气液联控伺服系统的工作性能分析及试验研究

哈尔滨工业大学徐秀芬，赵克定，袁立鹏----西安交通大学学报2005.11.24阅读 1696

　　气液联控的基本思想是将液体介质引入到常规气压伺服系统中，并进行闭环控制，以获得连续可调的阻尼力，进而直接影响系统的动、静态特性，这种气液复合控制系统称为气液联控系统。在该系统中，采用高速开关阀，用脉宽调制方法进行控制，液体部分不需要液压源，动力来自于气压部分，是一个封闭的自循环系统，因此其体积小，结构简单。液体介质的引入，给系统动态特性的调节提供了全新的途径，提高了控制的灵活性，能从根本上解决常规气压伺服系统的低频响、低精度和低刚度问题。目前，在常规气压伺服系统的应用中，基本上可以利用气液联控伺服系统，使常规气压伺服系统获得更好的静、动态性能。气液联控系统是一个具有强非线性的系统，用线性化方法进行理论分析时，仿真与试验结果差别很大，因此不适合采用线性系统理论进行系统分析。本文根据相关的物理方程，建立了系统的状态方程控制工程网版权所有，据此进行了系统的控制性能仿真，同时在气液联控系统试验台上进行了控制试验。

　　　　 1 气液联控伺服系统的原理和构成

　　气液联控伺服系统的结构如图1所示，系统由气液缸和负载、传感器、计算机和控制器，以及高速开关阀与其驱动电路组成。系统的基本工作原理是将位移（力）传感

器采集的信号与给定信号相比较，得出偏差信号，经过控制算法计算，由计算机发出脉宽调制（PWM）控制信号来分别控制液压阀和气压阀的开或关，使得系统向着减小偏差的方向运动www.cechina.cn，从而实现负载位置（力）的伺服控制。

　　图1 气液联控伺服系统结构图

　　在本文研究的伺服系统中，采用高速开关阀作为控制阀，该种阀是采用PWM 的方法对系统进行控制的。在系统中选用直线光栅位移传感器来测量位移，并在气液缸活塞杆上加装了力传感器，以测取力信号。

　　　　 2 气液联控伺服系统的状态方程

　　 2.1 系统基本方程

　　在一个脉宽调制周期内，分析高速开关阀的质量流量。在计算中，认为气压腔内的温度与气源温度、环境温度都相同。这样的简化是合理的，因为根据试验结果，气缸内的温度变化不大，通常在±10°C以内。对系统中所用的2位三通气压高速开关阀，其质量流量方程为

　　式中δ、δ_e分别表示气缸腔内外的压力比和气压高速开关阀的临界压力比；τ＝T_p/T，为气压高速开关阀的占空比；T_p为在一个调制周期内开关阀的开启时间，即脉冲宽度；T为载波周期；q_m1\q_m2分别为气缸左右腔的质量流量；p_s、p₀、p₁、p₂分别是气源、环境和气缸左右腔的压力；C₁、C₂分别是气压高速开关阀进、排气通道的声速流导；b₁、b₂分别为气压高速开关阀进、排气通道的临界压力比。

　　根据理想气体的状态方程，得到气缸两腔内的压力方程为