時間:2016-05-03 11:20:30來源:韓紅敏
前言
電液伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣、比功率大、耐用性高等優(yōu)點,在車輛船舶、工程機械、武器系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。為了進行電液伺服系統(tǒng)的分析、仿真與控制,需要構(gòu)造電液伺服系統(tǒng)的模型,但其固有的流量-壓力曲線、液體壓縮、電磁轉(zhuǎn)換、飽和摩擦等非線性因素,使得難以獲得電液伺服系統(tǒng)的精確模型。
電液位置伺服系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問題,其根本任務(wù)就是通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)被控量對給定量的及時和準確跟蹤,并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試水平的重要指標。它由電信號處理裝置和若干液壓元件組成,元件的動態(tài)性能相互影響,相互制約及系統(tǒng)本身所包含的非線性,致使其動態(tài)性能復(fù)雜。因此,電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真受到越來越多的重視。
本文以比例方向閥實現(xiàn)對伺服油缸的位置控制,加入位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用NI公司的USB-6008數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出控制等多項功能,以LABVIEW和MATLAB混合編程實現(xiàn)了良好的實時控制功能。
1液壓系統(tǒng)特性簡述
隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴大,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)計遠遠不能滿足要求。因此,現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計研究人員對系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究,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。
液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達新的平衡狀態(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)各參變量隨時間變化性能的好壞,決定系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性(系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動情況)以及過渡過程品質(zhì)(執(zhí)行、控制機構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度)問題。
液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程,然后在計算機上求出系統(tǒng)中主要變量在動態(tài)過程的時域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng),可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況,從而獲得對系統(tǒng)動態(tài)過程直接、全面的了解,使研究人員在設(shè)計階段就可預(yù)測液壓系統(tǒng)動態(tài)性能,以便及時對設(shè)計結(jié)果進行驗證與改進,保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性,具有精確、適應(yīng)性強、周期短以及費用低等優(yōu)點。
2系統(tǒng)原理及建模
2.1系統(tǒng)組成及原理
電液位置伺服控制系統(tǒng)以液體作為動力傳輸和控制介質(zhì),利用電信號進行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號,執(zhí)行元件就能啟動、快速并準確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:
圖1電液位置伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2電液位置伺服系統(tǒng)建模
建立電液伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù),需要根據(jù)連續(xù)性方程、牛頓定律等物理法則,分別對伺服閥、液壓缸等環(huán)節(jié)建立函數(shù)表達式,并聯(lián)立求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。具體地,需要建立伺服閥方程、伺服閥流量方程、連續(xù)性方程和力平衡方程。
2.2.1伺服閥方程
伺服閥是具有復(fù)雜高階非線性特性的器件。在實際中,通??梢詫⑺欧y簡化等效為一階系統(tǒng)(低頻)或者二階系統(tǒng)(高頻):
其中Q為伺服閥輸出流量,u為電壓控制信號,Kv為伺服閥增益,τv為伺服閥時間常數(shù)。
其中ζn為伺服閥阻尼系數(shù),ωn為伺服閥自然頻率。
上述的伺服閥帶寬、增益、阻尼系數(shù)和自然頻率等參數(shù),可以查閱廠商提供的相關(guān)手冊獲得,從而得到伺服閥的傳遞函數(shù)表達式。在自動定深電液伺服系統(tǒng)中,伺服閥的時間常數(shù)、阻尼系數(shù)均較小,為簡單起見,可以忽略伺服閥的動態(tài)特性,而直接得到伺服閥的閥芯位移與輸入信號u的關(guān)系:
xv=Kvu
其中xv表示伺服閥的閥芯位移,u為電壓控制信號。
2.2.2伺服閥流量方程
為確定伺服閥的流量方程,預(yù)先假定伺服閥的控制窗口是配作且對稱的,油源壓力是恒定的。線性化的伺服閥流量方程為:
其中,Q1和Q2分別表示進油和回油流量,P1和P2分別表示進油和回油壓力,Kq為閥的流量增益,Kc為閥的流量-壓力系數(shù)。
由上式可得:
其中QL為負載流量,PL為負載壓差。
2.2.3連續(xù)性方程
為確定液壓缸連續(xù)性方程,預(yù)先假設(shè)液壓缸中各處壓力始終是相等的,并且不會出現(xiàn)飽和或者空穴現(xiàn)象,液體流動速度很小,沒有管道現(xiàn)象,溫度和密度均為常數(shù)。對每個活塞腔應(yīng)用連續(xù)性方程得:
其中V1和V2分別表示進油腔體積和回油腔體積,Cip表示活塞的內(nèi)部泄露系數(shù),Cep表示活塞的外部泄露系數(shù),βe為系統(tǒng)的有效容積模數(shù)。
通過系統(tǒng)給定參數(shù)和查閱伺服閥樣本,計算當負載彈簧Ks=180000N/cm時,傳遞函數(shù)中的主要參數(shù):放大器增益Ka=40000mA/V,ωr=0.588rad/s,ωm=200rad/s,ω0=674rad/s,ξ0=0.005。再根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),建立系統(tǒng)simulink動態(tài)模型如圖2所示。
圖2系統(tǒng)simulink動態(tài)仿真模型
3軟件設(shè)計
LABVIEW在線控制過程:首先進行數(shù)據(jù)采集,采集的數(shù)據(jù)是位移傳感器的位移,轉(zhuǎn)換為電壓,送入數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端AI0,程序中對模擬輸入通道進行配置,主要包括配置采樣通道號、最大最小值以及采樣方式(差分、單端),并輸出采樣波形。接著是PID算法,要設(shè)定P、I、D的參數(shù)和輸出的上下限,然后是模擬量的輸出,程序中對模擬量輸出通道配置,輸出口配置為AO0口,并配置輸出的最大最小值。經(jīng)過程序運算后得到的數(shù)值送給伺服放大器的輸入端,驅(qū)動伺服閥,使液壓缸前進或后退,完成對電液伺服系統(tǒng)的位置控制[3]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖如圖3所示。
圖3采集系統(tǒng)流程圖
4MATLAB仿真
基于多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造自動定深電液伺服系統(tǒng)的智能模型,隱含層節(jié)點數(shù)目為8,訓(xùn)練次數(shù)為1000次。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初值的不確定會造成網(wǎng)絡(luò)性能的不同,因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練10次,均方根誤差等性能指標取其平均值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好的擬合電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性,且模型具有較高的泛化能力仿真圖如圖4所示:
圖4電液伺服系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值和實際值
5結(jié)論
電液伺服系統(tǒng)是一類典型的非線性系統(tǒng),本文采用機理建模和智能建模方法為進一步實現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)的控制奠定了基礎(chǔ)。建模過程與仿真結(jié)果表明,對系統(tǒng)建立正確的數(shù)學(xué)模型并進行分析仿真,分析系統(tǒng)的動態(tài)特性,可以有效地預(yù)見系統(tǒng)的輸出,達到對系統(tǒng)工作狀態(tài)的了解,提高了設(shè)計和分析系統(tǒng)的效率,為進一步控制系統(tǒng),提高響應(yīng)速度和控制精度奠定了一定的基礎(chǔ)。
標簽:
中國傳動網(wǎng)版權(quán)與免責聲明:凡本網(wǎng)注明[來源:中國傳動網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國傳動網(wǎng)(m.u63ivq3.com)獨家所有。如需轉(zhuǎn)載請與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個人轉(zhuǎn)載使用時須注明來源“中國傳動網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件,均來自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請保留稿件來源及作者,禁止擅自篡改,違者自負版權(quán)法律責任。
相關(guān)資訊