基于Matlab／Simulink的高速液压动力系统闭环控制研究.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 013 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 7 ． 0 3 9 基于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的高速液压动力系统闭环控制研究 王继哲 ，赵 月琴 ，张士卫 中国空空导弹研究院，河南洛阳 4 7 1 0 0 9 摘要应用于某机械弹射器的高速液压动力系统用于负载的高速弹射，通过设计的闭环控制系统可实现一定范围内的 弹射参数控制。在高速液压动力系统设计方案的基础上 ，运用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k对控制系统进行 了理论分析、建模和仿真。 对仿真结果进行分析，找出影响仿真结果的原因，为高速液压动力系统的工程实现提供理论依据。 关键词高速液压动力系统 ；闭环控制；弹射；Ma tl a b ／ S i m u l i n k 软件 中图分类号T H 1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 71 3 4 4 Re s e a r c h o n C l o s e d L o o p C o n t r o l f o r Hi g h s p e e d Hy d r a u l i c P o w e r S y s t e m Ba s e d o n M a t l a b ／ Si mu l i n k W A NG J i z h e ，Z HAO Yu e q i n，Z HANG S h i w e i C h i n a A i r t o A i r M i s s i l e R e s e a r c h I n s t i t u t e ，L u o y a n g H e n a n 4 7 1 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t Hi g h s p e e d h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m a p p l i e d i n s o m e m e c h a n i c a l e j e c t o r i s u s e d t o l a u c h l o a d f a s t l y ．B y t h e d e s i g n e d c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m，e j e c t i o n p a r a m e t e r s w e r e c o n t r o l l e d w i t h i n a c e r t a i n r a n g e ．Ma t l a b ／ S i mu l i n k w a s a p p l i e d t o c o n d u c t t h e o - r e t i c a t a n a l y s i s ， mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n h i s h s p e e d h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m d e s i g n s c h e me ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s w e r e a n a l y z e d a n d t h e r e a s o n s we r e f o u n d ． I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e e n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o n o f h i g h s p e e d h y d r a u l i c p o we r s y s t e m． Ke y w o r d s H i g h s p e e d h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m；C l o s e d c o n t r o l ；E j e e t i o n ；M a t l a b ／ S i m u l i n k s o f t w a r e 由于液压伺服系统具有独特的优点，因此被广泛 地应用于各工业部门。但随着科学技术的发展，对液 压伺服系统的要求也越来越高，特别是要求其具有很 高 的静态精度和 响应 速度 ，以及很 强 的抗 干扰 能力。 作者利用 D S P数字处理器 的高速性和新型 2 D数字 阀 良好的动态性能，设计了应用于某机械弹射器的 高速液压动力系统，目的是实现负载运动参数即垂直 速度和转角速度在一定范围内的动态调控。为了保证 系统具有 良好 的动态性能 ，对负载进行 闭环控制 ，并 利用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k对系统进行仿真，得到了系统 在高速下 的运动学特性 。 1 机构动力系统设计方案及系统数学模型 系统设计方案如图 1 所示。 系统工作原理如下高压气缸 3 左侧弹簧腔充满 液压油 ，右腔充满了高压气体；两柱塞缸 1 、5内装 位移传感器 6 、7 。高压气缸 3内高压气体驱动活塞 使弹簧腔内油液压力瞬时升高，2 D数字伺服阀⋯2 、 4分别控制进入两柱塞缸 1 、5的流量，使前柱塞缸 伸出行程大于后柱塞缸，行程通过内置位移传感器反 馈并控制伺服阀开度。弹射后，通过弹簧力使前后柱 塞缸和高压气缸回初始位置。 一一-一一一一 回一 一一 _ 一_ 一 一 l 前柱塞缸2 、 4 伺服阀 卜 高压气缸5 一后柱塞缸6 、 7 位移传感器 图 1 高速液压动力系统 系统工作流程图如图2 所示。根据图2可知需对 系统 5个部分进行数学建模 1 高压气体作用产 生 的油液压力 ； 2 D S P控制 伺服 阀开 口以及 伺服 阀的动态性能； 3 油液通过阀口的流量； 4 油 液 的连续性 ； 5 在 油液压 力的作 用下 ，油 液推动 活塞 、负载运动。 图 2 高速液压动力系统工作流程图 1 ． 1 油 源压 力 由于高压气体作用产生的压力p 对时间的变化 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 3 0 作者简介王继哲 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，现从事液压控制方面的研究。Em a i l w a n g j i z h e 0 5 1 9 5 6 1 6 3 ． c o m。 第 l 7期 王继哲 等 基于 Ma t l a b ／ S i m u l i n k的高速液压动力系统闭环控制研究 ‘1 3 5 情况没有准确的表达式 ，用下列二次函数近似表示 一 一 ‘ ㈩ 其 中 P 为油液平 均压力 ； t 。 为高压气作用有效时间。 1 ． 2 伺服 阀开口及其动态性能 通 过 D S P控 制 伺服 阀开 口，因为 文 中只是 对 控 制系统进行仿真，根据仿真的需要 ，略去 D S P ，直接 给出伺服阀初始开口度。为了让仿真更加接近实际情 况，需知道伺服阀动态性能。根据文献[ 1 ] ，将伺 服 阀用一 阶陨性环节描述如下 石 1 2 1 ． 3流 量方程 当伺服 阀有一定开 V I 时 ，油液通过伺服 阀的流量 为 c √ 3 其中c 为流量系数 ； 为窗口面积梯度 m ； 为 阀芯位移 m ； P为液体密度 k g ／ m ； P 为油源压力 P a ； P 为负载压力 P a 。 1 ． 4连 续性 方程 假定所有连接管道都是短而粗的，且管道内的摩 擦损失 、流体质量影响忽略不计 ；柱塞缸的 内外泄漏 为层流流动；根据伺服阀的特点，及由于油液的连续 性流过伺服 阀的流量和在柱塞缸 内油液流量相等 ，可 得连续性方程为 2 Q L A d t c v a p L 4 其中c ． 为柱塞缸总泄漏系数 I l l ／ N s ； 为柱塞缸 的总有效容积和 阀 一缸之间管路 容 积之和 11 1 A为活塞杆面积 m ； 为液体体积弹性模量。 1 ． 5 负载力平衡 方程 忽略库仑摩擦等非线性负载，忽略油液的质量 ， 根据牛顿第二定律，可得 A p m g。m B f 5 其中K 。 为弹簧的弹性系数 ； 为黏性阻尼系数 ； ／为干扰 N 。 式 3 、 4 、 5 是阀控液压缸的 3 个基本方 y K x x K , { V s 6 s t ＼ ∞ h ， 其中 为柱塞缸固有频率 r a d ／ s ，∞ N m 堑 V ； 纳 柱 塞 缸 阻 尼 比 A V 厘 V 8 o ／ v； 为 流 量 增 益 rn 2／ s ， K x C a w √ 寺 ； 2 图3 系统线性化模型结构图 2仿真分析 因为油液平均压力 、高压气作用有效时间、阀开 口度 、柱塞缸初始有效体积 、负载质量等对系统的影 响在系统开环控制 中已有研究 ，这里不再 叙述。文中 主要研究柱塞初始有效体积、负载质量和干扰在系统 闭环控制 中对 系统 的影 响。 闭环控制结构图如 图 4所示。其 中，前柱塞缸 为主动缸 ，后柱 塞 缸 为被 动缸 。主动 缸 的输 入为 步 进 电机旋 转 角度 ，主 动缸 的位移输 出为被 动缸 的输 入 。 亘 图4 闭环控制结构图 机床与液压 第 4 0 卷 2 ． 1 仿真条件和仿真 图 假设负载长度为 ，这样转角速度和两缸速度差 之间有 如下关 系 一 孚 r a d ／ s 7 厶 所以可用两缸速度差表示转角速度。 仿真条件如表 1 所示。 C 表 1 仿真条件 有效体积弹性系数／ M P a 7 5 8 弹簧刚度／ N m 6 ． 2 5 X 1 0 4 阀流量系数0 ． 6 8 油液密度／ k g m。8 5 0 泄漏系数0 油源平均压力／ M P a 3 0 柱塞面i , ／ m 1 ． 5 1 0 高压气作用有效时间／ s 0 ． 1 主动缸非线性仿真模型如图5所示。 图5 主动缸非线性模 2 ． 2控 制方 法 为了取得较好的控制效果，对闭环系统采用 P I D 进行控制。基本方程为 K pe ㈤ K if e H K 其中K 。 为比例系数； K i 为积分系数； 为微分系数。 2 ． 3 未加入干扰时的仿真 由于负载重心 的变化 ，柱塞缸 1 、2对应 的负 载质量也不同，分别设 为 m 、m 。假设 m 。 m 2 5 0 k g 。因为柱塞面积确定 ，所 以柱塞初始有效体 积可用柱塞初始有效体积长度表示。假设柱塞初始 有效体积长度 为 4 0 m i l l 。取 K 。 0 ． 0 0 0 1 ，K 0， gd0． 0 01 。 2 ． 3 ． 1 负载质量对主动缸垂直速度的影响 在 ml 1 7 0 k g ，m 2 8 0 k g 和 m l 1 2 5 k g ，m2 1 2 5 k g 两种情况下进行仿真。仿真 线为主动缸垂直 速度曲线，如图6所示。从图中可以看出，在较短时 间内主动缸垂直速度能达到 5 m ／ s 。 图 6 两种负载质量下速度曲线 2 ． 3 ． 2 初始有效体积长度对运动参数的影响 取不同初始有效体积长度进行仿真。图 7为 ／ ／ ／ ,- 1 7 0 k g 。m， 8 0 k g 时柱 塞不 同初 始有效 体积 长度 下的速度差曲线 。图 8为 m 1 2 5 k g ，m 1 2 5 k g 时 柱塞不同初始有效体积长度下的速度差曲线。从两图 中可以看出，不同初始有效体积长度下速度差能达到 0 ． 5 m ／ s ，但效果不佳 ，柱塞初始有效体积越小，振 荡越小 ，效果越好。从式 6 可以看出，初始有效 体积长度越小，柱塞缸阻尼比越大 ，固有频率越高。 第 l 7期 王继哲 等基于 Ma t l a b ／ S i mu l i n k的高速液压动力系统闭环控制研究 ‘ 1 3 7 因此，在设计高速液压动力系统时，应尽量增大柱塞 缸阻尼比和固有频率。由于液压油有效体积模量非常 大，可知初始有效体积长度对单缸速度和位移基本上 没影响，所以不同初始有效体积长度下两缸垂直速度 在较 短时间内都 能达到 4～ 5 m ／ s 。 图7 ml 1 7 0 k g ，m2 8 0 k g 时初始 有效体积长度对速度差的影响 图 8 ml 1 2 5 k g ，m 2 1 2 5 k g 时初始 有效体积长度对速度差的影响 2 ． 3 ． 3 加速度对 负载运 动参数 的影 响 在 m1 1 7 0 k g ，m 8 0 k g 情 况下 ，加 入加 速度 控制。由于加速度控制实际上是补偿了负载压力，根 据结构不变形原理 ，从图3中可以看出，实际上是 消除了柱塞初始体积 的影响。仿真结果证实了这 一 结论，如图 9 所示。 f ， s 图9 加速度控制在各初始有效体 积长度 时对速度差 的影 响 图 1 0 是 m 。 1 2 5 k g ，m 1 2 5 k g时的速度差曲 线。从图中可以看出加入加速度控制后，在两种质 量情况下，在主动缸垂直速度达到 5 m ／ s的情况下， 速度差都能达到 0 ． 5 m ／ s ，且过程很平缓。 0． 5 0 ． 4 5 o ． 4 O ． 3 5 f 0 ． 3 0． 25 0． 2 O． 15 0． 1 0 ． 0 5 0 图 1 0 m 1 1 2 5 k g ，m 21 2 5 k g 时加 入加速度控制的速度差曲线 2 ． 4 在 系统中加入干扰进行仿真 在 m 1 7 0 k g ，m 8 0 k g 情况 下 ，取柱塞 初始 有效体积长度为 1 0 m m，加入加速度控制。因为高压 气作用时间较短，干扰用阶跃函数表示，且为阻力。 取若干数值的干扰力进行仿真，如图 1 1所示。从 图 中可以看出 干扰力小 于 1 0 0 0 N时 ，对系统基本 没 影响；取为 1 0 0 0 0 N时，对系统有较大影响。 图 1 1 各干扰力对系统速度差的影响 3结论 本文对液压调节闭环控制系统进行了仿真分析， 仿真发现该系统在所选择控制算法下能满足性能指标 要求。在负载压力补偿前，减少柱塞初始有效体积长 度 ，可以增大柱塞缸阻尼比和固有频率，提高系统性 能。在进行负载压力补偿后 ，有效消除了柱塞初始有 效体积长度的影响，更好地提高了系统性能，而且系 统对小于 1 0 0 0 N的干扰力有很好的抵制作用。但 是 ，因为系统的高速性，要求 D S P和位移传感器必 须有很高的处理速度和响应速度，同时，要求伺服阀 下转第 1 4 0页 1 4 0 机床与液压 第4 0卷 这种情况 ，设计 了裁 减 边 界 图 5 b ，用 以去 掉 边界 以外重复切 削 的刀轨 ，得 到 了图 5 e 中 的刀具 轨迹 。该工 步的加 工时 间也 由之 前 的 1 5 ra i n缩减 为 1 0 mi n。 通过修 剪边 界、在切 削参 数 中设 置 I P W I n P r o c e s s Wo r k p i e c e 为 3 D模式以及选用更加合理的 操作方法。经某型壳体零件加工验证，在不改变切 削参数 、不改变刀具和机床 的情况下 ，机床实际加 工时间由之前的 1 1 h缩减到 6 h以内，效果十分显 著 。 a 初始生成的刀轨 b 设定裁减边界 c 优化后的刀轨 3 数控加工参数的选择4 结束语 和传统的机械加工一样，数控加工依然离不开合 随着新材料 、新技术 、新工艺的不断涌现，壳体 理、优化的数控工艺，离不开精准科学的装夹 ，离不 零件的数控加工技术也将随之快速发展。这需要广大 开合理选用刀具以及切削参数等等这些必备的数控技 技术人员不断地总结和提高，使数控加工技术在航空 术基础。其中加工参数的选择关系到加工系统的生产 液压壳体零件的加工中发挥更大的作用。 率、生产成本以及产品的加工质量。加工中重要的切 参考文献 削参数有主轴转速、进给速度 、加工步距、加工深度 【 1 】 刘雄伟， 张定华， 王增强， 等． 数控加工理论与编程技术 和加工余量等，一般在选择这些参数时既要考虑零件 [ M] ． 2 版． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． 的加工精度又要考虑机床的加工效率。 【 2 】吴宝海， 张莹， 罗明， 等． 高效加工技术在航空发动机制 壳 体类零 件 多为单 件 小批 量混 线 生 产 ，在 排 产 造领域的发展和应用 [ J ] ． 航空制造技术， 2 0 1 0 2 1 时会根据设备的占用情况 临时调整加工设备 ，这就 厶 需 要编 程人员要 按 照不 同机床 的特 点 合理 选 择切 削 【 3 】 盛永华 基于 I P W 的模具模块数控加工工艺研究[ J ] 量 ， I I P ,。 外 机 电 一 体 宜 采 用 小 切 深 、 快 进 给 的 切 参 数 ， 主 轴 转 速 为 妄 ；| 4 。 _ ’ 0 o 0 ～ 1 8 0 00 r ／ m ⋯ i n ． 率 定 o 二 ． [ 5 1 浅 谈 铣 加 工 的 装 夹 方 式 [ J ] ． 装 备 制 造 技 5 0 0 0 m m ／ mi n 。普通的立卧加工 中心一般采用大切 术 ， 1 0 1 1 7 17 2。 7 4． 深、中速进 给 的切 削方式 ，主轴 转速 为 4 0 0 0～ 【 6 】高亮 ．数控加工参数优化的研究现状于进展[ J ] ． 航空 6 0 0 0 r ／ mi n ，进给率 为 1 5 0 0～2 0 0 0 m m ／ m i n 。在精 制造技术 ，2 0 1 0 2 2 4 8 5 1 ． 加工高精度密封面时 ，还应适当降低进给速度和切 【 7 】 戈和伟． 航空液压壳体类零件数字化高效加工[ J ] ． 航 削步距 。 空制造技， 2 0 0 9 1 4 1 0 0 1 0 1 ． 上接 第 1 3 7页 的响应速度要尽量快于位移传感器的响应速度。若采 用加速度控制，快速、准确地得到负载加速度也是值 得考 虑的 。 参考文献 【 1 】阮健 ， 李胜， 孟彬． 2 D数字伺服阀[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 9 7 78 1 ． 【 2 】 刘长年． 液压伺服系统优化设计理论[ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 【 3 】朱发明， 阮健 ， 李胜， 等． 电液数字伺服双缸同步控制系 统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 4 9 5 1 ． 【 4 】王勇亮， 卢颖 ， 潘春萍， 等． 基于 M A T L A B的电液位置伺 服系统仿真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 6 1 5 01 5 2 ． 【 5 】 龚跃明． 电液数字伺服阀同步系统的研究[ D ] ． 杭州 浙 江工业大学， 2 0 0 7 ． 【 6 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