电液伺服控制系统的设计与仿真

电液伺服掌握系统的设计与仿真引言电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、掌握准确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统渐渐趋于简单和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进展动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服掌握系统进展动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的牢靠性都具有重要意义。液压系统动态特性争论概述随着液压技术的不断进展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，提高系统的响应特性、掌握精度以及工作牢靠性，是格外必要的。液压系统动态特性简述液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达的平衡状态过程中所表现出来的特性〔系统中压力瞬间峰值与波动状况以及过渡过程品质〔执行、掌握机构的响应品质和响应速度〕问题。液压系统动态特性的争论方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、试验争论法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术争论液压系统动态特性的一种方法系统的工作性能和牢靠性，具有准确、适应性强、周期短以及费用低等优点。仿真环境简介基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境用。Simulink借助Matlab的计算功能，可便利地建立各种模型、转变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink供给了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进展仿真，也可通过命令进展仿真SimulinkMatlab／Simulink下对液压系统进展建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往消灭肯定的误差。AMESim(AdvancedModelingEnvironmentforSimulationofEngineeringSystems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化AMESim的特点是面对工程应用从而使其成为AMESim的各种模型库来设计系统，从而可快速到达建仿照真的最终目标，同时还供给了与Matlab、ADAMS等软件的接口，可便利地与这些软件进展联合仿真。电液伺服掌握的现状与进展简介液压、自动掌握和计算机等各技术领域同步推动。测控系统测量掌握系统随着数字掌握理论的成熟以及高速DSP、稳定牢靠的要求。目前，HONGJUN公司的TeststarII5000/秒，掌握特性在传统的PID掌握根底上，还具有前馈掌握、频率反向补偿掌握、幅度掌握和压差等关心掌握特性。因此数字掌握器由于其丰富的运算功能，其掌握格外敏捷，是模拟掌握系统无法比较的。国。液压件试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由度协调掌握、计算机仿真解耦技术等技术的应用和进展，使多通道协调加载系统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高，促进了电液伺服系统的广泛应用。可以说电液伺服技术的进展与计算机技术的进展是亲热联系在一起的。电液伺服掌握系统的模型建立建模方法简介有机地联系在一起，便于对系统进展分析和争论。型，主要形式有微分方程、传递函数、方块图与信号流图以及状态变量数学模型等。建模方法主要有解析法、传递函数法、状态空间法和功率键合图法等。电液伺服掌握系统建模MATLAB/simulink伺服掌握系统建模的一般方法。如表1所示的工件疲乏试验机电液力伺服掌握系统设计要求和给定参电液力掌握系统，其原理图与方框图如图11工件疲乏试验机电液力伺服掌握系统设计要求和给定参数项目符号单位质量M450kg弹簧刚度Ks9000~180000N/cm工件液压缸最大行程S10cm压下最大负载力Fm90000N掌握精度ef≤±5系统性能参数时间常数t110s力信号电压ur +－

u c 伺服放大器

q F伺服阀 缸uf力传感器1工件疲乏试验机电液力伺服掌握系统原理图与方框图12工程参数17.5Mpa工程参数17.5Mpa54.78cm25.5cm3.29L/min4.61011(N/m)/m2.54×10-6m/mA8.810-6V/N供油压力液压缸有效活塞杆最大流量压力增益伺服阀力传感器(p)s面积(Ap)直径(d)(qm)(Kp)增益(K)sv增益(K)fF系统建模一般利用微分和差分方程进展环节的数学模型建立传递函数。工件疲乏试验机电液力伺服掌握系统组成元件或环节的传递函数为：伺服放大器传递函数：ΔI(s)/Uc(s)=Ka电液伺服阀传递函数：KsvGsv(s)=Q0/ΔI=Ksv〔视为比例环节〕液压缸与负载的传递函数：Fg=KpAp(s2/ωm2+1)/(s/ωr+1)(s2/ω02+2*ξ0/ω0s+1)式中ωm——负载固有频率；ωr——一阶惯性环节的转折频率；ω0——二阶振荡环节的固有频率；ξ0——二阶振荡环节的阻尼比。通过系统给定参数和查阅伺服阀样本Ks=180000N/cm放大器增益K=40000mA/V，ω=0.588rad/s，ω=200rad/s，ω=674rad/s，ξ =0.005。再依据系统各a r m 0 0环节的传递函数，建立系统simulink21In11In1400000.0000025462215s2+2488600000conv([1/0.5881],[1/674^20.01/6741])(s)液压缸1Out1放大器伺服阀0.0000088力传感器2simulink电液伺服掌握系统的动态仿真MATLAB/simulink环境下动态设计与仿真的一般方法。负载扰动误差的计算光电检测器和放大器〔合称为光电掌握器〕响应均很快，可视为比例环节，其总增益K值可依据系统a需要由伺服放大器进展调整。伺服阀与液压缸－负载的传递函数可由样本查取。建立系统框图如图 3所示。系统中液压缸－负载环节的负载力F对系统具有肯定影响，负载力包括摩擦力及惯性力等。较大L的负载力会产生较大的死区，从而产生较大的掌握误差，同时也会影响到系统的稳定性。扰动传递函数FLKce指令信号Ur Ue

Ap2i qKa KsvGsv(s)

(1 Ks)2

K1 XpS2 2ξh掌握器增益

伺服阀

s( 2+ωωh hω

s+1)Uf 液压缸3典型电液位置伺服系统框图〔干扰误差KceAp2FL_+_+KXpKaKsv1s1所示的系统框图中，因摩擦力较大，故只考虑摩擦力作为负载扰动〔不考虑惯性力KceAp2FL_+_+KXpKaKsv1s4负载扰动的静态方框图4e= K

FceL (式中K

=1/A) 〔1〕ss Ka

K KA2 1 psv 1 p依据图33所示的相关参数。3电液位置伺服系统的主要参数项项目液压缸有效面积(Ap148(cm2)负载力(F)L液压阻尼比液压固有频率〔ξ〕h(ω)h动态柔性系数〔K〕2伺服阀增益(Ksv伺服阀固有频率伺服阀阻尼比(ω)(ξ)sv流量-压力系数(K)cesv参数27468(N)0.05988.84(rad/s)0.096(s)1.78×10-3m3/(•A)157(rad/s)0.78.25×10-12(m/s•Pa)将表3参数代入式1e=0.051-〔m。ss系统的稳定性分析的平衡状态。在通常状况下，负载扰动引起的稳态误差相对于掌握系统总的稳态误差不会对系统的动态性能产生太大的影响。但假设对系统负载扰动作用下引起的稳态误差提出了明确要0.02，则由此确定系统的开环增益为：Kv由式〔2〕可得，K≥415.7aK=416a

=KK Ka sv

≥1/0.02=50 (2)Ka31，利用MATLAB/simulink511In1416Gain0.001782TransferFcn11/0.01481/88.8^2s+0.4/88.8sTransferFcn21Out15带材纠偏掌握系统动态模型5G(s)H(s) 416s(s2

20.7s1)(s2

20.2s1)1572 157 88.82 88.8依据系统的开环传递函数，编写MATLAB程序，绘制系统的Bode6、7dMd(eaP

100500-50-100-150-200-90-180-270-360

BodeDiagramGm=-21.8dB(at74.8rad/sec),Pm=-157deg(at152rad/sec)-450100 101 102 103 104Frequency(rad/sec)6Bodexx104StepResponse10-1ppmA

-2-3-4-5-6-7-80 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0.12 0.14 0.16 0.18 0.27系统的阶跃响应曲线从图6、7中可以看出，系统的幅值裕度与相角稳定裕度均为负值，阶跃响应曲线为发散振荡，说明系统是不稳定的，必需校正。系统的校正设计依据系统的性能指标〔时域性能指标和频域性能指标统进展校正，只要设计合理，能够有效减小或消退负载扰动对系统影响，满足系统动态性能指标用不同的校正方法。下面利用MATLAB/simulink环境，承受掌握系统Bode图常规设计法的超前校正介绍上述系统校正设计的一般方法。基于MATLAB环境的掌握系统校正设计简便直观。在对系统进展超前校正时，可通过自编函数来计算超前校正器的传递函数，自编函数程序：fuction[gc]=cqjz(key,ks,vars)%matlabfunctionprogramcqjz.m%ifkey==1gama=vars(1);gamal=gama+5;[mag,phase,w]=bode(ks);[mu,pu]=bode(ks,w);gam=gama1*pi/180;alpha=(1-sin(gam))/(1+sin(gam));adb=20*log10(mu);am=10*log10(alpha);wc=spline(adb,w,am);t=1/(wc*sqrt(alpha));alphat=alpha*t;gc=tf([t1],[alphat1]);elseifkey==2wc=vars(1);num=ks.nun{1};den=ks.den{1};end

na=polyval(num,j*wc);da=polyval(den,j*wc);g=na/da;g1=abs(g);h=20*log10(g1);a=10^(h/10);wm=wc;t=1/(wm*(a)^(1/2));alphat=a*t;gc=tf([t1],[alphat1]);掌握系统Bode图常规设计法的超前校正设计，可依据校正后的相角稳定裕度或剪切频率求校正器的传递函数。设取校正后的相角稳定裕度为72°，调用自编函数，可得到的校正器传递函数为：G(s)=0.5998s+115.47s+1建立校正后系统的simulinkBode89dMd(eaP

2001000-100-200-300-90-180-270-360

BodeDiagramGm=6.4dB(at73.8rad/sec),Pm=71.4deg(at16.8rad/sec)-45010-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104Fr