基于数字液压的主动式波浪补偿系统设计与分析

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操作的装备需要具备波浪补偿功能.即因海面起伏引起作业装备产生波动而进行补偿校正的功能 通过波浪补偿 ，可以大大增强海上作业的安全性、高效性和可靠性n 波浪补偿技术研究的核心就是波浪补偿执行机构.能够快速准确响应的执行机构是波浪补偿系统安全高效作业的前提目前常见的波浪补偿系统大多是建立在电液伺服基础上的闭环控制系统，存在结构复杂不便于维护、油液精度要求高、模拟信号易受环境干扰等缺点↑年来 .随着微电子等相关技术的发展.数字液压技术的研究和应用逐渐增多 数字液压伺服系统采用脉冲信号控制 。反馈单元内置。具有控制简单」干扰能力强等特点2-3.克服了传统电液伺服驱动的-些缺点.能够更收稿日期：2013-03-01作者简介：彭利坤(1975-)，男，湖北应城人，副教授，博士，主要研究方向为机电液控制、并联机构、潜艇操纵装置。

30好地适应振动冲击、潮湿腐蚀和复杂电磁环境等工作条件。由此，本文提出-种基于数字液压技术的主动式波浪补偿系统 。在分析系统结构和工作原理的基础上 。

建立波浪补偿用数字液压缸的系统模型.并对其进行校正以满足主动式波浪补偿系统对执行机构的要求1 系统结构与工作原理主动式波浪补偿装置-般由液压缸、蓄能器、滑轮组、滑轮架、绞车等组成[4 ，图 1所示为常见的主动式图 1 主动式 波浪补偿 装置结构 示意图Hvdraulics Pneumatics& Seals/No.08.201 3波浪补偿装置结构示意图。其原理是通过液压缸位移控制主钢索的伸缩 .以补偿重物在地球静坐标系中位置的变化。

本文研究的主动式波浪补偿装置采用步进式数字液压缸6 作为执行机构.工作原理如图 2所示。工作时.系统通过加速度和倾角传感器采集得到平台在风浪作用下的六自由度姿态变化 .工控机对采集数据进行实时处理得到重物支撑定滑轮架的升沉运动.并通过-定的算法对未来时刻的运动姿态进行预报 ：PLC根据预测值发送相应的脉冲控制步进电机带动滑阀阀芯旋转.并在螺纹副的作用下形成阀I1开度驱动液压缸运动.同时.通过内置的反馈装置将液压缸运动反馈至阀芯以使阀口关闭.从而实现液压缸位置和速度的精确控制：数字液压缸带动滑轮组移动以改变主钢索的伸长量 .从而与定滑轮架的升沉运动相抵消.补偿重物随平台在风浪扰动下绝对位置的变化。

害果集通墨同 型l风浪扰动宴 巫FL匝- 磊 f LL-1内置反馈装置--J J数字液压缸 l图 2 基于数字液压 的主 动式 波浪补偿 装置工作原理图由上述分析可知.基于数字液压的主动式波浪补偿装置的性能主要由补偿算法的预报效果和数字液压执行机构的性能决定 .故执行机构的设计是补偿装置设计的关键要素。由于系统通过实时预报对重物可能产生的升沉运动进行补偿.这就要求执行机构不仅具备足够的稳定裕度 .稳态误差要小.同时能够快速响应以实现精确的速度补偿.因此本文侧重于数字液压执行机构的设计与分析2 系统建模步进电机的输入脉冲和输出转角的关系可以近似为 后 n (1)式中 - 步进电机的输出转角；输入脉冲数：后 --步进电机的步距角。

数字液压缸的阀芯输人转角 ，液压缸位移 ，滑阀阀芯位移 之间关系为寺 ( -kf ) (2)式中 - 螺纹导程：jf生--反馈传动比；P广 反馈至阀芯螺母转角。

由于本文采用的是非对称缸.所以正向与反向运动时液压缸的有效工作面积不-样.为简化计算.引入修正系数 kfb加以修正。此处取 fb ，式中 为有杆腔与无杆腔有效工作面积之比。

假设系统以惯性负载为主.则由液压伺服控制系统理论可知[81.阀控缸系统位移输出为：- ， Wh /式中 --油液体积弹性模量；Ap--液压缸活塞有效面积：- - 液压缸总压缩容积；五 。--总流量压力系数；kq--阀的流量增益：～ 有(3) kAp飞W匦Vt --液压阻尼比；- - 液压缸活塞杆及负载的等效质量。

根据数字液压缸结构框图，不考虑外负载的影响，可以得到系统开环传递函数表达式为：s( W s ) h -h /其中开环速度增益为 虿 。

液 压气动 与密封/2O13年第 O8期3 系统的设计与分析根据自动控制理论驯.闭环系统的特征方程为：IG(s)0，即：s 。 ㈣ 也即 ：s2wh hS sk WhO (6)根据劳斯判据，要使系统稳定，需满足2w ->kvW：，从而有 t kqkf (7)上式(7)即为系统稳定的条件 ，同时可知，当负载质量增加或油液粘性降低时，系统稳定性将受到影响，因此设计的系统本身必须具备-定的稳定裕度。

设定系统工作压力为 15MPa.初步设计的数字液压缸参数如表 1所示。

表1 数字液压缸参数若要使主动式波浪补偿执行机构满足如下性能指标：稳态误差 e ≤5%，超调量 17"≤25%，调节时间 t ≤0.5s，带宽频率 I>4.0rad/s，则开环速度增益应满足 k≥20，则反馈传动 比应为 kf≥233.6rad/nl。选取 kf76"trad/m.则 kv20.44。又计算可得动力原件的液压固有频率为0h36.98rad/s，将 、 、 代入式(7)可知 ，不等式显然成立.即系统稳定。图4所示为初步设计的数字液压缸系统开环 Bode图由图4可知.系统的幅值稳定裕度为 GmO.712dB，相角稳定裕度为 Pro8.93。.相角穿越频率为 Wcp37rad/s.剪切频率 Wcg35.3rad/s。这些频域性能指标数据说明系统虽然稳定.但稳定裕度不足。且剪切频率接近液压固有频率.闭环带宽过大，使得系统容易受高频信号的干扰.与液压系统形成谐振 ，导致系统不稳定 ，因此必须对初步设计的数字液压缸系统进行校正由经验公式 or0.160.4(尬-1)及 1≤ ≤1.8的条件姗，按系统对超调量 or要求计算知，可取 1.2。

32∞ 1粤氇频翠 /rad·S图4 初步设计的系统开环 Bode图由ts [21.5(Mr-1)2.5(Mr-1)≤0.5s，计算得M c到剪切频率∞ ≥15.08rad/s。

在图4中可以查得 15.1rad/s时的相位裕度为73>y。因此考虑采用滞后校正环节对系统进行校正。

选取校正后的剪切频率 15.1rad]s。其在未校正系统中对应的幅频特性为 m：3.85dB.由/310 可以确定滞后校正参数/3o.6416。取转折角频率 1/TO.1w ，则可以确定 TI.0322，从而得到校正函数为 G ： ：。 校正后的系统开环传递函数为 G。(s)G(s)G (s)，幅频特性曲线如图5所示。

135- I180I--25t7 - 、! ---L--- L--L--J-：-频率 /rad·S图 5 校正后的 系统开环 Bode图由图5可知.经过校正后的系统相角稳定裕度为71.5o>，y，幅值稳定裕度为4.49dB，穿越频率为 36.8rad/s，剪切频率为 15.2rad/s.系统满足稳定裕度要求。图6所示为校正前后的系统阶跃响应曲线.显然经过校正的系统相比校正前系统的响应特性得到极大改善.在保证稳定性的同时兼顾了响应速度.能够满足补偿系统的需要65E4、 3登：1O O.1 O20 3040 50 6O7O 80 9 l时间/s图6 校正前后的系统阶跃响应Hvdraulics Pneumatics& Seals/No.08.2013电液伺服阀计算机辅助测试系统研制赵 龙，李 伟，何友文(中国运载火箭技术研究院 第 18研究所，北京 100076)摘 要：介绍电液伺服阀计算机辅助测试系统的功能、组成及工作原理。该系统能自动完成伺服阀静动态特性测试并同步实现计算机化数据处理，通过实际测试和对比试验验证，使用效果良好。

关键词：电液伺服阀；静动态特性 ；计算机辅助测试中圈分类号 ：TH137 文献标 识码 ：A 文章编 号 ：1008-0813(2013)08-0033-03Development of Computer Aided Test System for Electro--hydraulic Servo ValveZHA0 Long，LI Wei，HE You-wen(The 18 Institute of China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China)Abstract： Focus on the composition. function and operation principles of computer aided test system for electro-hydraulic servo valve。

The system can complete ser o valve static and dynamic performance test automatically and implement computerized data processingsimultaneously.Th e characteristics and accuracy of this system have been pmved by comparing the experimental results。

Key words： electro-hydraulic servo valve； static and dynamic characteristics； CATO 引言电液伺服阀的性能参数-般包括静态特性和动态特性两部分，在出厂前需要进行严格测试。目前国内大多数伺服阀生产厂家仍采用传统的测试方法检验伺服收稿日期：2013-06-05作者简介：赵龙(1977-)，男，甘肃庆阳人，工程师，硕士，主要从事电液伺服阀、电液伺服系统设计开发工作。

阀性能，即采用低频信号发生器、模拟 X-Y记录仪、频率特性测试仪、静态特性测试仪等，在人工操作下进行检测。整个检测操作过程繁琐，检测工时长，获取的数据误差大。本文结合伺服阀静动态性能测试的技术要求，设计制造出-套新的伺服阀计算机辅助测试系统 该系统能极大地提高测试精度，避免人为数据处理误差，具有自动化程度高、测试效率高、重复性好等特点。完全满足生产应用的需求4 结论主动式波浪运动补偿系统技术含量高、结构复杂。

在远离海岸的深海运作.对系统稳定性等技术指标均有较高的要求 对基于数字液压的主动式波浪补偿装置的设计与分析过程表明.经过参数校正后的数字液压缸系统稳定性得到有效地提高.同时对响应速度的影响较小，动作快速准确，能够很好地满足主动式波浪补偿系统对执行机构的功能需求.证明了设计方案合理可行。