阀控缸伺服系统建模与仿真研究

　　0 引 言

　　图1所示为一电液位置伺服系统的阀控液压缸系统原理图.在建立系统数学模型时,若考虑缸筒质量、活塞质量以及惯性负载质量,该系统为三自由度电液伺服系统.按常规建模方法,可以建立该系统的传递函数模型.但传递函数通常为系统的线性数学模型,很难考虑系统的时变特性、伺服阀饱和特性以及伺服阀阀口的流量非线性等因素,所以不能准确地描述该系统的动态特性.本文利用键合图理论,建立该系统的扩展键合图模型,该模型考虑了系统非线性等因素,所以能比较准确地描述系统的动态特性.

　　1 系统扩展键合图模型的建立

　　功率键合图法是一种系统动力学建模方法,它以图形方法来表示、描述系统动态结构,是对流体传动与控制系统进行动态数字仿真时有效的建模工具[1].

　　阀控缸系统的扩展键合图模型可分为四个部分,即:信号源扩展键合图描述;对称伺服阀扩展键合图模型;液压缸和负载的扩展键合图模型;反馈环节的键合图描述.

　　1.1 信号源的扩展键合图模型

　　仿真时经常使用方波信号,方波信号产生方法如图2所示,修改6增益块可以改变方波信号的幅值,修改7增益块可以改变方波信号产生的频率.

　　1.2 电液伺服阀的扩展键合图模型

　　在模型中,需要描述伺服阀的饱和特性、滑阀级的流量特性以及伺服阀的动态特性.假设液体压缩性影响在阀中可以忽略,且阀具有理想的响应能力,即对于阀芯位移和阀压降的变化相应的流量变化能瞬间发生.参考图1可以建立流入液压缸流量和流出液压缸流量计算公式为[2]

　　式(1)、(2)中,Q1为流入液压缸左腔的流量,Q2

　　为流出液压缸右腔的流量,ps为供油压力,p1、p2为液压缸两腔的压力,p0为回油压力,I为伺服阀输入电流,KI为比例系数.定义电液伺服阀的液阻为

　　则方程(1)和方程(2)可改写为式(4)和式(5):

　　根据方程,电液伺服阀的流量方程可用图3虚线部分的扩展键合图描述.

　　图3中阻性元20、21、22、23用来描述伺服阀阀口的流量特性.液压源用恒势源18来描述,液压系统的回油用恒势源19描述.功率键24表示通道A的液压功率流向,功率键25表示通道B的液压功率流向.函数块10是用来描述伺服放大器的饱和特性.增益块11、12、13和积分块15、14以及增益块11后面的比较环节用来描述伺服阀的动态特性.

　　1.3 液压缸和负载的扩展键合图模型

　　根据密封容器中流体的压缩性定义,参考图1,液压缸两腔的压力p1和p2可分别表示为