电液伺服加载系统控制方法的改进研究

　　1　引言

　　电液伺服加载系统是耦合系统。由于液压加载系统的固有特点,总是会在加载过程中出现多余力,严重的影响了加载的效果。国内外学者对伺服加载系统的研究迄今已有20多年的历史,提出了许多克服多余力矩的理论和方法。经典的消除多余力控制方法都是采用结构不变性原理设计一个控制器来进行消扰[1]。目前比较前沿的发展,在改善机械结构方面,有同步反向补偿和双阀流量补偿等控制方法;而在改进控制方法方面,则有复合控制方法和神经网络控制方法等[2]。不过从总体上来看,还是都与舵机对象相联系,通过测量舵机的运动状态,如测量速度信号,甚至加速度信号,进行前馈控制,预测控制,以消除多余力[3]。但由于位置传感器安装上的原因,总是有间隙滞后,由此得出的速度信号和加速度信号会有较大误差,加上加载系统的伺服阀环节的影响和舵机对象的影响,准确前馈控制很困难[4]。本文在原有的结构不变性原理的基础上,从舵机系统的不同部位取出了信号,经过推导,进行补偿,使得上述的问题有进一步的优化改进。而内反馈控制方法,所反馈的信号取自于加载系统内部,均简单易测得,在考虑伺服阀动态特性情况下,反馈信号也不含高阶微分。利用加载活塞输出力与加载对象输出力之差,提前反馈该差量,加载系统与舵机近似同步运动,基本上消除了外部运动的干扰。在工程实现上也易于实行。

　　2　加载系统数学方程

　　电液伺服加载系统的实物连接图入图1所示。根据图1建立典型电液加载系统的数学模型方程[5-7]:

　　线性化后的伺服阀流量方程:

　　其中,Kq为伺服阀的流量增益,Kc为伺服阀的流量压力放大系数,Qf为负载流量,xv为伺服阀的阀芯位移,Vt为控制腔体容积,pL为加载缸作动筒两腔压强差,A为加载缸作动筒活塞有效面积,βe为油液等效体积弹性模量,B为液压缸的阻尼系数,Lc液压缸的泄漏系数。F为加载力,kt为力传感器的刚度系数,位置系统的输出位移为x,加载活塞输出位移为y,m为加载系统运动部分的等效质量。

　　伺服阀环节为:

　　式中Ks为伺服阀增益,ωs,ζs分别为伺服阀的固有频率和相对阻尼系数,

　　根据式(1)———(4)得结构图如图2

　　对执行机构动力学方程进行整理,得到如下传递函数关系:

(6)

　　式中,Kce为总流量压力系数。u为控制器输出电压,从式(6)中可以看出,其分子的第一项是加载控制器的输出,第二、第三项是舵机运动的干扰。通过实践中的数据比较可以得出,其中起主要影响的是第三项。基于结构不变原理控制进行消扰设计,用一个前馈控制量对消舵机运动的干扰,前馈控制量为