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1、閥控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)仿真分析引言 閥控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)的負(fù)載具有較大的慣性和很小的阻尼,其傳遞函數(shù)??山朴梢粚嵅繛榱愕臉O點組成,并有很低的動態(tài)響應(yīng),由于負(fù)載處在系統(tǒng)的閉環(huán)之中,所以它對閥控液壓馬達(dá)的動態(tài)品質(zhì)有很大的影響。此外,系統(tǒng)的負(fù)載常是可變的,系統(tǒng)設(shè)計只能針對一種特定負(fù)載,負(fù)載一旦改變,系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)就會變壞,有時甚至失去穩(wěn)定性,嚴(yán)重的影響了伺服系統(tǒng)的跟蹤性能。本文主要針對干擾力矩對系統(tǒng)的影響,利用結(jié)構(gòu)不變性原理,消除干擾力矩對系統(tǒng)的影響,同時利用PID控制理論來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。1 閥控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)模型建立 閥控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 液壓馬達(dá)的力矩
2、方程為: (1)負(fù)載流量方程為: (2)伺服閥的線性流量方程為: (3)電液伺服閥近似看成二階振蕩環(huán)節(jié): (4)伺服放大器輸出電流I與輸入電壓Ue近似成正比,其傳遞函數(shù)可用伺服放大器增益Ka表示: 但通常的速度控制系統(tǒng)采用積分放大器,對原系統(tǒng)加以校正才能穩(wěn)定工作。校正后的積分放大器增益Ka表示為: 測速機(jī)速度傳感器(測速機(jī))的數(shù)學(xué)模型為: 在上述公式中:為電液伺服閥閥芯位移;i為電液伺服閥輸入電流;分別為電液伺服閥的增益、阻尼系數(shù)和固有頻率;為馬達(dá)排量;為馬達(dá)的負(fù)載流量;為流量增益系數(shù);為流量一壓力系數(shù);只為供油壓力;為負(fù)載壓力;為馬達(dá)轉(zhuǎn)速;為從油液有效體積彈性模數(shù);V為馬達(dá)的總?cè)莘e;為折算到
3、馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量;為外干擾力矩;為馬達(dá)泄露系數(shù);為粘性阻尼系數(shù);G為扭簧梯度。Ue為積分放大器額定電壓,;Ka為積分放大器增益。為傳感器電壓;為速度傳感器增益。2 電液速度控制系統(tǒng)原理首先給出閥控液壓馬達(dá)速度控制系統(tǒng)的實際物理模型:如圖所示,該系統(tǒng)由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達(dá)、測速電動機(jī)等組成。測速電機(jī)軸與負(fù)載機(jī)軸相聯(lián),用于檢測負(fù)載軸的速度,檢測到的速度信號與指令信號差(誤差信號)經(jīng)伺服放大器進(jìn)行功率放大,產(chǎn)生的電流用來控制電液伺服閥的閥芯位置,電液伺服閥輸出壓力油驅(qū)動液壓馬達(dá)及負(fù)載旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所建立的物理模型,可以建立相對應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理的方框圖: 仿真系統(tǒng)動態(tài)方塊圖根據(jù)所給出
4、的系統(tǒng)原理方框圖以及所求得的各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型,可以得出仿真系統(tǒng)經(jīng)過積分環(huán)節(jié)校正后的系統(tǒng)動態(tài)方塊圖如下: 3 問題描述現(xiàn)有一閥控液壓伺服速度控制系統(tǒng),其原理圖如圖1,考慮伺服閥的動態(tài),伺服參數(shù)為:=3060e-6,=600,=0.5,液壓缸的參數(shù)為=1.25e6,=388,=0.94,放大器增益=0.05,試用simulink對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析,并比較校正前后系統(tǒng)穩(wěn)定性,分析校正前后的變化。4 解題步驟(1)根據(jù)給定的參數(shù),利用simulink對該系統(tǒng)進(jìn)行未加積分環(huán)節(jié)校正的系統(tǒng)建模,如下圖所示: 未校正系統(tǒng)的simulink模型(2)繪制未校正系統(tǒng)的伯德圖。Matlab程序如下:clear al
5、l;clc;Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;sys=tf(Ka*Ksv*i*Kf*Kh,conv(1/Wsv2 2*zuni1/Wsv 1,1/Wh2 2*zuni2/Wh 1);Figure;margin(sys);grid;分析bode圖: 從圖可看出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量(Gm=-32.6dB,Pm=-128°)為負(fù),可以斷定其閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。及時K0值調(diào)很低,對數(shù)幅頻特性曲線也是以-80dB/dec或-40dB/dec的斜率穿過零分貝線,系統(tǒng)的相位裕量和幅
6、值裕量都趨于負(fù)值,使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了使系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度量,必須加校正環(huán)節(jié)。在速度控制系統(tǒng)中,可以用運算放大器組成積分放大器代替原來的放大器。積分放大器如下圖所示: 積分放大器其傳遞函數(shù)為:其中,Ka=0.05。加了校正之后的系統(tǒng)仿真方框圖如下: 校正后速度控制系統(tǒng)的仿真框圖矯正后的MATLAB程序:clear all;clc;Wsv=600;zuni1=0.5;Ksv=3060e-6;Ka=0.05;i=3;Kf=0.175;Wh=388;zuni2=0.94;Kh=1.25e6;sys=tf(Ka*Ksv*Kh,conv(1/Wsv2 2*zuni1/Wsv 1 0,1/Wh2 2*zuni2/Wh 1);figure;margin(sys);grid;從伯德圖看出校正后的系統(tǒng)穿越頻率下降到247 rad/s,Gm=4.09dB,Pm=26.
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