探索計算機建模與仿真在液壓伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文著重介紹了在液壓伺服控制系統(tǒng)中，若結(jié)合計算機軟件進行仿真，對系統(tǒng)的參數(shù)可進行較精確地調(diào)整，并對可靠性做進一步驗證，最終可以得出比較可靠的液壓伺服控制系統(tǒng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，計算機技術(shù)科學(xué)逐漸成熟，其強大而豐富的功能已被人們所認知?，F(xiàn)今，計算機建模與仿真技術(shù)已進入人類社會的各個領(lǐng)域并發(fā)揮著不可估量的作用。計算機建模與仿真是將1個系統(tǒng)以可接收的形式描述給1個計算機系統(tǒng)，其關(guān)鍵是對系統(tǒng)狀態(tài)的描述。如果系統(tǒng)可用1組變量來概括，那么變量值的計算就可仿真系統(tǒng)從1個狀態(tài)到另1個狀態(tài)的變化。

半個多世紀來，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在各種應(yīng)用需求的牽引及有關(guān)學(xué)科技術(shù)的推動下，已經(jīng)發(fā)展形成了綜合性的專業(yè)技術(shù)體系，并迅速地發(fā)展為1項通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。它與高性能計算(High Performance Computing)一起，正成為繼理論研究和實驗研究之后第3種認識、改造客觀世界的重要手段。目前，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)已成為航空航天、信息、生物、材料、能源、先進制造等高新技術(shù)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、軍事、交通、社會、經(jīng)濟、醫(yī)學(xué)、娛樂、生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域廣泛采用的1項技術(shù)。

1、?液壓伺服控制系統(tǒng)建模與仿真發(fā)展概況

液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)開始于20世紀50年代，經(jīng)過幾十年的研究，液壓仿真軟件包的性能已經(jīng)從原來的精度低、速度慢發(fā)展到精度高、速度快；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)發(fā)展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)；從復(fù)雜的編程輸入發(fā)展到友好的交互式圖形界面輸入。目前在液壓系統(tǒng)仿真領(lǐng)域內(nèi)，主要涌現(xiàn)出像Hop－San、AD AMS/Hydrau-lics、Matlab/simulink及AMESim等仿真軟件。

國內(nèi)的液壓仿真技術(shù)開始于20世紀70年代末80年代初。近年來在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的液壓仿真軟件多屬于國外的產(chǎn)品，其中包括專門用于液壓仿真的軟件和用于機械或機電系統(tǒng)的液壓仿真功能的軟件?？偟恼f來這些產(chǎn)品在圖形化建模、模型庫內(nèi)容的豐富性、界面友好和操作方便等方面都取得了比較大的成功，同時在三維實體運動和動力分析與仿真、查錯功能、建模的具體方法或功能的多樣性方面又各有所長。

幾十年來，我國非常注重仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。建模與仿真技術(shù)在許多領(lǐng)域的系統(tǒng)規(guī)劃、分析、設(shè)計、實施、維護、管理、人員訓(xùn)練等方面發(fā)揮了重要的作用。

2、液壓伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)建模與仿真原理

建模與仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究價值和巨大的經(jīng)濟效益，它是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)進行研究的一門多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。由于建模與仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟性，使得建模與仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。建模與仿真包括3個基本要素：系統(tǒng)、模型和計算機，聯(lián)系著它們的3項基本活動是模型的建立、仿真模型建立和仿真實驗。其關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 仿真3要素及關(guān)系圖

根據(jù)機械裝備的要求，液壓控制系統(tǒng)可以對位置、速度、力等任意被控對象按一定的精度進行控制。并且在有外部干擾的情況下，也能穩(wěn)定而準確的工作。通常液壓伺服控制系統(tǒng)由以下單元組成：指令單元、比較單元、控制放大器、電液控制閥、執(zhí)行元件、負載、檢測單元、能源裝置等。

液壓伺服控制系統(tǒng)其指令單元可以是信號發(fā)生器、電位器、計算機或其他電子器件，根據(jù)系統(tǒng)動作的要求發(fā)出相應(yīng)的電壓信號。指令裝置發(fā)出相應(yīng)的指令，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號；檢測反饋裝置采用位移傳感器來檢測輸出位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號作為反饋信號與指令信號加以比較，給出偏差信號，構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；電液伺服閥為液壓控制元件，執(zhí)行機構(gòu)采用閥控缸。液壓伺服控制系統(tǒng)的職能圖和原理圖如圖2和圖3所示。

圖2 液壓伺服控制系統(tǒng)的職能圖

圖3 液壓伺服控制系統(tǒng)基本原理圖

1.液壓主泵? 2.溢流閥? 3.主控閥? 7.限壓閥? ?6.工作機構(gòu)液壓缸? ?8.背壓閥

3、 MATLAB環(huán)境下的液壓伺服控制系統(tǒng)的仿真研究

MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的1套高性能的數(shù)值計算可視化軟件，廣泛應(yīng)用于自動控制、圖像信號處理與分析、振動理論、時序分析與建模、優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。

MATLAB提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具箱Simulink，是眾多仿真軟件中功能最強大、最優(yōu)秀的1種。它可以對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，從而在設(shè)計系統(tǒng)的時候先對系統(tǒng)進行仿真和分析，然后及時進行必要的修正，以實現(xiàn)高效的系統(tǒng)開發(fā)。Simulink支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散系統(tǒng)以及多進程系統(tǒng)。Simulink包含有Continuous(連續(xù)量)、Discrete(離散量)、Functions＆Table、Math、Nonlinear、Signals systems、Sinks)、Source、Subsystems等子模型庫。并且在每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以制定和創(chuàng)建適合自己需要的模塊。

Simulink工具箱具有有2個明顯的功能：仿真(Simu)與連接(Link)，它可以利用鼠標器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件對系統(tǒng)直接進行仿真。由于MATLAB和Simulink是集成化軟件，用戶可以在這2種環(huán)境下交替的對仿真模型進行仿真、分析和修改。同時可以仿真較大、較復(fù)雜的、多進程的系統(tǒng)。

3.1 MATLAB環(huán)境下系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

3.1.1 伺服閥的數(shù)學(xué)模型伺服閥的傳遞函數(shù)為