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 Machinery

Vol.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 y

d 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。流经伺服阀2个节流窗口的流量并不等于负载流量Q L ，定义为

阀控非对称缸液压伺服系统建模与仿真分析

李玲珑

1,2

，孙斌1，张奇峰1

（1.机器人学国家重点实验室中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016；2.中国科学院研究生院，北京100039）

摘要：结合水下液压机械手线性关节的阀控非对称缸位置伺服系统，分析了阀控非对称缸的负载压力-流量特性，建立了阀控缸流量连续性方程和液压缸的力平衡方程，推导了阀控缸位置控制系统动态特性的数学模型，只增加负载环节就可以构成新的液压伺服系统模型。采用MAT -LAB 软件对阀控缸位置控制系统进行动态特性仿真分析，验证了系统模型的正确性。

关键词：液压位置伺服控制；阀控非对称缸；仿真中图分类号：TH137.5文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2011）10－0089－03

Model and Simulation Analysis of Asymmetrical Hydraulic Cylinder

Controlled by Servo-valve

LI Ling-long 1,2，SUN Bin 1，ZHANG Qi-feng 1

（1.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,

China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China ）

Abstract:Based on asymmetric cylinder position servo system of linear joints of underwater hydraulic manipulator,Load pressure-flux characteristics of asymmetric cylinder controlled by servo-valve was analyzed.Flux continuity equation of cylinder controlled by servo -valve and the balance equation of hydraulic cylinder were established.The dynamic characteristics mathematics model for position control system in cylinder controlled by servo-valve was deduced,a new hydraulic servo control system would be obtained through changing load based on this model ．MAT-LAB language software was used to carry through dynamic characteristics simulation analysis for position control system in cylinder controlled by servo-valve.

Key words:hydraulic position servo control ；asymmetrical cylinder controlled by valve ；simulation p 1

p 2

p 5A 2

A 1V 2

V 1

Q 2Q 1

p r

X M B y

K e F l Y

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