AMESim在水下鉆機機械手回轉控制中的仿真設計

張娜,劉廣治

(1.廊坊職業技術學院計算機科學與工程系,河北廊坊 065001; 2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

1 概述

1.1 AMESim軟件

AMESim軟件是計算機系統工程高級建模和仿真平臺,它是由法國Imagine公司1995年開始推出的基于計算機技術的系統建模及仿真軟件,作為系統仿真的標準平臺受到了世界各國用戶的一致認可。AMESim軟件主要用于解決控制、氣動、電磁、機械以及液壓等復雜的系統問題,已經被廣泛用于設計和分析車輛、航空航天、工程機械和船舶、鐵路等行業的數字試驗平臺、機器人、傳動系統、泵、馬達、矢量推進器等[1-3]。

AMESim為用戶提供了一個時域仿真建模環境,它可利用已有模型和(或)建立新子模型,來構建優化設計所需的實際原型,采用易于識別的標準ISO圖標和簡單直觀的多端口框圖,方便用戶建立復雜系統以及用戶所需的特定應用實例,還可以修改模型和仿真參數進行穩態和動態仿真、繪制曲線并分析仿真結果。該軟件界面友好、操作方便,能夠讓使用者快速建立仿真模型,并能幫助用戶分析系統參數以及優化設計,從而縮短開發周期,減少開發成本。

用戶可以直接使用AMESim軟件提供的元件庫,包括信號控制庫、機械庫、液壓庫、液壓元件設計庫、動力傳動庫、液阻庫、氣動庫、電磁庫、電機及驅動庫、冷卻系統庫、熱庫、熱液壓庫、熱氣動庫、熱液壓元件設計庫、二項庫、空氣調節系統庫等來構建仿真模型,從而可以從繁瑣的數學建模中解放出來,專注于系統本身的設計。該軟件中的應用庫也正在針對不同的研究對象進行不斷地補充和完善。此外,作為設計過程中一個重要的應用工具,AMESim具有與其他軟件豐富的接口,例如Simulink、Adams、LabVIEW、Simpack、Flux2D、RTLab、dSPACE、iSIGHT等。

1.2 水下鉆機機械手

水下鉆機是一種鉆探系統完全工作于水底的鉆探設備,與通常的船載鉆機需要鉆探船或鉆井平臺有著完全不同的工作方式,水下鉆機在水下工作時,只需要一條具有承載能力的臍帶纜就可以實現遠程的能量供應和通訊控制,圖1為水下鉆機工作示意圖。與船載鉆機相比,水下鉆機具有鉆探成本低、效率高、受天氣影響小、樣品擾動小、取心質量高、設備體積小、易操作和船舶適應性強等特點。因此,研發水下鉆機用于海底資源勘探、海洋地質調查以及海洋科學考察,已成為必然趨勢。

圖1 海底鉆機工作示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of subsea drilling machine

由于水下鉆機通過遠程遙控的方式進行作業,因此水下鉆機鉆桿的接卸需要利用機械手來完成,水下鉆機鉆桿接卸機械手及鉆桿存儲機構如圖2所示。鉆桿與巖心管均沿著徑向布置在存儲機構中,機械手的回轉中心為鉆桿和巖心管存儲機構的圓心,機械手在回轉馬達的驅動下,沿著給定的角度去抓取鉆桿用于水下鉆機鉆進,同時機械手也將含有取出樣品的巖心管送到巖心管存儲機構中。該過程對機械手回轉角度控制都很嚴格,機械手接卸鉆桿的精度直接關系到水下鉆機作業能否順利完成。

由于水下環境的特殊性,機械手等關鍵部件的研發成本很高,借助計算機仿真的手段,建立仿真模型,確定關鍵參數,為定型設計提供依據,降低研發成本。

2 水下鉆機機械手控制系統物理模型搭建

水下鉆機機械手控制系統最關鍵的就是控制好機械手的回轉角度,并對相應角度的鉆桿進行抓取。水下鉆機機械手回轉動作的控制模式是比例閥控擺動馬達的回轉運動,控制策略為角度反饋的閉環控制[5-8]。

利用AMESim仿真軟件建立機械手控制系統仿真模型分為以下四個步驟:①方案模式(sketch mode),可以創建新系統以及修改或完成一個已有的系統;②子模型模式(submodel mode),可以給每一個元件選擇子模型、使用首選子模型功能(premier submodel)以及刪除元件的子模型;③參數模式(parameter mode),可以檢查或修改子模型參數、拷貝子模型參數、設置全局參數、選擇方案的一部分區域,顯示這一區域的共同參數,以及設置批運行;④仿真模式(simulation mode),可以初始化標準運行仿真和批量運行仿真、繪制結果圖、存儲和裝載所有或部分坐標圖的配置、初始化當前系統的線性化、完成線性化系統的各種分析,以及完成活性指數分析。

利用AMESim軟件庫中元器件的模型,搭建水下鉆機機械手回轉控制的物理模型如圖3所示。各個模型主要參數:馬達排量100 mL/r,運動部件轉動慣量100 kg·m2,運算放大器參數10,泵排量28 mL/r,電機轉速1000 r/min,工作壓力21 MPa。

圖3 機械手回轉控制系統仿真模型Fig.3 Simulation model of manipulator rotation control system

3 水下鉆機機械手回轉控制系統仿真及分析

鉆桿在存儲機構的分布規律為沿圓周每隔15°布置,因此機械手的回轉機構的回轉角度為15°的整數倍,所以選取15°作為輸入信號,如圖4所示。

圖4 輸入信號曲線Fig.4 Input signal curve

輸入的控制信號為階躍信號,控制信號與角度傳感器的反饋信號進行做差,差值經過信號放大器放大后控制比例方向閥動作,擺動馬達按照輸入信號回轉,直至角度傳感器測得信號與輸入信號相同為止。輸入信號為15°時,機械手回轉角度響應曲線如圖5所示。

圖5 機械手回轉角度響應曲線Fig.5 Response curve of manipulator rotation angle

從圖5可以看出,在輸入的控制信號作用下,比例方向閥控制機械手回轉,機械手回轉角度開始時系統存在超調;在閉環控制下,慢慢穩定在輸入信號所限定的位置附近進行微小角度的擺動,這種現象可能由于機械手回轉部分的慣量大引起。

改變機械手回轉部分的轉動慣量,可以得到機械手回轉角度響應曲線規律,如圖6所示。由圖6可以看出,機械手回轉部分的轉動慣量確實可以影響超調量,但系統都存在振動。分析原因可能是系統的阻尼小,因此在機械手的回轉控制系統中通過改變阻尼元件,來分析是否由于系統阻尼小導致角度響應曲線存在超調以及振動。

圖6 機械手回轉角度響應曲線Fig.6 Response curve of manipulator rotation angle

在機械手回轉系統中增加節流閥,改變節流閥的開口度,得到的機械手回轉角度響應曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,降低機械手回轉控制系統的節流面積可以有效地解決系統的超調和振動,可以有效提高機械手回轉的穩定性。

圖7 機械手回轉角度響應曲線Fig.7 Response curve of manipulator rotation angle

改變控制信號的形式,由階躍控制信號改變為線性輸入信號,分析對機械手回轉角度曲線的影響規律。輸入的線性控制信號如圖8所示,輸入的線性控制信號控制機械手回轉由初始位置15°回轉到45°。

圖8 輸入的線性控制信號Fig.8 Input linear control signal

在圖8輸入的線性控制信號作用下,機械手回轉角度及角速度變化曲線如圖9所示。在線性控制信號控制下,機械手回轉角度響應曲線表現為線性變化,與輸入信號一致。比較圖9與圖5可以看出:線性信號控制下的機械手回轉角度更加平穩,沒有超調及振蕩。由圖9還可以看出機械手回轉的角速度比較平穩。

圖9 機械手回轉角度及角速度曲線Fig.9 Manipulator rotation angle and angular velocity curve

4 結論

機械手回轉過程中,回轉部分轉動慣量大小會影響機械手回轉的控制精度。因此機械手在設計過程中,在保證強度的前提下,應盡量減輕回轉部分的重量及偏心量,從而降低回轉部分的轉動慣量。機械手回轉控制系統中增加節流閥可以有效增加系統阻尼,改善回轉過程中的穩定性。

AMESim仿真軟件可以快速搭建液壓控制系統,通過改變設計參數,得出性能優化曲線,為實際液壓控制系統設計提供重要依據。借助該軟件可以有效模擬實際控制系統的效果,縮短研發周期,節省系統的設計成本。