阀控非对称缸液压伺服系统建模与仿真分析

　　0 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

　　式中Q₁———液压缸无杆腔流量，m³/s;

　　Q₂———液压缸有杆腔流量，m³/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;

　　p₁———伺服阀无杆腔压力，MPa;

　　p₂———伺服阀有杆腔压力，MPa;

　　p_s———油源压力，MPa;

　　r———液压油密度，kg/m³。

　　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

　　鉴于液压系统正常工作时， 活塞大部分时间在稳态工作点附近微动，因此，在工作点附近泰勒级数展开，流量方程线性化为

　　式中K_x———阀流量系数，;

　　K_p———流量-压力系数，;

　　p_L———负载压力，p_L=p₁-p₂R。

　　(2)阀控液压缸流量连续性方程