阀控非对称缸被动式电液力伺服系统的解耦控制研究

Study on Decoupling Control for Passive Electric Hydraulic Servo Systemwith Valve Controlled Asymmetrical CylinderLI Geqiang，LI Shuicong， HUANG Fei(Electromechanical Engineering Colege，Henan University of Science&Technology，Luoyang Henan 47 1003，China)Abstract：To solve surplus force interference problem of passive electric hydraulic seⅣ0 system，according to the system charac-teristics，a decoupling control method based on multiple-input multiple-output control system was presented to solve the force/positioncoupling problem.Taking valve controled asymmetrical cylinder passive electric hydraulic sel'vo system as the research object，itsmathematic model was established and a decoupling controler was designed.The simulation results show that using·the decoupling con-trol method，not only the system tracking precision and frequency response are improved，but also control debugging cycle is shortened。

Keywords：Valve controled asymmetric cylinder；Passive electric hydraulic servo system；Decoupling control阀控非对称缸被动式电液力伺服系统又称负载模拟器，是-个复杂的机、电、液复合力伺服系统，主要用于在实验条件下复现被测对象在工作过程中的各种因素及参数性能，广泛用于国防军事工业及民用工业中。如用于模拟舰船减摇鳍在不同攻角时所受的海浪作用力，并将此力实时施力于鳍片 ，从而检测出减摇鳍控制系统的性能指标，从而缩短船用减摇鳍的研制周期、减小研究经费、提高可靠性。而被动式电液力伺服系统是强力/位置耦合系统，这类系统的控制-直是个难点。对于被动式电液力伺服系统，国内外学者已经提出了很多控制方法，而且都是基于干扰补偿的思想，概括起来分结构补偿及控制补偿两种。

结构补偿是通过增大液压或机械结构的滤波作用 ，从而在结构上减小承载对象运动给加载 系统带来的干扰。由于补偿原理的局限，结构补偿只能实现部分的补偿∝制补偿法是通过某种途径预测强迫流量或多余力，依靠控制策略对强迫流量或多余力实现主动补偿，然而控制补偿法-z 只是从加载系统-侧通过不变性原理来补偿多余力，未从被动式电液力伺服系统的本质出发，不能从根本上解决加载系统与承载系统的力/位耦合问题，所以只能实现近似补偿。

作者突破干扰补偿方法的局限性，将被动式电液力伺服系统看成由加载系统与承载系统构成的双输入双输出电液伺服系统，基于系统的传递函数，采用解耦控制方法解决两系统的力/位耦合问题，从而提高被动式电液力伺服系统的动态性能。

1 系统数学模型的建立被动式电液力伺服系统原理如图1所示，左侧为加载系统，右侧为承载系统 ，工作过程中加载系统和承载系统分别跟踪各自的加载指令信号和位置指令信号实现闭环控制。加载系统根据力指令信号给承载系统施加力，但承载系统在给定指令信号作用下按照自身的规律运动 ，同时，还要通过连接机构带动加载系统同它-起运动。从原理图可知，两系统工作过程中将形成强力/位耦合作用，使加载系统产生强多余力，影响其动态性能的提高。为此，需从根本上消除收稿日期：2011-11-28基金项目：国家自然科学基金项 目 (51175148)；河南科技大学校基金项 目 (200806)作者简介：李阁强 (1971-)，男，博士，副教授，研究方向为机电液-体化技术 、流体传动与控制。E-mail：hitligeqiang### 163.com。

l-加载缸 2-扭矩传憋器 3-连接轴 4-承载缸 5-位移传感器6-承载伺服 阀 7AD/DA卡 8-计算机 9-加载伺服阀图1 系统原理图以图1所示的阀控非对称缸被动式电液力伺服系统为对象，建立系统的数学模型。其中加载系统采用流量 -压力伺服阀 (简称 P-Q阀)，承载系统采用流量伺服阀 (简称Q阀)。这里假定加载与承载系统采用的非对称缸结构参数相同。

1.1 动力元件的数学模型阀的线性化流量方程QlKqXv-KoPL (1)液压缸流量连续性方程QlA syfC PLV，sPL/(4/3e) (2)加载缸力平衡方程FLPLA ，Is YfB syfK(Yf-Y ) (3)承载缸力平衡方程PLA Ym B sy巾KymFL (4)式中：Q 为阀的负载流量，m。/s；为阀的流量增益，m /s；为阀的流量压力增益，m /N·S；为阀芯开口量，m；P 为负载压力 ，N/m ；A 为油缸的有效作用面积，m ；Y 为加载油缸的位移，m；C 为油缸的总泄漏系数 ，m /N·s；为油缸腔、阀腔及管道的总容积，m ；为有效体积弹性模量，N/m ；m为油缸轴及负载质量，kg；Y 为驱动油缸位移 ，m；B 为加载油缸与负载黏性阻尼系数 ，N·s/m；为加载油缸与负载的等效刚度，N/m。

1.2 其他元件传递 函数(1)P-Q阀的传递函数， 、 2Q(s)( ，-K P)/f 1 l (5)∞ svD ，(2)Q阀的传递函数Q /(杀 ) ㈩ sv sv ，式中： 为伺服阀放大增益，m /(S·A)；G 为单位增益伺服阀的传递函数；C.O 。为伺服阀固有频率，rad/s；Q。为伺服阀输出流量，m /s；，为伺服阀输入电流，A；K 为阀对负载压力的敏感系数 ，m /(N·s)。

(3)伺服放大器，K( -Uf) (7)(4)力传感器和位移传感器UFfKfFL (8)Uz：Kwy (9)式中： 为功放系数 ，A/V；为力传感器转换系数，V/N；为位移传感器转换系数，V/mm。

根据以上各环节的传递函数，可得系统方块图如图2所示。

图2 系统方块图图2中：K 为加载梯度；C.O0为总固有频率， 0∞h/1K/Kh；W 为液压弹簧与阻尼系数之 比，W /，4 ；W 为负载弹 簧与阻尼系数之 比，W：KK /A ；W 为耦 合刚度与阻尼 系数之 比，W 1/(1/w11/w，)。

2 解耦控制为解除加载系统与承载系统的力/位耦合问题 ，采用前棱耦方法进行解耦控制器的设计，前棱耦模型 如图3所示。

第 1期 李阁强 等：阀控非对称缸被动式电液力伺服系统的解耦控制研究 ·9·图3 前棱耦控制模型根据前棱耦原理可得：D 。(5)-G2。(s)/G：2(s) (10)D ：(s)-G。 (s)/C。 (s) (11)由图 2系统 方块 图可求 出 G (s)、G (s)、G2 (s)、G22(s)Gl㈤ KaKqK vG，v (12)c KKaKA 1 1 ( )l÷II l㈤：面 - ㈤ ： 囊㈤ ：从式 (16)、 (17)可以看 出控制器 D：，(s)、D。：(s)中引入了高阶微分环节，其中D ：(s)的分子含有 - mV，s /(4，.-2 。)项；D： (s)的 分 子 含 有- 。A s。/(∞2。 。 ∞。)项。分析发现，这两个参数的数量级极小，因此在分析时可以忽略其对系统的影响。

3 解耦仿真分析AMESim是由法国公司 IMAGINE于 1995年推出的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，具有丰富的机、电、液库，可以对物理模型进行更精确的模拟 ～设计的前棱耦控制器D：，(s)、D。 (s)应用到系统中，得出基于 AMESim仿真平台的物理仿真模型如图4所示。

- - 囡 口- . - . - . - - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - . - I r 。-- -- 。-。-。 。 。 。-- 。 。 -- --- - ·---- 。1 I- - t ÷ -L -1 -- -- - ⑤-图4 AMESim系统模型、， 、 ， 、 、， 3 4 5 6 7 巧 "，L ，L ， / ，L · 10· 机床与液压 第4l卷假定负载连接刚度 K100 N/ram、加载梯度 性原理与前棱耦控制方法，得出不同频率下承载系 200 N/ram，根据图4的模型，分别采用结构不变 统与加载系统的正弦响应曲线如图5所示。

l～绝枣馋聱信量.. 1-给定位移信号 l～给定位移信号 2- 墨旦缠 挛 碍堡的位移响应 采用结构不变性原理的位移响应 2-采用结构不变性原理的位移响应 3- 解耦控制的位移响应 3-解耦控制的位移响应 3-解耦控制的位移响应 。 -昌鲁潍时 间，s(a1)位移响应曲线1、 位移响应 曲线2经控制嚣后形成的力信号及力响应曲线3、4-位移响应 曲线3经控制器后形成 的力信号及力响应曲线500巽 o- 5OO- 1 ooo时间/s(a2l力响应曲线(a)1Hz下的系统位移、力响应曲线目目潍时间，s(b1)位移响应曲线1、2-位移响应曲线2经控制器后形成的力信号及力响应曲线3、4-位移响应曲线3经控制器后形成的力信号及力响应 曲线500量 o. 500 1 0000时间，s(b2 力响应曲线(b)2Hz下的系统位移、力响应 曲线图5 系统位移、图5中位移响应曲线1、2、3分别表示给定位移信号 、采用结构不变性原理的位移响应、解耦控制的位移响应。力响应曲线中1、2对应位移响应曲线2经控制器后形成的力信号及力响应曲线，3、4分对应位移响应曲线3经控制器后形成的力信号及力响应曲线。

从图5的 3组曲线看 ：采用解耦控制后 ，位置系统与加载系统的频响能提高到 3 Hz，而采用结构不变性原理虽然能提高加载系统的跟踪精度，但位置系统跟踪性能较差 ，频响只能达到 1.3 Hz左右 ，从而导致加载系统中的力响应与采用解耦控制的力响应有- 定的幅值差距。

4 结论以阀控非对称缸被动式电液力伺服系统为对象，采用解耦控制解决被动式电液力伺服系统中固有的力/位耦合问题〃立系统的数学模型，设计前棱耦控器，通过与传统的基于结构不变性原理的干扰补偿方法相比较，可知：采用解耦控制不仅能有效提高系统的动态跟踪精度和频响，而且可以同时兼顾两个暑昌潍专时间，s(c1)位移响应曲线1、 位移响应曲线2经控制器后形成的力信号及力响应曲线3、4-位移响应曲线3经控制器后形成的力信号及力响应曲线时间，s(c2l力响应曲线(c1 3Hz下的系统位移、力响应 曲线力响应曲线系统的控制，不仅可以同时提高两个系统的控制性能 ，而且可以缩短调试周期，为该类系统的控制提供了-个新的途径。