系统建模与仿真论文

系统建模与仿真 结业论文

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二0—四年九月

电液位置伺服控制系统仿真

摘要：运用系统建模与仿真技术，在 Simulink 的环境下对电液位置伺服控制系统进行数学建

模，以PID 控制器作为控制模块，通过设置合理的参数，对所建立的电液位置伺服控制系统 数学模型进行仿

真研究，得出仿真曲线，结合 Matlab/simulink 仿真模型，从而使系统稳定和

满足系统精度要求。

关键词：系统建模与仿真电液位置伺服阀 PID Simuli nk

机械自动化学院 机械工程

1. 电液位置伺服阀简介

当前的液压伺服控制技术已经能将自动控制技术、液压技术与微电子有机的结合起

来控制工程网版权所有，形成新一代的伺服阀产品。而随着电子设备、控制策略、软件及材

料等方面的发展与进步，电液控制技术及伺服阀产品将在机、电、液一体化获得长足的进步。

电液伺服系统电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力（或力矩）控制系统。电液伺服阀主要用于电液伺服自动控制系统，其作用是将小功率的电信号转换为大功率的液压

输出，通过液压执行机构来实现机械设备的自动化控制• YJ型电液伺服阀，结构上采用永磁

动圈式力马达作为电器与机械转换，前置放大及功率均采用滑阀式结构，根据用途的不同而

有不同的阀口形式•如电炉型，伺服型，分流型等.主油路可使用矿物油及水基液压液为介质•该阀结构简单紧凑，抗污染强，可靠性好，适用于冶金设备的多尘和高温环境• YJ74,86L型电液伺服阀主要用于冶金电弧炼钢炉，电渣炉，铁合金炉，有色金属矿热炉及化工电石炉等的电极升降自动调节系统.YJ74,86S,F 型可同用于柱塞缸或差动油缸为执行机构的伺服控制和同步控制系统。

1.1液压控制系统的原理

液压控制系统的原理图如图 3.1所示。从液压原理图可以看出，系统的液压油源是由

液压泵、溢流阀、卸荷阀及精过滤器等组成。液压泵采用双联泵3，双联泵3由电机1驱动,

油泵出来的压力油经精过滤器8到电液伺服阀9。系统的压力由溢流阀6.1设定，系统压力

由压力计7.1指示。当系统的压力达到卸荷阀5的控制压力（大约低于溢流阀6.1的调定压力3 bar）时，卸荷阀5接通油路，双联泵3的第一级泵泵出的油仅克服大气压力回到油箱。如果系统的油压下降（比溢流阀 6.1的调定压力大约低5 bar时），卸荷阀5关闭，双联泵

的第一级又自动的恢复向系统供油。电液伺服阀9根据输入信号的大小来控制工作工作油缸

11的动作。伺服阀输出油口前装有一对液控单向阀10，万一系统压力意外失落，两个单向

阀关闭油缸进出口油路，液压缸的活塞被油液锁住，与之连接的输出轴会原位不动，可以防止系统的误动作。

在电机1关闭时，该系统能用手动泵17人工泵油以驱动油缸动作，其动作方向由操作三位四通手动换向阀16确定。

蓄能器12始终处在泵3维持的油压作用下，假如两位四通液控换向阀15处在“0”位, 所有油口被堵死。两位三通电磁换向阀14安装在推动两位四通换向阀15阀芯换位的管路上，在两位三通电磁换向阀14的初始状态（即阀14电磁铁失电），阀15的阀芯会在油压的作用下移至“ A”位，这时可操作手动换向阀16,使之移至“ A”位或“ B”位，则蓄能器释放

储存的压力使工作油缸正向或反向动作，此时若将手动换向阀16置“O”位，也可通过输入

信号的给伺服阀线圈来控制油缸的动作。

当两位三通方向阀14得电时，阀15的阀芯在油压力作用下保持在“O'位，油口关闭,

压力油不能通过，操作手动换向阀不起作用，蓄能器也不起作用，此时只能通过电信号控制

伺服阀来实现油缸的动作。

图3.1 液压系统原理图

1电机2油箱3双联油泵4.1、4.2、4.3单向阀5两位两通卸荷阀6.1 6.2 溢流阀7.1、

7.2压力表8精过滤器9电液伺服阀10双向液控单向阀11油缸12蓄能器13.1、13.2 截止阀14两位三通换向阀15两位两通液控换向阀16三位四通手动换向阀17手动泵

2. 仿真软件

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析

的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿

真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或

两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的

采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了

的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

3. 数学模型和仿真模型

3.1电液控制系统的传递函数

数字化角位移伺服控制装置包括伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、位置传感器等部 件。利用传递函数分析方法建立各个部件的数学模型， 最终得到整个系统的数学模型，

为系

统仿真模型的建立和仿真结果的分析奠定基础。

（1）液压缸的传递函数

在全数字一体化角位移控制系统中，系统采用的是两个液压缸驱动，两个液压缸的联 接型式及驱动传动轴原理如图

3.2所示：

在图3.2中，两个液压缸均为非对称液压缸，当只考虑流量特性时，两个液压缸可以

等效成一个对称缸。液压缸的输入信号是电液伺服阀的阀芯输出位移 X/，输出信号为液压缸

的位移X P 。一般情况下，必须考虑液压缸的压缩性和泄漏， 而弹性负载很小则可以忽略，

得

到液压缸的传递函数，如下所示：

其中:

K ce = Kc

C ip

式中:

X p

K q Y K ce ,

V t

A c2(4et

S 1)F

L

S

叵红s 1)

■'h "h

(3.1)

4：

e A c 2

V t m

t

鳥，g =2m i p mcv m/

液压固有频率

V t

压力腔的容积

K ce

e

e t __

V t 4A c

B P