前言

電液伺服系統具有響應速度快、調速范圍廣、比功率大、耐用性高等優點，在車輛船舶、工程機械、武器系統等方面得到了廣泛的應用。為了進行電液伺服系統的分析、仿真與控制，需要構造電液伺服系統的模型，但其固有的流量-壓力曲線、液體壓縮、電磁轉換、飽和摩擦等非線性因素，使得難以獲得電液伺服系統的精確模型。

電液位置伺服系統主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務就是通過執行機構實現被控量對給定量的及時和準確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統的動態特性是衡量一套電液伺服系統設計及調試水平的重要指標。它由電信號處理裝置和若干液壓元件組成，元件的動態性能相互影響，相互制約及系統本身所包含的非線性，致使其動態性能復雜。因此，電液伺服控制系統的設計及仿真受到越來越多的重視。

本文以比例方向閥實現對伺服油缸的位置控制，加入位移傳感器構成位置閉環控制系統。采用NI公司的USB-6008數據采集卡完成數據采集、數據輸出控制等多項功能，以LABVIEW和MATLAB混合編程實現了良好的實時控制功能。

1液壓系統特性簡述

隨著液壓技術的不斷發展與進步和應用領域與范圍的不斷擴大，系統柔性化與各種性能要求更高，采用傳統的以完成執行機構預定動作循環和限于系統靜態性能的系統設計遠遠不能滿足要求。因此，現代液壓系統設計研究人員對系統動態特性進行研究，了解和掌握液壓系統動態工作特性與參數變化，以提高系統的響應特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

液壓系統動態特性是其在失去原來平衡狀態到達新的平衡狀態過程中所表現出來的特性，原因主要是由傳動與控制系統的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統各參變量隨時間變化性能的好壞，決定系統動態特性的優劣。系統動態特性主要表現為穩定性（系統中壓力瞬間峰值與波動情況）以及過渡過程品質（執行、控制機構的響應品質和響應速度）問題。

液壓系統動態特性的研究方法主要有傳遞函數分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數字仿真法等。數字仿真法是利用計算機技術研究液壓系統動態特性的一種方法。先是建立液壓系統動態過程的數字模型——狀態方程，然后在計算機上求出系統中主要變量在動態過程的時域解。該方法適用于線性與非線性系統，可以模擬出輸入函數作用下系統各參變量的變化情況，從而獲得對系統動態過程直接、全面的了解，使研究人員在設計階段就可預測液壓系統動態性能，以便及時對設計結果進行驗證與改進，保證系統的工作性能和可靠性，具有精確、適應性強、周期短以及費用低等優點。

2系統原理及建模

2.1系統組成及原理

電液位置伺服控制系統以液體作為動力傳輸和控制介質，利用電信號進行控制輸入和反饋。只要輸入某一規律的輸入信號，執行元件就能啟動、快速并準確地復現輸入量的變化規律。控制系統結構圖如圖1所示：

圖1電液位置伺服控制系統結構圖

2.2電液位置伺服系統建模

建立電液伺服系統的傳遞函數，需要根據連續性方程、牛頓定律等物理法則，分別對伺服閥、液壓缸等環節建立函數表達式，并聯立求出系統的傳遞函數。具體地，需要建立伺服閥方程、伺服閥流量方程、連續性方程和力平衡方程。

2.2.1伺服閥方程

伺服閥是具有復雜高階非線性特性的器件。在實際中，通常可以將伺服閥簡化等效為一階系統（低頻）或者二階系統（高頻）：

其中Q為伺服閥輸出流量，u為電壓控制信號，Kv為伺服閥增益，τv為伺服閥時間常數。

其中ζn為伺服閥阻尼系數，ωn為伺服閥自然頻率。

上述的伺服閥帶寬、增益、阻尼系數和自然頻率等參數，可以查閱廠商提供的相關手冊獲得，從而得到伺服閥的傳遞函數表達式。在自動定深電液伺服系統中，伺服閥的時間常數、阻尼系數均較小，為簡單起見，可以忽略伺服閥的動態特性，而直接得到伺服閥的閥芯位移與輸入信號u的關系：

xv=Kvu

其中xv表示伺服閥的閥芯位移，u為電壓控制信號。

2.2.2伺服閥流量方程

為確定伺服閥的流量方程，預先假定伺服閥的控制窗口是配作且對稱的，油源壓力是恒定的。線性化的伺服閥流量方程為：

其中，Q1和Q2分別表示進油和回油流量，P1和P2分別表示進油和回油壓力，Kq為閥的流量增益，Kc為閥的流量-壓力系數。

由上式可得：

其中QL為負載流量，PL為負載壓差。

2.2.3連續性方程

為確定液壓缸連續性方程，預先假設液壓缸中各處壓力始終是相等的，并且不會出現飽和或者空穴現象，液體流動速度很小，沒有管道現象，溫度和密度均為常數。對每個活塞腔應用連續性方程得：

其中V1和V2分別表示進油腔體積和回油腔體積，Cip表示活塞的內部泄露系數，Cep表示活塞的外部泄露系數，βe為系統的有效容積模數。

通過系統給定參數和查閱伺服閥樣本，計算當負載彈簧Ks=180000N/cm時，傳遞函數中的主要參數：放大器增益Ka=40000mA/V，ωr=0.588rad/s，ωm=200rad/s，ω0=674rad/s，ξ0=0.005。再根據系統各環節的傳遞函數，建立系統simulink動態模型如圖2所示。

圖2系統simulink動態仿真模型

3軟件設計

LABVIEW在線控制過程：首先進行數據采集，采集的數據是位移傳感器的位移，轉換為電壓，送入數據采集卡的模擬量輸入端AI0，程序中對模擬輸入通道進行配置，主要包括配置采樣通道號、最大最小值以及采樣方式(差分、單端)，并輸出采樣波形。接著是PID算法，要設定P、I、D的參數和輸出的上下限，然后是模擬量的輸出，程序中對模擬量輸出通道配置，輸出口配置為AO0口，并配置輸出的最大最小值。經過程序運算后得到的數值送給伺服放大器的輸入端，驅動伺服閥，使液壓缸前進或后退，完成對電液伺服系統的位置控制[3]。數據采集系統流程圖如圖3所示。

圖3采集系統流程圖

4MATLAB仿真

基于多層前向神經網絡構造自動定深電液伺服系統的智能模型，隱含層節點數目為8，訓練次數為1000次。由于神經網絡參數初值的不確定會造成網絡性能的不同，因此神經網絡訓練10次，均方根誤差等性能指標取其平均值。神經網絡能夠較好的擬合電液伺服系統的動態特性，且模型具有較高的泛化能力仿真圖如圖4所示：

圖4電液伺服系統神經網絡輸出值和實際值

5結論

電液伺服系統是一類典型的非線性系統，本文采用機理建模和智能建模方法為進一步實現電液伺服系統的控制奠定了基礎。建模過程與仿真結果表明,對系統建立正確的數學模型并進行分析仿真，分析系統的動態特性，可以有效地預見系統的輸出，達到對系統工作狀態的了解，提高了設計和分析系統的效率，為進一步控制系統，提高響應速度和控制精度奠定了一定的基礎。