水压与油压对称伺服阀控制单出杆液压缸特性的比较分析

　　1 引言

　　水压传动是当前国际上的一项前沿课题;与油压传动相比,水介质不仅成本低廉,环境友好,安全不燃,压力损失小,更为重要的是,由于水的压缩性较小,故其动态响应比油快,可使被控制对象快速、精确定位。本文对采用水和油液作为工作介质,结合具体工程问题对伺服阀控制单出杆缸系统的非对称性做了定量的仿真,较为详细地分析和比较了水压和油压系统的动、静态特性。

　　2 阀控单出杆液压缸数学模型

　　所谓伺服阀控制单出杆就是采用对称四通伺服阀控制不对称的单出杆液压缸,其模型可简化为如图1所示,本文依据能量守恒原则,参考文献[5],建立了系统数学建模。

　　1)液压缸活塞杆伸出

　　式中Y--活塞杆位移

　　Kq--流量增益

　　A1--无杆腔面积

　　xv--阀芯位移

　　Qta--附加漏损流量

　　Vt--等效体积

　　m--负载质量

　　Be--液体有效体积弹性模数

　　B--黏阻系数

　　Kce--总流量压力系数

　　2)液压缸活塞杆缩回

　　式中Kq--流量增益

　　A2--有杆腔面积

　　Qta--附加漏损流量

　　Kce--总压力流量系数

　　Vt --等效体积

　　当我们在活塞杆上附加一个位移传感器,则可形成如图2所示的的方框图。图中:u为输入信号;为液压缸相对阻尼系数;Ka为放大器系数;Kf为反馈系数;Ksv为机-电转换器系数;为液压缸固有频率。

　　3 数学模型的应用和仿真研究

　　3.1 船用舵机油压位置伺服控制系统的分析

　　船用舵机位置控制系统是为了实现船舶的转舵自动化而设计的,此系统可使船只转舵速度快,精度高,能够在最近的航线上行驶,大大节省主机的功耗。其核心部分即为对称四通阀控制单出杆缸[4],其控制系统模型如图2所示,根据船用舵机实际工程参数,可以将上述数学模型数值化,然后进行仿真分析。

　　1)实际系统数学模型

　　根据文献[4],参考已有资料等,我们取油压系统参数如下:

　　2)油压系统动、静态性能仿真

　　a.频域仿真

　　利用Matlab可以画出系统开环伯德图,如图3a所示。

　　活塞杆伸出时,幅值裕量Gm=14.6(dB),相位裕量Pm=88.7(deg);活塞杆缩回时,幅值裕量Gm=6.7(dB),相位裕量Pm=89.6(deg)。

　　b.时域仿真

　　因为输入u可看作阶跃信号,利用Matlab容易得出一些具体的参数值。图3b为上述系统在单位阶跃信号输入情况下的动态响应图。