。圖1.8傳統(tǒng)減壓閥Amesim模型圖Fig1.8AMESimmodeloftraditionalpressurereducingvalve先導(dǎo)閥相關(guān)參數(shù)同表1.1所示，主閥相關(guān)參數(shù)見表1.2。表1.2主閥仿真相關(guān)參數(shù)Table1.2Mainvalvesimulationparameters名稱代號(hào)數(shù)值進(jìn)水口壓力P1作用直徑d1327.96mm出水口壓力P2作用直徑上腔壓力P3作用直徑d2d3216mm423.56mm排放系數(shù)節(jié)流閥開度Cdkd0.30.3閥芯質(zhì)量閥芯最大行程閥芯與水平所成夾角mymaxγ280Kg310mm45°閥芯初始行程xk01.4.2傳統(tǒng)減壓閥模型有效性驗(yàn)證初始仿真條件如表1.1和1.2所示,取閥前輸出壓力分別為580kpa和1200kpa,設(shè)定此時(shí)閥前彈簧預(yù)振蕩和壓縮量的穩(wěn)定值為3mm。在amesim中通過(guò)仿真我們可以清楚的得到預(yù)壓縮時(shí)間與閥前輸出壓力、閥后輸出壓力的一個(gè)關(guān)系曲線,如圖1.9、圖1.10所示。從關(guān)系曲線圖中我們可以清晰的看到,輸出的壓力在未達(dá)到質(zhì)量的穩(wěn)定值前存在明顯的彈簧振蕩和壓縮過(guò)程。壓力（KPa）時(shí)間（s）圖1.9傳統(tǒng)減壓閥閥前壓力與閥后壓力對(duì)比(1200kPa)Fig1.9Comparisonofthepressurebeforeandafterthetraditionalpressurereducingvalve(1200kPa)壓力（kPa）時(shí)間(s)圖1.10傳統(tǒng)減壓閥閥前壓力與閥后壓力對(duì)比(580kPa)Fig1.10Comparisonofthepressurebeforeandafterthetraditionalpressurereducingvalve(580kPa)圖1.11傳統(tǒng)減壓閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig1.11Experimentaldataoftraditionalpressurereducingvalve從本次仿真的結(jié)果圖1.9、圖1.10可以明顯能夠看出,傳統(tǒng)的減壓閥具有很好的實(shí)際閥后輸出減壓效果,仿真可以得到減壓閥后的輸出壓力及其波動(dòng)幅度范圍分別為392kpa~415kpa,波動(dòng)的幅度與值比為5.8%,和仿真圖1.11中的傳統(tǒng)實(shí)際閥后輸出壓力420kpa較為的非常接近,所以本次仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是可靠的。1.5傳統(tǒng)減壓閥靜態(tài)特性研究1.5.1傳統(tǒng)減壓閥壓力特性導(dǎo)閥彈簧的壓緊量設(shè)定為2.5mm,維持導(dǎo)閥進(jìn)出口的流量不變,閥前進(jìn)出壓力從0~1200kpa之間垂直呈線性地變化,在amesim中求得的仿真結(jié)果見圖1.12。由于套筒式減壓閥的噴孔運(yùn)動(dòng)流速完全垂直于減壓閥運(yùn)動(dòng)的方向,無(wú)任何穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的產(chǎn)生,因此大大提高了套筒式減壓閥進(jìn)出口流量的穩(wěn)定性。從仿真結(jié)果圖1.12可以清楚地看出,當(dāng)閥前后壓差大大超過(guò)該進(jìn)出口流量下的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力裕量后,閥后進(jìn)出口壓力幾乎與進(jìn)出口流量不穩(wěn)定相關(guān)。圖1.12傳統(tǒng)減壓閥壓力特性Fig1.12Pressurecharacteristicsoftraditionalpressurereducingvalve1.5.2傳統(tǒng)減壓閥流量特性維持傳統(tǒng)套筒式氣動(dòng)減壓泵后閥閥前的閥門壓力1200kpa不變,流量在0~30000l/min之間不會(huì)發(fā)生軸向線性流動(dòng)變化,求得對(duì)于傳統(tǒng)筒式減壓泵前閥門的泵和閥后閥前壓力的流動(dòng)偏差函數(shù)值如下表圖1.13所示。由于采用傳統(tǒng)的增壓套筒式增速減壓器的閥門通過(guò)一個(gè)導(dǎo)閥將進(jìn)入閥后的輸出壓力通過(guò)一個(gè)導(dǎo)閥的增壓p3反饋回路傳遞提供給了一個(gè)主減速增壓閥,從而通過(guò)減壓主閥自動(dòng)地實(shí)時(shí)調(diào)整了主減壓閥的壓力開度以進(jìn)行控制并從而保證進(jìn)入閥后輸出壓力的方向偏差在一定的壓力閾值控制范圍內(nèi)。故從設(shè)計(jì)圖1.13可以清楚地明顯看出,減壓閥本身仍然具有較好的壓力穩(wěn)定性和內(nèi)部流量穩(wěn)態(tài)控制傳動(dòng)特性,閥后的輸出壓力幾乎完全穩(wěn)定不受閥前輸出減壓閥門內(nèi)部流量波動(dòng)變化的直接影響,這也就充分說(shuō)明了與傳統(tǒng)式和套筒式的壓力減壓傳動(dòng)閥門相較之于傳統(tǒng)上的先導(dǎo)式的閥門仍然具有較高的壓力穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)性能和控制精度。圖1.13傳統(tǒng)減壓閥流量特性Fig1.13Flowcharacteristicsoftraditionalpressurereducingvalve1.5.3傳統(tǒng)減壓閥的閥后壓力調(diào)節(jié)范圍通過(guò)計(jì)算閥后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和先導(dǎo)減壓閥的彈簧預(yù)壓縮量即可分別得到傳統(tǒng)減壓閥后不同的閥后調(diào)節(jié)壓力。初始仿真條件仍為表1.1、1.2所述,當(dāng)閥前調(diào)節(jié)壓力分別為400kpa~1200kpa之間線性的變化時(shí),求解了傳統(tǒng)減壓閥的閥后調(diào)節(jié)壓力范圍。仿真結(jié)果所示見圖1.14。仿真結(jié)果取兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的閥后調(diào)節(jié)壓力分別為閥后調(diào)壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)的下限和先導(dǎo)調(diào)壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)的上限。調(diào)壓下限調(diào)壓上限調(diào)壓下限調(diào)壓上限圖1.14傳統(tǒng)減壓閥的調(diào)壓范圍Fig1.14Pressureregulatingrangeoftraditionalpressurereducingvalve綜合上述的結(jié)果,可以準(zhǔn)確地得到閥前為400kpa~120kpa時(shí),閥后壓力的可調(diào)節(jié)范圍區(qū)間是306kpa~648kpa,這一結(jié)果說(shuō)明目前傳統(tǒng)減壓閥的開度和調(diào)壓范圍區(qū)間的開度相對(duì)于先導(dǎo)減壓閥來(lái)說(shuō)發(fā)生了明顯的上移。這種現(xiàn)象主要是由于目前先導(dǎo)減壓閥系統(tǒng)調(diào)節(jié)針形閥的開度變化所影響的,通過(guò)進(jìn)一步的分析和仿真可以發(fā)現(xiàn),調(diào)節(jié)針形閥的開度可以有效地改變傳統(tǒng)減壓閥的開度和可調(diào)壓范圍區(qū)間。1.6智能減壓閥Amesim建模及仿真1.6.1智能減壓閥建模智能仿真減壓電磁閥控制回路是在智能仿真?zhèn)鹘y(tǒng)減壓閥的控制回路基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了執(zhí)行器和其他控制回路而成的,其中智能仿真執(zhí)行器控制回路是一個(gè)活塞膜片缸,簡(jiǎn)化回路為一個(gè)活塞質(zhì)量塊和一個(gè)活塞液壓缸。智能仿真控制回路主要包括仿真減壓電磁閥和執(zhí)行器及控制回路兩個(gè)單元,以amesim模塊的形式予以具體表示。智能仿真控制回路模型如圖3.28所示。壓力的調(diào)節(jié)傳感器就是將實(shí)際的壓力與當(dāng)前目標(biāo)電磁閥壓力的進(jìn)行比較來(lái)調(diào)節(jié)壓力實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于目標(biāo)的壓力控制下限的命名規(guī)則為k1和k2,目標(biāo)的壓力控制上限的命名規(guī)則為k2和k1,壓力控制的基本邏輯原理是:通過(guò)電磁閥的壓力控制傳感器可以檢測(cè)電磁閥后的壓力控制p2的上下限值,將壓力p2與電磁閥的壓力上下限進(jìn)行相比。當(dāng)p2<k2時(shí),此時(shí)電磁閥的yv1信號(hào)輸入的值為1,即此時(shí)電磁閥的yv1通電全開,相應(yīng)的閘閥yv2信號(hào)輸入的值為0,電磁閥的yv2失電關(guān)閉,這樣可以使得閘閥執(zhí)行器的電磁閥活塞桿逐漸下移,先導(dǎo)閥閥門的開度逐漸地加大,以使壓力p2上升;當(dāng)p2>k1時(shí),也就是當(dāng)閥后的壓力控制p2大于設(shè)定電磁閥壓力的上限時(shí),此時(shí)電磁閥的yv2信號(hào)輸入的值為1,即此時(shí)電磁閥的yv2通電全開,相應(yīng)的閘閥yv1信號(hào)輸入的值為0,電磁閥的yv1失電關(guān)閉,這樣可以使得電磁閥執(zhí)行器的活塞桿逐漸上移,先導(dǎo)閥閥門的開口逐漸地減小,以使p2下降;也就是當(dāng)電磁閥p2位于閘閥k1與電磁閥k2之間時(shí),壓力的調(diào)節(jié)可以達(dá)到目標(biāo)壓力控制精度的范圍,此時(shí)閘閥yv1和電磁閥yv2的先導(dǎo)閥信號(hào)輸入均目標(biāo)精度為0,即均失電關(guān)閉。圖1.15智能減壓閥仿真模型Fig1.15Simulationmodelofintelligentpressurereducingvalve設(shè)定閥前控制壓力初始控制值數(shù)值為1200kpa,設(shè)定閥前啟動(dòng)壓力控制系數(shù)值為下限控制壓力系數(shù)k2為370kpa,上限控制壓力系數(shù)k1為400kpa,閥后控制壓力初始最終控制壓力條件系數(shù)設(shè)定為0,其余的壓力初始控制壓力最終控制系數(shù)條件如表3.1、表3.2所示。圖3.29所示為智能減壓仿真算法所得的閥前膜片壓力與執(zhí)行器閥后膜片壓力大小的對(duì)比。由智能減壓圖中的數(shù)值可以很清楚地看出,閥后膜片壓力大小為378kpa,在閥前壓力大小的設(shè)定上下限之間,執(zhí)行器的膜片壓力大小為463kpa。智能減壓閥準(zhǔn)確的算法達(dá)到了閥前壓力調(diào)節(jié)的目標(biāo),若對(duì)智能減壓算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了改進(jìn),閥后膜片壓力的調(diào)節(jié)精度和效率可以進(jìn)一步提高。圖3.30中分別明確表示了一個(gè)電磁閥自動(dòng)執(zhí)行器膜片yv1和一個(gè)電磁閥或鐵閥膜片yv2的進(jìn)行通電壓力動(dòng)作設(shè)定工作時(shí)間情況,yv1在最終端開始系統(tǒng)供電進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并得到一個(gè)閥后的通電壓力較低時(shí),在極短的通電工作設(shè)定時(shí)間內(nèi),將一個(gè)閥后的通電壓力幅度拉了一半再加上來(lái),當(dāng)對(duì)最開始系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并得到一個(gè)閥后的通電壓力已經(jīng)完全超過(guò)了新的設(shè)定值時(shí),yv2又在最開始得到通電自動(dòng)后又降低了一個(gè)電磁閥自動(dòng)執(zhí)行器和鐵膜片通電壓力p4的設(shè)定工作時(shí)間壓力,兩者交替同時(shí)進(jìn)行通電動(dòng)作,在任一特定的工作時(shí)刻內(nèi)都只有一個(gè)新的電磁閥或鐵膜片才能自動(dòng)通電。壓力（kPa）時(shí)間(s)圖1.16智能減壓閥閥前壓力與閥后壓力對(duì)比Fig1.16Comparisonofpressurebeforeandafterintelligentpressurereducingvalve時(shí)間(s)圖1.17智能減壓閥電磁閥YV1和YV2通電情況Fig1.17Poweronconditionofintelligentpressurereducingvalvesolenoidvalveyv1andyv2圖1.16~7為圖1.17為用于主閥的啟動(dòng)閥芯中心行程、執(zhí)行器上的閥芯中心行程和用于先導(dǎo)啟動(dòng)閥芯的閥芯中心行程自動(dòng)變化的基本情況。從上游閥芯運(yùn)動(dòng)行程測(cè)量圖中我們不僅可以清楚地明顯看出,先導(dǎo)運(yùn)動(dòng)閥的主閥芯的運(yùn)動(dòng)行程與其上游閥前閥后活塞腔泵閥壓力間的p3相互作用和閥芯振蕩的相互影響,從而直接關(guān)系造成了上游主閥芯的閥前活塞腔泵閥壓力和下游閥的主閥芯腔壓力的相互變化。其中又以流體先導(dǎo)運(yùn)動(dòng)閥門和閥芯運(yùn)動(dòng)行程的巨大變化和閥芯振蕩最明顯。位移(mm)時(shí)間(s)圖1.18主閥閥芯行程Fig1.18Mainvalvecorestroke執(zhí)行器行程(mm)時(shí)間(s)圖1.19執(zhí)行器行程Fig1.19Actuatortravel先導(dǎo)閥行程(mm)時(shí)間(s)圖1.20先導(dǎo)閥閥芯行程Fig1.20Pilotvalvespooltravel1.7智能減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性智能減壓閥的設(shè)定值膜片先導(dǎo)彈簧壓力p1和p4在穩(wěn)態(tài)下設(shè)定值是不變的,相當(dāng)于膜片先導(dǎo)彈簧的制動(dòng)閥預(yù)壓縮量xk穩(wěn)定不變。因此在制動(dòng)閥膜片先導(dǎo)彈簧壓力p1和p4為任意的設(shè)定值穩(wěn)定不變時(shí),智能減壓制動(dòng)閥與其他傳統(tǒng)的減壓制動(dòng)閥一樣具有相同的控制器動(dòng)態(tài)特性和相同靜態(tài)的特性。但在由于控制器的動(dòng)作而直接造成p4變化的非智能穩(wěn)態(tài)制動(dòng)閥過(guò)程中,壓力p4的快速振蕩變化過(guò)程可能會(huì)直接造成閥后的壓力p1和p2的快速振蕩變化,為了避免快速振蕩的情況發(fā)生,在設(shè)計(jì)算法上一定要盡量避免壓力p4快速變化的情況發(fā)生。2系統(tǒng)在階躍輸入下的響應(yīng)2.1先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)特性研究2.1.1先導(dǎo)閥的快速響應(yīng)性研究在一個(gè)先導(dǎo)減壓閥的彈簧進(jìn)口端施加一個(gè)階躍壓力的時(shí)域信號(hào),幅值范圍為1000kpa,從10spa開始觸發(fā),仿真結(jié)果得到了閥后階躍壓力的彈簧階躍時(shí)域失調(diào)信號(hào)。從仿真的圖5.10可以清楚地看出,導(dǎo)閥在彈簧階躍時(shí)域信號(hào)的輸入下,輸出的壓力與彈簧產(chǎn)生了輕微的振蕩,隨著超調(diào)量和彈簧的壓縮失調(diào)量的減少和增大,閥后壓力的振蕩也得到了顯著的減緩和抑制,超調(diào)量雖然較少,但導(dǎo)閥達(dá)到穩(wěn)定超調(diào)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間卻變得更長(zhǎng)。按照計(jì)算機(jī)工程學(xué)自動(dòng)控制論的基本觀點(diǎn),以導(dǎo)閥峰值失調(diào)時(shí)間大于tp的幅值來(lái)作為衡量和判斷先導(dǎo)減壓系統(tǒng)運(yùn)行快速性的重要指標(biāo)。從本次仿真的結(jié)果可見,tp的峰值失調(diào)范圍一般是0.04~0.08s,峰值失調(diào)時(shí)間與導(dǎo)閥超調(diào)量和彈簧的壓緊失調(diào)量之間呈正整數(shù)比例的關(guān)系。圖2.1先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性Fig2.1Dynamiccharacteristicsofpilotvalve2.1.2先導(dǎo)閥的傳遞函數(shù)以之前的仿真為基礎(chǔ)，即彈簧壓縮量2.5mm，當(dāng)輸入壓力為580kPar~1200kPar，在AMESim中線性分析模式得到系統(tǒng)輸出的bode圖2.2。圖2.2先導(dǎo)閥的幅頻特性和相頻特性Fig2.2Amplitudefrequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristicofpilotvalve述幅和高頻圖分析可以充分說(shuō)明傳統(tǒng)減壓閥的高頻相位信號(hào)輸出的高頻幅值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的要小于傳統(tǒng)減壓閥高頻輸入的相位幅值,并且系統(tǒng)已經(jīng)呈現(xiàn)出較大的振動(dòng)頻率和相位傾角上的相關(guān)性,在高頻相位輸出應(yīng)用階段由于減壓閥的高頻輸出相位幅值也可能會(huì)隨之有所大的降低。同樣的,從這個(gè)相頻誤差圖中也同樣可以很清楚地可以看出,在高頻減壓輸出驅(qū)動(dòng)階段高頻減壓閥的輸入相位和傾角方向偏差已經(jīng)有所明顯加大,說(shuō)明高頻減壓閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了時(shí)滯,產(chǎn)生了更大的高頻輸出端在相位和輸入傾角上的誤差。2.1.3先導(dǎo)閥的穩(wěn)定性根據(jù)傳遞函數(shù)nyquist的判據(jù),對(duì)于一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng),可以根據(jù)其中的開環(huán)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,nyquist的判據(jù)并不是在[s]的平面而是在[gh]的平面上來(lái)判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,即根據(jù)[gh]在閉環(huán)平面上的傳遞函數(shù)g(jw)h(jw)的軌跡來(lái)進(jìn)行判斷?；陂]環(huán)系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的傳遞函數(shù),得到的奈奎斯特圖如圖2.3所示。圖2.3先導(dǎo)減壓閥奈奎斯特圖Fig2.3Nyquistdiagramofpilotreducingvalve系統(tǒng)穩(wěn)定的第一個(gè)前提是特征方程的先導(dǎo)閥根全部為負(fù)實(shí)部。由于先導(dǎo)閥的開環(huán)傳遞系統(tǒng)的先導(dǎo)閥是右半平面第一個(gè)極點(diǎn)(也是系統(tǒng)特征方程的第一個(gè)極點(diǎn))數(shù)p=0的最小相位開環(huán)傳遞系統(tǒng),從奈奎斯特圖2.3中我們可以清楚地看出,先導(dǎo)閥的開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)在奈奎斯特圖未包圍(-1,j0)點(diǎn),可得函數(shù)n=0。因此依據(jù)特征方程的零點(diǎn)數(shù)z=n+p,可得一個(gè)先導(dǎo)閥特征方程在右半平面的最小零點(diǎn)數(shù),也就是先導(dǎo)閥閉環(huán)傳遞函數(shù)在右半平面的最小極點(diǎn)數(shù)z=0,因此,先導(dǎo)閥的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)和先導(dǎo)閥閉環(huán)傳遞系統(tǒng)都在數(shù)學(xué)上是穩(wěn)定的。2.2傳統(tǒng)減壓閥動(dòng)態(tài)特性研究2.2.1傳統(tǒng)減壓閥響應(yīng)快速性研究在減壓閥的進(jìn)口端首先施加一個(gè)僅在階躍狀態(tài)時(shí)域施加壓力的幅值仿真模擬信號(hào),幅值仿真范圍設(shè)定為1000kpa,從10s出口開始依次觸發(fā),仿真后的結(jié)果可以得到在開閥后施加壓力的一個(gè)階躍狀態(tài)時(shí)域仿真信號(hào)圖2.4傳統(tǒng)減壓閥響應(yīng)快速性Fig2.4Fastresponseoftraditionalpressurereducingvalve從圖2.4可以明顯看出,傳統(tǒng)減壓閥的峰值響應(yīng)時(shí)間和快速性分析呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥一致的峰值響應(yīng)特性,隨著先導(dǎo)閥彈簧壓緊部件數(shù)量的增加,峰值響應(yīng)時(shí)間tp延長(zhǎng),峰值快速性時(shí)間的響應(yīng)范圍一般是18s~62s。與傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥的峰值快速性分析的結(jié)果比較有明顯差異的地方是,傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥沒有明顯出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,說(shuō)明該閥對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程中的負(fù)反饋和積分控制兩個(gè)環(huán)節(jié)都起到了很好的穩(wěn)態(tài)控制和誤差消除的自動(dòng)控制作用。壓力（kPa）時(shí)間(s)圖2.5閥后壓力動(dòng)態(tài)振蕩過(guò)程放大Fig2.5Amplificationofthedynamicoscillationprocessofthepressurebehindthevalve開度（mm）時(shí)間（S）圖2.6導(dǎo)閥位移振蕩Fig2.6Pilotvalvedisplacementoscillation導(dǎo)閥流量(L/min)時(shí)間（S）圖2.7導(dǎo)閥流量Fig2.7Pilotflow壓力（kPa）時(shí)間（S）圖2.8導(dǎo)閥閥前壓力Fig2.8Pilotvalvefrontpressure位移（mm）時(shí)間（S）圖2.9主閥開度Fig2.9Mainvalveopening從圖2.5~2.9可以清楚地看出,在階躍信號(hào)的作用下,閥后的壓力經(jīng)歷了一個(gè)連續(xù)振蕩的過(guò)程。此一個(gè)震蕩的過(guò)程主要是由于導(dǎo)閥的位移x和行程y的連續(xù)振蕩現(xiàn)象引起,造成了減壓閥先導(dǎo)系統(tǒng)流量彈簧壓力q'的振蕩和主閥活塞缸壓力p3的振蕩,最終造成主閥行程y的振蕩和閥后壓力p2的振蕩。這種振蕩現(xiàn)象隨著導(dǎo)閥彈簧壓緊量xk的增加而改變,當(dāng)導(dǎo)閥彈簧壓緊量xk增加到一定程度后,導(dǎo)閥位移x不再振蕩,但導(dǎo)閥流量q'和主閥先導(dǎo)系統(tǒng)活塞缸壓力p3依然連續(xù)振蕩,從而最終造成了減壓閥閥后壓力的連續(xù)振蕩。2.2.2傳統(tǒng)減壓閥的穩(wěn)定性為保證得到了傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥的穩(wěn)定性,對(duì)主閥的傳遞函數(shù)模型進(jìn)行了研究。主閥的傳遞函數(shù)模型在前述的傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥的結(jié)構(gòu)和圖形上進(jìn)行了簡(jiǎn)化而成,去掉了傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥和閉環(huán)系統(tǒng)相關(guān)的減壓閥回路,變成了開環(huán)系統(tǒng)的減壓閥形式,如圖2.10所示。當(dāng)初始的閥門行程為0,輸入的隨機(jī)壓力為580kpar~1200kpa隨機(jī)壓力波動(dòng)時(shí),主閥的傳遞函數(shù)的幅頻特性和主閥的相頻特性模型如圖2.11所示。圖2.10主閥Amesim模型Fig2.10AMESimmodelofmainvalveL(w)(dB)φ(w)(度)圖2.11主閥的幅頻特性和相頻特性Fig2.11Amplitudefrequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristicofmainvalve對(duì)主閥的穩(wěn)定性采用Naquist判據(jù)進(jìn)行判斷，如圖2.11所示。圖2.12主閥奈奎斯特圖Fig2.12MainvalveNyquistdiagram從以上圖2.11可以清楚地看出,傳統(tǒng)的減壓閥在低頻段的開環(huán)響應(yīng)特性會(huì)比較好,而在高頻段的性能會(huì)有較大惡化。因此傳統(tǒng)減壓閥的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)應(yīng)該是右半平面的極點(diǎn)(也是系統(tǒng)特征方程的最小極點(diǎn))數(shù)p=0的最小減壓閥相位傳遞函數(shù)系統(tǒng),從圖2.12中我們可以清楚地看出,傳統(tǒng)的減壓閥特征方程開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)在奈奎斯特圖未包圍(-1,j0)點(diǎn),可得傳遞函數(shù)n=0。但是依據(jù)特征方程的零點(diǎn)數(shù)z=n+p,可得傳統(tǒng)的減壓閥特征方程在右半平面的最小零點(diǎn)數(shù),也就是減壓閥閉環(huán)傳遞函數(shù)在右半平面的最小極點(diǎn)數(shù)z=0,因此,傳統(tǒng)減壓閥的開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)和減壓閥閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)都應(yīng)該是穩(wěn)定的。2.3智能減壓閥動(dòng)態(tài)特性研究2.3.1智能減壓閥的傳遞函數(shù)在隨機(jī)控制壓力不變的正常情況下,輸入端控制壓力為580kpar~1200kpa隨機(jī)控制壓力波動(dòng)時(shí),可以通過(guò)分析得到該智能減壓閥的傳遞函數(shù)如分析圖2.13所示。從分析圖2.13可以很清楚地看出,減壓閥的各種幅頻特性和相頻特性都產(chǎn)生了振蕩的現(xiàn)象,這種振蕩現(xiàn)象主要是對(duì)輸入端壓力開始加載時(shí)系統(tǒng)的初始振蕩過(guò)程的分析和反映,不能直接作為確定和評(píng)估輸入端系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和輸出的重要依據(jù)。L(w)(dB)φ(w)(度)圖2.13智能減壓閥的幅頻特性和相頻特性Fig2.13Amplitudefrequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristicofintelligentpressurereducingvalve2.3.2智能減壓閥穩(wěn)定性分析根據(jù)仿真模型奈奎斯特閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù),為了準(zhǔn)確分析減壓閥閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要對(duì)其閉環(huán)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的減壓閥開環(huán)系統(tǒng)部分進(jìn)行穩(wěn)定性分析判斷。仿真模型智能減壓閥由對(duì)應(yīng)的智能減壓閥閉環(huán)先導(dǎo)閥部分和對(duì)應(yīng)的主閥組成,只需對(duì)其減壓閥開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用仿真模型奈奎斯特閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析判據(jù)的方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析,即可直接得到主閥所對(duì)應(yīng)的減壓閥閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。建立仿真模型智能減壓閥開環(huán)系統(tǒng)先導(dǎo)部分的穩(wěn)定性仿真系統(tǒng)模型如圖2.14所示。圖2.14智能減壓閥先導(dǎo)部分Amesim模型Fig2.14AMESimmodelofpilotpartofintelligentpressurereducingvalve當(dāng)隨機(jī)控制閥前壓力不變,閥前的先導(dǎo)壓力傳遞函數(shù)可變?yōu)?80kpa~1200kpa隨機(jī)控制壓力連續(xù)波動(dòng)時(shí),可以通過(guò)壓力分析計(jì)算得到該新型臥式智能自動(dòng)減壓壓力控制閥的全部先導(dǎo)控制壓力和部分控制閥前壓力開環(huán)傳遞函數(shù),如軟件圖2.15所示。L(w)(dB)φ(w)(度)圖2.15智能減壓閥導(dǎo)閥開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性Fig2.15Amplitudefrequencycharacteristicsandphasefrequencycharacteristicsofopen-loopsystemofintelligentpressurereducingvalvepilotvalve圖2.16智能閥先導(dǎo)閥部分的奈奎斯特圖Fig2.16Nyquistdiagramofpilotvalvepartofintelligentvalve從上述圖2.15可以很清楚地看出,智能減壓閥的開環(huán)部分在低頻段的開環(huán)響應(yīng)特性會(huì)比較好,而在高頻段的響應(yīng)性能的情況也會(huì)比較惡化。智能減壓閥開環(huán)的系統(tǒng)應(yīng)該是右半平面的最小極點(diǎn)(也是系統(tǒng)特征方程的最小極點(diǎn))數(shù)p=0的最小相位閉環(huán)傳遞系統(tǒng),從上述圖2.16中我們可以很清楚地看出,智能減壓閥的開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)在奈奎斯特圖未包圍(-1,j0)點(diǎn),可得函數(shù)n=0。因此依據(jù)特征方程的零點(diǎn)數(shù)z=n+p,可得特征方程在右半平面的最小零點(diǎn)數(shù),也就是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)在右半平面的最小極點(diǎn)數(shù)z=0,因此,智能減壓閥開環(huán)的系統(tǒng)和減壓閥的閉環(huán)傳遞系統(tǒng)都應(yīng)該是穩(wěn)定的。3系統(tǒng)辨識(shí)求傳遞函數(shù)3.1系統(tǒng)辨識(shí)的概念在已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，人們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，改善系統(tǒng)的性能，甚至預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，才能進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)實(shí)施最佳控制。事實(shí)上，不僅僅在工程問(wèn)題上需要建立系統(tǒng)模型，在自然科學(xué)，社會(huì)科學(xué)等多學(xué)科問(wèn)題中也需要建立相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。建立物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是人們最熟悉的分析方法，然而這種方法只適用一些理想情況或者比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，人們往往對(duì)其結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)的機(jī)理都不甚了解，就難以甚至無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析。這時(shí)候就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用系統(tǒng)的輸入-輸出信號(hào)來(lái)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的理論和方法—系統(tǒng)辨識(shí)。此章我們利用系統(tǒng)辨識(shí)的頻率特性法來(lái)辨識(shí)系統(tǒng)3.2先導(dǎo)閥的系統(tǒng)辨識(shí)圖3.1先導(dǎo)閥的bode圖Fig3.1Bodediagramofpilotvalve3.2.1先導(dǎo)閥頻率特性的參數(shù)模型估計(jì)由典型環(huán)節(jié)的Bode圖可知（1）、從低頻段開始其漸進(jìn)線為過(guò)點(diǎn)（1，20）的直線，斜率為0dB/dec，此環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)。（2）、高頻段的漸進(jìn)線為過(guò)點(diǎn)（，20）且斜率為-20dB/dec的直線，為，是最小轉(zhuǎn)折頻率，此環(huán)節(jié)為慣性環(huán)節(jié)。（3）、根據(jù)高頻段漸進(jìn)線與低頻段漸進(jìn)線交點(diǎn)確定=100rad/s。（4）、由（1）知，此系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，由其低頻段漸進(jìn)線與y軸交點(diǎn)可得，=0，所以系統(tǒng)增益為K=26.6。（5）、由轉(zhuǎn)折頻率=后為慣性環(huán)節(jié)，則1/T=100，T=1/100，慣性環(huán)節(jié)表達(dá)式為得出，此環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為。（6）、慣性環(huán)節(jié)后，當(dāng)=1000rad/s時(shí)，漸進(jìn)線斜率增至-60dB/dec，說(shuō)明疊加了一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的表達(dá)式為，阻尼由諧振峰值處=800rad/s，=1000rad/s，由公式=0.424（7）所以根據(jù)各環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性可初步估計(jì)系統(tǒng)的頻率特性為：，化簡(jiǎn)得，此即為先導(dǎo)閥的傳遞函數(shù)估計(jì)