基于SIMULINK的阀控非对称液压缸系统的研究

　　1引言

　　在现代化工业生产中,非对称液压缸具有占用空间小、加工密封简单、制造成本低等的优点,因而在一些精度要求不太高的场合得到了广泛的应用。笔者在建立阀控非对称液压缸的数学模型的基础上,引人了闭环PID位置控制,并利用MATLAB中的sIMullNK模块库仿真与分析研究其控制性能。

　　SIMuLINK是实现系统建模与仿真的一个集成环境,它使MATLAB的功能得到了进一步扩展。该软件包的特色在于:1)实现了可视化建模。2)实现了多工作环境间的文件互用和数据交换,具有方便、直观和灵活的优点。

　　2建立阀控非对称缸系统的数学模型

　　四边滑阀非对称液压缸伺服系统工作原理如图1所示。从图中我们可以看出,液压缸两油腔有效作用面积之差导致了液压缸活塞杆外伸与内缩时一些参数的改变,因此,应分别对液压缸活塞杆外伸与内缩进行分析研究(本文仅以活塞杆外伸为例进行了仿真分析,有关活塞杆内缩的情况读者可根据下述方法自行设计仿真,在此不再赘述)。在这一液压伺服系统中,我们尝试从阀的负载压力一流量特性、油缸负载流量方程和液压缸的力方程三方面来建立数学模型。

　　液压缸活塞杆外伸时,建立如下数学模型方程:

　　阀芯输人位移X_v和外负载力F_L同时作用时,液压缸活塞的总输出位移为:

　　式中

　　A₁—无杆腔面积;

　　k_q—流量增益;kc—压力系数;

　　k_ce—总流量压力系数;

　　p_L—负载压力;

　　p_s—液压油压力;

　　x_v—伺服阀阀芯位移;

　　v_l—等效容积;

　　β_e—液体的容积模数;

　　ξ_h—液压固有频率;

　　在伺服变量泵装置中，伺服阀的固有频率远远高于系统频率，伺服阀传递函数可用比例环节表示，如式(5):

　　在伺服阀驱动电路——伺服放大器为高输出阻抗的电压一电流转换器中，频带要比液压固有频率高的多，可将其简化为比例环节，如式(6);

　　在系统应用范围内，位移传感器也可用比例环节，如式(7):

　　在伺服阀控制单出杆液压缸控制系统中，当活塞杆外伸时的模型结构框图如图2所示:

　　3阀控非对称液压缸系统PID控制器的设计

　　阀控非对称液压缸控制系统方框图如图3所示。位移传感器测得的输出位移信号经过A/D转换，并与给定的控制信号相比较，比较所得的偏差信号则为控制器的输人;作为控制量的控制器输出经D/A转换，并通过放大器后作用在伺服阀的阀芯上，通过调节阀芯的位移可改变阀的开度，进而改变液压缸的流量，从而减小液压缸位移误差，提高其控制精度。