李素平

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院張家港辦學(xué)點(diǎn)，江蘇 蘇州215600）

1 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真研究

1.1 液壓變壓器控制液壓缸的連接方式

液壓油經(jīng)過液壓泵排出，再通過液壓變壓器進(jìn)行變壓，利用換向閥輸出端的CPR網(wǎng)絡(luò)低壓油路進(jìn)入液壓缸的有桿腔和無桿腔。有桿腔的壓力將控制在小于等于配流盤控制角所設(shè)計(jì)的壓力范圍內(nèi)，而有桿腔中的活塞桿因壓力上升而伸出。在停止供油時(shí)，泄油閥打開，活塞桿會因負(fù)載作用下的液壓變壓器缸體反轉(zhuǎn)而縮回，液壓油流入油箱。

但這種連接方式的缺點(diǎn)很明顯，如果液壓缸保持固定的移動方向，連接負(fù)載的端口產(chǎn)生變化，那么液壓變壓器就必須作反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而輸出端的壓力會短暫消失，液壓變壓器不能得到連續(xù)控制。要解決液壓變壓器旋轉(zhuǎn)角度突變的問題，可將CPR網(wǎng)絡(luò)的高壓管路與有桿腔相連，利用無桿腔大于有桿腔的壓力來克服外負(fù)載，液壓變壓器起到升壓作用，不僅可連續(xù)回轉(zhuǎn)，而且可使液壓變壓器速度變化穩(wěn)定而平緩。同時(shí)，為解決液壓變壓器在該過程中的變壓比問題，有桿腔還需與低壓管路相連接，加裝換向閥和插裝閥，滿足液壓缸壓力變化的需求。

1.2 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真分析

在本文的研究中，我們對直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制采用的是斜盤柱塞式液壓變壓器，對擺動馬達(dá)轉(zhuǎn)動的控制采用的是電液伺服閥，以實(shí)現(xiàn)對配流盤轉(zhuǎn)動的控制。其次，為調(diào)節(jié)有桿腔的壓力，系統(tǒng)中采取單出桿非對稱液壓缸作為執(zhí)行元件，以實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載下的系統(tǒng)適應(yīng)性。因此，本文的研究重點(diǎn)在于對液壓變壓器控制角進(jìn)行控制，搭建Matlab/Simulink仿真模型，對其角位置伺服特性、液壓缸的開環(huán)和閉環(huán)進(jìn)行仿真研究。

1.2.1 角位置伺服特性

通過分析可知，在PID的控制之下，控制角階躍響應(yīng)以0.4 s時(shí)上升，在0.3 s時(shí)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間是3 s，超調(diào)量滿足幅值10%的要求。在控制角斜坡響應(yīng)方面，當(dāng)斜率為10°/s、20°/s、25°/s時(shí)，控制角的跟蹤性能較佳；當(dāng)斜率為50°/s時(shí)，時(shí)間滯后較大，為0.1 s。對于控制角正弦響應(yīng)，當(dāng)頻率為0.2 Hz和0.5 Hz時(shí)，相位的追蹤性能較好，幅值衰減不明顯，當(dāng)頻率提高到1 Hz時(shí)，相位開始滯后，幅值稍有衰減，但仍滿足要求。

1.2.2 液壓缸的開環(huán)仿真

為得到不同高壓管路壓力下液壓缸位移的大小，我們將液壓變壓器控制角設(shè)置為50°、70°和90°，高壓管路壓力設(shè)置為6 MPa和8 MPa，負(fù)載質(zhì)量設(shè)置為500 kg和1 000 kg，得到如下結(jié)論：當(dāng)控制角角度固定和高壓管路壓力相同時(shí)，負(fù)載大小和液壓缸上升速度呈反向狀態(tài)，而在負(fù)載固定和高壓管路壓力相同時(shí)，控制角大小和液壓缸上升速度呈同步狀態(tài)。

1.2.3 液壓缸的閉環(huán)仿真

在高壓管路壓力相同的情況下，負(fù)載大小的改變、液壓缸位置符合其伺服特性，滿足階躍響應(yīng)。隨著高壓管路壓力的上升，負(fù)載階躍響應(yīng)開始出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，超調(diào)量也會增大。當(dāng)高壓管路壓力達(dá)到4 MPa時(shí)，超調(diào)量增加到50%，不能保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行。采用PID控制器的目的是實(shí)現(xiàn)位置反饋控制，使控制角和變壓比變化呈同步趨勢。

2 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法

2.1 自適應(yīng)反演控制器設(shè)計(jì)

基于液壓變壓器的非線性特征，為實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，本文采取自適應(yīng)反演控制方法來改善液壓變壓器的控制模式。首先，我們先定義4個(gè)有界且不確定因素d1～d4，其中，跟蹤信號期望值為d1，虛擬控制信號為d2～d4，狀態(tài)誤差為z1～z4。自適應(yīng)控制律為待設(shè)計(jì)參數(shù)為γ＞0。

2.2 自適應(yīng)反演控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

表1 穩(wěn)定性計(jì)算流程表

由此可得，對V求導(dǎo)的結(jié)果是≤0，可收斂至原點(diǎn)。所以，自適應(yīng)反演控制系統(tǒng)的狀態(tài)指數(shù)能夠收斂到0，控制量將不會過分增長。

3 液壓變壓器控制直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)前文的仿真結(jié)果和反演自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)，本文還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以求對系統(tǒng)性能的完善進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 液壓變壓器控制角位置伺服特性的性能實(shí)驗(yàn)

由上文可知，液壓變壓器連接負(fù)載的端口壓力大小的改變是需要通過改變控制角來實(shí)現(xiàn)的，因此，液壓變壓器利用伺服閥控制擺動馬達(dá)轉(zhuǎn)角，以實(shí)現(xiàn)對配流盤轉(zhuǎn)角的控制。在控制角階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，將壓力值設(shè)定為5 MPa，當(dāng)幅值達(dá)到50°時(shí)，在1.3 s時(shí)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量是2%，系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到1%，而將幅值設(shè)定為100°時(shí)，在2.7 s時(shí)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量僅為0.5%，系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.24%；控制角斜坡響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，同樣將壓力值設(shè)定為5 MPa，當(dāng)幅值達(dá)到60°時(shí)，斜率為5°/s、10°/s和20°/s的斜坡信號響應(yīng)結(jié)果為2%以下，滿足了液壓變壓器對跟蹤的較小誤差要求，而當(dāng)斜率為25°/s時(shí)，跟蹤誤差變大，有0.5 s的滯后值；在控制角正弦響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，依舊將壓力值設(shè)定為5 MPa，將正弦信號峰值設(shè)定為80°，周期為10 s、8 s和5 s時(shí)，相位滯后分別為0.1°、11.2°和14.3°，對幅值衰減的影響較小，能夠保證跟蹤輸入信號的工作順利進(jìn)行，而在周期為2.5 s時(shí)，相位滯后達(dá)到了43.4°，幅值衰減更是上升到了49%，系統(tǒng)對于正弦響應(yīng)信號的跟蹤已經(jīng)不能很好地響應(yīng)了。

3.2 液壓變壓器控制液壓缸的性能實(shí)驗(yàn)

對于液壓缸的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，我們?nèi)?00 kg和1 000 kg的負(fù)載質(zhì)量，觀察其在5～8 MPa高壓管路壓力作用下的位移變化。當(dāng)高壓管路壓力設(shè)置為5 MPa，負(fù)載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時(shí)，負(fù)載分別以0.14 m/s和0.092 m/s的速度上升，分別于11 s和71 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在此過程中超調(diào)量極小，可以忽略不計(jì)；當(dāng)高壓管路壓力設(shè)置為6 MPa，負(fù)載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時(shí)，負(fù)載分別以0.185 m/s和0.116 m/s的速度上升，分別于8 s和9 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負(fù)載中超調(diào)量極小，可以忽略不計(jì)，但在500 kg負(fù)載中超調(diào)量達(dá)到了22%；當(dāng)高壓管路壓力設(shè)置為7 MPa，負(fù)載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時(shí)，負(fù)載分別以0.206 m/s和0.128 m/s的速度上升，分別于10 s和8 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負(fù)載中超調(diào)量極小，可忽略不計(jì)，但在500 kg負(fù)載中超調(diào)量達(dá)到了22%；當(dāng)高壓管路壓力設(shè)置為8 MPa，負(fù)載質(zhì)量分別設(shè)置為500 kg和1 000 kg時(shí)，負(fù)載分別以0.236 m/s和0.148 m/s的速度上升，分別于10 s和8 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)在1 000 kg負(fù)載中超調(diào)量極小，可以忽略不計(jì)，但在500 kg負(fù)載中超調(diào)量達(dá)到了35%。

4 結(jié)語

本文通過對液壓變壓器控制直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真研究，以及液壓變壓器控制角位置伺服特性和液壓缸的性能實(shí)驗(yàn)，證明了控制角位置伺服特性可以非常精準(zhǔn)地控制液壓變壓器的變壓比以及液壓變壓器負(fù)載大小的改變對于輸出壓力有非常大的影響，具有一定的實(shí)際操作意義。

［1］盧紅影，姜繼海，于慶濤，等.液壓變壓器的特性分析［J］.液壓與氣動，2005（8）

［2］周瑞艷，盧紅影，劉宇輝，等.液壓變壓器變壓原理的理論分析與仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2007（1）