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(diǎn)，在車輛船舶、工程機(jī)械、武器系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對給定量的及時和準(zhǔn)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(biāo)。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(shí)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(xiàng)功能，以LABVIEW和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)了良好的實(shí)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(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)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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。

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(jī)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(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機(jī)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(jī)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(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

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(jìn)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(zhǔn)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(dá)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(shí)際中，通常可以將伺服閥簡化等效為一階系統(tǒng)（低頻）或者二階系統(tǒng)（高頻）：

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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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

4、MATLAB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(diǎn)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(biāo)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(shí)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(jī)理建模和智能建模方法為進(jìn)一步實(shí)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(jìn)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(dá)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(jìn)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)。

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