比例阀控制非对称液压缸系统的非线性建模与仿真

１ ３年 第 ４期
本 文 以 电液位 置 控 制 系统 为 研 究 对 象 ， 首 先建 立
在式（ １ ）～ 式（ ３ ） 中， 消去 中 间变 量 Ｑ 和Ｑ ， 以 阀 芯位移 为输 入 ， 以两腔 压力 Ｐ 。 、 Ｐ 以及 活塞杆 的位 移 Ｙ和速度 Ｙ为状 态变量 ， 在 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ中编 辑 Ｓ － Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ 便 可得 到 阀芯正 向移动 时 的阀控缸 模型 。 同样 阀芯 负 向移动 的模 型可 根据式 （ ４ ）～式 （ ６ ） 得到， 两 者 可通 过
控 非对 称缸 整个 闭环 系统 的仿 真分 析 ， 为 系统 的设计 提供 指 导 。 关键 词 ： 比例 阀 ； 非对 称缸 ； 非 线性模 型 ： 仿 真 中 图分类 号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７ 文 献标 志码 ： Ｂ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ４ ８ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ ０ ２ ５ － ０ ５ 引言
称会 不会 超 出额 定流 量 ， 这 些疑 问都 使 考查 系统的 中间状 态显得 非 常重要 。 签 于此 ， 该 文建 立 了阀控 非 对称 缸 的非 线性微 分 方程 模型 ， 同时在 Ａ ＭＥ Ｓ ｉ ｍ 液 压仿 真软 件 中建 立 了相 同的模 型 以进 行 对 比验 证 ， 最后 进行 阀
差 分析 ， 很难 把握 系统 的 中间状 态（ 如 液压缸 两腔压 力和 流 量的 变化 ） 。 而直接 以物理 微 分 方程 建 立起 的 阀 控缸 非 线性模 型 可 方便 地 进行 数值 仿 真分 析 ， 从 而 对 系统 的 中间状 态有 直接认 识 。 当采 用 对称 阀控 制 非对
的开 环和 闭环 传递 函数 。这 种方 法对 分 析 系统 的稳定 性 和稳 态 误差 非常 有效 ， 但 对一 些 中间变 量 ， 如液 压缸
两缸压 力 、 流量 的变化难 以把握 。另 外 ， 当采用 对 称 阀 控制 非对 称缸 时 ， 其 负载 压 力 和 负 载 流 量 的 定 义 又存 在较 多 的差 异 ＿ ２ Ｊ ， 不 利 于传 递 函数 的求 取 。此 外 ， 由 于非对 称 液压 缸两 腔 作 用 面积 不 等 ， 故 阀 芯在 方 向切 换 时会 使 两腔 压力 产 生 突 变 ， 压 力 的突 变会 不会 产 生
电液 比例控 制 系统 一 般 由 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 、 功 率 放 大 器、 电液 比例方 向 阀 、 液压 泵 、 液压缸、 负载、 传 感 器 等 组成 ， 图１ 所示 为 典型 的 电液 比例位 置控 制 系统 ¨ ］ ， 它
可 用于 车辆 的助 力转 向 、 后轮 主动 转 向及 油气悬 架 。
ＺＨＥＮＧ Ｋａ ｉ — ｆ ｅ ｎｇ，ＣＨＥＮ Ｓ ｉ — ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ
（ 北京理工 大学 机械 与车辆学院 ， 北京
１ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘 要 ： 电液 比例 阀控 制 液压 缸 组成 的 闭环 系统 多以传 递 函数 的形 式进 行 系统 的稳 定性 分 析 和稳 态误
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ — １ ７
作 者简介 ： 郑 凯锋 （ １ ９ ８ ３ 一） ， 男， 陕西 宝鸡 人 ， 博 士生 ， 主 要 从 事 车 辆 主 动 转 向研 究 工作 。
图 中位 置控 制 系统采 用 定量 泵和 溢流 阀组 成定 压 供 油单 元 ， 位移传 感 器 检 测 出 活塞 杆 的实 际位 移 并 将
图１ 电 液 比例 位 置 控 制 系统
气蚀 或超 压 ， 而流 量 的变化 是不 是在 额 定范 围 内 ， 都不 能 以传递 函数 的形 式 表 现 出来 。相 反 ， 以阀 控 非对 称
液压 缸 的非线 性微 分方 程模 型及 其 数值 仿真 分析 可 以 得到 两腔 压力 和流 量 变 化 时 域 特 性 叫Ｊ ， 从 而更 全 面 地把 握整 个 系统 的 响应特性 。
的进 出油 量 ， 进而 实现 对活 塞杆 的位 移控 制 。 针对 上述 的闭环 控 制 系 统 ， 可 以通 过 引 人 负 载压 力和 负载 流量 ， 将 流量 方 程 进 行 适 当简 化并 作 线 性 化 处理 得 到 阀控 缸 的传 递 函数模 型 ， 进 而 得 出 整个 系统
２ ０ １ ３年 第 ４期
液 压 与 气动
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比例 阀 控 制 非 对 称 液 压 缸 系 统 的 非 线 性 建 模 与 仿 真
郑 凯 锋 ，陈 思 忠
Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ — ｌ ｏ ｏ ｐ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｖａ ｌ ｖ ｅ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ Ａｓ ｙ ｍｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｈｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ
其 转换 成 电压信 号 ， 与 给 定 的 预 期 位移 电压 信 号 比较
得 出偏 差量 ， Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 器便 根 据 此 偏 差 量 得 出控 制 电
压值 ， 功率 放大 器则 将 得 到 的控 制 电压 放 大 并 以 电流
形式 输 出用 于驱 动 比例 电磁 铁 ， 比例 电磁 铁 得 电后 产 生 一定 的输 出力 推 动 阀 芯移 动 ， 从 而调 节 液 压 缸 两 腔
称缸 时 ， 因液压缸 两腔 的作 用面积 不 等 ， 使 活塞在 方向切 换 时导致 液 压缸 两腔 压 力 的 突 变 ， 同 时流 量在 两 个
运 动方 向上 的不 对称 也会 引起 活 塞杆位 移 和速度 的不一 致 ， 压 力的 突 变会 不会 产 生超 压或 气蚀 ， 流 量的 不对