电液位置伺服系统PWM控制的方法

　　在工业生产中,电液位置伺服系统的应用极为广泛.例如液压驱动的机器人各个关节控制系统,自动车床的液压仿形刀架以及大型舰船的火炮控制系统、方向舵的控制系统都是由电液位置伺服系统来实现.电液伺服系统的特点是输出功率大,系统响应速度快,控制准确度高.但缺点是系统的阻尼比较小,系统的控制品质有时不够理想,以往为了增加系统的阻尼,一般有如下方法:

　　(1)增加系统的泄漏量,但是带来的不利之处是系统刚度下降,以及一定的能量浪费;

　　(2)采用压力反馈,但液压系统的压力变化难以得到其准确信号,影响其应用;

　　(3)采用加速度反馈,但液压系统加速度信号大部分时间值比较小,能够满足要求的加速度传感器不多,而且价格昂贵.对此,国内外学者已做了大量工作和研究^[1-4],提出了很多控制方法.因这些方法大多数算法复杂不宜在实际中实现,限制了其应用.笔者针对电液位置伺服系统本身的结构特点,提出一种脉宽调制(PWM)控制方法,利用电液伺服阀大开口时流量压力系数较大的特点,增加电液伺服系统的阻尼.仿真计算结果表明此方法可以有效地改善电液位置伺服系统的动态特性,该方法计算量不大,可以在计算机控制系统中实现,便于在实际中应用.

　　1 电液位置伺服系统的数模及分析

　　典型的电液位置伺服系统如图1所示。关键的部分:电液伺服阀、液压缸和负载组成的电液伺服系统的动力机构如图2所示.由流体力学的理论和液压伺服系统的分析方法可知其数学模型可用下述一组方程来描述^[1]:

　　式中:A₁为液压缸活塞有效面积,m²;C_V为伺服阀阀口流量系数;ω为伺服阀阀口面积梯度,m;P_s为油源压力,Pa;ρ为油液密度,kg/m³;V_t为液压缸有效容积,m³;B_e为液压油弹性系数,Pa;M为系统有效质量,k_g;B_c为系统黏滞摩擦系数,N.s/m;K_tp=K_cp+0.5K_co为系统泄漏系数,m³/P_a;K为负载弹簧系数,N/m。

　　对式(1)做线性化和拉氏变换,加上反馈以及放大器环节,得到如下方程:

　　式中:K_a为放大器放大系数;R为输入信号;为伺服阀流量增益;为伺服阀流量-压力系数。

　　上述方程的建立过程考虑了各种因素,如质量、阻尼、弹簧、油液压缩性和液压缸的泄漏等.在实际应用中,负载往往比较简单,特定条件下可忽略一些次要因素,就可使传递函数大为简化.在本文设负载为惯性负载,有外加负载力,但无弹簧负载,即K=0;并考虑负载黏性阻尼系数(BP),一般较小,可有成立^[1],则