基于对称四通阀控非对称液压缸的电液比例位置控制系统建模与仿真

　　0　引言

　　在现代工业、航空航天和军事工程等领域中,很多液压设备都需要实现精确的位置控制,以获得精密的工件和完成精细的工作,而采用电液比例控制技术就可以廉价地组成闭环控制系统实现精确的位置控制。

　　非对称液压缸也称单杆活塞式液压缸,与对称液压缸相比它有很多优点,如结构简单、占地空间小、制造容易等。因此,液压系统中非对称缸的使用要远远超过对称缸,以对称四通阀控非对称液压缸作为阀控动力机构的液压位置控制系统最为常见。

　　目前,针对四通阀控对称液压缸的传递函数和动态特性的分析研究已十分完善,但由于对称四通阀与非对称液压缸间的不相容性,所以对应用十分广泛的四通阀控非对称液压缸的传递函数和动态特性的研究还有待于进一步深入。作者在建立对称四通阀控非对称液压缸动态数学模型的基础上,利用MATLAB中的SIMULINK构建了仿真模型,并结合具体系统对其动态特性进行了仿真研究。

　　1　电液比例位置控制系统的数学模型

　　电液比例位置控制系统由控制器、比例放大器、比例方向阀、液压缸、负载以及位移传感器组成,如图1所示。

　　1·1　比例放大器和比例方向阀数学模型的简化

　　由于在系统工作频率范围内起主导作用的是阀控缸动力机构环节,其固有频率一般是系统中的最低转折频率,而比例方向节流阀的转折频率由比例阀本身的特性决定,其转折频率往往远远高于阀控液压缸的转折频率。

　　所以,可以将比例放大器和比例方向阀结合起来看成一个比例环节,传递函数为

　　1·2　阀控非对称液压缸的数学模型

　　阀控动力机构是电液比例位置控制系统的关键元件,其特性对系统的性能有很大的影响,因此必须对其建立线性化的数学模型。阀控动力机构示意图如图2所示。下面将以活塞正向运动(即y>0)的情形为例进行分析建模,活塞负向运动的情形可依此类推。

　　1·2·1　pL和QL的重新定义

　　负载压力pL和负载流量QL是液压动力机构特性研究和系统优化设计的基础。目前对阀控非对称液压缸的pL和QL的定义通常采用2种形式:一种是沿用对称情况下的定义,pL=p1-p2, QL=(Q1+Q2) /2;另一种定义是pL=p1-ηp2, QL=(Q1+Q2) /2,其中η=A2/A1=Q2/Q1<1, A1、A2分别表示液压缸大小容腔的有效活塞面积。

　　按第一种定义,液压缸输入功率即比例阀的输出功率NL为

　　式中:FL为液压缸负载,FL=A1p1-A2p2;

　　v为液压缸活塞的运动速度, v=Q1/A1=Q2/A2。