關(guān)于電液伺服控制系統(tǒng)的點(diǎn)滴思考

趙天陽

（河北南玻玻璃有限公司，河北 廊坊 065000）

一、液壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究概述

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高，采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究人員對系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

（一）液壓系統(tǒng)動態(tài)特性簡述

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性，原因主要是由傳動與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統(tǒng)各參變量隨時(shí)間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。

（二）仿真環(huán)境簡介

基于Matlab平臺的Simulink是動態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中著名的仿真集成環(huán)境，它在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Simulink借助Matlab的計(jì)算功能，可方便地建立各種模型、改變仿真參數(shù)，有效解決了仿真技術(shù)中的問題。

二、電液伺服控制的現(xiàn)狀與發(fā)展簡介

我國的電液伺服發(fā)展水平目前還處在一個(gè)發(fā)展階段，雖然在常規(guī)電液伺服控制技術(shù)方面，我們有了一定的發(fā)展。但在電液伺服高端產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)方面，我們距離國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有著很大差距。電液伺服技術(shù)是集機(jī)械、液壓和自動控制于一體的綜合性技術(shù)，要發(fā)展國內(nèi)的電液伺服技術(shù)必須要從機(jī)械、液壓、自動控制和計(jì)算機(jī)等各技術(shù)領(lǐng)域同步推進(jìn)。

（一）測控系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)隨著數(shù)字控制理論的成熟以及高速DSP技術(shù)的發(fā)展。全數(shù)字化測控系統(tǒng)已經(jīng)成為今后測量控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。動態(tài)電液伺服全數(shù)字測量控制系統(tǒng)，不僅要求硬件運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高，同時(shí)還要求在軟件和數(shù)字控制理論方面要有新的突破。這樣才能滿足電液伺服控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制精確、穩(wěn)定可靠的要求。目前，美國MTS公司的TeststarII全數(shù)字控制器，運(yùn)算頻率可以達(dá)到5000次/秒，控制特性在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上，還具有前饋控制、頻率反向補(bǔ)償控制、幅度控制和壓差等輔助控制特性。因此數(shù)字控制器由于其豐富的運(yùn)算功能，其控制非常靈活，是模擬控制系統(tǒng)無法比擬的。國內(nèi)目前技術(shù)成熟的全數(shù)字動態(tài)控制器還沒有進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，還需要有一個(gè)發(fā)展研究的過程。

（二）液壓件

國內(nèi)液壓件的整體水平目前還比較落后，主要采用橡膠密封結(jié)構(gòu)方式，易老化泄漏、體積笨重、集成度低。隨著機(jī)械精密加工技術(shù)的成熟，國外密封大都采用球面和錐面配合密封方式，結(jié)構(gòu)簡單，密封性能可靠。今后改善國內(nèi)液壓件結(jié)構(gòu)還需要在工藝性上下功夫，需要一個(gè)系統(tǒng)的完善過程。

三、電液伺服控制系統(tǒng)的模型建立

（一）建模方法簡介

為了研究系統(tǒng)某些特定的運(yùn)動規(guī)律，通常先構(gòu)建其物理模型，再用數(shù)學(xué)模型來描述該系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型是用來描述系統(tǒng)的信息或能量傳遞規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，將系統(tǒng)輸出變量、輸入變量和內(nèi)部有關(guān)參變量有機(jī)地聯(lián)系在一起，便于對系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。數(shù)學(xué)模型具體的表達(dá)形式多種多樣。對于液壓系統(tǒng)來說，常用的數(shù)學(xué)模型是連續(xù)的定常集中參數(shù)模型，主要形式有微分方程、傳遞函數(shù)、方塊圖與信號流圖以及狀態(tài)變量數(shù)學(xué)模型等。建模方法主要有解析法、傳遞函數(shù)法、狀態(tài)空間法和功率鍵合圖法等。

（二）電液伺服控制系統(tǒng)建模

利用典型的工件疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)模型建立，基于MATLAB/simulink環(huán)境，介紹電液伺服控制系統(tǒng)建模的一般方法。

四、電液伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真

動態(tài)設(shè)計(jì)的目的是分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性等動態(tài)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真方法逐漸得到廣泛應(yīng)用，對改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)可靠性都具有重要意義。以負(fù)載擾動作用下帶材糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例介紹電液伺服控制系統(tǒng)在MATLAB/simulink環(huán)境下動態(tài)設(shè)計(jì)與仿真的一般方法。

（一）負(fù)載擾動誤差的計(jì)算

帶材糾偏控制系統(tǒng)主要由指令元件、光電檢測器、伺服放大器、伺服閥、液壓缸和負(fù)載等元件組成。光電檢測器和放大器（合稱為光電控制器）響應(yīng)均很快，可視為比例環(huán)節(jié)，其總增益Ka值可根據(jù)系統(tǒng)需要由伺服放大器進(jìn)行調(diào)整。伺服閥與液壓缸－負(fù)載的傳遞函數(shù)可由樣本查取。

（二）系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。在通常情況下，負(fù)載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差相對于控制系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)誤差，數(shù)值較小，一般不會對系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生太大的影響。但如果對系統(tǒng)負(fù)載擾動作用下引起的穩(wěn)態(tài)誤差提出了明確要求，或者計(jì)算出總的穩(wěn)態(tài)誤差大于系統(tǒng)誤差性能指標(biāo)，需要減小負(fù)載誤差，則由此來確定系統(tǒng)開環(huán)增益，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可能是不穩(wěn)定的。

（三）系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)（時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)），對負(fù)載擾動作用下的電液位置伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行校正，只要設(shè)計(jì)合理，能夠有效減小或消除負(fù)載擾動對系統(tǒng)影響，滿足系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)，可采用不同的校正方法。

利用MATLAB/simulink、AMESim等仿真環(huán)境，對電液伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能仿真與校正設(shè)計(jì)簡便直觀，能夠起到較好的效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠大大簡化設(shè)計(jì)流程，在仿真過程中可以方便地模擬實(shí)際系統(tǒng)，反復(fù)調(diào)整各種參數(shù)，很快達(dá)到最佳設(shè)計(jì)要求。