双向液压锁平衡回路稳定性分析及仿真

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Stability Analysis and Simulation for the Balancing Circuit of Bilateral Hydraulic LockZHANG An 。ZHANG Lei .DENG Biao 。WANG Meng ，YAO Yuhui(1.Second Artillery Engineering University，Xian Shaanxi 710025，China；2.Troops No.96656，PLA，Beijing 100144，China)Abstract：In order to solve the problem of instability of the balancing circuit of bilateral hydraulic lock，the mathematical mode1was established for the balancing circuit。and its stability was analyzed in the MATLAB. The result of simulation indicates that the ex。

cessive seting of back-pressure is the major factor to cause instability of the system.Under condition of quite high back-pressure，withincreasing of the piston area of bilateral hydraulic lock，the speed of piston in hydraulic cylinder is more and more unstab le。

Keywords：Bilateral hydraulic lock；Stability analysis；Mathematieal model；MATLAB某大型装备的支腿液压回路如图1所示。

1- 电磁换向阀2-单相节流阀3-双向液压锁液压缸图 1 支腿液压回路在支腿伸出过程中，出现了以下问题：(1)支腿伸出过程中间歇性非连续下降，并且速度缓慢；(2)双向液压锁剧烈振动，连续发出刺耳的尖叫声。

双向液压锁是两个液控单向阀并在-起工作的，因此在系统分析时可以把它当作液控单向阀进行处理。

根据文献 [1-5]，液控单向阀反向出口压力过大仍然会导致系统振动。虽然液控单向阀的开启与回油腔背压无关，但液控单向阀的开启受回油腔背压即反向出口压力影响。若反向出口压力过高，其液控部分将失去控制作用，致使液控单向阀发生误动作，引起振动和噪声。虽然文献 [1-5]从理论上进行了分析，但是并没有进行数学建模和仿真分析。作者针对平衡回路存在的问题，建立了数学模型，利用MATLAB进行了动态特性分析，并提出问题解决的办法。

图2 双向液压锁结构简图液压缸有杆腔流量连续方程：q2(s)S1 (s)式中：q：(s)为流入液压缸有杆腔流量；s 为液压缸无杆腔活塞面积；收稿日期：2012-06-04作者简介：张安 (1967-)，男，本科 ，副教授，研究方向为机电控制。E-mail：wutongxiyu2###163.com。

第13期 张安 等：双向液压锁平衡回路稳定性分析及仿真 ·159·(s)为液压缸活塞杆运动速度。

液压缸力平衡方程 ：Blv(s)P2S1PlS2m1gml (s)s式中： 为液压缸活塞杆的阻尼系数；P 为液压缸无杆腔的压力 ；P 为液压缸有杆腔的压力 ；.s 为液压缸有杆腔活塞面积 ；m 为活塞和活塞杆的质量。

双向液压锁出口流量方程：g2(s)kq：x(S)k。 (P2-P3)式中： 为双向液压锁的阀口开度；为双 向液压 锁 的流 量增 益，- - - - - - - /÷ (P20-P3o)；B2 (s)S (4)式中：P 为系统背压；(2) .s，为双向液压锁锥阀阀口有效工作面积；.s 为双向液压锁活塞面积；m 为双向液压锁活塞质量；k为双向液压锁的弹簧弹性系数；B：为双向液压锁的活塞阻尼系数。

双向液压锁活塞流量方程 ：q3(s)S4x(5)s (5)(3) 式中：q。(s)为流经双向液压锁活塞的流量。

系统流量方程：k C：W ·。 为双 向液压 锁 的流量 -压 力 系数，k ：-： 。JP：。、P，。、 。分另0为P：、P，、 的稳态值，C 为流经阀口的流量系数；P为油液密度；W 为双向液压锁阀口面积梯度。

双向液压锁力平衡方程：q。(s)q2(s)q，(s) (6)式中：q。(S)为系统流量。

当负载恒定时，如果输入-阶跃流量 △qq ，即g(s)qsL则经过方程推导可以得到系统的传递函数为：P1S4P3S3P3 P2S3kx(s)，n2 (s)5 式中.。

尼 B S 厂-----]---- -2 //后。 m2S2(kq：S1S4-kq：S2S3 。 kS2)利用拉氏反变换，得到瞬态响应表达式：q1 ag-- 而 2 仿真分析sin(to 而 ) (8)根据系统实际情况，经过计算确定参数的数值分别为：B4.07 N·s/m，B23.82 N·s/m，S15 030 mm ，S23 060 mm ，S31 017 mm ，S4346mm ，m1200 kg，m20.2 kg，P850 kg/m ，k8 330 N/m，C：0.62，W：3.14 mm。

2.1 特性分析当双向液压锁锁紧回路输入固定流量q 1.43×10 mm /s时，背压为 3 MPa和 0 MPa时液压缸活塞杆的速度曲线为图3所示。

从 图3可知，当系统背压过大时，液压缸活塞速度曲线是衰减的正弦曲线，最大速度为38 lnm/s。当系统没有背压，液压缸活塞速度曲线在0～1.5 S波动，最大速度为30 mm/s，1.5 s之后趋于平稳。通过仿真分析：背压过大是引起双向液压锁振动、活塞杆速度波动的原因。

(7)图3 液压缸活塞杆速度曲线2.2 参数分析从公式 (7)可知，双向液压锁活塞面积是影响系统稳定的-个因素，设定背压为 1 MPa时，活塞面积分别为346 am 、380 mm 。仿真结果如图4所示。

从图4可知，活塞面积为346 mln 时，活塞最大速度为 41.5 mm/s；活塞面积为 380 mm 时，活塞最大速度为45 mm/s。随着双向液压锁活塞面积的增大液压缸活塞杆运动速度曲线波动越来越大。

(下转第 163页)第 13期 陈曦 等：基于AMESim的比例阀控液压缸系统的仿真与分析 ·163·会使在整个搜索空间搜索速度过快，太小容易陷入局部最优解而终止进程，文中取为0.03；迭代次数取值-般在50～1 000，为了旧能得到全局最优解，迭代次数设置为 100，事实上超过5O次后的目标函数迭代已经比较平稳。设置参数后，运行遗传算法优化功能，经过 100代进化后得到优化后的 PID参数为：k。550，ki0.65，kd0.83。

3.3 系统优化后的分析系统优化后，活塞杆的位移曲线和活塞杆的速度曲线的如图10、图 11所示。与图4、图5所示优化前的活塞杆位移曲线和活塞杆速度曲线对比，可以很明显地看出，系统的快速性得到了明显改善，上升时间由8 s缩短到3 s，同时保持了很好的稳定性和准确性，稳态误差几乎为0，位移在0.1 m处的偏差几乎为0∩见系统对位移控制信号跟踪更快，更准，更稳，使用遗传算法优化 PID参数达到了作者对快速性、准确性、稳定性的要求。

丑目簿趟O 5 1o 15 20时间，s图 10 优化后的活塞 图 11 优化后的活塞杆位移曲线 杆速度曲线4 结束语从控制论的角度出发，在不改变系统硬件的前提下，结合遗传算法，使用仿真软件AMESim对影响系统性能的PID参数进行优化设计，在全局范围内搜索PID参数的最优解，以达到对整个系统优化的目的。

优化结果表明：基于遗传算法的PID参数整定的方法是可行的，经过优化可提高系统控制的快速性、稳定性、准确性。