具有非对称阀的非对称动力机构位置伺服系统的控制策略及仿真研究

　　0 引言

　　动力机构是液压伺服控制系统中的重要组成部分,动力机构的动特性在很大程度上决定着整个伺服控制系统的性能,因而对其进行准确建模及采取合适的控制策略具有极其重要的意义。非对称动力机构是指其执行元件为非对称液压缸,控制元件可以是对称阀也可以是非对称阀。非对称液压缸具有结构简单,占用空间小等优点,因而在工程上得到了广泛的应用。目前的控制系统大都是采用对称阀控制非对称液压缸,但是这种系统会造成活塞正反向运动速度不一致,并且在活塞换向瞬间产生压力跃变;非对称阀虽然结构复杂,但是却能有效解决上述问题,因而逐步在一些要求高、精、稳的系统中得到应用。

　　1 非对称动力机构的建模

　　非对称动力机构的结构简图如图1所示。

　　定义伺服阀的节流窗口的面积梯度比[1]n为:

　　其中: A2, A1分别为液压缸有杆腔和无杆腔的面积,m2。

　　由参考文献[2],非对称动力机构的位移Y与负载压力PL以及无杆腔的压力P1的传递函数为:

　　无杆腔的压力传递函数P1(s)中位移项有零点,因而在系统的输出位移有轻微的波动时,压力便在瞬间对其进行响应,因而系统的输出位移对压力的影响最大。

　　2 非对称动力机构的计算机仿真

　　现对上述系统进行仿真,给定信号为正弦信号,非对称动力机构所受的负载干扰力为:

　　其中: f为非对称动力机构的运动频率,Hz。

　　(1)给定幅值为1mm、频率为4Hz正弦信号的位移响应曲线,其中曲线1是给定信号,曲线2为跟踪信号。从图2看出,采用一般的PID控制,并且在PID参数及其它条件相同的情况下,对称阀控制下的位移曲线在正、反向运动情况下不一致,这是因为阀的流量增益正向时要比反向时偏大,所以出现正向位移跟踪曲线无衰减而反向跟踪曲线没有达到给定的幅值;而非对称阀控制下的位移曲线在正反向运动情况下是一致的,说明了非对称阀可以消除系统存在的非线性,使活塞正反向运动特性一致。

　　(2)分别对对称阀控制和非对称阀控制的非对称动力机构施加给定幅值10mm,频率012Hz的正弦信号和外干扰力,仿真曲线如图3所示。由图可见。

　　对称阀控制时的压力曲线在活塞换向的瞬间有压力跃变,并且反向时的压力跃变值大于正向时的(正向时约为213@105Pa,反向时约为3@105Pa,其比值约为017,与理论推导基本吻合);而在非对称阀控制时,虽然在外干扰的作用下,压力曲线呈不规则变化,但是在活塞换向时,已没有压力突起,压力曲线非常平稳,可以看出跃变现象已消失,从仿真上证实了非对称阀可以从根本上消除非对称动力机构的压力跃变现象。