含间隙非线性的电液位置系统离散模型与最佳采样频率研究

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在电液控制系统中,执行机构与负载一般采用球铰连接,因加工精度、安装误差及磨损等问题,执行机构与负载球铰连接处的间隙总是存在的,且随着使用时间的增加而变大。间隙本质上是一种典型的多值非线性,通常导致系统中的冲击和振荡,使系统调节时间变长,稳态误差增加,过大的间隙甚至造成系统不稳定或自持振荡。现代电液位置系统均使用计算机作为控制器,为典型的采样控制系统,采样频率是其最重要参数之一,当采样频率选取不合理时,会强化间隙非线性对系统造成的负面影响。本文将研究采样频率对间隙非线性影响的强化作用,为含间隙非线性的电液位置系统合理选择采样频率提供理论依据。  首先,建立了含间隙非线性的电液位置控制系统线性化离散时间模型。建立间隙非线性和阀控液压缸连续时间模型,根据负载阻尼较大特性,建立了含间隙死区特性的电液位置系统的整体非线性模型;利用反馈线性化方法,对系统非线性模型进行线性化处理;利用线性离散理论,对含间隙非线性的电液位置控制系统进行线性离散化,得到系统的离散时间模型。  其次,在满足系统稳定性要求的基础上,对含间隙非线性的电液位置控制系统进行二次型最优控制,在此基础上提出了系统最佳采样频率的概念,即系统稳定且液压缸输出位移的初始偏移在一定范围内时,系统所需的采样频率。  利用MATLAB软件,对含间隙非线性的电液位置控制系统最佳采样频率进行了仿真验证。针对一个具体的电液位置系统实例,分析了在间隙值为0.1mm时系统的动态响应特性。仿真结果表明:当系统采样频率从0.01~120 Hz逐渐增加时,系统从出现极限环振荡失去控制逐渐趋于稳定,系统超调量减小,震荡和冲击弱化,调节时间缩短;当系统采样频率为120 Hz以上时,系统超调量、调节时间、上升时间变化不大,系统性能良好;且系统采样频率在120Hz~160Hz时,系统性能最佳。在采样频率为120Hz时,随着间隙值从0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm逐渐增大,含间隙非线性的电液数字控制系统的上升时间逐渐变长,调节时间逐渐变长,且超调量逐渐增加。  最后,设计了含间隙非线性的电液位置实验系统。采用PLUS+1作为程序开发工具,分析采样频率对系统的动态响应。
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