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      數(shù)字液壓缸的建模分析

      2015-05-30 08:38:34孫雪冬潘越
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年15期
      關(guān)鍵詞:仿真分析

      孫雪冬 潘越

      摘 要:文章介紹了數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)及其基本工作原理,通過對數(shù)字液壓缸系統(tǒng)各個組成部件的分析,建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型,并利用Matlab/Simulink仿真工具,對數(shù)字液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析。

      關(guān)鍵詞:數(shù)字液壓缸;傳遞函數(shù)模型;仿真分析

      引言

      隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,液壓技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。在此背景下數(shù)字液壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,與傳統(tǒng)的電液伺服液壓技術(shù)相比,數(shù)字液壓的突出優(yōu)點(diǎn)是控制技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、同步性能優(yōu)越、響應(yīng)速度快、對油液的清潔度要求低。數(shù)字液壓缸是由步進(jìn)電機(jī)、液壓滑閥、閉環(huán)位置反饋機(jī)構(gòu)設(shè)計組合在液壓缸內(nèi)部,接通液壓油源,所有的功能直接通過專用數(shù)字控制器、計算機(jī)或PLC可編程控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖信號來直接控制液壓缸的位置、速度和方向,以實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)目標(biāo)控制。

      1 數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

      如圖1原理圖所示,步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號,其輸出軸旋轉(zhuǎn)一定的角度,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過平鍵、平面推力軸承帶動閥芯旋轉(zhuǎn),閥芯的左端為外螺紋,外螺紋與固定在缸上的固定螺母相互配合,固定螺母位置固定,在旋轉(zhuǎn)作用下閥芯發(fā)生軸向移動,此時閥口打開,高壓油經(jīng)液壓滑閥進(jìn)入液壓缸后腔,后腔壓力增加,空心活塞桿向左移動,前腔的液壓油經(jīng)液壓滑閥流回油箱,空心活塞桿向左運(yùn)動時,帶動固定在空心活塞桿上的絲杠螺母一起向左運(yùn)動,滾珠絲桿在軸向上不移動,滾珠絲杠發(fā)生與步進(jìn)電機(jī)旋向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,絲杠的右端與閥芯左端外螺紋連接,使閥芯左端的外螺紋反向旋轉(zhuǎn),在固定螺母的作用下閥芯向右移動,閥芯復(fù)位,閥口關(guān)閉,一個步進(jìn)過程結(jié)束。液壓缸的行程與步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)成正比,運(yùn)動方向由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制,而其運(yùn)動速度與輸入脈沖的頻率成比例。因此可將復(fù)雜的液壓伺服閉環(huán)控制變?yōu)楹唵蔚牟竭M(jìn)電機(jī)開環(huán)控制[1]。

      2 數(shù)字液壓缸的傳遞函數(shù)模型

      數(shù)字缸的建模分析通常采用傳統(tǒng)機(jī)液伺服系統(tǒng)的線性化傳遞函數(shù)模型,經(jīng)過分析,忽略掉一些次要因素的影響,確立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型[2]。(如圖2所示)

      3 數(shù)字液壓缸仿真分析

      根據(jù)建立的數(shù)字液壓缸系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型,在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真分析[5]。(如表1所示)

      表1 主要仿真參數(shù)

      將參數(shù)代入傳遞函數(shù)中,并用MATLAB進(jìn)行仿真,可以得到該數(shù)字液壓缸系統(tǒng)的伯德圖,如圖3所示。

      由仿真結(jié)果可得,系統(tǒng)在頻率為36.8rad/s處,曲線實(shí)現(xiàn)穿越,則相位穿越頻率為36.8rad/s,與此對應(yīng)的幅值裕度為20dB,幅頻特性曲線在頻率32.2rad/s時實(shí)現(xiàn)穿越,與此對應(yīng)的相位裕量為72°,由此可見,本系統(tǒng)穩(wěn)定,且系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度的取值均達(dá)到穩(wěn)定要求。

      在額定負(fù)載下,給系統(tǒng)輸入振幅為3mm的正階躍信號和Z=3sin4πt的正弦信號,系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4,5所示。

      由仿真曲線可看出,由于此數(shù)字缸為單出桿非對稱結(jié)構(gòu)、活塞本身質(zhì)量及摩擦力還有負(fù)載干擾,存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差,但影響幅度并不明顯?;钊麠U的輸出位移基本能夠跟蹤輸入的階躍信號和正弦信號,系統(tǒng)響應(yīng)精度及系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間上都比較理想,達(dá)到系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。

      4 結(jié)束語

      根據(jù)數(shù)字缸的結(jié)構(gòu)及工作原理構(gòu)建系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型,并利用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,由仿真結(jié)果可得該系統(tǒng)穩(wěn)定,系統(tǒng)總體性能滿足設(shè)計要求,為數(shù)字液壓缸的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù),具有重要參考價值。

      參考文獻(xiàn)

      [1]邢繼峰.一種新型數(shù)字液壓缸的研究[J].機(jī)床與液壓,2005,8.

      [2]雷天覺.液壓工程手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

      [3]王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

      [4]劉海昌,吳張永,袁子榮,等.滑閥式電液步進(jìn)缸的精度分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報,2003(3):26-28.

      [5]王正林,王勝開,陳國順,等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

      作者簡介:孫雪冬(1989-),男,河北邯鄲,河北工程大學(xué),碩士學(xué)歷,研究方向:機(jī)械電子工程。

      潘越(1972-),男,河北邯鄲,河北工程大學(xué)副教授,博士學(xué)歷,研究方向:大型設(shè)備故障診斷、煤礦機(jī)電設(shè)備研究。

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