液压伺服系统的动态特性分析与仿真（讲稿）.ppt

液压伺服系统的动态特性分析与仿真 1.1 系统的仿真 系统仿真是近年来发展起来的一门综合性很强的新兴学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机等技术。目前，计算机仿真已成为系统分析、研究、设计和人员训练不可缺少的手段，它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益和经济效益。应用它能够方便、安全、节省地研究一般系统，而且对于不可能进行直接实践和重复的社会、经济和军事系统，计算机仿真更显出其无比的优越性。 仿真技术是以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的有关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态实验研究的一门综合性技术。简单来说，仿真 (Simulation)是：建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。它的三个基本要素是系统、模型、计算机，联系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立、仿真实验，下图所示因此，数学模型是仿真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义和价值。 在早期人们研究和设计一个动态系统时，常常凭借设计者的知识和经验用真实的元部件构成一个动态系统，然后在这个系统上进行实验，研究控制方式和结构参数对系统动态特性的影响，这就是所谓的实物实验法，但建造一个实际系统要花费大量的人力、物力和时间，而且一次成功的把握又很小，变更系统参数也比较困难。随着科学技术的发展，研究系统动态理论不断完善，根据这一理论在制造系统之前，先建立描述其动态过程的数学模型，然后用计算机对其进行仿真，在计算机上进行实验研究实际物理系统的各种工作状态，确定最好的控制方案和最佳参数匹配，为开发新的元件和系统提供理论依据。这就是所谓的计算机仿真。 1.2 控制系统的动态性能评定指标 1） 稳定性指标 稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡状态的能力。稳定性是控制系统的主要性能，是系统能够正常运行的首要条件。描述系统稳定性经常采用： a、幅值稳定裕量 指系统开环对数幅相频率特性（Bode图）中，相位滞后180。所对应的幅频分贝值。 b、相位稳定裕量 指系统开环对数幅相频率特性（Bode图）上幅频特性与零分贝线交接频率（截止频率）处所对应的相角值与180。之差。 c、最大超调量 系统阶跃响应的最大值与稳态值比值的百分量，称为最大超调量。对一般系统，总希望超调量较小。超调量越大，系统稳定性越差。但有时需要一点超调量，以增加系统的快速性。 2）快速性指标 描述伺服控制系统对输入信号的响应和调节作用快慢的性能指标。 调节时间 指系统输出量达到稳态值的误差带内，并且以后不再超出给定 的误差带的时间，称为调节时间。 3）准确性指标 准确性通常是通过系统的稳态误差来体现。一个稳定的线性控制系统在 过渡过程结束达到稳态时，其输出量不可能与希望输出值完全一致，也不可 能在任何形式的扰动作用下都准确地恢复到原来的平衡位置，最终结果的误 差称为稳态误差。这种误差与系统本身的结构、输入作用形式有关，是系统 控制精度（即准确性）的一种度量。控制系统的稳态误差越小，说明控制精 度越高。 一个具体系统对系统指标的要求应有所侧重，如调速系统对平稳性和稳态精度要求严格，而随动系统则对快速性期望很高。性能指标的提出要有根据，不能脱离实际的可能，比如要求响应快，则必然使运动部件具有较高的速度和加速度，并承受过大的离心载荷和惯性载荷，若超过强度极限就会遭到破坏。过高的性能指标，需要昂贵的元件予以保证。因此，性能指标在一定程度上决定了系统的工艺性、可靠性和成本。 1.3 液压系统的仿真 所谓液压仿真是指通过建立液压系统的数学模型并在计算机上解算，用以对系统的动态特性进行研究的过程。其研究的主要内容包括系统的稳定性和动态过渡过程品质两方面。所谓稳定性是指液压系统在平衡状态下，受到扰动后，能否很快达到新的平衡状态的性质。当扰动消除后，经过足够长的时间，系统仍能回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。反之，称系统是不稳定的。过渡过程品质则用来对系统动态性能的优劣进行评价，研究多在时域内进行，主要考察系统的瞬态响应特性，包括超调量、调整时间、峰值时间等一些性能指标，并对此做出分析，提出减少液压冲击、提高响应速度和控制精度的改进措施。 液压仿真研究既可以是实质上的修正与改进，其目的在于找出一个现有系统不能令人满意工作的症结所在，并给出改进系统现状的解决措施与方案；也可以是实质上的综合，即在设计阶段对相应的参数进行的检验，以保证制造出的系统具有良好的动态性能。此外，在一项具体的研究中，所研究的内容往往要根据研究对象的某一具体薄弱环节专门