压力机电液载荷控制的建模与验证

　　材料试验机常用来进行材料的力学特性试验。为了满足大型加载载荷的要求,电液加载系统通常用于在试验过程中把载荷加载到试样上。作为材料试验系统的关键部分,电液伺服系统用于非常精确地控制加载载荷和载荷速率。以水泥压力试验为例,按照GB7314-87水泥试验标准(ISO标准),电液加载子系统的加载速率应该为2·4 kN/s,误差不超过5%,并且恒力控制误差率应该保持在0·2%范围之内。因此,电液伺服系统通常应用于此目的。压力传感器传来的信号和指定值相比较,将其偏差反馈给数字伺服阀,来实现力闭环控制。电液伺服系统的性能不仅与进入液压缸的液流速度有关,而且与油液压缩性决定的系统刚度也密切相关。因此系统模型的建立和辨识对系统的精确控制非常重要。

　　作者首先阐述了材料试验系统电液控制的工作原理。为了确定重要的控制参数并建立系统模型,设计一项试验来获得输入和输出的关系,将该控制看作是时间常数随压力变化的一阶系统,并且将对两者之间的关系作一适当阐述。通过对系统的验证,最终将获得最佳控制参数,可使载荷速率误差从3%下降到0·2%。

　　1　系统建模

　　图1所示的就是电液加载伺服系统。由于液压缸专门加工而成,可忽略摩擦力,对压力的载荷控制与该种控制是等效的。压力传感器用来测量压力,来自传感器的信号与指定值相比较,其偏差将被反馈到数字伺服阀,从而实现与给定载荷的闭环控制。旁路控制阀与数字伺服阀相并联,阀口的开启由经过数字阀的压力差来控制,由于旁路控制阀的溢流作用,数字伺服阀上的压力降为常数,这个常数的值取决于旁通阀上调压弹簧的预压缩量。

　　假设条件如下:

　　(1)忽略旁通阀敏感腔内油液的压缩; (2)忽略旁路阀阀芯运动所产生的泵效应。参照图1所示的系统,可以获得数字伺服阀输入位移和输出压力之间的传递函数,如图2所示。

　　这个系统主要由3个控制回路组成。环1说明了加载压力pL的增加将使得流量减少,同时使得旁通阀的开度减少。这两者都将导致液压泵的压力升高和对系统产生一个正反馈的作用。环2说明了液压泵压力的升高将使得流量增益和旁通阀的开度减少,这两者将影响泵的压力和对系统产生负反馈的作用。由于环2的增益始终大于环1的增益,两者综合作用趋向于一个负反馈,因此系统总是保持稳定。此外数字伺服阀的位移输出增加了一个前反馈控制系统,如闭环3所示,系统的动态性能得到了提高。在系统的设计和物理参数的选择过程中,数字伺服阀的增益保持足够小,并且旁通阀的动态响应比缸内的压力快得多,故电液动力伺服阀的模型可简化为一阶系统。