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(jì)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(jì)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(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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。控制系統(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?？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(dá)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(jìn)油和回油流量，P1和P2分別表示進(jìn)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(fù)載流量，PL為負(fù)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(jìn)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(jì)算當(dāng)負(fù)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(jì)

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

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(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(jì)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)。