阀控非对称缸液压伺服系统
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对称阀控制非对称缸电液伺服系统建模分析
尸） 臼
— —
，
“
无 杆 腔活 塞有 效作 用 面 积 ， 有杆 腔活 塞有 效 作用 面 积 ，
ｍ
— —
式 （ ． ）所描 述 的伺 服 阀负 载流 量特 １１ ２ 性 是 非线 性 的 。 系统 进行 动态 分析 时 ， 对 必 须 将 这个 方程 线性 化 。 经过 线 性化 处理 后 的 负载 流量 特 性方 程为
出发 ，忽略 粘性力 和弹 性力 的影 响 ， 各级 对 传 递 函数进 行简 化 ， 整合 出对 称 阀控制 非对 称液 缸 电液伺服 系统 的传 递 函 。
ｌ 液 压 动 力 机 构
１ １伺服 阀的负载流量方程 ． 如 图 １所 示 为对 称 四通 阀控制 非对 称 液压 缸原 理示 意 图。假 定 ：
（ ．） １９
（ ．０ １１ ）
，
， ， 出的流量 ｑ 为 从 液 缸 同汕 腔流 Ｕ Ｖ ，
记 伺 服 阀 的负载 流量 为 ｑ ，则有 【 ， ３
ｑ￡＝ ｑ １ （ ．１ １１ ）
Ｊ Ｃ
４ ～ 一 － Ｃ ｐ）Ｃ
． ‘ ４ ・
ห้องสมุดไป่ตู้ｐ
式 中 ： Ｃ — — 液 缸 内 泄 露 系 数 ，
ｑ＝ ｄｘ／Ｐ ２ ＣＷ １ ２ 三 Ｖ
（２ １） ・
式 Ｌ ： ｑ — — 汕缸 尢 杆腔 流量 ， ｍ ｓ ｝ ｊ ｑ — — 油缸 有 杆腔 流量 ， Ｓ Ｃ —流 量 系 数 ，无量 纲 — 节流 阀 口面 积梯 度 ， ｍ ｘ 电液 伺 服 阀 阀芯 位 移 ， ｍ ｐ—— ． 度 ， ｋ ｍ 油密 ｇ Ｐ — — 汕源 压 力 ， 尸 Ｐ — — 油缸 尢 杆腔 力 ． Ｐａ Ｐ — — 油 缸有 杆腔 压 力 ， Ｐａ 根据 流 量 的连 续性 ， 呵写 山每个 液 缸 ｌ 作腔 的流 量方 程 ， 即 流 入液 缸 进 油腔 的流 量 ｇ 为 ＋ ：＋ ｃ（ ）ｃ ． （・ ３
四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法分析
四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法分析
冯占祥
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2024(60)1
【摘要】非对称液压缸的左右两腔有效面积不同,导致其动态特性和控制策略相较于对称液压缸更为复杂,提出四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法。
建立四通阀控非对称液压缸的数学模型作为被控对象,设计一个微分前馈控制器应用于伺服系统,根据输入指令和反馈信号实时调整四通阀的开度,实现对非对称液压缸的控制。
实验结果表明,设计方法下阀控非对称缸伺服系统跟随响应曲线的滞后时间为0.024 s,幅值衰减5%,在伺服系统控制要求的允许范围内。
【总页数】3页(P185-187)
【作者】冯占祥
【作者单位】张家口宣化华泰矿冶机械有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究
2.基于非对称阀控非对称液压缸的前馈干扰补偿器设计
3.基于对称四通阀控非对称液压缸的电液比例位置控制系统建模与仿真
4.四通阀控非对称液压缸伺服系统的动态特性
5.四通阀控非对称液压缸系统控制器优化设计
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液压矫直机阀控缸伺服系统的研究
第 ３ 第 ３期 ３卷
朱
平， ： 等 液压矫 直机 阀控缸 伺 服系统 的研究
１５ ９
个 控制 边是 非 对称 匹 配 的 ， 供油 压 力 Ｐ 恒 定 ， 回油
压 力 Ｐ 近 似为 ０ 如 图 １ 。 ． 所示 ， 当 ＞０ ， 压缸 正 时 液
向运 动 ， Ｙ＞０ 根据力 平源自 方程 ： 即 ， 小 、 护方 便 等 优 势 ， 在 被 广 泛 推 广 。理 论 和 实 维 正 践证 明沿用 对 称 缸 的理 论来 分 析 非对 称 阀控 制 非 对称缸 会产 生功 率不 匹配 的现象 ， 以采用 非 对称 所
） ＇
阀控非 对 称 缸 的方 法解 决 此 问题 。因 此本 文 在 分
文章编 号 ：６ ３— ０ ７ ２ １ ） ３— １ ４— ４ １ ７ ２ ５ （０ ２ ０ ０ ９ ０
液 压 矫 直 机 阀 控 缸 伺 服 系 统 的研 究
朱 平 王 恒 亮 ， 贺永。王 晶 ， 韩 ，
（． 州首黔 资源开发 有 限公 司， 州 六盘 水 ５３２ ；． １贵 贵 ５５５ ２ 大连 大重机 电安 装 工程 有 限公 司 ，
至液压 缸 的位 移误 差达 到控制允 许精 度范 围 内。
收 稿 日期 ： １－１ ９ ２ ２０ － ０ ． ０
本 系统使 用 的是 非 对 称零 开 口四边 滑 阀 ， ４ 即
基金 项 目： ３计划前期研究专项（ ０ １ Ｂ １２４ ， ９ ７ ２ １ Ｃ ６２ ０ ） 国家 自然基金项 目（ １０ ２ ４ ５ １４０ ） ５ １５ ６ ，１０ １４ 作者 简介 ： 朱平 （９ ８一） 男 ， １６ ， 工程 师 ， 主要研究方向为设备管理 。
在全 液 压矫 直 机 中应 用 对 称 阀控 制 对 称 缸 的
非对称缸电液伺服系统分析和设计
12
有杆腔：
哈工大电液所 IEST Lihr@
15
15
10 p 1'
10
p1
P1(MPa)
5
P2(MPa)
P2' 5 P2 0
0
-5 -2
-1
0
1 F2
-1
0
1 FL(N)
2
液压缸无杆腔的压力变化(m≠n)
3 4 x 10
液压缸有杆腔的压力变化(m≠n)
PS
防气蚀装置原理图
哈工大电液所 IEST Lihr@
9
2.4非对称阀控制非对称缸的压力特性 为了从根本上改善液压系统压力特性，建议采用非对称阀控制非对称缸 2.4.1阀与缸完全匹配的情况 阀的节流窗口面积梯度比与缸的面积比相等(m=n)，这时两腔压力为
nps FL / A1 p1 p 1 n
p1气蚀条件 p1超压条件
n3 （ p1限制条件） 2 Ps A1 FL Ps A1 m m2 (1 n 2 ) Ps A1 FL Ps A1 （p2限制条件） n p 超压条件 p 气蚀条件
2 2
（活塞杆伸出）时， 当 xv 0 负载 FL 的变化范围限制在
p1' 气蚀条件 p1' 超压条件
C wx Q v 1 d 1 v A1 A1 C wx ( Ps P1 ) d 1 v A1 2 2m 2 ( Ps PL ) 3 2 (n m )
当活塞杆缩回(Xv <0)，
Q1 C d w1 x v v A1 A1
C wx P1 d 1 v A1 2
哈工大电液所 IEST Lihr@
16
以对称阀控制非对称缸为例，其压力特性如图所示
有杆腔：
哈工大电液所 IEST Lihr@
15
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10 p 1'
10
p1
P1(MPa)
5
P2(MPa)
P2' 5 P2 0
0
-5 -2
-1
0
1 F2
-1
0
1 FL(N)
2
液压缸无杆腔的压力变化(m≠n)
3 4 x 10
液压缸有杆腔的压力变化(m≠n)
PS
防气蚀装置原理图
哈工大电液所 IEST Lihr@
9
2.4非对称阀控制非对称缸的压力特性 为了从根本上改善液压系统压力特性，建议采用非对称阀控制非对称缸 2.4.1阀与缸完全匹配的情况 阀的节流窗口面积梯度比与缸的面积比相等(m=n)，这时两腔压力为
nps FL / A1 p1 p 1 n
p1气蚀条件 p1超压条件
n3 （ p1限制条件） 2 Ps A1 FL Ps A1 m m2 (1 n 2 ) Ps A1 FL Ps A1 （p2限制条件） n p 超压条件 p 气蚀条件
2 2
（活塞杆伸出）时， 当 xv 0 负载 FL 的变化范围限制在
p1' 气蚀条件 p1' 超压条件
C wx Q v 1 d 1 v A1 A1 C wx ( Ps P1 ) d 1 v A1 2 2m 2 ( Ps PL ) 3 2 (n m )
当活塞杆缩回(Xv <0)，
Q1 C d w1 x v v A1 A1
C wx P1 d 1 v A1 2
哈工大电液所 IEST Lihr@
16
以对称阀控制非对称缸为例，其压力特性如图所示
对称四通阀控非对称液压缸系统的建模与仿真
ｌ Ｐ ｓ － Ｐ Ｌ
２ ０１ ５ ． ０ ９建设机械技术与管理 ８ ７
个节 流窗 口是 匹配 和对 称 的，供 油压 力 恒定 ，回油压 力 为零 。则可 建立 阀的线性 化流量方程 为 ［ ４ ］ ：
ｑ Ｌ ＝Ｋｑ ｘ 一 Ｋ ￡ （ ５ ）
一
ｑ ｌ ＋ ｑ ２
ｇ ｌ ＋ｇ ２
在式 （ ７ ）和 （ ８ ） 中，外 泄 露 流 量 Ｃ ｅ ｐ Ｐ 和Ｃ ：
通 常 很小 ，可 以忽 略 妞果 压 缩 流 量 和
吼
一
（ ６ ） － ２ ｖ 亟 相 等 ｑ ｄ ｔ … 一 ｌ ＝２ ｕ ｑ ２。 。
以滑 阀为研 究 对 象 ，假 定 阀与液 压 缸 的连 接 管道
对 非对 称 液 压 缸 的分 析，建 立 了对 称 四通 阀控 制非对
Ｐ 一Ｐ
（ ３ ）
由式 （ １ ）～（ ３ ）可得 ：
Ｐ ， ＋ ２ ￣ Ｐ Ｌ
（ ４ ）
称 液压 缸的数 学模 型 ，利用 ＭＡＴ Ｌ ＡＢ中的 Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 工具包 建 立了系 统的仿真模 型 ，并结合 实际例子对其 动 态特性 进 行 了仿真分析 。
—
— －
：
２（ ］ ￣ Ｐ １ ） ＝
＇
Ｓ
（ ２ ）
ｐ Ｓ
Ｐｏ
式中 ： Ｃ ｄ一 流量 系数 ； Ｗ一 阀的面积梯度 ／ ｍ； Ｐ 油液密度 ／ （ ｋ ｇ ／ ｍ １ 。 定义负载压 力 Ｐ Ｌ 为：
＝
图１ 对称 液 压 缸也 称为 单杆 活塞 缸 ，与对 称 液压 缸
豳长安大学 道路施 工技术与装备教 育部重点实验 室 刘 航／ Ｌ Ｉ Ｕ Ｈａ ｎ ｇ 谢 东／ ＸＩ Ｅ Ｄ ｏ ｎ ｇ 赵 ’ ￣／ Ｚ ＨＡ Ｏ Ｗｕ
对称四通阀控非对称液压缸动态分析
Ｑ。 ２
２ ２ 建立 系统 方程 ．
参数见 图 ２ 。
建模和仿真。在仿真计算过程中 ， 考虑输入量及干
扰量的存在 ，输出结果 能直观反应 出干扰量 的影 响。本文根据某 ２０ｔ ０ 平板车实际数据 ，对系统 的
某些参数进行修正 ，实现转 向系统 比较理想 的控制
结果 。
图 ２ 对 称 四通 阀控 非对 称液压缸
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对 称 四 通 阀控 非 对 称 液 压 缸 动 态 分 析
大 连理 工 大 学
摘
史显 忠
屈福 政
要 ：转 向系统是大型平板车行驶 的核 心部件 。对 由对称 阀控非 对称 液压缸 组成 的转 向系 统 的动态特 性
进行研究 ， 应用 Ｍ ｔｂ ａａ 所提供 的 Ｓ ｕｎ 进行建模 、仿真 ， ｌ ｉ ｌｋ ｍｉ 为转 向系统设计 提供 参考 。
Ｑ Ｃｌ／ 。 ｄＸ ： Ｏｖ ）， ＼
’
一
（ １ ）
６７ —
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３２ 建立仿真程序 ，得 出仿真结果 ．
根 据 系统动 态方 程及 方块 图 ，确定 以阀芯 位 移
ｇ 要 ＜ 曝 阻尼系数、弹簧刚度 以及外负载等。
上系统压力曲线和液压缸位移曲线 。通过调整系统 的阻尼 ，可以得出以下结论 ：在 阶跃信号输人 的前 ０６Ｓ ． 内，由于伺 服阀芯 的瞬态滑移 ，液压缸 的运 动参数 变化较 大 ，０６Ｓ ． 之后 ，曲线趋 于平稳 ，此
时 ，系统 处 于稳定 工 况 。阻 尼越 大 ，振 荡越 小 ，超
（）滑 阀响应 为 理想 状 态 ，阀 的 ４个 节 流 口匹 １
配对 称 ；
（）节流 口流动状态为紊流 ； ２ （）供油压力 Ｐ 为恒定 （ ３ 恒压 ） ； （）温度和密度均为常数 ； ４ （）不考虑管路 的动态影响和沿程损失 ； ５ （）不考 虑 液压 缸 内泄 漏情 况 … ６ １。 设 ２Ａ ＝凡 ／ １ ，负载压力 Ｐ ＝ １ ｐ ，＂ １ Ｌ Ｐ 一ｎ２ Ｑ ＝
２ ２ 建立 系统 方程 ．
参数见 图 ２ 。
建模和仿真。在仿真计算过程中 ， 考虑输入量及干
扰量的存在 ，输出结果 能直观反应 出干扰量 的影 响。本文根据某 ２０ｔ ０ 平板车实际数据 ，对系统 的
某些参数进行修正 ，实现转 向系统 比较理想 的控制
结果 。
图 ２ 对 称 四通 阀控 非对 称液压缸
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对 称 四 通 阀控 非 对 称 液 压 缸 动 态 分 析
大 连理 工 大 学
摘
史显 忠
屈福 政
要 ：转 向系统是大型平板车行驶 的核 心部件 。对 由对称 阀控非 对称 液压缸 组成 的转 向系 统 的动态特 性
进行研究 ， 应用 Ｍ ｔｂ ａａ 所提供 的 Ｓ ｕｎ 进行建模 、仿真 ， ｌ ｉ ｌｋ ｍｉ 为转 向系统设计 提供 参考 。
Ｑ Ｃｌ／ 。 ｄＸ ： Ｏｖ ）， ＼
’
一
（ １ ）
６７ —
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３２ 建立仿真程序 ，得 出仿真结果 ．
根 据 系统动 态方 程及 方块 图 ，确定 以阀芯 位 移
ｇ 要 ＜ 曝 阻尼系数、弹簧刚度 以及外负载等。
上系统压力曲线和液压缸位移曲线 。通过调整系统 的阻尼 ，可以得出以下结论 ：在 阶跃信号输人 的前 ０６Ｓ ． 内，由于伺 服阀芯 的瞬态滑移 ，液压缸 的运 动参数 变化较 大 ，０６Ｓ ． 之后 ，曲线趋 于平稳 ，此
时 ，系统 处 于稳定 工 况 。阻 尼越 大 ，振 荡越 小 ，超
（）滑 阀响应 为 理想 状 态 ，阀 的 ４个 节 流 口匹 １
配对 称 ；
（）节流 口流动状态为紊流 ； ２ （）供油压力 Ｐ 为恒定 （ ３ 恒压 ） ； （）温度和密度均为常数 ； ４ （）不考虑管路 的动态影响和沿程损失 ； ５ （）不考 虑 液压 缸 内泄 漏情 况 … ６ １。 设 ２Ａ ＝凡 ／ １ ，负载压力 Ｐ ＝ １ ｐ ，＂ １ Ｌ Ｐ 一ｎ２ Ｑ ＝
阀控非对称缸电液伺服系统线性自抗扰控制
机器人手臂［45］等工业控制领域得到广泛的应用O 由于黏性阻尼、载荷刚度、控制流体体积的变化、阀 的物理特性、油液弹性模量和油温变化引起的系统 参数不确定性，摩擦、有效负荷等外部扰动的不确 定性，特别是液压缸结构非对称性所导致的正、负 行程开环增益和动态特性存在明显差异，建立的控 制器的动态性能难以满足高性能控制要求。提高 复杂工况下控制系统的抗扰能力，实现电液伺服系 统的高精度、快响应一直是工程控制所追求的 目标。
问题，本文提出了一种电液伺服系统线性自抗扰控制方法，利用线性扩张状态观测器实现综合扰动的实
时估计，并采用状态误差反馈控制律给予主动补偿，同时消除跟踪误差。证明了设计的线性扩张状态观
测器状态观测误差的收敛性。根据工程实际中的参数进行仿真研究，其结果表明这种控制方法能有效
抑制电液伺服系统中不确定性扰动，与PIT控制器相比具有较强的鲁棒性，并提高了位置跟踪精度。
181
匹配线性未知参数与非线性未知参数之间的耦合
问题，仿真 了该方法的有。方
[14]针
对电液位 服 存在的非线性、参数
问题，给出了 [15]为
自适应动态面控 设计方法O
电液控
中非线性不
数
的 ，提出了 滑模自适应控制方
，通过构建 的Lyapncov函数,设计了
自
适应控，给出了参数自适应律, 控 能oGDOURAEK等〔心 电液
收稿日期：201852-55 基金项目：山西省煤机重点科技攻关项目(MJ2014-02) 作者简介:金坤善(1778 -)，男，博士研究生,主要研究方向为锻压设备及其先进控制技术;通信作者:宋建丽教授,E-maU：
sovgjianC@ bistu. edn. cn.
第44卷第3期
金坤善，等:阀控非对称缸电液伺服系统线性自抗扰控制
问题，本文提出了一种电液伺服系统线性自抗扰控制方法，利用线性扩张状态观测器实现综合扰动的实
时估计，并采用状态误差反馈控制律给予主动补偿，同时消除跟踪误差。证明了设计的线性扩张状态观
测器状态观测误差的收敛性。根据工程实际中的参数进行仿真研究，其结果表明这种控制方法能有效
抑制电液伺服系统中不确定性扰动，与PIT控制器相比具有较强的鲁棒性，并提高了位置跟踪精度。
181
匹配线性未知参数与非线性未知参数之间的耦合
问题，仿真 了该方法的有。方
[14]针
对电液位 服 存在的非线性、参数
问题，给出了 [15]为
自适应动态面控 设计方法O
电液控
中非线性不
数
的 ，提出了 滑模自适应控制方
，通过构建 的Lyapncov函数,设计了
自
适应控，给出了参数自适应律, 控 能oGDOURAEK等〔心 电液
收稿日期：201852-55 基金项目：山西省煤机重点科技攻关项目(MJ2014-02) 作者简介:金坤善(1778 -)，男，博士研究生,主要研究方向为锻压设备及其先进控制技术;通信作者:宋建丽教授,E-maU：
sovgjianC@ bistu. edn. cn.
第44卷第3期
金坤善，等:阀控非对称缸电液伺服系统线性自抗扰控制
基于对称四通阀控非对称液压缸的电液比例位置控制系统建模与仿真
力机构的 pL 和 Q L 可引用非对称情形下的定 义, 阀控 对称液压缸是阀控非对称液压缸的一种特例。文中定
义的 pL 和 Q L 对非对称和对称动力机构均适 用, 具有 普遍意义。
1 2 2 液压缸负载流量方程的推导
( 1) 比例阀的流量方程
如图 2所示, 假设回 油压力 p0 = 0, 则比例 阀左 右两腔的流量方程为
1 电液比例位置控制系统的数学模型 电液比例位置 控制系 统由控 制器、比 例放 大器、
比例方向阀、液压缸、负载以及位移传感器组成, 如 图 1所示。
图 1 电液比例位置控制系统组成示意图
1 1 比例放大器和比例方向阀数学模型的简化 由于在系统工作频率范围内起主导作用的是阀控
缸动力机构环节, 其固有频率一般是系统中的最低转 折频率, 而比例方向节流阀的转折频率由比例阀本身 的特性决定, 其转折频率往往远远高于阀控液压缸的 转折频率。
96
机床与液压
第 37卷
动 (即 y > 0) 的情形 为例 进行分 析建模, 活塞负 向 运动的情形可依此类推。
1 2 1 pL 和 Q L 的重新定义 负载压力 pL 和负载流量 QL 是液压动力机 构特性
研究和系统优化设计的基础。目前对阀控非对称液压
缸的 pL 和 QL 的定义通常采用 2种形式: 一种 是沿用 对称情况下的定 义, pL = p1 - p2, QL = (Q 1 + Q2 ) /2; 另一种定义是 pL = p1 - p2, QL = (Q 1 + Q 2 ) / 2, 其中
力系数,
kc =
1 2
∀xv
pp - pL。
pp - pL;
kc 为 流量 压
1 2 3 阀控缸机构的基本方程
义的 pL 和 Q L 对非对称和对称动力机构均适 用, 具有 普遍意义。
1 2 2 液压缸负载流量方程的推导
( 1) 比例阀的流量方程
如图 2所示, 假设回 油压力 p0 = 0, 则比例 阀左 右两腔的流量方程为
1 电液比例位置控制系统的数学模型 电液比例位置 控制系 统由控 制器、比 例放 大器、
比例方向阀、液压缸、负载以及位移传感器组成, 如 图 1所示。
图 1 电液比例位置控制系统组成示意图
1 1 比例放大器和比例方向阀数学模型的简化 由于在系统工作频率范围内起主导作用的是阀控
缸动力机构环节, 其固有频率一般是系统中的最低转 折频率, 而比例方向节流阀的转折频率由比例阀本身 的特性决定, 其转折频率往往远远高于阀控液压缸的 转折频率。
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机床与液压
第 37卷
动 (即 y > 0) 的情形 为例 进行分 析建模, 活塞负 向 运动的情形可依此类推。
1 2 1 pL 和 Q L 的重新定义 负载压力 pL 和负载流量 QL 是液压动力机 构特性
研究和系统优化设计的基础。目前对阀控非对称液压
缸的 pL 和 QL 的定义通常采用 2种形式: 一种 是沿用 对称情况下的定 义, pL = p1 - p2, QL = (Q 1 + Q2 ) /2; 另一种定义是 pL = p1 - p2, QL = (Q 1 + Q 2 ) / 2, 其中
力系数,
kc =
1 2
∀xv
pp - pL。
pp - pL;
kc 为 流量 压
1 2 3 阀控缸机构的基本方程
阀控非对称缸位置系统的非线性建模
和 回油压 力 ； 、 Ｐ１ Ｐ２与 Ｑ１ Ｑ２分 别 为 无 杆 腔 与有 、 杆 腔 的压力 和 流量 ； 与 Ａ２ 别 为无 杆 腔 和有 杆 Ａ】 分 腔 的活 塞有 效 面 积 ； 为 伺 服 阀 阀 芯位 移 ； ｚ Ｙ为 液
式 中 ： 一Ｖｄ ／ ｖ为液 压 弹 性模 量 ， ｍ２ Ｖ 为 ＝ ｐｄ Ｎ／ ； 液压 缸腔 总容 积 ， ； 为 无 杆 腔 容 积 ， ； ｍ３ Ｖ１ ｍ３ Ｖ２为 有杆 腔容 积 ， ； ｉ 内泄 流量 ， ／ ； ｍ３ ＱＬ 为 ｍ。ｓ Ｑｇ 为外泄
【 ｄ Ｘ ￣２Ｐ —Ｐ ）ｌ ｚ ＜ ０ 一Ｃ Ｗ ／ （ ｓ ２／ ， Ｄ
式中 ： Ｑ１为 Ｐｌ腔 流 量 ， ／； ｍ ｓ Ｑ２为 Ｐ２腔 流 量 ，
ｍ３ｓ Ｃｄ 流量 系数 ； ２ ／； 为 ７ 为节 流窗 口面积梯 度 ， ｐ Ｘ ｍ； 为 液体 密度 ，ｇ ｍ３ｚ ｋ ／ ； 为 阀芯位 移 ， 定义 向右 为 ｍ， 正 方 向． ２ 液 压缸 连续 性方 程为 ）
压缸 活塞 所受 外干 扰力 ．
为 了方便 系统 原理性 方程 的建 立 ， 如下 假设 ： 做
① ４个 节流 窗 口是 匹配而且 对 称 的 ； 节 流窗 口处 ② 的流 动为 紊流 ， 液体 压缩 性 的影 响在 阀中予 以忽 略 ； ③ 每个 相应工 作 腔 的各 点压 力相 同 ， 液温 度 和容 油 积弹性模 数 可 以认 为 是 常 数 ； 油 源 供 油 压 力 恒 ④ 定 ， 回油 压力 为零 ． 且 由于伺服 阀与 液压 缸之 间连接
免 了分段带来 的问题 ， 型 中参 量 均 为 实 际物理 量 ， 模
ｊ ｄ ￣２Ｐ —Ｐ ）Ｐ ≥ ０ ／（ ｓ １／， ｃ
ｌ Ｃ ｗ ￣２Ｐ１一Ｐ ）ｐ， ＜ ０ ，、 ｄｘ ／（ Ｔ／ ｚ
式 中 ： 一Ｖｄ ／ ｖ为液 压 弹 性模 量 ， ｍ２ Ｖ 为 ＝ ｐｄ Ｎ／ ； 液压 缸腔 总容 积 ， ； 为 无 杆 腔 容 积 ， ； ｍ３ Ｖ１ ｍ３ Ｖ２为 有杆 腔容 积 ， ； ｉ 内泄 流量 ， ／ ； ｍ３ ＱＬ 为 ｍ。ｓ Ｑｇ 为外泄
【 ｄ Ｘ ￣２Ｐ —Ｐ ）ｌ ｚ ＜ ０ 一Ｃ Ｗ ／ （ ｓ ２／ ， Ｄ
式中 ： Ｑ１为 Ｐｌ腔 流 量 ， ／； ｍ ｓ Ｑ２为 Ｐ２腔 流 量 ，
ｍ３ｓ Ｃｄ 流量 系数 ； ２ ／； 为 ７ 为节 流窗 口面积梯 度 ， ｐ Ｘ ｍ； 为 液体 密度 ，ｇ ｍ３ｚ ｋ ／ ； 为 阀芯位 移 ， 定义 向右 为 ｍ， 正 方 向． ２ 液 压缸 连续 性方 程为 ）
压缸 活塞 所受 外干 扰力 ．
为 了方便 系统 原理性 方程 的建 立 ， 如下 假设 ： 做
① ４个 节流 窗 口是 匹配而且 对 称 的 ； 节 流窗 口处 ② 的流 动为 紊流 ， 液体 压缩 性 的影 响在 阀中予 以忽 略 ； ③ 每个 相应工 作 腔 的各 点压 力相 同 ， 液温 度 和容 油 积弹性模 数 可 以认 为 是 常 数 ； 油 源 供 油 压 力 恒 ④ 定 ， 回油 压力 为零 ． 且 由于伺服 阀与 液压 缸之 间连接
免 了分段带来 的问题 ， 型 中参 量 均 为 实 际物理 量 ， 模
ｊ ｄ ￣２Ｐ —Ｐ ）Ｐ ≥ ０ ／（ ｓ １／， ｃ
ｌ Ｃ ｗ ￣２Ｐ１一Ｐ ）ｐ， ＜ ０ ，、 ｄｘ ／（ Ｔ／ ｚ
阀控非对称缸被动式电液力伺服系统的解耦控制研究
ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ．Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ａ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｅ ｌ ＇ ｖ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ，ｉ ｔ ｓ
Ｌ ｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ４ ７ １ ０ ０ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｓ ｕ ｒ ｐ ｌ ｕ ｓ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｅ Ⅳ０ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ —
Ｓｔ ｕ ｄｙ ｏ ｎ Ｄｅ ｃ ｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｐａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｈｙ ｄ ｒ ａ ｕｌ ｉ ｃ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｉ ｔ ｈ Ｖａ ｌ ｖ ｅ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ Ａｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｉｃ ｒ ａ ｌ Ｃｙ ｌ ｉ ｎｄ ｅ ｒ
２ ０ １ ３年 １ 月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ Ｔ ０ＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ ＣＳ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０１ ３
Ｖｏ １ ． ４１ Ｎｏ ．１
非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用
非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用摘要：非对称液压缸具有占用空间小、制造简单、成本低等优点，在液压系统中得到广泛应用。
但是，在液压伺服系统中，特别是在零开度伺服阀控制的阀控缸系统中，由于非对称液压缸活塞两侧的承载面积不同，当伺服阀芯在零开度附近摆动时，液压缸的两个腔室交替供油，活塞的运动方向交替变化。
此时液压缸的两个腔室会产生突然的压力跳变，导致系统振荡、爆炸，不仅影响系统的稳定性，还会导致系统无法正常工作，甚至导致液压。
在使用计算机仿真设计液压系统时，这个问题很容易被忽略，导致设计失败。
关键词：伺服阀；不对称液压缸；三通阀;分析一个实际零开口对称伺服阀控不对称液压缸的液压系统设计案例，对对称阀控制不对称液压缸进行了不相容性分析，明确系统产生“爆振”的原因，以及提出该设计失败后的改进方案。
一、对称四通伺服阀控制不对称液压缸可行性1.对称四通伺服阀控制不对称液压缸方程推导。
对称四通伺服阀控制不对称液压缸如图1所示。
图1对称四通伺服阀控制不对称液压缸图1中，L１、A１为液压缸无杆腔行程和有效工作面积；L２、A２为液压缸有杆腔行程和有效工作面积；V１、V２分别为液压缸无杆腔和有杆腔容积；p１、p２分别为液压缸无杆腔和有杆腔压力；vp１、vp２分别为活塞杆伸出与退回速度；∑F１、∑F２分别为活塞杆伸出时负载和退回时负载；q１、q２分别为液压缸无杆腔流量和有杆腔流量；q３为活塞杆外伸时伺服阀的回油流量；q４为活塞杆退回时伺服阀的回油流量；a１、a２、a３、a４为四通伺服阀各节流口的通流截面积；xp为液压缸活塞的位移；mt为活塞及其刚性联接件、油液及负载等效到活塞上的总质量；BP为活塞和负载的黏性阻尼系数；ps为四通伺服阀进油压力；xv为四通伺服阀阀芯位移。
当四通伺服阀为对称零开口阀时，为简化分析，不考虑油液的可压缩性和液压缸的泄漏，假设∑F为液压缸活塞上的总负载，FL为外负载，FC为摩擦力。
2.仿真设计的误区。
对称滑阀控制非对称液压缸系统传递函数的求解
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｃｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ， ａ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ — ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｆ ｏ ｏ ｔ ｐ ｒ ｉ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｍａ ｋ ｅ ｓ ｉ ｔ ｖ ｅ ｒ ｙ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ａ ｍｏ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ — ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ． Ｈｏ ｗｅ ｖ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ １ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｙ ｍ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｌ ｉ ｄ ｅ ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｓ ｙ ｍ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｆ ｏ ｒ —
长 江 工 程 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． ３
长 江 工 程 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． ３
阀控非对称缸液压伺服系统建模与仿真分析
煤矿机械Coal Mine MachineryVol.32No.10Oct.2011第32卷第10期2011年10月引言随着水下机器人技术的不断发展，水下机器人的作业范围和作业水深不断增加。
在恶劣的海洋环境下，要完成复杂的水下作业任务，水下机器人上搭载的机械手的作用显得尤为重要。
没有机械手，水下机器人充其量只是一个观察探测台架。
目前，水下机械手多为液压驱动关节式，主要包括线性关节和转动关节，线性关节主要依靠直线液压缸的伸缩实现有限范围内的摆动，转动关节则依靠液压马达实现有限范围的转动或连续回转，每个关节都可以通过液压伺服系统精确控制，实现机械手自身的作业动作。
阀控非对称缸是水下液压机械手的重要驱动环节，由于其结构的不对称及非线性等特点，可能产生跳跃谐振或等幅振荡，直接影响整个机械手液压伺服系统的动态特性。
本文主要研究水下液压机械手线性关节的阀控非对称缸位置伺服系统，在具体分析阀控非对称缸控制特性的基础上进行动态特性的推导、建模及仿真，为各线性关节伺服控制系统的设计和分析提供参考。
1阀控非对称液压缸位置伺服系统建模以非对称液压缸为研究对象，进行动态特性分析和数学建模，系统物理模型如图1所示。
图1伺服阀控非对称液压缸模型（1）伺服阀的负载压力-流量特性图1中，各物理量以箭头方向为正，以液压缸正向移动Y ＞0为例，伺服阀的流量方程为Q 1=C d WX v 2（p s －p 1）/r 姨＝A 1d y（1）Q 2=C d WX v 2p 2/r 姨＝A 2d yd t（2）式中Q 1———液压缸无杆腔流量，m 3/s ；Q 2———液压缸有杆腔流量，m 3/s ；C d ———阀的流量系数，取c d =0.7；W ———窗口面积梯度，m ；X v ———伺服阀位移，m ；p 1———伺服阀无杆腔压力，MPa ；p 2———伺服阀有杆腔压力，MPa ；p s ———油源压力，MPa ；r ———液压油密度，kg/m 3。
第1章阀控非对称缸液压伺服系统2
1
1 n
压差 P1 0
15
10 P2 ，P2'，P20
5
0
-2
-1
0
1
FL （N ）
有杆腔压力变化
2
3
10 4
P2
Ps
FL / 1 n
A1
P20
PS 1
FL A1 n
P' Ps FL / A1
2
1 n
P2 0
P1(MPa) P2(MPa)
阀与缸不完全匹配（ m≠n ）
xv 0
p1气蚀条件
p1超压条件
n3
m2
Ps A1
FL m2
Ps A1
（ p1限制条件）
(1 n
p2超压条件
n2
)Ps A1
;
FL
P As 1 （p2限制条件）
p2气蚀条件
p' 1
气蚀条件
p1' 超压条件
xv 0
nPs
A1
FL
(1
n m2
n3 m2
)Ps
A1
nPs A1 FL n2 Ps A1
1.0 0.75 0.5 0.25
0
FL=APL (PL/PS) 1 (PSA)
QL Cd wxv
1 (Ps
xv xv
PL )
Q0 Cd wxvmax
1 Ps
QL xv 1 xv PL
Q0 xvmax
xv Ps
V0 (Q0(Qmax-))
b、对称阀控非对称缸输出特性
v＝Q1/A1 V0max+
对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究
摘要 : 对称四通阀控对称液压缸的分析结果对对称四通阀控非对称液压缸动 态特性研究已不适用 。在建立对称四通阀控非对称液压缸动态数学模型的基础 上 ,利用 Matlab 中的 Simulink 构建了仿真模型 , 并结合具体系统对其动态特性进 行了仿真研究 ; 通过试验得到了实测阶跃响应曲线和输出位移曲线 。对比分析可 以看出仿真结果与试验结论基本吻合 ,论证了动态数学模型的正确性 ,同时表明计 算机仿真是研究该类系统动态特性的有效途径 。 关键词 : 伺服阀 ; 非对称液压缸 ; 动态特性 ; 仿真与试验 中图分类号 : TH137. 52 文章编号 :1004 - 132 Ⅹ( 2004) 06 - 0471 - 04
FJ x p = 0 FM =
¨
・ ¨ (・ x p / | x p | ) FD x p ≠0
式中 , m p 、 B p 分别为活塞和负载折算到活塞上的总质量 与总阻尼系数 ; kp 为负载的弹簧刚度 ; x p 为液压缸位移 ;
FL 为外负载力 ; FM 为摩擦力 。
以上方程完全描述了对称四通阀控非对称液 压缸的动态特性 , 是动态特性研究和建立仿真模 型的基础 。
本文在对对称四通阀控非对称液压缸建模的基础上所得结论对该类系统的设计具有一定的指导意义分别为活塞和负载折算到活塞上的总质量与总阻尼系数kp为负载的弹簧刚度fl为外负载力fm为摩擦力以上方程完全描述了对称四通阀控非对称液压缸的动态特性是动态特性研究和建立仿真模型的基础动态特性的数学描述假定阀匹配对称仿真分析仿真模型matlabsimulink为系统仿真提供了强大且不考虑管道的动态损失则对称四通阀控非对称液压缸的动态特性可由伺服阀流量方程伺服阀液压缸流量连续方程和液压缸力平衡方程等描述伺服阀流量方程按照根据数学模型可直接建立系统的仿真模型为若干个子系统
阀控非对称缸全状态反馈位置系统研究
ｏ ｂ ｅｒ ｓ ｖ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｅ ｍｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ — Ｏｒ ｄ ｅ ｒ Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ — ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｌ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｏｓ ｐ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｃ ｏｍｐ ｃ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ
完成 了优 化 目标 ， 验 证 了全状 态反 馈控 制应 用在 非 对称 缸 电液伺服 系统 中的 可行性 ． 关 键词 ： 阀控 非对称 缸 ； 全状 态反 馈 ； 状 态观 测 器 ； 建模仿 真 中图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７ 文献 标 志码 ： Ａ
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ａ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄｅ ｒ ｆ ｕ ｌ ｌ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ
ｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｙ ＡＮ Ｇ Ｘｕ ｅ ｓ ｏ ｎ ｇ，Ｌ Ｉ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ， Ｚ ＨＡＮＧ Ｒｕ ｉ ，Ｍｕ Ｄｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ｅ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ， Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｏｌ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
非对称液压缸伺服泵控系统控制模型及其参数辨识研究
非对称液压缸伺服泵控系统控制模型及其参数辨识研究徐坤;朱灯林;梅志千;陈成【摘要】针对非对称液压缸伺服直驱泵控系统控制建模及其参数辨识的问题,分别对伺服电机和泵控非对称液压缸系统进行了理论分析建模,得到了传递函数的模型结构及其阶数.对传统控制理论中的幅频特性测量传递函数方法进行了说明,提出了一种将理论分析建模与系统辨识建模相结合的精确求解系统传递函数的方法,并对伺服电机和泵控非对称液压缸系统分别进行了幅频特性实验,最后采用上述方法得到了非对称液压缸伺服泵控系统控制模型的主要参数和传递函数.研究结果表明:该方法可用于求解系统的传递函数,具有一定的实际应用意义;该方法可为液压机伺服直驱泵控系统的精确控制打下基础.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)005【总页数】5页(P524-528)【关键词】液压伺服泵控技术;传递函数;参数辨识;幅频特性【作者】徐坤;朱灯林;梅志千;陈成【作者单位】河海大学机电工程学院,江苏常州213000;常州市特种机器人及智能技术重点实验室,江苏常州213000;河海大学机电工程学院,江苏常州213000;常州市特种机器人及智能技术重点实验室,江苏常州213000;河海大学机电工程学院,江苏常州213000;常州市特种机器人及智能技术重点实验室,江苏常州213000;河海大学机电工程学院,江苏常州213000;常州市特种机器人及智能技术重点实验室,江苏常州213000【正文语种】中文【中图分类】TH39;TH137.9;TP230 引言常用的液压伺服系统主要有两种：伺服阀控系统和伺服直驱泵控系统。
伺服阀控系统采用伺服阀控制流向液压缸的流量，优点是响应速度快、动态特性好，但具有对液压油品质要求高、温升高、效率较低、功率损失大等缺点[1]；伺服直驱泵控系统通过改变伺服电机转速改变油泵的输出流量，从而改变液压缸运动，可实现液压缸的速度控制[2-4]。
伺服直驱泵控系统具有结构紧凑、元件少、故障点少、对油品要求低、系统功率损失小、效率高、调速范围宽、易实现高精度控制的优点，因而广泛用于大功率重载设备的速度控制[5-7]。
阀控不对称缸电液伺服系统的PI观测器设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＩ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｈ ｙｄｒａｕｌｉｃ Ｖａｌｖｅ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｒｏｄ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ
ＦＡＮ Ｚｉ—ｒｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ Ｄａｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｔｏｎｇ Ｓｈａｎｘｉ ０３７００３，Ｃｈｉｎａ）
气和液压两方面 的特长 。近年来 ，电液伺服 系统的故 障诊断 其进行线性化处理 ，近 似求 出 了它的传 递 函数 ，并 将转 换为
研 究 已 成 为 热 点 ，引 起 了 国 内 外 很 多 学 者 的关 注 。诊 断 状 态 空 间 形 式 ，之 后设 计 了 ＰＩ观 测 器 ，由于 ＰＩ观 测 器 含 有 比
ＡＢＳＴＲ ＡＣＴ ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｅ ｖａｌｖｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓ－ ｔｅｎ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ， ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＰＩ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉ【ｇｈ ｆ ｒｅｅｄｏｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ＰＩ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｕｔｐｕｔ ｖｉａ ｌｉｎｅａｒ ｍ ａｔｒｉｘ ｉｎｅ—
ｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｕｎｋｎｏｗｎ ｉｎｐｕｔ ａｒｅ ｊｏｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔ ｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｄ—
阀控非对称缸电液伺服系统中控制策略研究
在 阀控非 对称 缸 系 统 中 ， 在 的主 要 问题 是 正 存 反 两个 方 向的动态特 性不 对称 ， 表现 在超调 量 、 升 上 时间 、 调整时 间三个 方 面 ， 伴 随有 负压 现 象 ， 外 还 另
对于 非对称 缸 Ａ 。 ２ ＝ｍ ＜ｌ对 于 对称 阀 Ｗ。 ； ＝
Ｍａ ． Ｏ ６ ｒ２ ｏ
阀控 非对 称 缸 电液伺 服 系统 中控 制策 略研 究
岳东 海
（ 常州信息职业技术学 院机电工程系 江苏 常州 ２３ ６ ） １ １４
摘
要： 阀控液压缸电液伺服系统 常采用 对称 阀控制非 对称液 压缸 ， 是因 为对 称 阀加工 相对 简单 ， 这 而非对称缸 具有结 构简 单、 占用空间少 、 承载能力较大等优点 。但 由于系统 中采用对称阀控制非对称缸 而造成整 个系统 的不 匹配 ， 导致 系统 正反两个 方向的动态性能不对称 。采用 自适应控制器对系统进 行控 制 ， 使其输出满足系统的性能要求 。
ＹＵＥ ｎ ｈ ｉ Ｄｏ ｇ－ ａ
（ Ｄ印Ｉｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｂ ａＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｃｌｌ ｈ ｕＣ ｌｇ ｆ ｎｏｍａｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈｎ ｚｏ １ ４ Ｃ ｍａ ．ｆ Ｍｅｈｎ ａａｄＥ ｃ ｌ ｎ － ｅ． ， ＩＩｚ ０ ｏｅｅ ｆｒ ｔ ｎＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｃ ａｇｈ ｕ２ ３６ ， ｈ ） ｃ ｍ ｍ ａｇ ｌ ｏＩ ｉ ｏ １
ｃ ｌ ｄ ｒ ｂ ｃ ｕ ｅ ｔｅ ｓ ｍｍ ｅｒ ａ ａｖ ’ ｍａ ｈ ｍ ｈ ｐｅｃ ｍｐ ｒ ｔ ｅ ｎ ｅ ａ ｙ ｙｉ ｅ ， ｅ ａ ｓ ｙ ｎ ｈ ｔｉ ｌ ｌｅＳ ｃ － ｉ ｓ ｎ ｌ ｏ ａ ａｉ ｌ ａ ｄ ｔ ｓ ｍｍｅｒｃ ｌ ｙｉｄ ｒｈ ｖ ｎ ｉｕ ｓ ｃ ｖ ｇｓ ｖｙ ｈ ｔｉａ ｌ ｅ ａ ｅｍａ ｙ ｖｒ ｅ ｃ ｎ ｔ
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结论2： 分析与设计方法与对阀称控非缸对电称液缸伺液压服伺系服统系统不同
§1-2 阀控非对称缸的静态特性
y FL(=mLg) mL
A2
P2 (P2')
Q1 A (Q1')
A1 P1(P1')
Q2 (Q2')
4 1 23
A
PS
P0
A—A w=4h
或 Xv w=2h
阀控非对称缸液压伺服系统
假设条件：
1、理想零开口四通滑阀，
10
10
P 1 ,P1 ' ,P 1 0
P 2 ，P 2 '，P 2 0
5
5
0
0
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
104
无杆腔压力变化
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
10 4
有杆腔压力变化
xv 0
xv 0 xv 0
P1
nPs FL / 1n
A1
P1 0
n PS
FL A1
1 n
P' nPs FL / A1
15
10 P2'
5
P2 0
-5-2
-1
0
1
FL(N)
2
3
x 104
有杆腔的压力变化(m≠n)
x 0 v
P1 n3Psm2m2nF3L / A1
xv 0
P' nm2Ps m2FL/A1
1
m2n3
P2
n2(Ps FL / m2 n3
A1)
P' m2Ps n2FL/ A1
2
m2 n3
无杆腔： 有杆腔：
1
1n
压差 P1 0
P2
Ps
FL / 1n
A1
P2 0
PS
FL A1
1 n
P' Ps FL / A1
2
1n
阀控非对称缸液压伺服系统P2 0
P1(MPa) P2(MPa)
阀与缸不完全匹配（ m≠n ）
15
10 p1'
5
p 1
0
-5-2
-1
0
1
2
3
FL(N)
x 104
无杆腔的压力变化(m≠n)
xv 0
xv 0 xv 0
压差
P1
n3Ps FL 1n3
/
A1
P1 0
n PS
FL A1
1 n
P2'
Ps
n2FL 1n3
/
A1
P2 0
PS 1
FL A1 n
PP 1'1nPPs11'FnPL13/A1nP1s(1n阀3n控2)非对称缸液压伺服系统P2'P2Ps1nP22Fn'L3/ AP 1 2 Ps1(1nn32)
mL
A
B
伺服阀
P0 PS
防气蚀措施：
防气蚀阀组 1、对负荷变化的范围加以限制；
2、增大液压缸的面积；
3、采用防气蚀单向阀组和安全阀，
安全阀组
以及在阀与有杆腔之间的管路上
设置单向节流阀等加以补救。
低压蓄能器
高压蓄能器
阀控非对称缸液压伺服系统
阀与缸完全匹配（m=n）
15
15
P1 （MPa ） P2 （MPa ）
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义 2、非对称缸的应用 1、六自由度运动模拟系统
2、振动模拟系统
3、道路模拟系统
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义
3、阀控非对称缸的特点
问题1、阀控非对称缸的控制与阀控对称缸的控制是否一样？
①换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象； ②两个方向上系统动特性不对称； ③本质的非线性，尤其在分析系统大扰动稳定性和大给定下的动态 品质时，就不易近似的作为线性系统处理，传统的传递函数方式不 适用，需要采用状态空间进行描述
四个节流窗口匹配且对称
2、节流窗口处的流动为紊
流。液体压缩量的影响在
阀中可以忽略；
3、阀具有理想的响应能力，
即对于阀芯位移和阀压降
的变化响应的流量变化能
瞬间发生；
4、供油压力恒定，回油压
力为零；
h 5、连接管路短而粗、流体
质量影响和管路动态影响
忽略不计；
6、液压缸每个工作腔内压
h
力相同，油液温度和容积 弹性模型恒定；
P1(MPa)
10 p1'
5
p 1
0
P2(MPa)
10 P2'
5
P2
0 阀控非对称缸液压伺服系统
-5
-2 -1
0
1
2
3
-5-2
-1
0
1
2
3
4
P1P1' P1nP1s(1n3n2) P2 P2' P2 Ps1(1nn32)
0
供油压力 P2'
P2 P20
-2
-1
0
1
FL（N）
2
3
104
15
P2 （MPa ）
P1 （MPa ）
10
10
P 1 ,P1 ' ,P 1 0
P 2 ，P 2 '，P 2 0
5
5
0
0
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
104
-2
-1
阀与缸不完全匹配（ m≠n ）
15 15
0
1
FL （N ）
2
3
10 4
PP22
P2
bb)) 双双出出杆杆对对称称缸缸A1A1 A2A2
b) 双出杆对称缸 A1 A2
xv xv
xv
P1
P2
PP1 1
P2
A1
P2
A1 A1
A2
A2 A2
xv
c) 单出杆对xv 称xv缸 A1 A2
c)c)单单 出出 杆对杆称对缸称A缸1 AA12 A2
特点：单出杆，作用面积相同，运动 速度相同
1P、1 什么是非对称缸P2
PP11
A2
P2 P2
A1
A1A1
A2A2
a) 单出杆非对称缸 A1 A2
a) a)
单单出出杆杆非非对对称称缸缸A1
A2 A1
A2
P1
P2
P1
P2
P1
P2
AA1 1
A1
AA2 2
A2
xv
xv xv
特点：两侧的有效作用面积不同，相同流 量情况下，伸出和缩回的速度不同
特点：活塞两端杆径相同，运动特性 相同
P1P1' P1n(m n32 m n22)Ps P2P2' P2(m 阀n23控非nm 2对)2P称s 缸液压伺服系统
对称阀与非对称缸
15
P1 （MPa）
10
P1' P10
P1
5
P1
0 气蚀区
-2 -1
0
1
FL（N）
2
3
104
阀与缸完全匹配（m=n）
15
P2 （MPa）
15 超压区
10
5 P2
结论1： 非对称缸电液伺服系统远比对称缸系统复杂，控制起来存在许 多问题。
问题2、阀控非对称缸的设计和分析与阀控对称缸的设计分析是否一样？ 设计过程一样： 负载特性动力机构设计负载匹配优化设计结果 分析方法不一样： 1）是否存在液压固有频率，如何确定？ 2）仿真分析如何做？传统的分析方法是否可行等？
7、液压缸内外泄漏为层流
流动；
8、液压缸为理想单出杆液
压缸
P1 （MPa） P2 （MPa）
15
10
P1' P12 -1
0
1
FL（N）
2
3
104
无杆腔( PS 10MPa )
15 超压区
10
5 P2
0
供油压力 P2'
P2 P20
-2
-1
0
1
FL（N）
2
3
104
有杆腔( PS 10MPa )
第一章 阀控非对称缸液压伺服系统
内容安排： 1、研究目的意义 2、对称阀控制非对称缸的静态特性 3、对称阀控制非对称缸的动态特性 4、对称阀控制非对称缸在静动态特性方面存在的问题 5、非对称阀控制非对称缸的动态特性 6、应用非线性状态方程分析阀口误差对系统压力特性 的影响
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义
§1-2 阀控非对称缸的静态特性
y FL(=mLg) mL
A2
P2 (P2')
Q1 A (Q1')
A1 P1(P1')
Q2 (Q2')
4 1 23
A
PS
P0
A—A w=4h
或 Xv w=2h
阀控非对称缸液压伺服系统
假设条件：
1、理想零开口四通滑阀，
10
10
P 1 ,P1 ' ,P 1 0
P 2 ，P 2 '，P 2 0
5
5
0
0
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
104
无杆腔压力变化
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
10 4
有杆腔压力变化
xv 0
xv 0 xv 0
P1
nPs FL / 1n
A1
P1 0
n PS
FL A1
1 n
P' nPs FL / A1
15
10 P2'
5
P2 0
-5-2
-1
0
1
FL(N)
2
3
x 104
有杆腔的压力变化(m≠n)
x 0 v
P1 n3Psm2m2nF3L / A1
xv 0
P' nm2Ps m2FL/A1
1
m2n3
P2
n2(Ps FL / m2 n3
A1)
P' m2Ps n2FL/ A1
2
m2 n3
无杆腔： 有杆腔：
1
1n
压差 P1 0
P2
Ps
FL / 1n
A1
P2 0
PS
FL A1
1 n
P' Ps FL / A1
2
1n
阀控非对称缸液压伺服系统P2 0
P1(MPa) P2(MPa)
阀与缸不完全匹配（ m≠n ）
15
10 p1'
5
p 1
0
-5-2
-1
0
1
2
3
FL(N)
x 104
无杆腔的压力变化(m≠n)
xv 0
xv 0 xv 0
压差
P1
n3Ps FL 1n3
/
A1
P1 0
n PS
FL A1
1 n
P2'
Ps
n2FL 1n3
/
A1
P2 0
PS 1
FL A1 n
PP 1'1nPPs11'FnPL13/A1nP1s(1n阀3n控2)非对称缸液压伺服系统P2'P2Ps1nP22Fn'L3/ AP 1 2 Ps1(1nn32)
mL
A
B
伺服阀
P0 PS
防气蚀措施：
防气蚀阀组 1、对负荷变化的范围加以限制；
2、增大液压缸的面积；
3、采用防气蚀单向阀组和安全阀，
安全阀组
以及在阀与有杆腔之间的管路上
设置单向节流阀等加以补救。
低压蓄能器
高压蓄能器
阀控非对称缸液压伺服系统
阀与缸完全匹配（m=n）
15
15
P1 （MPa ） P2 （MPa ）
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义 2、非对称缸的应用 1、六自由度运动模拟系统
2、振动模拟系统
3、道路模拟系统
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义
3、阀控非对称缸的特点
问题1、阀控非对称缸的控制与阀控对称缸的控制是否一样？
①换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象； ②两个方向上系统动特性不对称； ③本质的非线性，尤其在分析系统大扰动稳定性和大给定下的动态 品质时，就不易近似的作为线性系统处理，传统的传递函数方式不 适用，需要采用状态空间进行描述
四个节流窗口匹配且对称
2、节流窗口处的流动为紊
流。液体压缩量的影响在
阀中可以忽略；
3、阀具有理想的响应能力，
即对于阀芯位移和阀压降
的变化响应的流量变化能
瞬间发生；
4、供油压力恒定，回油压
力为零；
h 5、连接管路短而粗、流体
质量影响和管路动态影响
忽略不计；
6、液压缸每个工作腔内压
h
力相同，油液温度和容积 弹性模型恒定；
P1(MPa)
10 p1'
5
p 1
0
P2(MPa)
10 P2'
5
P2
0 阀控非对称缸液压伺服系统
-5
-2 -1
0
1
2
3
-5-2
-1
0
1
2
3
4
P1P1' P1nP1s(1n3n2) P2 P2' P2 Ps1(1nn32)
0
供油压力 P2'
P2 P20
-2
-1
0
1
FL（N）
2
3
104
15
P2 （MPa ）
P1 （MPa ）
10
10
P 1 ,P1 ' ,P 1 0
P 2 ，P 2 '，P 2 0
5
5
0
0
-2
-1
0
1
FL （N ）
2
3
104
-2
-1
阀与缸不完全匹配（ m≠n ）
15 15
0
1
FL （N ）
2
3
10 4
PP22
P2
bb)) 双双出出杆杆对对称称缸缸A1A1 A2A2
b) 双出杆对称缸 A1 A2
xv xv
xv
P1
P2
PP1 1
P2
A1
P2
A1 A1
A2
A2 A2
xv
c) 单出杆对xv 称xv缸 A1 A2
c)c)单单 出出 杆对杆称对缸称A缸1 AA12 A2
特点：单出杆，作用面积相同，运动 速度相同
1P、1 什么是非对称缸P2
PP11
A2
P2 P2
A1
A1A1
A2A2
a) 单出杆非对称缸 A1 A2
a) a)
单单出出杆杆非非对对称称缸缸A1
A2 A1
A2
P1
P2
P1
P2
P1
P2
AA1 1
A1
AA2 2
A2
xv
xv xv
特点：两侧的有效作用面积不同，相同流 量情况下，伸出和缩回的速度不同
特点：活塞两端杆径相同，运动特性 相同
P1P1' P1n(m n32 m n22)Ps P2P2' P2(m 阀n23控非nm 2对)2P称s 缸液压伺服系统
对称阀与非对称缸
15
P1 （MPa）
10
P1' P10
P1
5
P1
0 气蚀区
-2 -1
0
1
FL（N）
2
3
104
阀与缸完全匹配（m=n）
15
P2 （MPa）
15 超压区
10
5 P2
结论1： 非对称缸电液伺服系统远比对称缸系统复杂，控制起来存在许 多问题。
问题2、阀控非对称缸的设计和分析与阀控对称缸的设计分析是否一样？ 设计过程一样： 负载特性动力机构设计负载匹配优化设计结果 分析方法不一样： 1）是否存在液压固有频率，如何确定？ 2）仿真分析如何做？传统的分析方法是否可行等？
7、液压缸内外泄漏为层流
流动；
8、液压缸为理想单出杆液
压缸
P1 （MPa） P2 （MPa）
15
10
P1' P12 -1
0
1
FL（N）
2
3
104
无杆腔( PS 10MPa )
15 超压区
10
5 P2
0
供油压力 P2'
P2 P20
-2
-1
0
1
FL（N）
2
3
104
有杆腔( PS 10MPa )
第一章 阀控非对称缸液压伺服系统
内容安排： 1、研究目的意义 2、对称阀控制非对称缸的静态特性 3、对称阀控制非对称缸的动态特性 4、对称阀控制非对称缸在静动态特性方面存在的问题 5、非对称阀控制非对称缸的动态特性 6、应用非线性状态方程分析阀口误差对系统压力特性 的影响
阀控非对称缸液压伺服系统
§1-1研究的目的意义