數(shù)字液壓缸的建模分析

孫雪冬　潘越

摘 要：文章介紹了數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)及其基本工作原理，通過對數(shù)字液壓缸系統(tǒng)各個組成部件的分析，建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，并利用Matlab/Simulink仿真工具，對數(shù)字液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字液壓缸；傳遞函數(shù)模型；仿真分析

引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。在此背景下數(shù)字液壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)的電液伺服液壓技術(shù)相比，數(shù)字液壓的突出優(yōu)點(diǎn)是控制技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、同步性能優(yōu)越、響應(yīng)速度快、對油液的清潔度要求低。數(shù)字液壓缸是由步進(jìn)電機(jī)、液壓滑閥、閉環(huán)位置反饋機(jī)構(gòu)設(shè)計組合在液壓缸內(nèi)部，接通液壓油源，所有的功能直接通過專用數(shù)字控制器、計算機(jī)或PLC可編程控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖信號來直接控制液壓缸的位置、速度和方向，以實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)目標(biāo)控制。

1 數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1原理圖所示，步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號，其輸出軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過平鍵、平面推力軸承帶動閥芯旋轉(zhuǎn)，閥芯的左端為外螺紋，外螺紋與固定在缸上的固定螺母相互配合，固定螺母位置固定，在旋轉(zhuǎn)作用下閥芯發(fā)生軸向移動，此時閥口打開，高壓油經(jīng)液壓滑閥進(jìn)入液壓缸后腔，后腔壓力增加，空心活塞桿向左移動，前腔的液壓油經(jīng)液壓滑閥流回油箱，空心活塞桿向左運(yùn)動時，帶動固定在空心活塞桿上的絲杠螺母一起向左運(yùn)動，滾珠絲桿在軸向上不移動，滾珠絲杠發(fā)生與步進(jìn)電機(jī)旋向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，絲杠的右端與閥芯左端外螺紋連接，使閥芯左端的外螺紋反向旋轉(zhuǎn)，在固定螺母的作用下閥芯向右移動，閥芯復(fù)位，閥口關(guān)閉，一個步進(jìn)過程結(jié)束。液壓缸的行程與步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)成正比，運(yùn)動方向由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制，而其運(yùn)動速度與輸入脈沖的頻率成比例。因此可將復(fù)雜的液壓伺服閉環(huán)控制變?yōu)楹唵蔚牟竭M(jìn)電機(jī)開環(huán)控制[1]。

2 數(shù)字液壓缸的傳遞函數(shù)模型

數(shù)字缸的建模分析通常采用傳統(tǒng)機(jī)液伺服系統(tǒng)的線性化傳遞函數(shù)模型，經(jīng)過分析，忽略掉一些次要因素的影響，確立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型[2]。（如圖2所示）

3 數(shù)字液壓缸仿真分析

根據(jù)建立的數(shù)字液壓缸系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真分析[5]。（如表1所示）

表1 主要仿真參數(shù)

將參數(shù)代入傳遞函數(shù)中，并用MATLAB進(jìn)行仿真，可以得到該數(shù)字液壓缸系統(tǒng)的伯德圖，如圖3所示。

由仿真結(jié)果可得，系統(tǒng)在頻率為36.8rad/s處，曲線實(shí)現(xiàn)穿越，則相位穿越頻率為36.8rad/s，與此對應(yīng)的幅值裕度為20dB，幅頻特性曲線在頻率32.2rad/s時實(shí)現(xiàn)穿越，與此對應(yīng)的相位裕量為72°，由此可見，本系統(tǒng)穩(wěn)定，且系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度的取值均達(dá)到穩(wěn)定要求。

在額定負(fù)載下，給系統(tǒng)輸入振幅為3mm的正階躍信號和Z=3sin4πt的正弦信號，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4，5所示。

由仿真曲線可看出，由于此數(shù)字缸為單出桿非對稱結(jié)構(gòu)、活塞本身質(zhì)量及摩擦力還有負(fù)載干擾，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但影響幅度并不明顯?；钊麠U的輸出位移基本能夠跟蹤輸入的階躍信號和正弦信號，系統(tǒng)響應(yīng)精度及系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間上都比較理想，達(dá)到系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)數(shù)字缸的結(jié)構(gòu)及工作原理構(gòu)建系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，并利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由仿真結(jié)果可得該系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)總體性能滿足設(shè)計要求，為數(shù)字液壓缸的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)，具有重要參考價值。

參考文獻(xiàn)

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[5]王正林，王勝開，陳國順，等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：孫雪冬（1989-），男，河北邯鄲，河北工程大學(xué)，碩士學(xué)歷，研究方向：機(jī)械電子工程。

潘越（1972-），男，河北邯鄲，河北工程大學(xué)副教授，博士學(xué)歷，研究方向：大型設(shè)備故障診斷、煤礦機(jī)電設(shè)備研究。