基于阻抗控制的阀控缸系统动态特性分析.pdf

第 4期 2 0 1 2年 4月 机 械设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 01 文章编 号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 0 4 ～ 0 2 0 1 0 3 基 于阻抗控制的阀控缸 系统动 态特性分析 李 昌 叶正茂黄其涛 哈尔滨工业大学 ， 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 Dy n a mi c p r o p e r t i e s a n a l y s i s f o r v al v e c o n t r ol l e d c y l i n d e r b a s e d o n i mp e d a n c e c o n t r o l L I C h a n g ， Y E Z h e n g - m a O ， H U A N G Q i - t a o H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a 【 摘要】 建立了阀控液压缸系统动力机构及负载的数学模型， 完 成了双自由 度力控制模型及其传递 函数的推导， 并给出了力加载控制系 统的方框图。然后提出了力环包容位置环的控制策略， 针对力环加载 { 力控制， 设计 了基于阻抗控制的力加载控制器 ， 通过运用 Ma t l a b i m u l i n k软件对单缸双 自由度力加载控 { 制系统进行仿真分析， 得到了系统位置环及力环的频率特J}生 及其在阶跃输入下的响应。 最后通过阻抗控制 2 器参数与系统参数不完全匹配时系统阶跃响应的仿真分析结果， 验证了 该阻抗控制器的有效性。 { 关键词 阀控缸； 阻抗控制； 动态特性 ； 【 A b s t r a c t 】A ma t h e mati c m o d e f 加r v a l v e c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c l i n d e r a n d t h e l o a d s i s b u i l t i n i t ，j f r o m w h i c h t h e c o n t r o l mo d e l o f t h e f o r c e w i t h t w o d e g r e e s o f f r e d o m a n d i t s t r a n s f e r f u n c t i o n i s d e r i v e d ， a n d{ b l o c k d ia g r a m 0 厂 th e f o r c e c o n t r o l s y s t e m i s P r e s e n t e d ．T h e n t h e for o e c o n t r o l ,s t r at e g y f o r in c l u s iv e p o s i t i o n； l o o p i s p r o p o s e d ， l o adf o r c e c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b a s e d o n i m p e d a n c e c o n t r o L A fie r w a r d s ， t h e f o r c e c o n t r o l 2 s y s t e m o f s i n g l e h y d r a u l i c c l i n d e r w i t h t w o d e g r e e s o 厂 fr e d o m i s a n a l y z e d t h r o u g h M a t l a b ／ S i m u l i n k S O t h at￡ e{ d i s p l ace m e n t a n d for c e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m a n d t h e s t e p r e s p o n s e are o b t a in e d F i n 01 1y ，j t h r o u g h t h e s i m u l at i o n a n a l y s i s f o r t e s t e p r e s p o n s e r e s u l t s w i t h i m p e d a n c e c o n t r o l p ara m e t e r s b e i n g n c o m 一2 p l e t e i n a c c o r d a n c e w i th t h e s y s t e mp ar a m e t e r s ， t h e e ff e c t i v e n e s s ofi m p e d a n c e c o n t r o l l e r i s v e r ifi e a K e y w o r d s V a l v e c o n t r o l l e d c y l i n d e r ； I mp e d a n c e c o n t r o l ； D y n a m i c p r o p e r t ic s ； 中图分类号 T H1 6 ， T H1 3 7 文献标识码 A 1 I - l I 商 高速铁路的快速发展对中国的经济和社会有重大影响。随 着列车速度的不断提高， 对列车的设计也提出了更高的要求， 其 中一个主要部分需要对其运动及受力情况在实验室中进行模拟。 为此， 国内某高校研制了采用 S t e w a r t 六自由度运动模拟器的车 端关系综合试验台， 如图1 所示。 图 1车端关系综合试验 台 阀控非对称缸具有结构紧凑、 响应快、 精度高等优点， 因而 在六自由度运动模拟器中得到广泛应用。 当考虑车身方向单自由 度运动时， 六 自由度运动平台可等效为阀控缸动力机构， 对其特 性的研究较多 ， 但对双自由度力控制系统的研究目前较少。对 单 缸双 自由度力控制系统做进 一步分析 ， 并运用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k 软件研究其位置环和基于阻抗控制的力环的动态特性。 2阀控非对称液压缸动力机构建模 阀控非对称液压缸动力机构原理图， 如图 2所示。图中 、 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 0 7 单缸系统的供油和回油压力； 一阀芯位移； Q 、 9 厂一 液压缸 进油腔和回油腔的流量； 、 ， l广 液压缸无杆腔和有杆腔的压力； 4 、 A 一液压缸活塞无杆 腔和有杆腔 的面积 ； 。 、 。 厂 液压 缸 初 始时无杆腔和有杆腔的长度 ； 。 、 v 一液压缸无杆腔和有杆 腔 的容积 ； 一液压缸活塞及末端执行器 的质量 ， 为贯通道 负载 的 质量 ； 、 传感器及贯通道的刚度 ； 负贯通道阻尼 ； 、 厂 液压缸及贯通道位移 。 图 2} 睦液压缸动力机构原理图 2 ． 1液压缸和负载力平衡方程 取 A n ， 令负载压力 为 P 一 n P 2 ， 则有 A P L MXl K l - X2 1 2 ． 2液压缸流量连续性方程 考虑忽略外泄漏、 初始时两腔容积相等， 令 Q 2_ 则 2 0 2 李 昌等 基于阻抗控制的阀控缸 系统动态特性分析 第 液压缸流量连续性方程为 Q ． 2 2 ． 3阀流量方程 线性化后阀流量方程 Q ， X 一 K 3 2 ． 4贯通道负载的力平衡方程 m X 2 K l Xl X2 一 K 2 X 2 一 B X 2 4 式 1 4 经拉氏变换可得出单缸系统动力机构的方框图， 如 图 3所 示 图 3单缸系统动 力机构传递函数方框 图 由图 3 可求出动力机构传递函数为 _ ．1 X 一K A K 2 r 、 x s G S 其中， l V o M B K em M j s 【 in K 1 M K M K 2 B B , S 31 rt 【 l K m B 枷 t j V B K t t K 2 l l K m K I 肘 K 1 K 2 B 日 鲋 l { _K l K 2 K B K 1 B K 1 B p K 2 l 1 n s K K K2 6 l K 1 K 2 A l J 3控制原理 阻抗控制 由位置内环和阻抗控制力外环组成 。根据系统实 际作用力及负载阻抗参数， 通过阻抗控制器力外环产生位置修正 量， 将原始位置和位置修正量输入内部位置环， 使实际位置跟踪 期望值， 从而实现由负载阻抗参数确定的系统动力学特性。位置 修正量 满足下式 一 mc J f B ， K ， 7 在频域中， 其阻抗函数关系可表示为式 8 的形式 ， 8 m s 日 s K 由式 8 ， 可得基于位置的阻抗控制补偿器， 如图4所示。 图 4阻抗控制补偿器基本结构框 图 为了达到力跟踪的目的， 采用力误差信号作为 目标阻抗的 驱动力信号 E E ， 这样由式 8 就可得到是式 9 。式 9 类似 一 二阶低通滤波器对 E进行滤波， 得到滤波后的结果一位置修 量 ～ m s s K 9 应用上述阻抗关系， 采用力环包容位置环的控制策略， 得基 于阻抗控制方法， 如图 5 所示。 其中力控制器为阻抗控制加 P I 控 制， 并加串联滞后校正[5 1 。图中 力给定信号； 一力传感器检 测信号； 厂位置修正量； _初始时刻设定位移量； ，一单缸系 统的液压缸位移。控制过程为首先给单缸系统一个固定的位移 x ， 在此基础上施加给定力信号 ， 与力传感器检测力信号 叠加后输入力控制器， 经力控制器结算后得位移修正信号 与 单缸现有位移 X 相加， 经放大器放大后驱动阀控缸动力机构。 图 5基于阻抗控制的单缸系统力控制模型 4仿真分析 伺服放大器、 位移传感器和力传感器的响应频率比较高， 可 看成比例环节 ， 比例系数分别为K 、 、 伺服阀看作一二阶振 荡环节， 即 G s r 一 1 O 一 s 1 0 2 s 系统的基本参数， 如表 1 所示。 表 1系统参数 M ， kg 1 61 ．5 m ， k g 1 6 3 ．7 5 A1 ， m 3 ． 1 2 xl 0 - 3 L， 1 T 1 0 ．4 9 6 K ， m3／ s ／ A 0 ． 1 3 3 ， V ／ N 2 ． 8 1 x l O 4 ． 1位置环频率特性 由式 5 和图5 ， 可得其位置环开环传递函数为 K。 f s 1 1 ．．． ． 1 1 c ， 2 10 ／ 2 1 式中 to，。 一动力机构的综合频率， r a d ／ s ； s 。 一动力机构综合阻尼 比； t o 。 一开环系统的高频振荡环节频率， r a d ／ s ； 。 。 一开环系 统的高频振荡环节阻尼比； t o 一负载 m机械固有频率， r a d ／ s ； 一负载阻尼比； ， J 一弹性负载引起的惯性环节转折频 率， r a d ／ s ； K 厂 系统开环增益。 名 一 娅 频 率 Hz 图6位置环频率特性开环b o d e 图 系统位置环开环 b o d e图， 如图 6 所示。从图6中可知， 幅值 曲线以一 2 0 d B ／ d e c穿越 0 d B线， 开环截止频率为 3 ． 8 9 Hz ， 幅值裕 量为 9 ． 6 d B ， 相角裕量为 8 5 ． 1 。 ； 系统位置环闭环 b o d e图， 如图 7 所示 。从图中可知 ， 系统的幅频宽 O 3 d 为 4 ． 2 4 Hz ， 相频宽 ．0 2 9 0 为 2 0 3 4 ． 2 力环 图8位置环阶跃输入响应 ∞ 3 理 罄 图 9力环率特性 开环 b 。 d e图 图 1 0力环频率特性闭环b 。 d e 图 图 1 2阻抗控制参数变化时阶跃响应 霉 ～ ．． 一 0 辫 螺 ； 一 } }； ．t ． ， l 撩 v 一 一 一 一