基于非对称阀控非对称液压缸的前馈干扰补偿器设计

    【摘要】针对非对称阀控非对称液压缸，本文推导了其传递函数。然后为了消除外负载干扰
力的影响，根据结构不变性原理设计一个前馈干扰补偿器。最后，分别采用硬件形式和软件
形式实现了前馈干扰补偿器，为理论的实际工程应用提供了途径。

 

　　【关键词】结构不变性原理；前馈干扰补偿器；软硬件实现

 

　　

1.引言 

　　非对称液压缸具有承载能力大、结构简单以及占用空间少等许多优点，在实际中工作中
得到了大量的应用（非对称阀控制非对称缸的结构示意图如图

1 所示）。非对称阀控制非对

称缸液压伺服系统存在外负载力干扰信号，而这种干扰信号会降低液压伺服系统的控制品
质，并且当干扰信号淹没控制信号的时候，会使系统控制失效，发生故障。针对干扰信号补
偿器的设计方法有许多种，本文运用结构不变性原理

[1]设计了一种前馈补偿器，以期消除

或大幅度抑制干扰信号的影响，并且前馈补偿不会改变系统的极点分布，因此不会影响到
系统的稳定性。

 

　　图

1 中：Q1 为液压缸无杆腔的流量（m3/s）；Q2 为液压缸有杆腔的流量（m3/s）；

PS 为供油压力（Pa）；P0 为回油压力（Pa）；A1 为液压缸无杆腔的有效作用面积
（

m2）；A2 为液压缸有杆腔的有效作用面积（m2）；P1 为液压缸无杆腔压力（Pa）；P2

为液压缸有杆腔压力（

Pa）；FL 为折算到活塞杆的等效干扰力（N）；Xp 为液压缸活塞杆

位移（

m）；为活塞及负载折算到活塞上的总质量（kg）；Xv 为阀芯位移（m）；Bp 为活

塞及负载的粘性阻尼系数（

kg·m）；K 为负载弹簧刚度（N/m）；为非对称阀 1、2 阀芯窗

口的面积梯度（

m）；为非对称阀 3、4 阀芯窗口的面积梯度（m）。 

　　一般载体多为没有弹性或弹性很小可忽略，所以讨论没有弹性负载的情况（即

K=0）

更为合适，并可简化方程。另外，粘性阻尼系数

Bp 一般很小，由粘性摩擦力 BpsXp 引起的

泄漏流量所产剩的活塞速度比活塞的运动速度

sXp 小得多，即，与 1 相比可忽略不计[3]。

式（

20）可以简化为下式（21）所示。 

　　液压伺服系统主要是由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、位移传感器和压力传感器组成，
用传递函数表示的液压伺服系统结构框图如图

2 所示。 

　　图

2 表示的是液压伺服系统的输出信号 Xp 与控制器的输出信号 Ud、外负载干扰力 FL

之间的传递函数关系。另外，非对称伺服阀的传递函数在理论上可简化为二阶环节，而在实
际工程应用中，电液伺服阀多可继续简化成比例环节。可知整个液压伺服系统的输出

Xp 的

拉氏变换表达式为：

 

　　

3.前馈干扰补偿器设计 

　　所谓的结构不变性原理

[1]是指控制系统中的被控信号与干扰信号绝对无关或者在一定

准确度下无关，即被控信号完全独立或基本独立。基于结构不变性原理的前馈干扰补偿控制
是一种按照干扰进行补偿的开环控制，可增强系统对干扰变化的鲁棒性。前馈干扰补偿控制
与液压伺服系统中的反馈控制构成了前馈

—反馈控制，这样既可以克服干扰又保证了确定

性的要求。

 

　　针对外负载干扰力

FL 设计一个前馈干扰补偿环节 G1（s），如图 3 所示。 

　　令

Ud=0，引入观测量 PL，忽略 Bp 和 K，可求得前馈干扰补偿环节 G1（s）为： 

　　

4.前馈干扰补偿器的实现 

　　由补偿后的闭环传递函数可知，上面设计的前馈干扰补偿器可以完全消除外干扰力

FL