基于MATLAB的电液位置伺服系统仿真分析

王勇亮 , 卢颖 , 潘春萍 , 梁建民(空军航空大学军事仿真技术研究所 , 吉林长春 130022 )摘要 : 以 MA TLAB 为开发工具 , 将其应用于运动平台电液位置伺服系统的仿真分析中 , 对如何提高电液位置伺服系统 的动态品质进行了分析和研究 , 给出了仿真分析结果 , 为电液位置伺服系统的仿真分析提供了更加通用 、准确和快捷的方 法 。关键词 : 电液位置伺服系统 ; MA TLAB; 仿真分析中图分类号 : TH13719文献标识码 : A文章编号 : 1001 - 3881 ( 2005) 6 - 150 - 3M A TL A B - ba sed S im u la t ion Ana ly s is for E lec trohydra u l ic Po s it ion Servo Sy stemWAN G Yong2liang, LU Ying, PAN Chun2p ing, L IAN G J ian2m in(M ilita ry Sim u la tion Techno logy R e sea rch In stitu te, A e ronau tica l U n ive rsity of A ir Fo rce, Changchun 130022 , Ch ina)A b stra c t: W ith MA TLAB , the sim u la tion ana lysis of movem en t p la tfo rm e lec trohyd rau lic po sition se rvo system wa s d iscu ssed, th is m e thod can offe r a gene ra l, accu ra te and qu ick mode fo r the sim u la tion ana lysis of se rvo system1The dynam ic fea tu re s of se rvo sys2 tem we re d iscu ssed, the sim u la tion ana lysis re su lts ca lcu la ted by comp u te r we re given1Keyword s: E lec trohyd rau lic po sition se rvo system; MA TLAB; Sim u la tion ana lysis出各元件和环节的传递函数 2 。( 1 ) 电液伺服阀的传递函数 传递函数为 :电液位置伺服系统在大型飞行模拟器上得到了广泛运用 , 现在几乎所有的飞行模拟器运动平台都采用 电液伺服系统 , 所以对电液位置伺服系统的动态品质 进行仿真分析一直是动感仿真技术行业不断研究的一 个课题。在常用的实现方法中一般采用个人编制计算 机软件的方法实现 1 , 使得对一个简单系统的计算也 变得很复杂 , 容易出错、通用性差 , 如果想随时观察 系统中某个参数的变化更是困难。MA TLAB 是一个面 向科学与工程计算的高度集成的软件工具 , MA TLAB 提供的 S IMUL IN K是一个用来对动态系统进行建模、 仿真和分析的软件包 , 在 S IMUL IN K环境中利用鼠标 就可以在模型窗口中直观地 “画 ”出系统模型 , 然 后直接进行仿真。 S IMUL IN K软件包的问世给电液位 置伺服系统的动态仿真分析提供了强大的武器 , 使人 们彻底摆脱了个人小作坊式的研究模式。1 电液位置伺服系统的组成及工作原理系统组成如图 1 所示。平台控制计算机实时接收 飞行方程解算出的与控制平台有关的各种信息并进行处理 , 经数模变换后成为电液伺服系统的输入信号 ,该信号经伺服放大后成为电液伺服阀的控制指令 , 驱 动液压缸平滑、稳定地伸缩 , 实时产生和被模拟的飞机相似的过载、姿态、振动等运动信息 , 同时液压缸22W ( s) = Q ( s) / I ( s) = Ks / ( s /s + 2s s /s + 1 )或W ( s) = Q ( s) / I ( s) = Ks / ( Ts s + 1 )式中 : K 为电液伺服阀增益 , Q 为输出流量 , I为输s入电流 , s 为伺服阀固有频率 , s 为伺服阀的阻尼比 , Ts 为伺服阀的时间常数。 在电液伺服系统的动态计算中 , 当电液伺服阀对系统的动态特性影响较大时 , 可以近似地把它看成为 一个振荡环节 , 影响较小时可以把它看成一个惯性环节或比例环节。本文主要研究液压缸在伺服系统中的 作用 , 所以将电液伺服阀的传递函数简化为常数 , 用 Ks 表示。( 2 ) 非对称液压缸的传递函数 设输入为 xv , 输出为 y, 传递函数为 : Kv = y2+2xvshs s + 1 2hh式中 : Kv 为速度放大系数 , h 为液压固有频率 ,为阻尼比。( 3 ) 位移传感器的传递函数h可用零阶、一阶和二阶微分方程来描述位移传感器输出输入之间的关系 , 但一般用零阶微分方程 , 所 以位移传感器的传递函数为 Gw f 。( 4 ) 伺服放大环节 该环节简化为比例环节 , 增益为 Ka 。3 仿真研究311 构造 S IMUL IN K仿真模型 3 依据实际选择的伺服阀、非对称液压缸、位移传 感器、伺服放大器等 , 给出以下参数 :的伸长量还经位移传感器送给比较放大器 ,闭环控制。2 电液位置伺服系统的数学模型依据图 1 可以推导出电液位置伺服系统的数学 模型 , 但 推 导 过 程 复 杂 , 且本文主要是对电液位置形成硬件伺服系统的静动态品质进行分析 , 所以下面直接给图 1电液位置伺服系统组成示意图151机床与液压 20051No16hhKs = 2115L /m inmA; Kv = 314;= 4Hz;=014; Gw f = 0101V / cm; Ka = 10将以上参数代入电液位置伺服系统的传递函数 中 , 利用鼠标器从 S IMUL IN K模型库中 “抓取 ”所需7311G ( s) = s + 23h 2s + s + 017312hh当阻尼比 h = 016, 液 压 固 有 频 率 h 分 别 取2H z、3H z、4H z、5H z、6H z 时 , 求伺服系统的阶跃 响应曲线的语句如下 :F requency1m w = 2 1 6;ko sa i = 016;figu re ( 1 )ho ld onfo r W h = w num = 7311;den = 1 /W h2 , 2 3 ko sa i /W h, 1 , 01731 ;step ( num , den) ;end在命令窗口运行 F requency程序 , 得到 系 统 的 阶 跃 响 应 曲 线 , 如图 5 所示。由图 5 可知增大液压固有频率能使系统的阶的模块 , 并按任务要求改变模块的参数设置 , 然后将其连接起来 , 就可以得到一个很直观的 S IMUL IN K仿 真模型 (图 2 ) , 图 2 中加入了 P ID 校正环节 , Kp 是 放大增益 , Ki 是积分增益 , Kd 是微分增益 , 这三个 参数根据仿真情况进行优化选择。S IMUL IN K提供了多种仿真用的数值算法 , 可以 根据所解决的实际问题选择合适的算法 , 然后输入仿 真时间、步长即可得到仿真结果。图 2 电液位置伺服系统的 S IMUL IN K模型312 仿真分析( 1 ) 无 P ID 环节的电液位置伺服系统 电液位置伺服系统没有加 P ID 环节 (图 2 ) ,跃响应的调节过程时间减少 , 有利于优化 系统的动态品质 , 但输图 5 液压固有频率增大时系统的阶跃响应曲线入信号经伺服放大后直接加到电液伺服阀上 , 由伺服阀控制非对称液压缸运动 , 同时位移传感器产生位置 反馈信号 , 形成闭环控制。当输入正弦信号时 , 伺服系统的输入输出信号如图 3 所示 , 当输入阶跃信号时 系统的阶跃响应曲线如图 4 所示。仿真研究还表明 , 当液压固有频率增大到一定程度时(本例是 5H z以上 ) , 它对伺服系统品质的影响不大。 当液压固 有频 率 h = 4Hz, 阻尼 比 h 分别 取014、016、018、110、112 时 , 求伺服系统的阶跃响 应曲线的语句如下 :D amp1mW h = 4;k isai = 014 012 112;figu re ( 1 )ho ld onfo r i = k isai num = 7311;den = 1 /W h2 , 2 3 i /W h, 1 , 01731 ;step ( num , den)end在命 令 窗 口 运 行D amp 程序 , 得到伺服 系统的阶跃响应曲线 , 如图 6 所示。由图 6 可图 3 电液位置伺服系统的输入输出信号由图 3 可以看出伺 服系统输出稳定 , 但输 出信 号 有 延 迟 和 失 真 ; 由图 4 可以看出系统响 应慢 , 阶跃响应的调节过程时间长。( 2 ) 增大液压固有图 4 系统的阶跃响应曲线频率和阻尼比后的电液位置伺服系统 4 为了直观地了解固有频率和阻尼比变化后电液位 置伺服系统的动态品质的变化情况 , 利用 MA TLAB 语句编程求出伺服系统的阶跃响应曲线。首先根据伺服系统的模型 (图 2 ) 求出伺服系统 的闭环传递函数 :知阻尼比在 018 110之 间 时 , 系 统 的 动 态 品 质 较 优 , 阻 尼 比 超过 110 时 , 产生过阻尼 ,图 6 阻尼比增大时系统的阶跃响应曲线使伺服系统的超调量过大 ,152机床与液压 20051No16调节时间过长。从以上分析可以看出 ,应曲线如图 7 所示 , 当输入阶跃信号时系统的阶跃响应曲线如图 8 所示。对照图 3 和图 4 可以看出 , 加 P ID 校正后 , 基本 上解决了伺服系统输出信号有失真、响应慢、阶跃响应的调节过程时间长等问题 , 调节过程时间由 615 s减少到 415 s, 还减少了信号延迟时间。4 结论根据电液位置伺服系统的数学模型 , 利用 MA T2LAB 及其可视化建模与仿真工具 S IMUL IN K对运 动平台电液位置伺服系统的静动态品质进行分析和研究 , 是一种更加通用、准确、快捷的方法 , 可以随时 更改某些参数 , 以观其对电液位置伺服系统的影响 ,也可方便地观察任何一点的参数变化情况。参考文献【1】王野牧 , 王结 1 液压伺服闭环控制系统的 S IMU 2L IN K仿真实现 1沈阳工业大学学报 , 20001【2】骆涵秀 , 李世伦 1MA TLAB 机电控制 1 浙江大学出版 社 , 20011【3】欧阳黎明 1MA TLAB 控制系统设计 1国防工业出版社 ,20011【4】郭淑娟 , 张和平 1液压位置伺服系统动态品质的计算 机仿真分析 1中南工业大学学报 , 19961作者 简 介 : 王勇亮 ( 1961 ) , 男 , 副教授 , 硕士 ,主要从事飞行模拟器动感仿真技术的研究工作。电话 :0431 - 6105013 (O ) , 6105218 ( H ) , 13074382337。收稿时间 : 2004 - 02 - 10增大液压固有频率和阻尼比虽然有利于优化伺服系统的动态品质 , 但不能从根本上解决系统输出信号有延迟和失真、响应慢、阶跃 响应的调节过程时间长等问题 , 并且选定液压元件后 , 有些参数是不能改变的 , 必须采取其它控制策略。下面采用 P ID 校正的方法 (图 2 ) 来优化系统的 静动态品质。( 3 ) P ID 校正后的电液位置伺服系统首先使用 P校正 , 因增大 Kp 可以降低静态误差 , 减小上升时间和调节过程时间 , 解决信号响应慢、调 节过程时间长问题 ; 选定合适的 Kp 值后再加上 D 校 正 , 选定合适的 Kd 值 , 因增大 Kd 可以降低超调量 , 解决信号延迟问题 ; 为解决信号输出失真的问题 , 加入积分校正 , 即采取 P ID 校正的方法 ,验 , 选定的 P ID 校正环节参数为 :Kp = 116 , Kd = 012 , Ki = 0101经多次仿真实采用 P ID 校正后 , 对于图 2 所示的电液位置伺服系统 , 当输入正弦信号(图 3 )时系统输出的正弦响(上接第 31 页 )最后一次走刀的形状 ;线的边或图元的形状 ,4 结论重定义曲面铣削数控 加工轨迹时 , 可以改变切削类型 (即选取一种不同的方法来定义切削线并指 定新的参数和参考 ) , 并 生成不同的刀具路径。走刀将首先模仿指定作为切削然后根据需要逐渐改变形状 ,以适应不同的曲面拓扑形状。使用切削线曲面铣削 ,可以生成形状与曲面拓扑相对应的切削线。相对于等 高线曲面铣削 , 此选项对切削线的实际形状提供了更多的控制。图 3 所示为开放端点切削线加工。图 4 按投影刀具路径进行的曲面铣削某些制造参数对不同的切削类型有不同的有效值。如果改变了切削类型 , 并且以前指定的参数值不 再可用 , 系统将把此参数设置为新切削类型的缺省 值。但是 , 如果一个参数值对新的和旧的切削类型都 可用 , 系统将不会改变该参数值。参考文献【1】孙江宠 1P ro / EN G IN EER 2001 数控加工教程 1 清华大 学出版社 1【2】钟建琳 1P ro / EN G IN EER 数控加工实用教程 1 机械工 业出版社 1作者简介 : 谢亚青 ( 1967 ) , 女 , 江苏淮安人 , 本科毕业 , 工学学士 , 江苏食品职业技术学院副教授 。收稿时间 : 2004 - 03 - 22图 3 开放端点切削线加工314 投影切削曲面铣削如果需要扫描曲面的方式 (例如需要生成螺旋 刀具路径时 ) 进行更多的控制 , 可使用投影切削的 曲面铣削 , 如图 4 所示。此方式只可用于三轴曲面铣 削。