电液比例阀控液压缸系统建模与仿真

　　0 引言

　　随着现代工业技术的飞速发展，电液比例技术已广泛应用于军事、农业、工业等领域。作为电液比例技术的重要组成部件，电液比例阀以其成本低、抗污染能力强等优点，在许多场合正逐步取代伺服阀。由计算机、电液比例阀和液压缸等部件组成的闭环控制系统具有结构简单、控制方法灵活、控制精度高等优点，在各领域得到了广泛的应用^[1]。

　　本文搭建了比例阀控非对称液压缸控制系统，建立了该系统的数学模型，着重对阀控非对称液压缸的建模方法进行了研究，并利用Matlab 中的Simulink 进行仿真分析，设计了PID 控制器对系统进行校正。

　　1 系统的组成及原理

　　比例阀控非对称液压缸控制系统的硬件组成如图1 所示，主要由滤油器1 和6、溢流阀2、液压泵3、压力表4、单向阀5、电液比例方向阀7和8 ( 配套放大器9 和10) 、液压缸11、加载缸12、位移传感器13、压力传感器14、数据采集卡和工业控制计算机组成。液压缸和加载缸分别为上海立新液压件厂生产的单杆活塞标准液压缸和双杆活塞标准液压缸，电液比例方向阀7 为北京华德公司生产的4WRA6E20 -10B/24NZ4/M 电液换向阀，电液比例方向阀8 为REXROTH 公司生产的H -4WEH25M6X/6EG24N9ETK4 -Z4 电液换向阀，压力传感器是上海天沐的NS -WL2 -20T 力传感器，量程为±20 t，位移传感器是该公司的WYDC -1000L，数据的转换通过1716A / D 板卡和1721D / A 板卡实现。系统工作时，通过加载缸给液压缸加载指定负载( ± 20 t) ，位移传感器将液压缸活塞的位置信息通过数据采集卡传递给计算机与理想位移进行比较，得出差值，经过优化处理和转换输出控制信号，通过比例放大器放大后驱动电液比例方向阀工作，从而实现对液压缸位置的精确控制。

　　2 比例阀控液压缸控制系统的数学模型

　　2. 1 阀控非对称液压缸的数学模型

　　阀控非对称液压缸原理见图2。负载压力PL和负载流量q_L是液压动力机构特性研究和系统优化设计的基础。目前，在阀控非对称缸建模的大量文献中^{[2 -5]}，对阀控非对称液压缸的P_L和q_L的定义主要有3 种形式 ( 以y >0 为例进行分析) :

　　1) P_L= P₁- P₂，q_L= ( q₁+ q₂) /2;

　　2) P_L= P₁- nP₂，q_L= ( q₁+ q) /2;

　　3) P_L= P₁- P₂，qL= ( q₁+ nq₂) /( 1 + n²) 。

　　其中n = A₂/ A₁= q₂/ q₁< 1，A₁、A₂分别表示液压缸无杆腔、有杆腔的有效活塞面积。