液压变压器控制直线执行机构工作特性研究

2014-01-31李素平

机电信息 2014年15期

李素平

（江苏城市职业学院张家港办学点，江苏苏州215600）

1 液压变压器控制直线执行机构的仿真研究

1.1 液压变压器控制液压缸的连接方式

液压油经过液压泵排出，再通过液压变压器进行变压，利用换向阀输出端的CPR网络低压油路进入液压缸的有杆腔和无杆腔。有杆腔的压力将控制在小于等于配流盘控制角所设计的压力范围内，而有杆腔中的活塞杆因压力上升而伸出。在停止供油时，泄油阀打开，活塞杆会因负载作用下的液压变压器缸体反转而缩回，液压油流入油箱。

但这种连接方式的缺点很明显，如果液压缸保持固定的移动方向，连接负载的端口产生变化，那么液压变压器就必须作反向旋转运动，而输出端的压力会短暂消失，液压变压器不能得到连续控制。要解决液压变压器旋转角度突变的问题，可将CPR网络的高压管路与有杆腔相连，利用无杆腔大于有杆腔的压力来克服外负载，液压变压器起到升压作用，不仅可连续回转，而且可使液压变压器速度变化稳定而平缓。同时，为解决液压变压器在该过程中的变压比问题，有杆腔还需与低压管路相连接，加装换向阀和插装阀，满足液压缸压力变化的需求。

1.2 液压变压器控制直线执行机构的仿真分析

在本文的研究中，我们对直线执行机构的控制采用的是斜盘柱塞式液压变压器，对摆动马达转动的控制采用的是电液伺服阀，以实现对配流盘转动的控制。其次，为调节有杆腔的压力，系统中采取单出杆非对称液压缸作为执行元件，以实现在不同负载下的系统适应性。因此，本文的研究重点在于对液压变压器控制角进行控制，搭建Matlab/Simulink仿真模型，对其角位置伺服特性、液压缸的开环和闭环进行仿真研究。

1.2.1 角位置伺服特性

通过分析可知，在PID的控制之下，控制角阶跃响应以0.4 s时上升，在0.3 s时第一次达到稳态，而达到稳态值的时间是3 s，超调量满足幅值10%的要求。在控制角斜坡响应方面，当斜率为10°/s、20°/s、25°/s时，控制角的跟踪性能较佳；当斜率为50°/s时，时间滞后较大，为0.1 s。对于控制角正弦响应，当频率为0.2 Hz和0.5 Hz时，相位的追踪性能较好，幅值衰减不明显，当频率提高到1 Hz时，相位开始滞后，幅值稍有衰减，但仍满足要求。

1.2.2 液压缸的开环仿真

为得到不同高压管路压力下液压缸位移的大小，我们将液压变压器控制角设置为50°、70°和90°，高压管路压力设置为6 MPa和8 MPa，负载质量设置为500 kg和1 000 kg，得到如下结论：当控制角角度固定和高压管路压力相同时，负载大小和液压缸上升速度呈反向状态，而在负载固定和高压管路压力相同时，控制角大小和液压缸上升速度呈同步状态。

1.2.3 液压缸的闭环仿真

在高压管路压力相同的情况下，负载大小的改变、液压缸位置符合其伺服特性，满足阶跃响应。随着高压管路压力的上升，负载阶跃响应开始出现滞后现象，超调量也会增大。当高压管路压力达到4 MPa时，超调量增加到50%，不能保证系统的良好运行。采用PID控制器的目的是实现位置反馈控制，使控制角和变压比变化呈同步趋势。

2 液压变压器控制直线执行机构的方法

2.1 自适应反演控制器设计

基于液压变压器的非线性特征，为实现更好的控制效果，本文采取自适应反演控制方法来改善液压变压器的控制模式。首先，我们先定义4个有界且不确定因素d1～d4，其中，跟踪信号期望值为d1，虚拟控制信号为d2～d4，状态误差为z1～z4。自适应控制律为待设计参数为γ＞0。

2.2 自适应反演控制系统的稳定性

表1 稳定性计算流程表

由此可得，对V求导的结果是≤0，可收敛至原点。所以，自适应反演控制系统的状态指数能够收敛到0，控制量将不会过分增长。

3 液压变压器控制直线执行机构的实验分析

根据前文的仿真结果和反演自适应控制器的设计，本文还需进行实验分析，以求对系统性能的完善进行验证。

3.1 液压变压器控制角位置伺服特性的性能实验

由上文可知，液压变压器连接负载的端口压力大小的改变是需要通过改变控制角来实现的，因此，液压变压器利用伺服阀控制摆动马达转角，以实现对配流盘转角的控制。在控制角阶跃响应实验中，将压力值设定为5 MPa，当幅值达到50°时，在1.3 s时第一次达到稳态值，超调量是2%，系统中稳态误差达到1%，而将幅值设定为100°时，在2.7 s时第一次达到稳态值，超调量仅为0.5%，系统中稳态误差仅为0.24%；控制角斜坡响应实验中，同样将压力值设定为5 MPa，当幅值达到60°时，斜率为5°/s、10°/s和20°/s的斜坡信号响应结果为2%以下，满足了液压变压器对跟踪的较小误差要求，而当斜率为25°/s时，跟踪误差变大，有0.5 s的滞后值；在控制角正弦响应实验中，依旧将压力值设定为5 MPa，将正弦信号峰值设定为80°，周期为10 s、8 s和5 s时，相位滞后分别为0.1°、11.2°和14.3°，对幅值衰减的影响较小，能够保证跟踪输入信号的工作顺利进行，而在周期为2.5 s时，相位滞后达到了43.4°，幅值衰减更是上升到了49%，系统对于正弦响应信号的跟踪已经不能很好地响应了。

3.2 液压变压器控制液压缸的性能实验

对于液压缸的闭环实验，我们取500 kg和1 000 kg的负载质量，观察其在5～8 MPa高压管路压力作用下的位移变化。当高压管路压力设置为5 MPa，负载质量分别设置为500 kg和1 000 kg时，负载分别以0.14 m/s和0.092 m/s的速度上升，分别于11 s和71 s后达到稳定状态，系统在此过程中超调量极小，可以忽略不计；当高压管路压力设置为6 MPa，负载质量分别设置为500 kg和1 000 kg时，负载分别以0.185 m/s和0.116 m/s的速度上升，分别于8 s和9 s后达到稳定状态，系统在1 000 kg负载中超调量极小，可以忽略不计，但在500 kg负载中超调量达到了22%；当高压管路压力设置为7 MPa，负载质量分别设置为500 kg和1 000 kg时，负载分别以0.206 m/s和0.128 m/s的速度上升，分别于10 s和8 s后达到稳定状态，系统在1 000 kg负载中超调量极小，可忽略不计，但在500 kg负载中超调量达到了22%；当高压管路压力设置为8 MPa，负载质量分别设置为500 kg和1 000 kg时，负载分别以0.236 m/s和0.148 m/s的速度上升，分别于10 s和8 s后达到稳定状态，系统在1 000 kg负载中超调量极小，可以忽略不计，但在500 kg负载中超调量达到了35%。