基于MATLAB的电液伺服加载模拟控制器的数学模型建立及仿真-专业论文-自动化应用案例

基于MATLAB的电液伺服加载模拟控制器的数学模型建立及仿真

发布日期：2017-10-18 来源：《智能机器人》3期作者：姜洪发浏览次数：27435

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【摘　要】：本文通过对液压伺服阀流量增益与负载的非线性进行分析，利用状态观测器得到阀的内部压力，从而对液压油流量进行精确控制。为了准确的调试和测试电液伺服加载控制器的性能，需对各组成部件进行数学分析，本文通过对各部件的分析在MATLAB平台上建立了仿真试验台各部件的数学模型，最后，对建立的数学模型合理性进行验证，通过MATLAB仿真结果表明该仿真系统可较好模拟伺服加载系统的工况，对电液伺服加载系统的实践研究有十分重要的意义。

关键词：MATLAB；数学模型；电液伺服加载；伺服阀

1 引言

电液伺服加载系统（简称EHSLS）是一中由机-电-液组成的复杂复合力伺服系统，此系统对被用于模拟飞行器舵机在实验室中所受的空气动力等载荷，并且可用于检测舵机的驱动系统技术性能指标的一种地面实物仿真设备^[1]。

伺服加载控制器是电液伺服加载系统的重要核心部件之一，其性能参数的好坏对伺服加载系统的性能起决定性作用。对伺服加载控制器首先在计算机上建立模型和调试，然后再在实际的控制系统中进行实际调试。但此方法也会存在很大的风险，一旦伺服控制器出现失控，会及易造成严重的损坏，通过建立合理的与实际工况相符合的加载系统数学模型，对伺服控制器进行离线闭环测试仿真，将控制器的性能参数调整到最佳的状态，可有效避免事故的产生^[2,3]。

因电液伺服加载系统具有很大的潜在价值和巨大的经济效益，而受到国内外众多液压及控制领域学者的高度重视，并一度成为此领域的前沿研究课题。对于如何有效的克服加载装置上多余力影响的问题，目前国内外的学者也提出和实验了很多方法^[4]，其中应用最普遍的主动消扰方式是基于结构的不变性原理多余力抑制，现已应用到了3—4FM型导弹空气动力负载实验仿真台上^[5]，并取得了十分显著的效果。

2 电液伺服加载系统数学模型

由于电液加载的液压缸与等效的负载可看成刚性的连接，由于力传感器具有较高刚度，可对其产生的弹性变形忽略。由于在实验中需对舵机做精确位移加载，但其内部运动和相互之间的作用力不在本文的研究范围之内，可将舵机系统当成位移的形式作为电液加载控制器的输入，并以此作为基础电液伺服加载系统进行研究。

电液加载系统中的伺服阀流量方程如下^[6]：

上式中：U是输入电压；i是输出电流； Ka是放大器的增益。

由于液压缸的粘性力和等效负载的惯性力可由力函数发生器来补偿，因此可忽略。通过上述的分析，同时对电液伺服阀、功率放大器、力传感器、力函数发生器和位移传感器等系统外围组件进行考虑，可得如图2所示的电液伺服加载系统方框图。

4 仿真模型搭建

通过上述部件建立的数学模型可得到实时液压缸流量与压力的关系，但在实际测量中伺服阀负载压力一般会提高。但通过对流量进行控制可有效补偿干扰产生的位移运动，伺服阀的流量公式也说明液压缸内的压力与流量有关。因此在无压力传感器时，可使用现代自动控制理论构建一套状态观测系统，采用此预估系统状态，实时地对状态观测系统进行修正，使其与实际系统相符。通过MATLAB建立如图3所示的控制系统模型。图4为控制系统仿真Bode图。图5为控制系统仿真阶跃图。通过图4和图5可以看出系统的幅值裕度大于6dB，相角稳定裕度为71.4度，系统稳定。超调量9%，调节时间1.04s，完全可满足控制系统的性能指标。