來源：互聯(lián)網(wǎng)    作者：么艷香  郭永  曲直  武健  吳克勤      
關(guān)鍵字：液壓伺服控制系統(tǒng)  建模  仿真  

本文著重介紹了在液壓伺服控制系統(tǒng)中，若結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)可進(jìn)行較精確地調(diào)整，并對(duì)可靠性做進(jìn)一步驗(yàn)證，最終可以得出比較可靠的液壓伺服控制系統(tǒng)。

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)科學(xué)逐漸成熟，其強(qiáng)大而豐富的功能已被人們所認(rèn)知。現(xiàn)今，計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)已進(jìn)入人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域并發(fā)揮著不可估量的作用。計(jì)算機(jī)建模與仿真是將1個(gè)系統(tǒng)以可接收的形式描述給1個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其關(guān)鍵是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的描述。如果系統(tǒng)可用1組變量來概括，那么變量值的計(jì)算就可仿真系統(tǒng)從1個(gè)狀態(tài)到另1個(gè)狀態(tài)的變化。

    半個(gè)多世紀(jì)來，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在各種應(yīng)用需求的牽引及有關(guān)學(xué)科技術(shù)的推動(dòng)下，已經(jīng)發(fā)展形成了綜合性的專業(yè)技術(shù)體系，并迅速地發(fā)展為1項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。它與高性能計(jì)算(High Performance Computing)一起，正成為繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后第3種認(rèn)識(shí)、改造客觀世界的重要手段。目前，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)已成為航空航天、信息、生物、材料、能源、先進(jìn)制造等高新技術(shù)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、軍事、交通、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、娛樂、生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域廣泛采用的1項(xiàng)技術(shù)。

1 液壓伺服控制系統(tǒng)建模與仿真發(fā)展概況

    液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)開始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過幾十年的研究，液壓仿真軟件包的性能已經(jīng)從原來的精度低、速度慢發(fā)展到精度高、速度快；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)發(fā)展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)；從復(fù)雜的編程輸入發(fā)展到友好的交互式圖形界面輸入。目前在液壓系統(tǒng)仿真領(lǐng)域內(nèi)，主要涌現(xiàn)出像Hop－San、ADAMS/Hydrau-lics、Matlab/simulink及AMESim等仿真軟件。

    國內(nèi)的液壓仿真技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代末80年代初。近年來在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的液壓仿真軟件多屬于國外的產(chǎn)品，其中包括專門用于液壓仿真的軟件和用于機(jī)械或機(jī)電系統(tǒng)的液壓仿真功能的軟件。總的說來這些產(chǎn)品在圖形化建模、模型庫內(nèi)容的豐富性、界面友好和操作方便等方面都取得了比較大的成功，同時(shí)在三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析與仿真、查錯(cuò)功能、建模的具體方法或功能的多樣性方面又各有所長。

    幾十年來，我國非常注重仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。建模與仿真技術(shù)在許多領(lǐng)域的系統(tǒng)規(guī)劃、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施、維護(hù)、管理、人員訓(xùn)練等方面發(fā)揮了重要的作用。

2 液壓伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)建模與仿真原理

    建模與仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究價(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，它是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的一門多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。由于建模與仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得建模與仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。建模與仿真包括3個(gè)基本要素：系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)，聯(lián)系著它們的3項(xiàng)基本活動(dòng)是模型的建立、仿真模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)。其關(guān)系圖如圖1所示。

 

圖1 仿真3要素及關(guān)系圖

    根據(jù)機(jī)械裝備的要求，液壓控制系統(tǒng)可以對(duì)位置、速度、力等任意被控對(duì)象按一定的精度進(jìn)行控制。并且在有外部干擾的情況下，也能穩(wěn)定而準(zhǔn)確的工作。通常液壓伺服控制系統(tǒng)由以下單元組成：指令單元、比較單元、控制放大器、電液控制閥、執(zhí)行元件、負(fù)載、檢測單元、能源裝置等。

    液壓伺服控制系統(tǒng)其指令單元可以是信號(hào)發(fā)生器、電位器、計(jì)算機(jī)或其他電子器件，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)作的要求發(fā)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。指令裝置發(fā)出相應(yīng)的指令，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；檢測反饋裝置采用位移傳感器來檢測輸出位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)與指令信號(hào)加以比較，給出偏差信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；電液伺服閥為液壓控制元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閥控缸。液壓伺服控制系統(tǒng)的職能圖和原理圖如圖2和圖3所示。

 

圖2 液壓伺服控制系統(tǒng)的職能圖

 

圖3 液壓伺服控制系統(tǒng)基本原理圖

1.液壓主泵 2.溢流閥 3.主控閥 4、7.限壓閥 5、6.工作機(jī)構(gòu)液壓缸 8.背壓閥

3 MATLAB環(huán)境下的液壓伺服控制系統(tǒng)的仿真研究

    MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的1套高性能的數(shù)值計(jì)算可視化軟件，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理與分析、振動(dòng)理論、時(shí)序分析與建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級(jí)語言難以比擬的優(yōu)勢。

    MATLAB提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀的1種。它可以對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，從而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，然后及時(shí)進(jìn)行必要的修正，以實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)開發(fā)。Simulink支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散系統(tǒng)以及多進(jìn)程系統(tǒng)。Simulink包含有Continuous(連續(xù)量)、Discrete(離散量)、Functions＆Table、Math、Nonlinear、Signals systems、Sinks)、Source、Subsystems等子模型庫。并且在每個(gè)子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以制定和創(chuàng)建適合自己需要的模塊。Simulink工具箱具有有2個(gè)明顯的功能：仿真(Simu)與連接(Link)，它可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。由于MATLAB和Simulink是集成化軟件，用戶可以在這2種環(huán)境下交替的對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真、分析和修改。同時(shí)可以仿真較大、較復(fù)雜的、多進(jìn)程的系統(tǒng)。

    3.1 MATLAB環(huán)境下系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

    3.1.1 伺服閥的數(shù)學(xué)模型伺服閥的傳遞函數(shù)為

 

    該式中：Q₀——伺服閥的流量，m³/s；

    ΔI——電流增量，A；

    K_sv——伺服閥的流量增益，m³/(s·A)；

    ω_sv——伺服閥的固有頻率，rad/s；

    ξ_sv——伺服閥的阻尼比。

    其中伺服閥的流量增益

 

    該式中：K_sv——伺服閥的流量增益，m³/(s·A)；

    q_om——伺服閥的空載流量，m³/s；

    I_n——伺服閥的額定電流，A。

    3.1.2 液壓閥控缸數(shù)學(xué)模型液壓閥控缸的傳遞函數(shù)為

 

    該式中：θ——液壓馬達(dá)負(fù)載的傳遞函數(shù)；

    K_s——增益，m³/S·A；

    ω_h——液壓固有頻率，rad/s；

    ξ_h——阻尼比；

    3.1.3 檢測傳感器的數(shù)學(xué)模型檢測傳感器的數(shù)學(xué)模型為

 

    該式中：U_f——傳感器電壓，V；

    K_fv——傳感器的增益，(V·s)/rad。

    3.1.4 放大器的數(shù)學(xué)模型分放大器的數(shù)學(xué)模型為

 

    該式中：U_e——放大器的額定電壓，V；K_a——放大器的增益，A/V。

    3.2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

    根據(jù)系統(tǒng)的工作原理框圖和已確定的數(shù)學(xué)模型，可得出MATLAB環(huán)境下系統(tǒng)的模型，如圖4所示。

 

圖4 液壓伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

    通過對(duì)液壓伺服控制系統(tǒng)的建模與仿真研究，最終能達(dá)到以下目標(biāo)：

    4.1 通過建立數(shù)學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)，確定已有系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整范圍，從而縮短系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間，提高效率；

    4.2 通過仿真實(shí)驗(yàn)研究各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，確定參數(shù)的最佳匹配，提供實(shí)際設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)；

    4.3 通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，從而確定最佳控制方案和最佳結(jié)構(gòu)。

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