液压系统故障注入仿真研究

丁遥，陈小虎，阳能军，高淑祥

(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)

故障注入是一种可靠性验证技术，通过受控实验向系统中刻意引入故障，并观察系统中存在故障时的行为。故障注入技术一般分为:基于硬件的故障注入、基于软件的故障注入以及基于仿真的故障注入。目前较为常用的方法是将液压系统进行线性简化分析，再在此基础上做实验［1］。然而面对有较高要求、复杂的液压系统，想获得比较精确的数据，时间、人力和实验工作量都将会大幅度增长，并且在实验过程中物理元件的投入必然会导致成本的增加，经济效益大打折。为解决这个问题，文中采用AMESim 仿真的方式实现复杂装备故障注入。

故障注入的核心在于如何对液压系统实现精确控制［2］。PID 控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高、设计容易、适应面广的特点，是应用最广泛的一类基本控制器。

利用MATLAB/Simulink 对PID 控制器在液压系统应用性能进行了仿真分析，利用AMESim 建立了液压系统仿真模型，通过参数的调整实现了复杂液压系统故障注入。

1 中支柱液压回路

液压中支柱是某大型设备的主要总成之一。文中以该中支柱液压回路作为研究对象进行研究，它主要包含一个三位四通阀、一个双向液压锁、液控单向阀、阻尼孔以及一个液压缸，中支柱部分的液压回路原理简图如图1所示。

图1 中支柱液压回路简图

其中三位四通阀控制液压系统的动作;双向液压锁在起重机悬空时锁死液压缸，防止前支腿在重力作用下自然下降;液控单向阀和阻尼孔防止大量回油时，回油压力过高;液压缸是液压系统的工作部件。工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理

中支柱液压缸，完成某型设备作业时的顶起动作。虽然出于安全考虑含有液压锁、液控单向阀等液压元件，但从功能实现角度液压油主要在液压泵、三位四通阀及垂直液压缸中流动，故可以把系统认为是阀控不对称缸回路。不对称缸的模型如图3所示。

图3 不对称缸模型

其数学模型分析如下:

力平衡方程为:

式中:μ 为黏性阻尼系数，FL为负载力。

无杆腔流量连续方程为:

式中:Ci为液压缸内泄漏系数，βe 为液体体积弹性模数。

2 基于PID 的液压回路控制

(1)PID 控制原理与程序流程

现今的自动控制技术反馈理论包含3 个部分:测量、比较和执行。测量关心变量，与期望相比较，用比较误差纠正调节控制系统的响应。PID(比例－积分－微分)控制是迄今为止最为通用的控制方法，PID控制器作为最早实用化的控制器已有70 多年的历史，至今仍有90%左右的控制回路采用PID 结构［3］。

在PID 控制系统中，PID 控制器分别对误差信号e(t)进行比例、积分与微分运算，其结果的加权和构成系统的控制信号u(t)，送给对象模型加以控制［3］。

PID 控制器的数学描述为:

其传递函数表示为:

式中:Kp为比例系数;Td为微分系数;Ti为积分系数。

图4 为PID 控制流程图。被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。

图4 PID 控制流程图

(2)PID 控制器的Ziegler－Nichols 参数整定

在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似地由一阶模型来表示。这个对象模型可以表示为［4］:

如果不能建立起系统的物理模型，可通过试验测取对象模型的阶跃响应，从而得到模型参数。当然，也可在已知对象模型的情况下，利用MATLAB，通过使用step()函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中，可获取K、L 和T 参数，也可在MATLAB 中由dcgain()函数求取K 值。

表1 Zeigler－Nichols 整定公式(由阶跃响应整定)

(3)对比分析

利用Simulink 环境对液压系统传递函数进行仿真，PID 控制模型如图5所示。经过多次尝试得出Kp为20，Td为0.3，Ti为0.3。

图5 PID 控制模型

经过Simulink 仿真，利用解约函数进行调定，图6 是没有PID 校正时系统对于阶跃输入的响应，图7是PID 作用下的阶跃输入响应。

图6 系统阶跃输入的响应

图7 PID 作用下的阶跃输入响应

从图6 和图7 对比可以看出:系统响应时间由4 s 提高到2 s，响应速度加快，PID 控制可以明显改善系统对于输入的响应。

3 液压缸故障仿真及分析

在AMESim 中建立泵源、溢流阀等元件模型时直接从元件库中选取相应元件的模型即可。由于AMESim 软件中没有双向液压锁和液控单向阀的自带模块，文中利用HCD 液压元件设计库组装了双向液压锁、液控单向阀、液压缸超级元件。AMESim 仿真模型如图8所示［5－7］。

图8 AMESim 仿真模型

建立准确的系统仿真模型后，根据不同的故障仿真项目分别对正常模型注入故障参数，使得程序在故障条件下运行。

仿真了内泄量为0.5 和1 L/(min·0.1MPa)液压缸故障，图9、10 分别是缸内泄时液压缸活塞位移和移动速度的故障仿真曲线。

从图9、10 得出结论:由于液压缸存在内泄故障，液压缸杆的移动速度随着缸内泄的增大而降低，在实际作业过程中如果出现内泄故障会引起液压缸伸缩速度降低、作业无力等现象。

图9 液压缸活塞位移

图10 液压缸活塞移动速度

随后仿真了液压缸在外泄条件下的表现，图11是输入信号曲线，图12 是不同外泄故障条件下，液压缸活塞的位移曲线。

图11 输入信号曲线

图12 液压缸活塞的位移曲线

从图上可以看出:由于外泄的存在，在液压缸外伸阶段液压缸有杆腔压力降低，活塞外伸速度加快，但在液压缸收缩时就会导致压力不足，收缩速度会随着外泄量的增大而降低。经过长期实地试验与仿真对比表明，仿真现象与实际情况相符。

4 结论

对中支柱控制原理进行了分析，利用Simulink 仿真软件对系统控制函数进行了校正，通过对比分析说明系统采用PID 控制以后对输入的响应明显提高。利用AMESim 建立了基于PID 控制的液压回路仿真模型，仿真结果得出了需要大量实验和实践才能得出的结果。

【1】汪宇亮.基于AMESim 的工程机械液压系统故障仿真研究［D］.武汉:武汉理工大学，2012.

【2】马昌训.混泥土泵车泵送液压系统故障仿真研究［D］.长沙:中南大学，2011.

【3】刘明俊，于明祁，杨泉林.自动控制原理［M］.长沙:国防科技大学出版社，2006.

【4】冯永保，常钰.基于Fuzzy－PID 控制的调平支腿精确定位的仿真研究［J］.液压气动与密封，2011(9):19－22.

【5】张宪宇，陈小虎，何庆飞.基于AMESim 的液压缸故障建模与仿真［J］.液压气动与密封，2011(10):26－28.

【6】吴涛，徐延海，孙仁云.基于AMESim 的随车起重运输车支腿垂直液压缸回路仿真研究［J］.西华大学学报，2010(4):30－32.

【7】李远慧，陈新元.基于AMESim 的液压缸系统动态特性仿真与优化［J］.武汉科技大学学报，2011(3):215－218.