阀控非对称缸电液伺服控制系统的故障仿真研究

第３４卷　第６期　２０１０年１２月　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　

Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１０　

阀控非对称缸电液伺服控制系统的故障仿真研究　张友荣¨　姚晓山　明廷涛　’　（空军雷达学院军械通用装备系”　武汉４３００１９）　（海军工程大学船舶与动力学院　’　武汉４３００３３）　摘要：研究了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件的非对称缸电液伺服控制系统的故障仿真技术．考虑系统的固　有非线性和伺服阀、非对称缸的动态非线性，建立了系统的非线性数学模型，仿真计算了系统正常状态　下的位移、速度、压力、流量变化曲线．以液压缸的内泄漏故障为例，仿真计算　正常、轻度、中度、重度故　障条件下的位移、速度变化曲线，比较确定了故障特征，预测了故障发展趋势．　关键词：电液伺服控制系统；　控非对称缸；非线性；ＳＩＭＵＩ　ＩＮＫ；故障诊断；仿真　中图法分类号：ＴＰ１３７．９　ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—２８２３．２０１０．０６．０００　

电液伺服控制系统』　泛应用于舵机控制、雷达　控制、火炮控制、机床位置控制、轧机板厚控制以及　带材跑偏控制等诸多工业领域　．阀控非对称缸电　液伺服控制系统的特性较为复杂，除了具有电液伺　服控制系统的非线性特性之外，还由于非对称缸两　腔有效面积的非对称性使得系统在正反两个方向的　静、动态特性呈现非线性　．电液伺服控制系统的传　统建模方法是泰勒展开式的线性化建模方法，这种　方法不能准确描述系统的非线性特性，只适合于处　理某一稳态工作点的情况．本文利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕ—　ｌｉｎｋ软件强大的动态建模、仿真功能，建立电液伺服　控制系统的非线性模型，模拟系统故障，确定故障特　征，预测故障发展趋势，为实际故障诊断提供理论依　据．　

１　系统组成　阀控非对称缸电液伺服控制系统如图１所示．　系统通过监测非对称液压缸的位移构成位置闭环伺　服控制系统．　

２　系统建模　图２是利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件创建的阀控　非对称缸电液伺服控制系统的非线性模型结构　

图１　阀控非对称缸电液伺服控制系统　１一叶片泵；２－溢流阀；３电液伺服阀；４一非对称液压缸；　５位移传感器；６转换器；７－过滤器；８一油箱　

图２阀控非对称缸电液伺服控制系统的　非线性模型结构　图．模型由７个模块组成，分别是：指令发送器模块　（ｃｏｍｍａｎｄｅｒ　ｓｅｎｄｅｒ）、控制器模块（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、伺服　动态模块（ｓｅｒｖｏ　ｄｙｎａｍｉｃｓ）、泵源模块（ｐｕｍｐ）、溢流　阀模块（ｒｅｌｉｅｆ　ｖａｌｖｅ）、阀控非对称缸模块（ｖａｌｖｅ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｒｏｄ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ）以及位移传感器模块（ｄｉｓ—　ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）．　

收稿日期：２０１０　０８　１０　张友荣（１９６２）：男．硕士，副教授，主要研究领域为军用电力系统、动力机械的维修与故障诊断　武汉埋工大学学报（交通科学　工程版）　２０１０年第３４卷　２．１指令发送器模块　指令发送器的作用是设定执行机构的动作类型　与动作范围．指令发送器给定位移参考量，以电压形　式输送给控制器，因此该指令信号称为参考电压，用　巩表示．参考电压可以是阶跃信号，也可以是正弦、　方波、三角波等信号．　２．２控制器模块　控制器一般包括３个环节，即比较环　、校正环　节和放大环节．因此，控制器模块也由３个子模块组　成，即比较器子模块（ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）、ＰＩＤ子模块　（ＰＩＤ）、伺服放大器子模块（ｓｅｒｖｏ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ），如图３　所示．　１ｎｌ一　＝＝］　器　

ｉｎ２————　图３控制器模块结构　２．２．１　比较器子模块　比较器是将检测的位移量　与设定的参考量进行比较，确定两者之间的偏差量，　即　Ｍ　一“　一“ｆ　（１）　式中：　为位移传感器的反馈电压　为比较器的输　出偏差电压．　２．２．２　ＰＩＤ子模块　近年来，关于电液伺服控制系　统的控制策略有很多，如ＰＩＤ控制、自适应控制、模　糊控制、鲁棒控制等，但是考虑到实际控制系统的简　单性、可靠性与有效性，目前仍以ＰＩＤ控制规律的应　用居多ｌ＿ｓ］．　ＰＩＤ控制规律的数学模型为　“＝＝＝ｋｐ“　＋ｋ．１“　ｄｔ＋是ｄ　ｄ／】ｇ　ｅ　（２）　式中：是。为比例增益；凫　为积分增益；是．．为微分增益；　“为ＰＩＥ）子模块输出的控制电压．　２．２．３伺服放大器子模块　伺服放大器不仅要对　ＰＩＤ子模块输出的电压信号进行功率放大，而且要　将电压信号转换为适于电液伺服阀：［作的电流信　号．伺服阀电流ｉ与控制电压“之间的关系决定于伺　服放大器的设计，按放大器所采用的抗亨电路形式　不同，在一定频率范围内，可近似为惯性环节、振荡　环节、微分环节或二阶微分环节．这里采用的是电压　负反馈放大器，对线圈电感不加超前补偿，则伺服放　大器（包括伺服阀内部的力矩马达线圈）可近似看成　惯性环节，即　。　“一士＋　（３）　惫　ｃ　患　式中：ｋ　为伺服放大器与力矩马达线圈电路的增益；　为线圈回路的转折频率．　２．３伺服动态模块　电液伺服阀的输入电流　与阀芯位移　之间　的动态性能可用二阶振荡环节来描述，即　一忐　＋　＋　㈤　式中：是　为伺服阀的阀芯位移增益；　为伺服阀的固　有频率；￡　为伺服阀的阻尼比．　２．４泵源模块　泵源（叶片泵）是电液伺服控制系统的能量源．　叶片泵将驱动电机的机械能转化为液压油的压力　能，为整个系统提供压力．其数学模型为　一—ｎｑ　ｐ－－ｑｇ　（５）　一—　【。）　ｐ　式中：　为叶片泵的出口压力；　为叶片泵的转速；ｑｐ　为叶片泵的排量；Ｕｐ为叶片泵的泄漏系数；ｑｇ为进　入液压缸的流量．　２．５溢流阀模块　溢流阀是用来使电液伺服控制系统保持恒定供　油压力的压力控制阀．溢流阀的数学模型为　

一｛　。　＜声　（６）　…　ｌ　ｐ　≥户　式中：Ｐ　为系统的供油压力；ｐ　为溢流阀的调节压　

力．　２．６阀控非对称缸模块　阀控非对称缸模块是电液伺服控制系统非线性　模型的核心模块，分为阀、缸、负载３个子模块，分别　对应滑阀的流量方程、液压缸的流量连续性方程、负　载的力平衡方程．阀控非对称缸模块的结构如图４　所示．　

４　＝｝＃对称缸模块结构　定义　当电液伺服阀的阀芯位移五　≥Ｏ时，流　人液压缸无杆腔的流量为正，流出有杆腔的流量为　正；当　＜Ｏ时，流出无杆腔的流量为负，流入有杆　腔的流量为负．　２．６．１阀子模块　电液伺服阀的阀芯实际就相当　于一个零开口对称四通滑阀，即是说，阀芯的进油节　流窗口面积梯度等于回油节流窗口面积梯度．当五　＞７０时，四通滑阀的非线性模型为　ｒ　—————一　Ｉ　ｇ１一ｓｇｎ（ｐ　一　１）　＾／兰Ｉ　～户ｌ　ｌ　Ｐ　

（７）　ｆ　一ｓｇｎ（　一　）Ｇ　＾／三｛　～　Ｊ　第６期　张友荣，等：阀控非对称缸电液伺服控制系统的故障仿真研究　当Ｘ　≥Ｏ时，四通滑阀的非线性数学模型为　ｆ厂　————————一　｛ｑ　—ｓｇｎ（户　一　ｒ）ｃ—ＺＵ．Ｔ　ｓｖ√吾｝Ｐ　一Ｐ　ｒ　１　’　ｌｑｚ—ｓｇｎ（户ｓ—Ｐ２）ｃ　烈ｓｖ√丢ｊ　ｐｓ—ｐｚ　ｊ　

（８）　式中：ｑ　为液压缸无杆腔流量；ｑ　为有杆腔流量；　Ｐ　为无杆腔压力；Ｐ　为有杆腔压力；Ｐ　为回油压　力；　为阀芯节流窗口面积梯度；Ｃ　为流量系数；　ｐ为液压油密度．　当ｑ　＞０时，流人液压缸的流量ｑ　一ｑ　；否　则，ｑ　＝＝＝』ｑ　Ｉ．　２．６．２缸子模块非对称液压缸的数学模型为　ｆｇ　＝　（　）＋ｃ　＋　

ｌ　ｑ　一Ａ２主　＋ｃ　（户　一Ｐ２）一ＣｏＰ　一　Ｖ２　￣　（９）　式中：Ａ　为液压缸无杆腔有效作用面积；Ａ。为有　杆腔有效作用面积；ｚ　为活塞杆位移；Ｖ　为无杆　腔容积；Ｖ：为有杆腔容积；Ｋ为液压油的体积模　量；Ｃ．为液压缸的内泄漏系数；Ｃ　为液压缸的外　泄漏系数．　液压缸两腔容积在运动过程中是变化的，不　仅与两腔初始容积（活塞杆位移为０时的容积）有　关，还与活塞杆位移及两腔有效作用面积有关，其　数学模型可描述为　ｆＶ１一Ｖ。ｌ＋Ａ】　。　（１０）　【Ｖ２一Ｖ０２一Ａ２　

式中：　。　为液压缸元杆腔初始容积；Ｖ。。为有杆腔　初始容积．　２．６．３负载子模块负载一般包括惯性负载、粘　性阻尼负载、摩擦负载、弹性负载和任意外加负　载，即　Ｐ　Ａｌ—Ｐ２Ａ２—７　ｐ＋胁１　＋　ｓｇｎ（１ｐ）ｆｍｇ＋是　十Ｅｌ＿　（１１）　式中：　为活塞及负载的总质量；Ｂ为活塞及负载　的粘性阻尼系数；ｌ厂为负载的摩擦系数；ｇ为重力　加速度；ｋ　为负载的弹簧刚度；Ｆ　为外加负载　力．　２．７位移传感器模块　位移传感器将测量得到的位移信号转化为电　压信号输送到控制器模块，其数学模型可描述为　“ｒ—ｋｆ　（１２）　式中：是　为位移传感器增益．　

３　仿真计算　系统参数由表１给出，针对上述非线性模型，　采用式（４）、（５）的变步长ｏｄｅ４５求解器进行仿真　计算．　表１　电液伺服控制系统工作参数　参数名称　参数值　质量ｍ／ｋｇ　粘性阻尼系数Ｂ／（Ｎ・Ｓ・ｍ＿。）　负载摩擦因数厂　负载弹簧刚度　。　／（Ｎ・ｍ　）　外加负载力Ｆ　．／Ｎ　无杆腔有效作用面积Ａ．／ｍ　有杆腔有效作用面积Ａｚ／ｍ。　内泄漏系数ｃ　／（ｍ・（ｓ・Ｐａ）　）　外泄漏系数Ｃ　／（ｍ・（ｓ・Ｐａ）　）　阀芯节流窗口面积梯度ｗ／ｍ　液压油密度ｐ／（ｋｇ・ＩＴＩ　）　流量系数Ｃａ　无杆腔初始容积Ｖｏ　／ｍ。　有杆腔初始容积Ｖｏ。／ｍ。　液压油的体积模量Ｋ／ＭＰａ　溢流阀调节压力Ｐ　／ＭＰａ　

５０　ｌ　６００　０．１　５　０００　Ｏ　１．９６３×１０—０　０．７０７×１０。　２．０×１０一“　７．０×１０一　。　Ｏ．Ｏ２５　ｌ　８７５　Ｏ．６７　１．５７ｌ×１０—　３．６９ｌ×１０　７５０　２．１　指令发送器的设定参考电压为正弦信号“　一０．１＋０．１　ｓｉｎ　ｔ，即要求阀控缸系统作幅值为　０．１　ｍ、频率为２　的正弦运动．图５～８分别是仿　真模型的位移、速度、压力、流量响应变化曲线．　

暑　搴ｊ｛ｌ　皇　

图５活塞杆位移曲线　

图６活塞杆速度曲线