电液伺服控制系统的设计

电液伺服控制系统的设计与仿真

引言

电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。

1 液压系统动态特性研究概述

随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

1.1 液压系统动态特性简述

液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。

液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。

1.2 仿真环境简介

基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它在众多领域得到广泛应用。Simulink借助Matlab的计算功能，可方便地建立各种模型、改变仿真参数，有效解决了仿真技术中的问题。Simulink提供了交互的仿真环境，既可通过下拉菜单进行仿真，也可通过命令进行仿真。虽然Simulink提供了丰富的模块库，但是在Matlab／Simulink下对液压系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现一定的误差。AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件。它是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMESim的特点是面向工程应用从而使其成为汽车、航天和航空等工业研发部门的理想仿真工具。研究人员完全可以用AMESim的各种模型库来设计系统，从而可快速达到建模仿真的最终目标，同时还提供了与Matlab、ADAMS等软件的接口，可方便地与这些软件进行联合仿真。

2 电液伺服控制的现状与发展简介

我国的电液伺服发展水平目前还处在一个发展阶段，虽然在常规电液伺服控制技术方面，我们有了一定的发展。但在电液伺服高端产品及应用技术方面，我们距离国外发达国家的技术水平还有着很大差距。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于一体的综合性技术，要发展国内的电液伺服技术必须要从机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域同步推进。

2.1 测控系统

测量控制系统随着数字控制理论的成熟以及高速DSP技术的发展。全数字化测控系统已经成为今后测量控制系统发展的方向。动态电液伺服全数字测量控制系统，不仅要求硬件运算速度快、运算精度高，同时还要求在软件和数字控制理论方面要有新的突破。这样才能满足电液伺服控制系统响应快速、控制精确、稳定可靠的要求。目前，美国MTS公司的TeststarII全数字控制器，运算频率可以达到5000次/秒，控制特性在传统的PID控制基础上，还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等辅助控制特性。因此数字控制器由于其丰富的运算功能，其控制非常灵活，是模拟控制系统无法比拟的。国内目前技术成熟的全数字动态控制器还没有进入产业化阶段，还需要有一个发展研究的过程。多通道、数字化、多自由度协调技术是电液伺服技术在模拟仿真试验技术发展中的关键技术环节。只有掌握了多通道控制技术、多自由度协调偶合及解偶技术，才能使我们的电液伺服技术向更高的台阶上迈进，才能缩小与国外同行之间的差距。实现这一目标需要有一批高素质的技术队伍，要从软件、硬件、数字控制理论和实践等综合技术方面同步推进。

2.2 液压件

国内液压件的整体水平目前还比较落后，主要采用橡胶密封结构方式，易老化泄漏、体积笨重、集成度低。随着机械精密加工技术的成熟，国外密封大都采用球面和锥面配合密封方式，结构简单，密封性能可靠。今后改善国内液压件结构还需要在工艺性上下功夫，需要一个系统的完善过程。作为电液转换的关键元件“电液伺服阀”，是电液伺服控制技术今后技术提升的关键环节。电液伺服技术行业目前与电液伺服阀生产企业缺少交流和探讨，只能简单的应用其现成产品。从某种意义上这也限制了国内电液伺服技术的发展。今后，需要加强与伺服阀生产企业的合作，共同开发适宜试验机应用的伺服阀产品，全面提升国内电液伺服技术水平。计算机技术的发展和应用，促进了电液伺服技术的提高。正是利用计算机技术才使电液伺服系统在动态仿真模拟试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由度协调控制、计算机仿真解耦技术等技术的应用和发展，使多通道协调加载系统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高，促进了电液伺服系统的广泛应用。可以说电液伺服技术的发展与计算机技术的发展是密切联系在一起的。

3.电液伺服控制系统的模型建立

3.1 建模方法简介

为了研究系统某些特定的运动规律，通常先构建其物理模型，再用数学模型来描述该系统。数学模型是用来描述系统的信息或能量传递规律的数学表达式，将系统输出变量、输入变量和内部有关参变量有机地联系在一起，便于对系统进行分析和研究。

数学模型具体的表达形式多种多样。对于液压系统来说，常用的数学模型是连续的定常集中参数模