基于正交实验的电液伺服系统最优参数选择

　　引 言

　　电液伺服系统在工程上常采用频率法进行设计，即根据技术要求设计出系统后，检查所设计系统是否满足全部性能指标，如果不能满足要求，再对某些参数进行调整或增加校正环节[1]。本文利用正交实验方法对电液位置伺服系统实际运行参数的组合进行了分析研究，在控制对象和系统的结构形式已确定的情况下，修改、调整某些系统参数，使系统综合性能达到最佳，从而有效地、合理地利用系统配置资源。

　　1 影响系统性能的因素

　　1．1 数学模型^[1、2、3]

　　如图 1 所示为电液位置伺服系统，其中，电液伺服阀主要由力矩马达 7、喷嘴挡板阀 8(前置级)、节流控制滑阀 9(功率级)及反馈杆 l0 组成。

　　

　　该电液位置伺服控制系统原理方框图如图 2 所示。式（1）为其开环传递函数 G(s)

　　

　　式中，Kv为电液伺服控制系统的开环增益；ω1为控制线圈的固有频率；ω2为电机械转换器的固有频率；ωmf为力矩马达衔铁组件的固有频率；ξmf为力矩马达衔铁组件的相对阻尼比；ωh为液压固有频率；ξh为液压相对阻尼比。

　　

　　式中，Kas为伺服放大器增益；Kxv为电液位置力反馈放大器增益；Kq为控制滑阀的流量增益；A 为液压缸的有效工作面积；Kfb为主反馈传感器 3 的反馈系数；Kh为液压弹簧刚度；βe为工作液体等效体积弹性模数；Vt为液压缸两腔总工作容积；m 为活塞及负载的总折算质量；Kcl为综合压力流量系数；B 为系统无弹性负载时的阻尼系数。

　　1.2 各种因素影响

　　一般来说，控制线圈的固有频率 ω1、电机械转换器的固有频率 ω2，以及力矩马达衔铁组件的固有频率 ωmf，与液压固有频率 ωh相比较通常较大，可忽

　　略其对系统动态特性的影响。因此，影响系统性能的主要因素有系统的开环增益 K、液压固有频率ωh，以及液压相对阻尼比 ξh。从 Kv、ωh、ξh的表达式可以看出：对系统性能产生影响的参数有流量增益Kq、工作液体等效体积弹性模数 βe、伺服放大器增益Kas以及活塞及负载的总折算质量 m。其中，Kq和 βe又是液压伺服系统伺服阀前工作压力 p 及油液温度T 的参数。本文利用正交实验方法对 p、T、Kas以及 m这四个在系统运行时可方便调整的参数进行实验研究，以找到何种组合状态使系统性能达到最佳运行状态。

　　2 正交实验设计

　　2．1 选择考核指标

　　本试验的目的就是选定一组系统运行参数，使电液位置伺服系统的稳定性能和动态特性均达到最佳。由于在本控制系统中最重要的指标是稳态误差epf和上升时间 Tr，所以确定 epf和 Tr为本试验的考核指标。