液压钻孔机械手液压系统的MATLABSimulink仿真分析

1、液压钻孔机械手液压系统的 MATLAB/Simulink 仿真分析（西安建筑科技大学 机电工程学院， 西安 710055）王光磊， 同志学， 冯涛摘要： 以自行设计的多自由度液压钻孔机械手的液压系统为研究对象 ，重点研究了机械手 钻头夹持部位的阀控液压缸系统 ，建立了液压系统动态仿 真 模 型 。 详细介绍了利用 Simulink 对 液压系统的动态特性进行仿真的方法 。针对机械手电液伺服系统设计了电液比例伺服控制系统 数 字校正环节 ，仿真验证了建模分析的正确性以及 PID 参数选择的合理性 。关键词： 电液伺服控制系统 ； PID 控制； MATLAB/Simulink中图分类号： TH1

2、37.7文献标志码： A文章编号： 1003 0794（2011）12 0053 04Hydraulic System of Drilling Manipulator MATLAB/Simulink AnalysisWANG Guang-lei， TONG Zhi-xue， FENG Tao（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055, China）Abstract: Hydraulic system of self -de

3、signed hydraulic drilling manipulator was taken as researching object, then system of valve control hydraulic cylinder of drill chuck parts of manipulator was researched and dynamic simulation model of hydraulic system was established. The method of simulation for dynamic characteristics of hydrauli

4、c system based on Simulink was introduced, then system of electrohydraulic proportional servo controlling was designed, the precision of modeling analysis and rationality of parameters selection in PID were verified through simulation.Key words: electro-hydraulic servo control system； PID control； M

5、ATLAB/Simulink引言电液伺服控制技术是在液压传动技术和自动控 制技术的基础上发展起来的新技术，利用功率较小的 电信号控制功率较大的液压元件，在工业上应用很广 泛。 本文以液压钻孔机械手为例，建立机械手夹持部 分液压系统的数学模型，在电液比例伺服控制系统中 加入数字校正环节，通过 Simulink 仿真分析，探讨了 对系统动态和静态特性产生影响的主要因素。Xmf0p2A2p1mtA1Xv Q1Q2p3阀控液压缸原理图图 1电液位置伺服控制系统结构框图如图 2 所示。液压泵站+ X（t）e（t）控制器功率 放大器比例阀液压缸负载电液伺服控制系统的构成四通电液比例伺服阀控液压缸的原理如图

6、 1 所 示，是由零开口四边滑阀和对称液压缸组成的。1- Y（t）位移传感器图 2电液伺服控制系统结构框图!机的实际工作载荷。 结果表明，随着载荷级数的增加，载荷频次逐渐下降，EBZ260TY 型掘进机受到幅3黄民,吴淼,魏任之. 横切割头掘进机械振动特性研究J. 机械工程学报, 2002,38（8）：89-93.4吴淼，李毅. 横向割头掘进机载荷谱的测定及分析J. 中国矿业 大学学报，1996,25（3）：27-31.5李晓豁，刘兴刚. 纵横轴式掘进机截割头载荷的模拟分析J. 辽 宁工程技术大学学报（自然科学版），2008，27（5）：745-747.6任尊松，孙守光. 高速动车组轴箱弹簧载

7、荷动态特性J. 机械工 程学报，2010，46（10）：109-115.7 王济江， 盛美萍. 基于统计能量分析理论的结构载荷识别研究J. 电声技术，2008，32（8）：77-80.8沈全锋,李桂华,纂宝晖 ， 等. 吊车动态载荷识别研究 J. 振动与 冲击，1997,16（3）：55-60.值较大的载荷数较少,均匀，结构受力合理。整机截割时受到的载荷比较通过 EBZ260TY 型掘进机截割假岩壁的载荷谱实测与分析，得到大量有用的数据。这些数据不仅对 EBZ260TY 型掘进机的结构改进和动态性能以及工作可靠性的提高有很大帮助，对其他新型更大功 率机型的开发亦具有重要的参考价值。参考文献：1

8、李晓豁. 掘进机截割头随机负荷的模拟研究J. 煤炭学报, 2000,25（5）：525-529.2李晓豁，韩宇飞. 掘进机截割载荷极值能量的频率识别J. 煤炭 学报，2008，33（4）：459-461.作者简介： 张红顺（1969- ），山西闻喜人 ， 高级工程师 ， 主要研究方向为矿山机械设计；通讯作者：张宏.责任编辑：卢盛春 收稿日期：2011051953第 32 卷第 12 期液压钻孔机械手液压系统的 MATLAB/Simulink 仿真分析王光磊，等液压系统数学模型建立活塞杆内径 d=22 mm, 活塞行程 H=200 mm,液 压缸外径 Dw=60 mm，内径 Dn=40 mm,

9、伺服阀和液压 缸之间的长度 L=1.5 m，液压管径 dg=18 mm，管壁厚 b=4 mm， 供油压力 p=6 MPa,YUKEN LSVG-03-20 电液比例伺服阀，额定电流 I=2 A，负载 M=25 kg，液 压缸的有效工作面积比伺服阀的流量-压力系数 Kc 小得多，故 Xh 主要由2Kc 决定。零位压力系数K = rc W =43.47×10-13 m·（N·s）-12（7）32式中rc阀芯与阀套间隙；油液的动黏度。由经验得知在伺服阀控缸位置伺服系统中，当阀在零位状态工作时，h=0.10.2，此处取 h=0.2，可 得缸的数学模型为Ap=（Dn -d

10、）/4=8.76 cm222液压系统总压缩容积（缸和阀至缸两侧管路总容积）Vt=HAP+Vg=379.3 cm3由于电液伺服位置系统的动态分析常常在零位工作状态下，此时增量与变量相等，故伺服阀的线性 化流量方程 1 1 -4xpAp8.76×10=（8）QLs（ s +1+s） s（ +s+1）2222hs20.4hh402402伺服阀传递函数为 Q0 Ksv I =（9）Q1=KPxv-KP pl（1）s2 2 2 +1+ssvhh考察液压缸连续方程，由可压缩流体连续性方程经推导可得由 LSVG-03-20 伺服阀频率响应特性曲线图，取相位滞后 90°所对应的频率为 sv

11、，可知 sv=450 Hz，额 定流量 qn=20 L/min， 取阀压降为 pL=2/3ps 时的流量增益Q1=Ctp pl+AP dxp + Vtdpl（2）忽略库仑摩dt4e dt考察液压缸和负载的力平衡方程，擦等非线性负载和油液的质量，根据牛顿第二定律可得出液压缸的输出力与负载力的平衡方程Ksv=qn 姨ps /psv=0.028 m3/（s·A）InAPpL=mt d xp +Bp dxp +Kxp+FL2阻尼比 sv 可以根据 2 阶环节的相频特性公式，由频率特性曲线求出每一相角 所对应的 sv 值，然后取（3）dt2dt式中mt液压缸活塞和负载总质量；Bp液压缸活塞和负

12、载的黏性阻尼系数；K系统负载的弹簧刚度；FL作用在活塞的任意外负载力。平均值即可得出 =0.6，所以伺服阀的传递函数为svQ0Ksv0.028I =（10）s2 2 s2 2×0.6 2 +1+ ssv+s+14502450svsv对式（1）、式（2）和式（3）作拉氏变换并消除中间变量得液压缸的总输出位移3未加校正的 Simulink 仿真在建立系统仿真模型前， 要确定系统传递函数 的 各 个 参 数 ， 根据以上已经计算出各个参数 ， 在 Simulink 中建立的仿真模型如图 3 所示。Xp=KqXv- Kce （1 Vt s）FL/ mtVt s3+（ VtBp +Ap24eK

13、ce4eAp 4eApmtKce ）s2+（Ame+ KceBp +K）s+ KKce （4）0.028 den（s）Transfer fon01 141.6 den（s）Transfer fon11S IntegratorApAp4eApAp+-K-因为负载特性为惯性负载（K=0），Kce e /Ap=1，式（4）可化简为Sine WaveGainScope Kg Xv- Kce Vt 2 （1s）FLXp= Ap Ap 4eKce 1（5）（ s2 2h 2 +1+s）sGain1未加校正的 Simulink 模型hh图 3对指令输入为 Xv 的传递函数为1（1）输入阶跃信号未经过 PID

14、 控制器校正，输入的阶跃信号响应 如图 4 所示。由图 4 看出系统的响应速度慢，阶跃响 应的时间比较长。 同时，随着系统增益的扩大，系统xpAp=（6）QL（ s2 2h 2 +1+s）s2hh响应速度增大， 可是超调量也增大，趋向不稳定状其中态。液压钻孔机械手要求系统具备很快的响应速度，并且没有过大的超调量， 故需要系统有合适的开环 增益。 由仿真分析可以看出，取开环增益 k=4，系统4eAp2姨 VtMth=402.307总流量压力系数 Kce=Kc+Ctp， 缸总泄漏系数 Ctp54 液压钻孔机械手液压系统的 MATLAB/Simulink 仿真分析 王光磊，等第 32 卷第 12 期

15、可以得到相对较好的阶跃响应曲线。 如果要满足液压钻孔机械手的动态性能要求，需要加入控制器进 行调节。1.4在 MATLAB 下，能利用编程绘图不断校正 PID参数, 直到获得合适的结果。 但在 Simuhnk 环境下，其方框图构造非常简单、仿真参数也能很方便地修改，由此可以方便仿真， PID 仿真模型如图 7 所示。1.21.00.80.60.40.2k=81s0.028 den（s）1 141.6 den（s）+-PID（s）K-Gaink=6StepTranster Fcn Transter Fcn1 IntegratorScopePID Controllerk=4k=2k=10k=120

16、1Gain1加校正后的仿真模型00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8时间0.91.0图 4系统价跃响应曲线图 7（2）系统开环波特图系统开环传函伯德图如图 5 所示，能看出系统 稳定裕量为： 幅值裕量 Kg=20.7 dB； 相位裕量 =87.1°；剪切频率 c=2.17 Hz；相位穿越-180°的频率g=42.1 Hz，当液压伺服位置控制系统开环稳定时，闭环系统稳定的充要条件是开环系统频率特性的增益交界频率低于它的相位交界频率。 此时系统闭环 是稳定的。 而且稳定裕度相当好, 但是由于系统的频 宽较小，响应速度较慢，因此需要对系统进行校正。500

17、-50-100-150-200-250-90-180-270-360仿真响应曲线如图 8 所示。1.41.21.00.80.60.40.201234567时间/s图 8机械手伺服控制系统 PID 仿真结果KP=0.2 KD=0.01 KI=0分析仿真试验数据及输出响应曲线， 很容易得到：（1）增大比例系数 KP，能减少系统稳态误差，同时提高系统的动态响应速度，但比例系数 KP 过大会 使动态性能变差；（2）在比例调节基础上，加上积分环节可以消除 系统稳态误差， 但过大的积分系数会使系统超调变大；（3）此液压伺服系统的误差是常值，所以微分输 出为零，没有作用。从仿真结果的比较得出 ， 当 KP=

18、0.2，KD=0.01,KI=0 时系统可以达到较好的控制效果，系统输出响 应曲线大概在 0.16 s 处达到稳态值，调整时间很短且无超调量，能满足系统的要求。-450100123410101010频率/rad·s-1系统开环伯德图图 54 基于 SimuLink 的 PID 仿真电液伺服控制系统是典型的非线性不确定系统，存在参数时变、扰动较大、很难精确建模的缺点。 这些缺点会影响系统稳定性、 动态特性及其精度。 选择合适的控制方法对实现电液伺服控制系统的准确控制非常重要。PID 控制算法是最早发展并且应结语（1）对伺服阀控缸系统进行分析，确定伺服阀控 液压缸系统的数学模型，在此数学

19、模型的基础上，获 得了 LSVG-03-20 伺服阀控液压缸电液比例伺服位 置控制系统的数学模型，在没有加入 PID 控制的前 提下，对系统进行仿真，判断其稳定性，分析其动态 特性，得出要加校正的结论，同时对机械手液压系统5用的经典的控制算法之一，PID 控制器具有原理简单，适应性强，鲁棒性强且精度高的优点，经过多年 的发展，PID 控制规律仍是最普遍的规律，其控制器也从模拟 PID 控制器上升到了数字 PID 控制器，控 制性能得到了很大的提升。在 Simulink 的操作环境下，利用 PID 控制策略 对电液伺服系统进行仿真分析，图 6 为 PID 控制原理图。比例工作状态有了更深的了解，的效率；提高了设计和分析系统（2）在机械手液压系统中加入 PID 控