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基于Simscape的电液伺服阀建模与仿真分析摘要：电液伺服阀是典型的机电液一体化产品，其机械、液压、电磁等子系统的原理构成都很复杂。
为避免采用多软件联合仿真易出现的接口复杂等问题，利用MATLAB软件的拓展模块Simscape在同一的平台上对伺服阀进行多领域建模仿真。
以常见的力反馈式两级电液伺服阀为例，介绍其结构组成及工作原理，利用软件对各子系统建模，建立了开环液压控制系统，依据国外某标准产品设置参数，对其进行动态仿真，分析伺服阀各环节的动态特性。
结果表明所建模型能较好的反映出伺服阀的动态特性，为伺服阀的优化设计提供了新思路。
关键词：电液伺服阀；多领域建模；喷嘴挡板；液动力0引言电液伺服阀作为电液伺服控制系统的核心元件，最为普遍的两级力反馈式电液伺服阀的组成包括力矩马达、前置级喷嘴挡板阀和功率级滑阀等，各子系统的原理构成很复杂。
传统的机电液一体化系统仿真的接口技术复杂，多个程序同时占用计算机资源，且必须保证各仿真程序同步并行运行，其仿真过程复杂耗时，且易出现仿真软件的兼容性问题[1]。
运用Simscape软件，针对其结构原理，在统一平台上建立子系统模型，并构建简单伺服阀开环控制系统，依据国外标准伺服阀的参数来设置模型进行仿真。
1工作原理两级力反馈式电液伺服阀的前置级液压放大器是由永磁动铁式力矩马达控制的双喷嘴挡板阀，功率级液压放大器为三位四通滑阀，利用反馈杆将阀芯与衔铁挡板组件连接，组成滑阀位移力反馈回路，结构原理如图1所示。
在没有控制电流输入的情况下，弹簧管将衔铁托起在两块导磁体之间，挡板位于两个喷嘴之间，由于发奎干小球的约束条件下使滑阀的阀芯停在中间位置，此时，伺服阀不存在液压输出[2]；当控制电流为差动控制电流Δi=i1-i2输入的情况下，使得衔铁上能够产生与顺时针方向相反的电磁力矩，进而驱动衔铁挡板组件以弹簧管转动中心为基准向逆时针方向偏转，迫使弹簧管以及反馈杆发生形变，使得挡板位置发生变化，进而使得喷嘴挡板阀的间隙由两侧相等变为右小左大，最终导致滑阀腔右侧压力p2p升高，左侧压力p1p降低，使得推动滑阀阀芯向左侧运动，进而推着反馈杆上的小球向做侧滚动，加剧反馈杆的形变。
电液伺服控制系统的设计与仿真引言电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。
随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。
随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。
因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。
1 液压系统动态特性研究概述随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。
因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。
1.1 液压系统动态特性简述液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。
在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。
系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。
液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。
数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。
先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。
该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。
电液伺服系统电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。
根据输入信号的形式不同，又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。
下面对模拟伺服系统和数字伺服系统作一简单的说明。
模拟伺服系统在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，如图1所示。
在此系统中，输入信号、反馈信号、偏差信号以及其放大、校正都是连续的模拟量。
电信号可以是直流量，也可以是交流量。
直流量和交流量相互转换可以通过调制器或解调器完成。
模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低)。
伺服系统的精度在很大程度上取决于检测装置的精度，而模拟式检测装置的精度一般低于数字式检测装置，所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统。
另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控制了。
图1 模拟伺服系统方块图数字伺服系统在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。
因此数字伺服系统又分为数字伺服系统和数字—模拟伺服系统两种。
在全数字伺服系统中，动力元件必须能够接收数字信号，可采用数字阀或电液步进马达。
数字模拟混合式伺服系统如2所示。
数控装置发出的指令脉冲与反馈脉冲相比较后产生数字偏差，经数模转化器把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟元件。
系统输出通过数字检测器(即模数转换器)变为反馈脉冲信号。
图2 数字伺服系统方块图数字伺服系统有很高的绝对精度，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。
当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字模拟系统。
从经济性可靠性方面来看，简单的伺服系统采用采用模拟型控制为宜。
系统特点及使用场合电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。
因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合，其应用已遍及国民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机车里的模拟台的控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。
