[发明专利]比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法

权利要求书

1.一种基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括采用比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统，系统包括：异步电机、油箱、定量泵、过滤器、比例溢流阀、比例伺服阀、液压锁以及立柱油缸；所述异步电机和定量泵连接；过滤器、定量泵，以及比例伺服阀依次连接；比例伺服阀与液压锁、立柱油缸依次连接；所述定量泵的输入端通过过滤器单独与油箱相连接，定量泵的输出端与比例伺服阀的1号端口连接；比例伺服阀的2号端口和4号端口之间连接有比例溢流阀；所述异步电机带动定量泵旋转，在定量泵的作用下液压油经过过滤器输出一定流量的高压油，依次经过比例伺服阀、液压锁，控制立柱油缸；通过改变比例伺服阀阀芯位移量调节液压油流量大小，进而控制立柱油缸压力；最后，立柱油缸出油口的低压油经所述比例伺服阀导流回到油箱；

其特征是：基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括以下步骤：

步骤1)建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统；

步骤2)结合步骤1)所得到的初撑力系统，设定具体的建模环境条件，建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型；

步骤3)依据初撑力控制的精度要求，针对上述初撑力系统存在的不确定性，且基于步骤2)构建的系统数学模型，基于积分自适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制方法；

步骤4)基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸初撑力系统的联合仿真模型，根据工况条件设计实验，验证所构建的液压支护平台立柱油缸初撑力系统的有效性和合理性；

所述步骤1)中建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的具体步骤为：

11)比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统中，比例伺服阀节流口光滑且对称；系统定量泵油压恒定，回油压力为零，高压油温度为常数；连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应以及管路动态特性的影响；液压缸和比例伺服阀内外泄露为层流；建模时省略液压锁以及比例方向阀；液压支架四个立柱油缸同时达到顶板；

12)记压力传感器增益K_f，反馈电压信号为U_f，压力传感器输入信号为F_f，压力传感器的数学模型为：U_f＝K_fF_f；

13)记伺服放大器放大系数为K_p，伺服放大器的输出电流为I，比例放大器输入电压为U_c，伺服放大器的数学模型为：K_p＝I/U_c；

14)记伺服阀阀芯的位移量为x_v，伺服阀控制电流为I，伺服阀增益为k_xv，伺服阀的固有频率为ω_sv，伺服阀的阻尼比为ξ_sv，传递函数拉普拉斯算子为s，伺服阀的数学模型为：

15)记比例伺服阀阀口流量为Q_L，即立柱油缸入口流量，比例伺服阀流量增益为k_q，负载压降为p_L，比例伺服阀流量-压力系数为k_c，比例伺服阀的流量特性模型为：Q_L＝k_qx_v-k_cp_L；

16)液压缸有效面积为A_p，液压油缸活塞位移为x_p，液压缸总泄露系数为C_tp，液压压缩体积为V_t，液压油有效体积弹性模量为β_e，传递函数拉普拉斯算子为s，不考虑管道流量损耗，立柱油缸流量与比例伺服阀阀口流量一致，其特性方程为：Q_L＝A_px_ps+V_tp_Ls/4β_e+C_tpp_L；

17)负载力为F_L，负载质量为M，负载的阻尼系数为B_p，负载的弹簧刚度为K_s，未建模和不确定项为f_L，根据立柱油缸的输出力与负载力平衡，可得立柱油缸运动特性方程为：F_L＝A_pp_L＝Mx_ps²+B_px_ps+K_sx_p+f_L；

18)考虑到比例伺服阀相比一般液压系统，是一个快速响应系统，其输入输出特性可等效为一个比例环节，即K_v＝x_v/I，K_v为比例伺服阀增益，联立比例伺服阀和立柱油缸的流量模型，以及立柱油缸运动特性方程，可以得到立柱油缸压力系统的数学模型为，经拉氏反变换后得到其中，m₁＝MV_t/4β_e，m₂＝B_pV_t/4β_e+(K_c+C_tp)M，m₃＝A_p²+(K_c+C_tp)B_p+K_sV_t/4β_e，m₅＝A_pK_pK_qK_v(Mp²+B_pp+K_s)，m₆＝A_p²，m₄＝(K_c+C_tp)K_s，进一步整理可得立柱油缸压力系统微分方程为其中，a₀,a₁,a₂,b₀为微分方程系数，a₀＝-m₂/m₁，a₁＝-m₃/m₁，a₂＝-m₄/m₁，b₀＝m₅/m₁，c₀＝m₆/m₁，为负载压力信号的三阶导数，为负载压力信号的二阶导数，为负载压力信号的一阶导数，为未建模和不确定项的一阶导数，p为微分算子；

19)将比例伺服阀控立柱油缸压力系统数学模型的微分方程转化为状态空间形式，得到：式中，X＝[x₁,x₂,x₃]^T，x₁＝F_L，为负载输入压力信号F_L的一阶导数，为负载压力信号F_L的二阶导数；u＝U_c，y＝[0,0,F_L]，为状态矩阵，b＝[0,0,b₀]^T为控制矩阵，C＝[1,0,0]为输出矩阵，以及h(t)＝[0 0 d]^T，表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且d是有界的。