數字液壓缸的建模分析

孫雪冬　潘越

摘 要：文章介紹了數字液壓缸的結構設計特點及其基本工作原理，通過對數字液壓缸系統各個組成部件的分析，建立系統的傳遞函數模型，并利用Matlab/Simulink仿真工具，對數字液壓缸系統進行模擬仿真分析。

關鍵詞：數字液壓缸；傳遞函數模型；仿真分析

引言

隨著計算機技術和電子技術的不斷發展，液壓技術與計算機技術相結合已經成為新的發展方向。在此背景下數字液壓技術應運而生，與傳統的電液伺服液壓技術相比，數字液壓的突出優點是控制技術先進、抗干擾能力強、控制精度高、同步性能優越、響應速度快、對油液的清潔度要求低。數字液壓缸是由步進電機、液壓滑閥、閉環位置反饋機構設計組合在液壓缸內部，接通液壓油源，所有的功能直接通過專用數字控制器、計算機或PLC可編程控制器發出的數字脈沖信號來直接控制液壓缸的位置、速度和方向，以實現終點目標控制。

1 數字液壓缸的結構及工作原理

如圖1原理圖所示，步進電機接收到脈沖信號，其輸出軸旋轉一定的角度，旋轉運動通過平鍵、平面推力軸承帶動閥芯旋轉，閥芯的左端為外螺紋，外螺紋與固定在缸上的固定螺母相互配合，固定螺母位置固定，在旋轉作用下閥芯發生軸向移動，此時閥口打開，高壓油經液壓滑閥進入液壓缸后腔，后腔壓力增加，空心活塞桿向左移動，前腔的液壓油經液壓滑閥流回油箱，空心活塞桿向左運動時，帶動固定在空心活塞桿上的絲杠螺母一起向左運動，滾珠絲桿在軸向上不移動，滾珠絲杠發生與步進電機旋向相反的旋轉運動，絲杠的右端與閥芯左端外螺紋連接，使閥芯左端的外螺紋反向旋轉，在固定螺母的作用下閥芯向右移動，閥芯復位，閥口關閉，一個步進過程結束。液壓缸的行程與步進電機的輸入脈沖數成正比，運動方向由步進電機的旋轉方向控制，而其運動速度與輸入脈沖的頻率成比例。因此可將復雜的液壓伺服閉環控制變為簡單的步進電機開環控制[1]。

2 數字液壓缸的傳遞函數模型

數字缸的建模分析通常采用傳統機液伺服系統的線性化傳遞函數模型，經過分析，忽略掉一些次要因素的影響，確立靜態數學模型[2]。（如圖2所示）

3 數字液壓缸仿真分析

根據建立的數字液壓缸系統傳遞函數數學模型，在MATLAB/Simulink環境中進行仿真分析[5]。（如表1所示）

表1 主要仿真參數

將參數代入傳遞函數中，并用MATLAB進行仿真，可以得到該數字液壓缸系統的伯德圖，如圖3所示。

由仿真結果可得，系統在頻率為36.8rad/s處，曲線實現穿越，則相位穿越頻率為36.8rad/s，與此對應的幅值裕度為20dB，幅頻特性曲線在頻率32.2rad/s時實現穿越，與此對應的相位裕量為72°，由此可見，本系統穩定，且系統的幅值裕度和相位裕度的取值均達到穩定要求。

在額定負載下，給系統輸入振幅為3mm的正階躍信號和Z=3sin4πt的正弦信號，系統響應曲線如圖4，5所示。

由仿真曲線可看出，由于此數字缸為單出桿非對稱結構、活塞本身質量及摩擦力還有負載干擾，存在一定的穩態誤差，但影響幅度并不明顯。活塞桿的輸出位移基本能夠跟蹤輸入的階躍信號和正弦信號，系統響應精度及系統調節時間上都比較理想，達到系統動態性能的要求。

4 結束語

根據數字缸的結構及工作原理構建系統的傳遞函數模型，并利用Matlab/Simulink對系統進行仿真，由仿真結果可得該系統穩定，系統總體性能滿足設計要求，為數字液壓缸的進一步研究提供了理論依據，具有重要參考價值。

參考文獻

[1]邢繼峰.一種新型數字液壓缸的研究[J].機床與液壓，2005，8.

[2]雷天覺.液壓工程手冊[M].北京：機械工業出版社，1990.

[3]王春行.液壓控制系統[M].機械工業出版社，1999.

[4]劉海昌，吳張永，袁子榮，等.滑閥式電液步進缸的精度分析[J].重慶工學院學報，2003（3）：26-28.

[5]王正林，王勝開，陳國順，等.MATLAB/Simulink與控制系統仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

作者簡介：孫雪冬（1989-），男，河北邯鄲，河北工程大學，碩士學歷，研究方向：機械電子工程。

潘越（1972-），男，河北邯鄲，河北工程大學副教授，博士學歷，研究方向：大型設備故障診斷、煤礦機電設備研究。