关键词：气液联控伺服系统 工作性能分析

摘要：为从根本上克服常规气压伺服系统的缺点，将液体介质引入到气压伺服系统中，并对气、液进行闭环控制，从而构成了一种气、液复合介质控制系统—气液联控伺服系统。系统应用高速开关阀，用脉宽调制（PWM）的方法进行控制。采用单神经元自适应控制器，根据所建立的状态方程进行了系统的控制仿真，并进行了典型信号的跟踪试验。仿真和试验结果表明，气液联控伺服系统的正弦信号跟踪能力、低速性能均高于常规气压伺服系统，系统可实现无超调定位，且具有较高的位置刚度和精度。

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，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，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

式中：V₁₀、V₂₀、A₁、A₂分别为气压缸左右腔的初始容积和左右腔活塞的有效面积；是理想气体常数；y是气缸活塞位移。

根据锐边节流孔的流量公式，得到液压缸阻尼力的方程为

式中：A