数字液压缸的建模分析

数字液压缸的建模分析

文章介绍了数字液压缸的结构设计特点及其基本工作原理，通过对数字液压缸系统各个组成部件的分析，建立系统的传递函数模型，并利用Matlab/Simulink 仿真工具，对数字液压缸系统进行模拟仿真分析。

标签：数字液压缸；传递函数模型；仿真分析

引言

随着计算机技术和电子技术的不断发展，液压技术与计算机技术相结合已经成为新的发展方向。在此背景下数字液压技术应运而生，与传统的电液伺服液压技术相比，数字液压的突出优点是控制技术先进、抗干扰能力强、控制精度高、同步性能优越、响应速度快、对油液的清洁度要求低。数字液压缸是由步进电机、液压滑阀、闭环位置反馈机构设计组合在液压缸内部，接通液压油源，所有的功能直接通过专用数字控制器、计算机或PLC可编程控制器发出的数字脉冲信号来直接控制液压缸的位置、速度和方向，以实现终点目标控制。

1 数字液压缸的结构及工作原理

如图1原理图所示，步进电机接收到脉冲信号，其输出轴旋转一定的角度，旋转运动通过平键、平面推力轴承带动阀芯旋转，阀芯的左端为外螺纹，外螺纹与固定在缸上的固定螺母相互配合，固定螺母位置固定，在旋转作用下阀芯发生轴向移动，此时阀口打开，高压油经液压滑阀进入液压缸后腔，后腔压力增加，空心活塞杆向左移动，前腔的液压油经液压滑阀流回油箱，空心活塞杆向左运动时，带动固定在空心活塞杆上的丝杠螺母一起向左运动，滚珠丝杆在轴向上不移动，滚珠丝杠发生与步进电机旋向相反的旋转运动，丝杠的右端与阀芯左端外螺纹连接，使阀芯左端的外螺纹反向旋转，在固定螺母的作用下阀芯向右移动，阀芯复位，阀口关闭，一个步进过程结束。液压缸的行程与步进电机的输入脉冲数成正比，运动方向由步进电机的旋转方向控制，而其运动速度与输入脉冲的频率成比例。因此可将复杂的液压伺服闭环控制变为简单的步进电机开环控制[1]。

2 数字液压缸的传递函数模型

数字缸的建模分析通常采用传统机液伺服系统的线性化传递函数模型，经过分析，忽略掉一些次要因素的影响，确立静态数学模型[2]。（如图2所示）

3 数字液压缸仿真分析

根据建立的数字液压缸系统传递函数数学模型，在MATLAB/Simulink环境中进行仿真分析[5]。（如表1所示）

表1 主要仿真参数

将参数代入传递函数中，并用MATLAB进行仿真，可以得到该数字液压缸系统的伯德图，如图3所示。

由仿真结果可得，系统在频率为36.8rad/s处，曲线实现穿越，则相位穿越频率为36.8rad/s，与此对应的幅值裕度为20dB，幅频特性曲线在频率32.2rad/s 时实现穿越，与此对应的相位裕量为72°，由此可见，本系统稳定，且系统的幅值裕度和相位裕度的取值均达到稳定要求。

在额定负载下，给系统输入振幅为3mm的正阶跃信号和Z=3sin4πt的正弦信号，系统响应曲线如图4，5所示。

由仿真曲线可看出，由于此数字缸为单出杆非对称结构、活塞本身质量及摩擦力还有负载干扰，存在一定的稳态误差，但影响幅度并不明显。活塞杆的输出位移基本能够跟踪输入的阶跃信号和正弦信号，系统响应精度及系统调节时间上都比较理想，达到系统动态性能的要求。

4 结束语

根据数字缸的结构及工作原理构建系统的传递函数模型，并利用Matlab/Simulink对系统进行仿真，由仿真结果可得该系统稳定，系统总体性能满足设计要求，为数字液压缸的进一步研究提供了理论依据，具有重要参考价值。

參考文献

[1]邢继峰.一种新型数字液压缸的研究[J].机床与液压，2005，8.

[2]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3]王春行.液压控制系统[M].机械工业出版社，1999.

[4]刘海昌，吴张永，袁子荣，等.滑阀式电液步进缸的精度分析[J].重庆工学院学报，2003（3）：26-28.

[5]王正林，王胜开，陈国顺，等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

潘越（1972-），男，河北邯郸，河北工程大学副教授，博士学历，研究方向：大型设备故障诊断、煤矿机电设备研究。