電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

電液伺服掌握系統(tǒng)的設(shè)計與仿真引言電液伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、輸出功率大、掌握準(zhǔn)確性高等突出優(yōu)點，因而在航空航天、軍事、時代，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到廣泛的擴展。隨著液壓系統(tǒng)漸漸趨于簡單和對液壓系統(tǒng)仿真要求的不斷提高，傳統(tǒng)的利用微分方程和差分方程建模進展動態(tài)特性仿真的方法已經(jīng)不能滿足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真軟件對電液伺服掌握系統(tǒng)進展動態(tài)仿真，對于改進系統(tǒng)的設(shè)計以及提高液壓系統(tǒng)的牢靠性都具有重要意義。液壓系統(tǒng)動態(tài)特性爭論概述隨著液壓技術(shù)的不斷進展與進步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴大，系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高，提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、掌握精度以及工作牢靠性，是格外必要的。液壓系統(tǒng)動態(tài)特性簡述液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性〔系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動狀況以及過渡過程品質(zhì)〔執(zhí)行、掌握機構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度〕問題。液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的爭論方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、試驗爭論法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機技術(shù)爭論液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的一種方法系統(tǒng)的工作性能和牢靠性，具有準(zhǔn)確、適應(yīng)性強、周期短以及費用低等優(yōu)點。仿真環(huán)境簡介基于Matlab平臺的Simulink是動態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中著名的仿真集成環(huán)境用。Simulink借助Matlab的計算功能，可便利地建立各種模型、轉(zhuǎn)變仿真參數(shù)，有效解決了仿真技術(shù)中的問題。Simulink供給了交互的仿真環(huán)境，既可通過下拉菜單進展仿真，也可通過命令進展仿真SimulinkMatlab／Simulink下對液壓系統(tǒng)進展建模及仿真需要做很多簡化工作，而模型的簡化使得仿真結(jié)果往往消滅肯定的誤差。AMESim(AdvancedModelingEnvironmentforSimulationofEngineeringSystems)是法國IMAGINE公司開發(fā)的一套高級仿真軟件。它是一個圖形化AMESim的特點是面對工程應(yīng)用從而使其成為AMESim的各種模型庫來設(shè)計系統(tǒng)，從而可快速到達建仿照真的最終目標(biāo)，同時還供給了與Matlab、ADAMS等軟件的接口，可便利地與這些軟件進展聯(lián)合仿真。電液伺服掌握的現(xiàn)狀與進展簡介液壓、自動掌握和計算機等各技術(shù)領(lǐng)域同步推動。測控系統(tǒng)測量掌握系統(tǒng)隨著數(shù)字掌握理論的成熟以及高速DSP、穩(wěn)定牢靠的要求。目前，HONGJUN公司的TeststarII5000/秒，掌握特性在傳統(tǒng)的PID掌握根底上，還具有前饋掌握、頻率反向補償掌握、幅度掌握和壓差等關(guān)心掌握特性。因此數(shù)字掌握器由于其豐富的運算功能，其掌握格外敏捷，是模擬掌握系統(tǒng)無法比較的。國。液壓件試驗等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。計算機多自由度協(xié)調(diào)掌握、計算機仿真解耦技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用和進展，使多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)、道路模擬試驗系統(tǒng)的性能得到進一步提高，促進了電液伺服系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。可以說電液伺服技術(shù)的進展與計算機技術(shù)的進展是親熱聯(lián)系在一起的。電液伺服掌握系統(tǒng)的模型建立建模方法簡介有機地聯(lián)系在一起，便于對系統(tǒng)進展分析和爭論。型，主要形式有微分方程、傳遞函數(shù)、方塊圖與信號流圖以及狀態(tài)變量數(shù)學(xué)模型等。建模方法主要有解析法、傳遞函數(shù)法、狀態(tài)空間法和功率鍵合圖法等。電液伺服掌握系統(tǒng)建模MATLAB/simulink伺服掌握系統(tǒng)建模的一般方法。如表1所示的工件疲乏試驗機電液力伺服掌握系統(tǒng)設(shè)計要求和給定參電液力掌握系統(tǒng)，其原理圖與方框圖如圖11工件疲乏試驗機電液力伺服掌握系統(tǒng)設(shè)計要求和給定參數(shù)項目符號單位質(zhì)量M450kg彈簧剛度Ks9000~180000N/cm工件液壓缸最大行程S10cm壓下最大負載力Fm90000N掌握精度ef≤±5系統(tǒng)性能參數(shù)時間常數(shù)t110s力信號電壓ur +－

u c 伺服放大器

q F伺服閥 缸uf力傳感器1工件疲乏試驗機電液力伺服掌握系統(tǒng)原理圖與方框圖12工程參數(shù)17.5Mpa工程參數(shù)17.5Mpa54.78cm25.5cm3.29L/min4.61011(N/m)/m2.54×10-6m/mA8.810-6V/N供油壓力液壓缸有效活塞桿最大流量壓力增益伺服閥力傳感器(p)s面積(Ap)直徑(d)(qm)(Kp)增益(K)sv增益(K)fF系統(tǒng)建模一般利用微分和差分方程進展環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型建立傳遞函數(shù)。工件疲乏試驗機電液力伺服掌握系統(tǒng)組成元件或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：伺服放大器傳遞函數(shù)：ΔI(s)/Uc(s)=Ka電液伺服閥傳遞函數(shù)：KsvGsv(s)=Q0/ΔI=Ksv〔視為比例環(huán)節(jié)〕液壓缸與負載的傳遞函數(shù)：Fg=KpAp(s2/ωm2+1)/(s/ωr+1)(s2/ω02+2*ξ0/ω0s+1)式中ωm——負載固有頻率；ωr——一階慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；ω0——二階振蕩環(huán)節(jié)的固有頻率；ξ0——二階振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比。通過系統(tǒng)給定參數(shù)和查閱伺服閥樣本Ks=180000N/cm放大器增益K=40000mA/V，ω=0.588rad/s，ω=200rad/s，ω=674rad/s，ξ =0.005。再依據(jù)系統(tǒng)各a r m 0 0環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立系統(tǒng)simulink21In11In1400000.0000025462215s2+2488600000conv([1/0.5881],[1/674^20.01/6741])(s)液壓缸1Out1放大器伺服閥0.0000088力傳感器2simulink電液伺服掌握系統(tǒng)的動態(tài)仿真MATLAB/simulink環(huán)境下動態(tài)設(shè)計與仿真的一般方法。負載擾動誤差的計算光電檢測器和放大器〔合稱為光電掌握器〕響應(yīng)均很快，可視為比例環(huán)節(jié)，其總增益K值可依據(jù)系統(tǒng)a需要由伺服放大器進展調(diào)整。伺服閥與液壓缸－負載的傳遞函數(shù)可由樣本查取。建立系統(tǒng)框圖如圖 3所示。系統(tǒng)中液壓缸－負載環(huán)節(jié)的負載力F對系統(tǒng)具有肯定影響，負載力包括摩擦力及慣性力等。較大L的負載力會產(chǎn)生較大的死區(qū)，從而產(chǎn)生較大的掌握誤差，同時也會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擾動傳遞函數(shù)FLKce指令信號Ur Ue

Ap2i qKa KsvGsv(s)

(1 Ks)2

K1 XpS2 2ξh掌握器增益

伺服閥

s( 2+ωωh hω

s+1)Uf 液壓缸3典型電液位置伺服系統(tǒng)框圖〔干擾誤差KceAp2FL_+_+KXpKaKsv1s1所示的系統(tǒng)框圖中，因摩擦力較大，故只考慮摩擦力作為負載擾動〔不考慮慣性力KceAp2FL_+_+KXpKaKsv1s4負載擾動的靜態(tài)方框圖4e= K

FceL (式中K

=1/A) 〔1〕ss Ka

K KA2 1 psv 1 p依據(jù)圖33所示的相關(guān)參數(shù)。3電液位置伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)項項目液壓缸有效面積(Ap148(cm2)負載力(F)L液壓阻尼比液壓固有頻率〔ξ〕h(ω)h動態(tài)柔性系數(shù)〔K〕2伺服閥增益(Ksv伺服閥固有頻率伺服閥阻尼比(ω)(ξ)sv流量-壓力系數(shù)(K)cesv參數(shù)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)將表3參數(shù)代入式1e=0.051-〔m。ss系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析的平衡狀態(tài)。在通常狀況下，負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差相對于掌握系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)誤差不會對系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生太大的影響。但假設(shè)對系統(tǒng)負載擾動作用下引起的穩(wěn)態(tài)誤差提出了明確要0.02，則由此確定系統(tǒng)的開環(huán)增益為：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帶材糾偏掌握系統(tǒng)動態(tài)模型5G(s)H(s) 416s(s2

20.7s1)(s2

20.2s1)1572 157 88.82 88.8依據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，編寫MATLAB程序，繪制系統(tǒng)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系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線從圖6、7中可以看出，系統(tǒng)的幅值裕度與相角穩(wěn)定裕度均為負值，階躍響應(yīng)曲線為發(fā)散振蕩，說明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，必需校正。系統(tǒng)的校正設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)〔時域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)統(tǒng)進展校正，只要設(shè)計合理，能夠有效減小或消退負載擾動對系統(tǒng)影響，滿足系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)用不同的校正方法。下面利用MATLAB/simulink環(huán)境，承受掌握系統(tǒng)Bode圖常規(guī)設(shè)計法的超前校正介紹上述系統(tǒng)校正設(shè)計的一般方法?；贛ATLAB環(huán)境的掌握系統(tǒng)校正設(shè)計簡便直觀。在對系統(tǒng)進展超前校正時，可通過自編函數(shù)來計算超前校正器的傳遞函數(shù)，自編函數(shù)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]);掌握系統(tǒng)Bode圖常規(guī)設(shè)計法的超前校正設(shè)計，可依據(jù)校正后的相角穩(wěn)定裕度或剪切頻率求校正器的傳遞函數(shù)。設(shè)取校正后的相角穩(wěn)定裕度為72°，調(diào)用自編函數(shù)，可得到的校正器傳遞函數(shù)為：G(s)=0.5998s+115.47s+1建立校正后系統(tǒng)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