閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)仿真分析

1、閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)仿真分析引言 閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)的負載具有較大的慣性和很小的阻尼，其傳遞函數(shù)常可近似由一對實部為零的極點組成，并有很低的動態(tài)響應(yīng)，由于負載處在系統(tǒng)的閉環(huán)之中，所以它對閥控液壓馬達的動態(tài)品質(zhì)有很大的影響。此外，系統(tǒng)的負載常是可變的，系統(tǒng)設(shè)計只能針對一種特定負載，負載一旦改變，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)就會變壞，有時甚至失去穩(wěn)定性，嚴重的影響了伺服系統(tǒng)的跟蹤性能。本文主要針對干擾力矩對系統(tǒng)的影響，利用結(jié)構(gòu)不變性原理，消除干擾力矩對系統(tǒng)的影響，同時利用PID控制理論來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。1 閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)模型建立 閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 液壓馬達的力矩

2、方程為： （1）負載流量方程為： （2）伺服閥的線性流量方程為： （3）電液伺服閥近似看成二階振蕩環(huán)節(jié)： （4）伺服放大器輸出電流I與輸入電壓Ue近似成正比，其傳遞函數(shù)可用伺服放大器增益Ka表示： 但通常的速度控制系統(tǒng)采用積分放大器，對原系統(tǒng)加以校正才能穩(wěn)定工作。校正后的積分放大器增益Ka表示為： 測速機速度傳感器（測速機）的數(shù)學模型為： 在上述公式中：為電液伺服閥閥芯位移；i為電液伺服閥輸入電流；分別為電液伺服閥的增益、阻尼系數(shù)和固有頻率；為馬達排量；為馬達的負載流量；為流量增益系數(shù)；為流量一壓力系數(shù)；只為供油壓力；為負載壓力；為馬達轉(zhuǎn)速；為從油液有效體積彈性模數(shù)；V為馬達的總?cè)莘e；為折算到

3、馬達輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量；為外干擾力矩；為馬達泄露系數(shù)；為粘性阻尼系數(shù)；G為扭簧梯度。Ue為積分放大器額定電壓，；Ka為積分放大器增益。為傳感器電壓；為速度傳感器增益。2 電液速度控制系統(tǒng)原理首先給出閥控液壓馬達速度控制系統(tǒng)的實際物理模型：如圖所示，該系統(tǒng)由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達、測速電動機等組成。測速電機軸與負載機軸相聯(lián)，用于檢測負載軸的速度，檢測到的速度信號與指令信號差（誤差信號）經(jīng)伺服放大器進行功率放大，產(chǎn)生的電流用來控制電液伺服閥的閥芯位置，電液伺服閥輸出壓力油驅(qū)動液壓馬達及負載旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所建立的物理模型，可以建立相對應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理的方框圖： 仿真系統(tǒng)動態(tài)方塊圖根據(jù)所給出

4、的系統(tǒng)原理方框圖以及所求得的各環(huán)節(jié)數(shù)學模型，可以得出仿真系統(tǒng)經(jīng)過積分環(huán)節(jié)校正后的系統(tǒng)動態(tài)方塊圖如下： 3 問題描述現(xiàn)有一閥控液壓伺服速度控制系統(tǒng)，其原理圖如圖1，考慮伺服閥的動態(tài)，伺服參數(shù)為：=3060e-6,=600,=0.5,液壓缸的參數(shù)為=1.25e6，=388，=0.94，放大器增益=0.05，試用simulink對該系統(tǒng)進行動態(tài)分析，并比較校正前后系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析校正前后的變化。4 解題步驟（1）根據(jù)給定的參數(shù)，利用simulink對該系統(tǒng)進行未加積分環(huán)節(jié)校正的系統(tǒng)建模，如下圖所示： 未校正系統(tǒng)的simulink模型（2）繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖。Matlab程序如下：clear al

5、l;clc;Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;sys=tf(Ka*Ksv*i*Kf*Kh,conv(1/Wsv2 2*zuni1/Wsv 1,1/Wh2 2*zuni2/Wh 1);Figure;margin(sys);grid;分析bode圖： 從圖可看出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量（Gm=-32.6dB,Pm=-128°）為負，可以斷定其閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。及時K0值調(diào)很低，對數(shù)幅頻特性曲線也是以-80dB/dec或-40dB/dec的斜率穿過零分貝線，系統(tǒng)的相位裕量和幅

6、值裕量都趨于負值，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了使系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度量，必須加校正環(huán)節(jié)。在速度控制系統(tǒng)中，可以用運算放大器組成積分放大器代替原來的放大器。積分放大器如下圖所示： 積分放大器其傳遞函數(shù)為：其中，Ka=0.05。加了校正之后的系統(tǒng)仿真方框圖如下： 校正后速度控制系統(tǒng)的仿真框圖矯正后的MATLAB程序：clear all;clc;Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;sys=tf(Ka*Ksv*Kh,conv(1/Wsv2 2*zuni1/Wsv 1 0,1/Wh2 2*zuni2/Wh 1);figure;margin(sys);grid;從伯德圖看出校正后的系統(tǒng)穿越頻率下降到247 rad/s,Gm=4.09dB,Pm=26.