基于结构不变性原理的有效提升液压伺服系统动特性的新方法VIP免费

2004年第7期液压与气动59基于结构不变性原理的有效提升液压伺服系统动特性的新方法高峰，茅及愚，李维嘉OneNovelWaytoEnhancetheDynamicPerformanceofServoSystembyEmployingStructureUnchangeablePrincipleGaoFeng，MaoJi—yu，LiWei—ji(华中科技大学交通学院轮机所，湖北武汉430074)摘要：为提高液压伺服系统快速响应性和平滑输出的要求，在重新定义负载流量、负载压力基础上建立了新的系统数学模型。运用结构不变性原理，导出输入控制的补偿量来抑制外界干扰使系统始终工作在最佳设计状态。仿真和样机试验的结果表明，该方法抗负载扰动能力强，对高频信号响应更快，可大大改善系统动态响应性能。同时，该方案只对原伺服系统稍加改装，操作简易可靠，实用性强。关键词：结构不变性；伺服系统；负载压力；负载流量中图分类号：TH137文献标识码：B文章编号：1O004858(2004)07—0059—03前言液压伺服系统具有功率重量比大、体积小、输出力或力矩大和抗负载刚度好等优点，因此被广泛应用于工业生产各个领域。但是液压伺服系统本质上是一个高度非线性、时变的系统，其参数变化、交联耦合和负载干扰引起的不确定性是电液伺服系统中难于处理的棘手问题。如采用3A结构的六自由度飞行模拟器运动平台，其每支执行器上各种干扰叠加可使活塞杆输出力产生几十倍、上百倍幅度的变化。而模拟器运动平台要求伺服系统既要对信号做出快速响应，其输出又要尽量平滑。因此，消除这种不确定性，使伺服系统始终工作在最佳设计状态就成了电液伺服工程应用中急待解决的问题。样机试验和计算机仿真结果表明，基于结构不变性原理的算法可以大大抑制这些干扰，提高系统固有频率和动态性能。这种方法的算法结构简单，实时性和鲁棒性强，适用于非线性、快时变的液压伺服系统。按照结构不变性理论，一个电液伺服系统只需寻找1个可观测量和设置1个补偿装置就可以同时消除上述3种影响，使系统始终保持在最佳设计状态。理论推导和试验均证明，对于位置型和速度型的电液伺服系统来说，观测量是指伺服阀的负载压力；对于施力型的电液伺服系统来说，观测量是负载的速度。显然这种观测量是不难测量的，而补偿装置仅仅是一个放大环节或是一阶微分环节，因而容易实现。下面我们就以位置型伺服系统为例，具体说明其实施方案。1建立新的数学模型图1是位置型电液伺服糸统的大致结构，其中包图1简单伺服系统结构图括有电液伺服阀、执行器、AD／DA转换卡、伺服放大器、传感器以及工控机等。为节约生产成本和减小设备安装场地空间，液压伺服系统大量采用的是非对称执行器。为避免活塞杆换向时，液压缸内压力会跳变，从而导致噪声、振动和气蚀等不良后果，通常用非对称的伺服阀完全匹配非对称液压缸，来消除执行器活塞收稿日期：2(K)4-01．22作者简介：高峰(1976_-)，男，湖南省沅江市人，硕士研究生，主要从事伺服系统及其智能控制的科研工作。维普资讯http://www.cqvip.com液压与气动2004年第7期杆换向时液压缸内的压力突变现象。非对称阀缸完全匹配数学表达为：W2／Wl=A2／A1=m(1)式中A——无杆腔活塞有效作用面积A，——有杆腔活塞有效作用面积W——与无杆腔相连阀口面积梯度，——与有杆腔相连阀口面积梯度m——为小于1的常数稳态时液压缸总是满足力平衡方程和流量平衡方程：PlA1一p2A2=FL(2)Q1／A1=Q2／A2(3)式中P．——无杆腔压力，Pap2——有杆腔压力，PaQ——无杆腔流量，m3／sQ2——有杆腔流量，m3／s重新定义负载压力PL=FL／A1，将式(2)代人可得PL=Pl—mp2(4)在忽略泄漏的情况下(试验样机的泄漏非常小)，液压缸两腔的流量连续性方程为：Q1：瓦V1dpl+dV1(5)一一dV2(6)式中1、——两容腔体积，m3——液压油体积弹性模量，Pa设10、为液压缸两腔的初始体积，Y为液压缸位移，V1=V10+A1Y，V2=一A2Y可得：dt：A1dt(7)一l＼／：一dtdt1dt(8)一＼u，将式(6)乘以m和式(5)相加可得：Q。+_(1+。+(9)一m+(+mz)一m+百I+J设活塞在V10==Vt／2处作微小位移运动，A1y《／2，的值很大，所以式(9)中最后一项可以忽略不计。dpL=d(p1一mp2)，故由式(9)除以1+m，可得液压缸流量连续性方程：Q=A·sy+(10)液压缸力平衡方程为：A1PL=Ms2Y+，L(1...