液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)工作特性研究

李素平

（江蘇城市職業(yè)學院張家港辦學點，江蘇 蘇州215600）

1 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)的仿真研究

1.1 液壓變壓器控制液壓缸的連接方式

液壓油經(jīng)過液壓泵排出，再通過液壓變壓器進行變壓，利用換向閥輸出端的CPR網(wǎng)絡(luò)低壓油路進入液壓缸的有桿腔和無桿腔。有桿腔的壓力將控制在小于等于配流盤控制角所設(shè)計的壓力范圍內(nèi)，而有桿腔中的活塞桿因壓力上升而伸出。在停止供油時，泄油閥打開，活塞桿會因負載作用下的液壓變壓器缸體反轉(zhuǎn)而縮回，液壓油流入油箱。

但這種連接方式的缺點很明顯，如果液壓缸保持固定的移動方向，連接負載的端口產(chǎn)生變化，那么液壓變壓器就必須作反向旋轉(zhuǎn)運動，而輸出端的壓力會短暫消失，液壓變壓器不能得到連續(xù)控制。要解決液壓變壓器旋轉(zhuǎn)角度突變的問題，可將CPR網(wǎng)絡(luò)的高壓管路與有桿腔相連，利用無桿腔大于有桿腔的壓力來克服外負載，液壓變壓器起到升壓作用，不僅可連續(xù)回轉(zhuǎn)，而且可使液壓變壓器速度變化穩(wěn)定而平緩。同時，為解決液壓變壓器在該過程中的變壓比問題，有桿腔還需與低壓管路相連接，加裝換向閥和插裝閥，滿足液壓缸壓力變化的需求。

1.2 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)的仿真分析

在本文的研究中，我們對直線執(zhí)行機構(gòu)的控制采用的是斜盤柱塞式液壓變壓器，對擺動馬達轉(zhuǎn)動的控制采用的是電液伺服閥，以實現(xiàn)對配流盤轉(zhuǎn)動的控制。其次，為調(diào)節(jié)有桿腔的壓力，系統(tǒng)中采取單出桿非對稱液壓缸作為執(zhí)行元件，以實現(xiàn)在不同負載下的系統(tǒng)適應性。因此，本文的研究重點在于對液壓變壓器控制角進行控制，搭建Matlab/Simulink仿真模型，對其角位置伺服特性、液壓缸的開環(huán)和閉環(huán)進行仿真研究。

1.2.1 角位置伺服特性

通過分析可知，在PID的控制之下，控制角階躍響應以0.4 s時上升，在0.3 s時第一次達到穩(wěn)態(tài)，而達到穩(wěn)態(tài)值的時間是3 s，超調(diào)量滿足幅值10%的要求。在控制角斜坡響應方面，當斜率為10°/s、20°/s、25°/s時，控制角的跟蹤性能較佳；當斜率為50°/s時，時間滯后較大，為0.1 s。對于控制角正弦響應，當頻率為0.2 Hz和0.5 Hz時，相位的追蹤性能較好，幅值衰減不明顯，當頻率提高到1 Hz時，相位開始滯后，幅值稍有衰減，但仍滿足要求。

1.2.2 液壓缸的開環(huán)仿真

為得到不同高壓管路壓力下液壓缸位移的大小，我們將液壓變壓器控制角設(shè)置為50°、70°和90°，高壓管路壓力設(shè)置為6 MPa和8 MPa，負載質(zhì)量設(shè)置為500 kg和1 000 kg，得到如下結(jié)論：當控制角角度固定和高壓管路壓力相同時，負載大小和液壓缸上升速度呈反向狀態(tài)，而在負載固定和高壓管路壓力相同時，控制角大小和液壓缸上升速度呈同步狀態(tài)。

1.2.3 液壓缸的閉環(huán)仿真

在高壓管路壓力相同的情況下，負載大小的改變、液壓缸位置符合其伺服特性，滿足階躍響應。隨著高壓管路壓力的上升，負載階躍響應開始出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，超調(diào)量也會增大。當高壓管路壓力達到4 MPa時，超調(diào)量增加到50%，不能保證系統(tǒng)的良好運行。采用PID控制器的目的是實現(xiàn)位置反饋控制，使控制角和變壓比變化呈同步趨勢。

2 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)的方法

2.1 自適應反演控制器設(shè)計

基于液壓變壓器的非線性特征，為實現(xiàn)更好的控制效果，本文采取自適應反演控制方法來改善液壓變壓器的控制模式。首先，我們先定義4個有界且不確定因素d1～d4，其中，跟蹤信號期望值為d1，虛擬控制信號為d2～d4，狀態(tài)誤差為z1～z4。自適應控制律為待設(shè)計參數(shù)為γ＞0。

2.2 自適應反演控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

表1 穩(wěn)定性計算流程表

由此可得，對V求導的結(jié)果是≤0，可收斂至原點。所以，自適應反演控制系統(tǒng)的狀態(tài)指數(shù)能夠收斂到0，控制量將不會過分增長。

3 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)的實驗分析

根據(jù)前文的仿真結(jié)果和反演自適應控制器的設(shè)計，本文還需進行實驗分析，以求對系統(tǒng)性能的完善進行驗證。

3.1 液壓變壓器控制角位置伺服特性的性能實驗

由上文可知，液壓變壓器連接負載的端口壓力大小的改變是需要通過改變控制角來實現(xiàn)的，因此，液壓變壓器利用伺服閥控制擺動馬達轉(zhuǎn)角，以實現(xiàn)對配流盤轉(zhuǎn)角的控制。在控制角階躍響應實驗中，將壓力值設(shè)定為5 MPa，當幅值達到50°時，在1.3 s時第一次達到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量是2%，系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差達到1%，而將幅值設(shè)定為100°時，在2.7 s時第一次達到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量僅為0.5%，系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.24%；控制角斜坡響應實驗中，同樣將壓力值設(shè)定為5 MPa，當幅值達到60°時，斜率為5°/s、10°/s和20°/s的斜坡信號響應結(jié)果為2%以下，滿足了液壓變壓器對跟蹤的較小誤差要求，而當斜率為25°/s時，跟蹤誤差變大，有0.5 s的滯后值；在控制角正弦響應實驗中，依舊將壓力值設(shè)定為5 MPa，將正弦信號峰值設(shè)定為80°，周期為10 s、8 s和5 s時，相位滯后分別為0.1°、11.2°和14.3°，對幅值衰減的影響較小，能夠保證跟蹤輸入信號的工作順利進行，而在周期為2.5 s時，相位滯后達到了43.4°，幅值衰減更是上升到了49%，系統(tǒng)對于正弦響應信號的跟蹤已經(jīng)不能很好地響應了。

3.2 液壓變壓器控制液壓缸的性能實驗

對于液壓缸的閉環(huán)實驗，我們?nèi)?00 kg和1 000 kg的負載質(zhì)量，觀察其在5～8 MPa高壓管路壓力作用下的位移變化。當高壓管路壓力設(shè)置為5 MPa，負載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時，負載分別以0.14 m/s和0.092 m/s的速度上升，分別于11 s和71 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在此過程中超調(diào)量極小，可以忽略不計；當高壓管路壓力設(shè)置為6 MPa，負載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時，負載分別以0.185 m/s和0.116 m/s的速度上升，分別于8 s和9 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負載中超調(diào)量極小，可以忽略不計，但在500 kg負載中超調(diào)量達到了22%；當高壓管路壓力設(shè)置為7 MPa，負載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時，負載分別以0.206 m/s和0.128 m/s的速度上升，分別于10 s和8 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負載中超調(diào)量極小，可忽略不計，但在500 kg負載中超調(diào)量達到了22%；當高壓管路壓力設(shè)置為8 MPa，負載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時，負載分別以0.236 m/s和0.148 m/s的速度上升，分別于10 s和8 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負載中超調(diào)量極小，可以忽略不計，但在500 kg負載中超調(diào)量達到了35%。

4 結(jié)語

本文通過對液壓變壓器控制直線執(zhí)行機構(gòu)的仿真研究，以及液壓變壓器控制角位置伺服特性和液壓缸的性能實驗，證明了控制角位置伺服特性可以非常精準地控制液壓變壓器的變壓比以及液壓變壓器負載大小的改變對于輸出壓力有非常大的影響，具有一定的實際操作意義。

［1］盧紅影，姜繼海，于慶濤，等.液壓變壓器的特性分析［J］.液壓與氣動，2005（8）

［2］周瑞艷，盧紅影，劉宇輝，等.液壓變壓器變壓原理的理論分析與仿真研究［J］.機床與液壓，2007（1）