特种车辆救援机械手电液伺服控制系统仿真

　　0 前言

　　电液比例控制以其价格低廉、抗污染能力强等特性在工程车辆行业的应用越来越广泛。但是电液比例阀在控制精度与响应速度方面与电液伺服阀相差甚远。由于受到恶劣的工作条件限制, 在工程车辆上不适合采用电液伺服阀, 但又期望得到较高的控制指标, 就需要不断改善比例控制系统的控制方法以提高系统的控制精度和响应速度。因此大多采用闭环控制。闭环控制就是在开环系统的基础上加上对被控制量的检测和反馈回路, 以被控量与输入量的偏差信号作为控制信号, 最终使输出量尽量与输入量一致。在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内, 系统的输出能较准确地跟踪输入信号的变化, 从而提高系统的控制精度和响应速度。本文在某特种车辆救援机械手的电液比例伺服控制系统中加入数字校正环节, 用以提高系统的动、静态特性。

　　1 控制系统组成

　　图1为控制系统框图, 系统包括单片机系统(ECU)、电液控制单元、执行机构( 液压缸) 以及位置传感器等。就是在闭环控制的基础上加入单片机系统, 通过控制算法对整个系统进行数字校正。单片机系统电液控制单元是伺服控制系统的核心部分, 通过它们对电液比例伺服系统实现控制调节作用。从控制框图中可以看出, 要对整个系统进行精确的控制, 建立系统的控制模型是对系统进行数字校正的基础。

　　2 电液比例伺服控制系统模型

　　在本系统中采用的是比例阀控制单出杆液压缸,设计合适的数字校正控制器, 就必须建立其传递函数,使液压缸获得良好的动态特性和静态特性。电液伺服系统的精确位置控制在理论和实践中较难实现, 主要是基于以下几个原因: 首先, 多输入多输出之间相互耦合和刚性液压缸的非线性动力学特性, 大大增加了控制器的设计难度。其次, 所研究的单出杆液压缸比电动机驱动具有更复杂的动力学特性, 具有高度的非线性。第三, 电液伺服驱动转向液压缸通常具有很大程度上的模型不确定性, 包括在工业应用中负载的大幅度改变、油液泄漏、外部干扰等都会对控制产生影响。电液比例位置控制为阀控缸形式, 液压缸为单出杆结构, 控制阀为直动式电液比例方向阀, 液压缸活塞位置经位移传感器检测构成系统的位置闭环, 经单片机数字校正控制算法后, 控制比例方向阀电磁铁的电流和液压缸伸出杆位置。考虑到液压系统是一个非线性的系统, 活塞杆的运动摩擦力、比例阀的流量特性( 压力与流量关系) 、阀开度的饱和特性等都具有非线性特性。为简化设计, 在工作点附近进行线性化处理, 并作如下假设: