基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真

　　离心机 ( 如图1 所示) 是土工试验和环境模拟试验的重要设备^{[1 -3]}。在离心试验时，为了使离心机稳定运行，应尽量减小不平衡力。因为大的不平衡力将增大机座和安装地基的负担。当不平衡力过大时，将会造成整个离心机系统倾覆或侧移^[4]。

　　设试验时吊篮及模型的质量为m₂，质心到转轴的距离为r₂。静平衡调节配重质量为m₁，质心到转轴的距离为r₁。动平衡调节配重质量为m'₁，质心到转轴距离为r'1。则不平衡力可表示为:

式中: ω 为离心机的旋转角速度，其值由试验加速度决定。

　　要使F 小，在离心机建设时，通过配平，基本可以保证转臂空载不平衡力足够小。但在试验时，虽进行了静平衡调节，可避免过大不平衡力的产生，但试验模型的质心很难找准，而且离心试验时，有可能出现模型垮塌，造成质心位移，从而产生未知不平衡力。为此，在离心机上增加动平衡调节系统尤为重要，其可以根据检测出的不平衡力大小，进行自动平衡调节，从而保证离心机的稳定运行。

　　作者基于液压伺服控制系统，运用软件MAT-LAB / SIMULINK 进行离心机平衡调节系统仿真。仿真表明: 液压伺服用于离心机动平衡调节，能够使离心机比较快速地调节到平衡位置。液压控制系统具有负载刚度大、精度高、响应快等优点^[5]。

　　1 液压伺服控制系统建模

　　1. 1 液压动力源

　　系统的液压源由电机、液压泵、溢流阀和蓄能器组成。电机带动液压泵，输出恒定流量的油液; 溢流阀通过阀口的溢流，调定系统工作压力或限定其最大工作压力，防止系统过载; 蓄能器起稳压作用。

　　1. 2 电液伺服阀

　　电液伺服阀的频响函数可表示为二阶的振荡函数:

式中: x_v为滑阀位移; i 为输入电流; K 为伺服阀增益; ωn为伺服阀频响; ξ 为阻尼比，0. 4 ～0. 7。

　　电液伺服阀的流量表达式为:

式中: q_L为阀的负载流量; p_L为负载压降; p_s为进油口处压力; W 为阀的面积梯度; C_d为流量系数; ρ为油液密度。

　　由式( 3) 可知，通过改变电流的正负，可以使电液伺服阀输入液压缸的流量有正有负，即可向液压缸两腔的任一腔输入油液。因此，可推动质量块靠近或远离转轴移动。

　　1. 3 液压缸

　　( 1) 液压缸流量表达式为:

式中: A 为液压缸活塞有效面积; x_p为活塞位移; C_tc为液压缸总泄漏系数; p_L为负载压力; K_t为有效体积弹性模量; V_t为液压缸两腔总容积。