电液速度控制系统建模与仿真.doc

引言液压伺服系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统按系统控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种电液控制系统的基本元件包括电磁阀、电液开关控制阀、光电耦合器、功率放大器、电—机械转换器、普通电液伺服阀(频宽数十赫)、高频电液伺服阀(国内产品 400 赫)、电液比例流量阀、电液比例压力阀、电液比例方向阀、电液复合阀、电液比例泵、电液通断控制阀、电液数字阀、电液数字缸、电液数字泵等 它们广泛用于机床工业、冶金工业、船舶工业、煤炭工业和工程机械等的控制系统中本文要研究的是电液速度控制系统及其仿真分析，是对电液速度控制系统的各个环节进行了数学模型的建立，并应用Matlab/Simulink对电液速度控制系统进行了仿真分析,通过幅频特性和相频特性的变化得到数学模型中各个部分对整个控制系统的影响1 绪论 液压控制是液压技术领域的重要分支近20年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。

目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等我国于50年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现已生产几种系列电液伺服产品，液压控制系统的研究工作也取得很大进展1.1 电液控制技术的发展及趋势 液压技术的发展与流体力学理论研究相互关联自1650年帕斯卡提出静态液体中的压力传播规律--帕斯卡原理以来，1686年牛顿揭示了粘性液体的内摩擦定律，18世纪建立了流体力学的连续性方程这些理论的建立为液压技术的发展奠定了理论基础从1795年，英国人首先制造出世界上第一台水压机起，液压传动开始进入工程领域在第二次世界大战期间，由于军事工业和装备的需求反应迅速、动作准确的液压传动及控制装置，从而研制出高精度液压伺服系统，促进了液压技术在元件和控制系统方面的发展 1939年美国麻省理工学院(M. I. T)成立随动系统研究室，在此基础上，1945年成立著名的“动态分析与控制研究室”(DACL)，短短几年取得重要的研究成果 50年代，出现高频响永磁式力矩马达70年代末，Comel在DACL of M.I.T的合作下，研制出第一台以喷嘴挡板阀为前置级的两级伺服阀，Moog公司将其形成产品，成为世界上最大的伺服阀生产厂之一。

60年代初，出现了干式力矩马达，解决了金属杂质吸附在磁气隙中所引起的故障问题，至此以后，各种结构的伺服阀相继出现，性能不断提高，工艺不断改善，成本逐渐下降，使得电液控制系统逐渐从军工，航空领域提高应用到工业领域中 近年来，电液技术取得了迅速发展，特别是液压与电子技术相互渗透，有机结合使得取得迅速发展现在，国外的生产厂家不仅提供单一的元器件，而且还能为用户提供成套系列产品此外，专家系统、人工智能控制己开始应用于电液传动与控制系统中，并取得一些可喜的成果现代控制理论和技术已广泛地应用于液压系统地设计、新产品的开发，并正朝着使液压系统具有高精度、高可靠性、优良的动态和稳态性能等方向发展此外，液压系统的数字仿真技术，CAD/CAM技术，检测、测量、故障诊断等也正在不断地逐步完善，并在实际工程中开始应用1.2 电液控制系统的特点及分类 电液控制系统是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到50年，然而，凭借它的优点却形成了流体传动与控制的一个重要分支，并成为现代控制工程的基本技术构成之一1.2.1 电液控制系统的特点 众所周知，电器和电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其他方式具有明显的优势。

1) 液压执行元件的功率--重量比和转矩--惯性矩比(或力--质量比)大，具有很大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元2) 液压系统的负载刚度大，精度高由于液压扛、行元件的泄漏很少，液体介质的体积弹性模量又很大，故具有较大的速度--负载刚性，即速度--力或转速--力矩曲线斜率的倒数很大，因此有可能用于开环系统用于闭环系统时则表现为位置刚度大，其定位精度受负载变化的影响小3) 液压控制系统可以安全，可靠并迅速地实现频繁的带负载启动和制动，进行正反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围 电气或电子技术和液压传动及控制相结合的产物--电液控制系统兼备了电气和液压的双重优势，形成了具有竞争力和自身技术特点 当然，在某些场合下，指令和反馈元件也可全部采用机械、气动或液压元件，此时，即称为机械--液压控制系统和气动--液压控制系统1.2.2 电液控制系统的构成工程实际中的电液控制系统，虽然功能和结构各不相同，但其基本构成是一样的系统的指令及放大单元多采用电子设备电--机械转换器往往是动圈式或动铁式电磁元件和伺服电机、步进电机等液压转换及放大器件可以是各类开关式，伺服式和比例式器件实际上是一功率放大单元。

液压执行元件通常是液压缸和液压马达，其输出参数只能是位移、速度、加速度和力或者转角、角速度、角加速度和转矩测量和反馈器件是将上述执行元件输出的动力参数或者其它中间状态变量加以检测并转换为反馈量，既可以采用电信号反馈至指令放大器，亦可以采用机械或液压方式反馈至电--机械转换器的输出端1.2.3 电液控制系统的分类 电液控制系统可按是否采用反馈可分为开环控制系统和闭环控制系统 1) 开环控制系统:若系统的输出量对系统的控制作用不产生影控制系统一般不存在所谓的稳定性问题 2) 闭环控制系统:闭环控制系统也就是反馈控制系统输入信号和反馈信号作用于放大单元和执行部件，使系统的受控对象的输出量趋近于期望值闭环系统的优点是对内部和外部干扰不敏感，但反馈带来了系统的稳定性问题 如果按输入信号或受控输出参数的特性来分，闭环控制系统又可分为伺服控制系统、自动调整系统和过程控制系统三类: 3) 伺服控制系统:这种系统的输出量能跟踪随机指令信号的变化，其受控量多是位移、速度、加速度、也可以是力和力矩它被广泛应用于飞机、船舶和雷达的运动控制 4) 自动调整系统:这是一种输出量是常量或随时间变化得很慢的反馈控制系统。

其任务是在内外干扰作用下保持系统输出量为期望值例如:恒温调节系统、动力机械的调速系统均是典型的自动调节系统5) 过程控制系统:该系统的输出量是给定的时间函数实现控制的这类系统被广泛应用于化工、冶金、造纸、食品等工业的工艺过程参数控制，如温度、压力、流量等1.3 选题的目的通过对电液伺服速度控制系统的设计和研究，掌握其传递速度和调节速度的机理和路线，并运用所学知识对传递信号的各零件进行确定和选择使其有利于使用，满足使用需要1.4 选题的意义就电液伺服系统而言，首先，它是一个严重不确定非线性系统，环境和任务复杂，普遍存在参数变化、外干扰和交叉耦合干扰；其次，电液伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求在高精度快速跟踪条件下，电液伺服系统中的非线性作用不容忽视这类系统扰动大、工作范围宽、时变参量多、难以精确建模这些特点对系统的稳定性、动态特性和精度都将产生严重的影响，特别是控制精度受负载特性的影响而难以预测本文就是在这种情况下，阐述在电液速度控制系统设计过程中采用PID控制（智能控制）和运用仿真技术来调节在各种干扰下系统的稳定性以及确保系统的精度要求32 电液速度控制系统数学模型2.1 阀控液压缸的数学模型由四通滑阀和对称液压缸组成的液压动力机构如图2-1所示。

它是阀控系统中最常见的动力机构，也是泵控系统地的前置级，作为变量泵的排量控制机构阀控液压缸的动特性决定于阀和液压缸，也和负载有关分析中按集中参数考虑，假定负载为质量、弹簧和粘性阻尼构成的单自由度系统 图2-1 阀控液压缸 Fig.2-1 cylinder controlled by valve2.1.1 阀控液压缸的基本方程1）液压缸流量--压力方程假定：(1) 阀为理想零开口四通滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的(2) 节流窗口处的流动为紊流，液体压缩性的影响在阀中于以忽略3) 阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位移和阀压降的变化相应的流量变化能瞬间发生 (4) 液压缸为理想双出杆对称液压缸5) 供油压力恒定不变，回油压力 为零 图2-1中各物理量的方向以箭头所示方向为正当阀作正向移动时，流进液压缸进油腔的流量为 （2-1）由液压缸回流腔流出的流量为 （2-2）由于管道和液压缸筒受压会膨胀，油液受压后会压缩，活塞杆处有外部泄漏，因此进入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等，即流经滑阀的两个节流窗口的流量不相等。

在研究液压控制阀时曾假定，流经滑阀的两个节流窗口的流量均等于负载流量，并得出一些相应的结论，现定义负载流量为流进液压缸的流量与流出液压缸流量之平均值，即 （2-3）负载压降仍定义为 （2-4）考虑到我们所研究的这种液压动力机构，其液压缸为对称缸，假定活塞处于中位并使液压缸两腔初始容积相等这时压缩流量对和影响是相同的，并不破坏和相等的条件此外，液压缸的外部泄漏通常很小，可忽略不计在这种情况下可以认为的结论仍然使用此时可以证明滑阀的两个节流窗口的线性化流量方程为 （2-5） （2-6）式中和的值分别等于滑阀总的流量增益和流量-压力系数，式（2-5）与（2-6）相加可得 （2-7）应该指出的适当活塞不在液压缸的中间位置时，由于两腔的压缩流量不同，破坏了和相等的条件。

这时的规律严格说来已不成立，即式（2-5）与（2-6）不成立了但是考虑到两腔压缩流量的数值与或相比较小，故对滑阀进出节流窗口的阀系数影响不大在这种情况下式（2-7）还应用 由于我们所研究的本来就是在稳态工作点附近作微量运动时的规律，为了简便，仍用变量本身表示他们从初始条件下的变化量，则上式可以再改写成 （2-8）2) 液压缸连续性方程假定：(1) 所有连接管道都短而粗，管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道动态忽略不计2) 液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和容积弹性模数可以认为是常数3) 液压缸内、外泄漏为层流流动 此时，可压缩流体的连续性方程可表示为 。