（机械电子工程专业论文）大惯性柔性负载对电液速度伺服系统特性影响的分析与研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文f ，6 2 0 2 3 3 大惯性柔性负载对电液速度伺服系统 特性影响的分析与研究 摘要 电液比例技术填补了传统开关式液压控制技术与伺服控制 技术之间的空白，已成为流体传动与控制技术中最富生命力的 分支。因此在对响应频率要求不高的一般工业应用中，有可能 以其廉价、抗污染和节能等优势来取代伺服阀。把电液比例阀 成功地应用到闭环控制的系统中并应用先进的控制策略改善它 的性能，这对于改造传统工业中使用的开关控制阀和开环比例 控制系统具有重要的意义，同时对于发展和完善电液比例控制 技术也具有一定的意义。 在钢坯修磨机中，被磨坯料通过液压马达驱动的小车牵引， 钢丝绳牵引台车在导轨上运动，负载惯性较大且在传动链中由 于有钢丝绳的存在而具有较大的柔性。在实际使用中，小车换 向时会产生压力冲击，过高的冲击力常导致牵引钢丝绳的断丝。 本文重点对柔性负载系统进行了建模，通过m a t l a b 仿真，分 析了各个因素对钢丝绳受力的影响。 在分析负载特性的基础上，对大惯性、大柔性比例阀控马 太原理工大学硕士研究生学位论文 达速度系统进行了建模，通过与纯惯性负载的比例阀控马达速 度特性仿真比较，分析了柔性负载对比例阀控马达速度系统的 影响，提出了改善系统特性的方法和途径。最后使用p i d 控制 器对台车速度控制系统进行了校正，改善了系统的性能。 关键词：大惯性柔性负载，速度伺服系统，仿真分析，校正 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n t h ec h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o h y d r a u l i cs p e e ds e r v os y s t e m a f f e c t e d b yl o a dw i t hi 。a r g ei n e r t i a a n d e l a s t i c i t y a so n eo ft h em o s t v i t a l i t yo f f s e to fh y d r o l i q u i dd r i v ea n dc o n t r o lf i e l d ， e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n c o n t r o l s t e c h n i q u e f i l l s u p ab l a n kb e t w e e n t r a d i t i o n a lo n o f f h y d r a u l i cp r e s s u r e c o n t r o l t e c h n i q u e a n ds e i v o c o n t r o l t e c h n i q u e b e c a u s eo f t h es u p e r i o r i t yo f c h e a p n e s s ，s t a b i l e s ，a n t i p o l l u t i o n ，l o w e n e r g y c o s t ，i t i s p r o b a b i l i t y t h a t e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n c o n t r o l s t e c h n i q u ew i l lr e p l a c es e r v ov a l v e si na p p l i c a t i o no ft h eg e n e r a li n d u s t r y t o a p p l yt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v et oc l o s e l o o pc o n t r o l l e ds y s t e m a n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yw i t ha d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yi s s i g n i f i c a n tf o r r e g e n e r a t i o nt r a d i t i o n a li n d u s t r y c o n t r o l l e dw i t ho n o f fv a l v eo r o p e n l o o p p r o p o r t i o n a lv a l v e ，i tw i l ld e v e l o p a n d p e r f e c t t h i st e c h n i q u e i nt h eb i l l e tg r i n dm a e h i u e ，t h er a nw h i c hb e g r i n d e d i sd r a w n b yt h ec a r d r i v e n b yh y d r a u l i c m o t o r s t e e lw i r e r o p e d r a w st h ec a i m o v i n g o nt h er a i l t h e l o a dh a sl a r g ei n e r t i aa n de l a s t i c i t yb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fs t e e lw i r er o p e i nt h ec h a i no ft r a n s m i s s i o n i nt h er e a l i s t i cu s e ，t h ep r e s s u r ei m p a c tw i l lb e 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 e n g e n d e r e da tt h et i m eo fc h a n g i n gt h ed i r e c t i o no ft h ec a r , t h eh i g h e ri m p a c t w i l lb r i n go nt h eb r e a ko ft h es t e e lw i r er o p e t h ep a p e re m p h a s i z eo nt h e m o d e l i n g o ft h es y s t e mw i t he l a s t i c i t yl o a da n d a n a l y z et h ee f f e c to ft h em a i n e l e m e n t so nt h es t e e lw i r er o p eb ym e a n so fs i m u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el o a d ，t h em o d e lo ft h e m o t o rs p e e ds y s t e mc o n t r o l l e db yp r o p o r t i o n a lv a l v ew i t hl a r g ei n e r t i aa n d e l a s t i c i t yi se s t a b l i s h e d t h ee f f e c to ft h el o a dw i t he l a s t i c i t yo nt h em o t o r s p e e ds y s t e mc o n t r o l l e db yp r o p o r t i o n a lv a l v ei sc o m p a r e dw i t hw h i c hh a s p u r ei n e r t i a ll o a da n d t h ew a y sa r ep u tf o r w a r dt oi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e s y s t e m a tl a s t ，p i dc o n t r o l l e ri su s e dt or e c t i f yt h es p e e dc o n t r o l l i n g s y s t e m o ft h ec a r , a sa r e s u l t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mi si m p r o v e d k e yw o r d s ：l o a dw i t hl a r g ei n e r t i aa n de l a s t i c i t y , s p e e d s e r v os y s t e m ， s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s ，r e c t i f i c a t i o n 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 在液压传动及控制技术的发展过程中，先后出现电液伺服控制和电 液比例控制两门科学技术。机械液压伺服控制出现较早，应用于飞机的 液压助力器。随着超音速飞机和导弹的发展，由于其飞行速度很高，因 此要求伺服控制系统的快速性、动态精度和功率重量比愈来愈高，促 进了电液伺服控制系统的产生与发展。各种结构的电液伺服阎的相继闯 世，特别是以摩格为代表的采用干式力矩马达和级间力反馈的电液伺服 阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀的性能， 电液伺服技术已日臻成熟。二十世纪六十年代末，由于人们对工艺过程 控制要求的提高，特别是微电子集成技术和计算机技术的发展为工程控 制提供了充分和廉价的现代化电子装置。于是，各类民用工程对电液控 制技术的需求就显得更加迫切与广泛。但是，传统的电液伺服阀对介质 清洁度的要求十分苛刻，制造成本较高，价格昂贵，能耗较大，这些条 件难以为各工业用户所接受，而传统的开关控制又不能满足高质量控制 系统的要求，在这种情况下，电液比例控制技术就应运而生。经过3 0 多年的发展，电液比例控制技术获得广泛应用，填补了传统开关式液压 控制技术与伺服控制技术之间的空白，它与传统的电液伺服技术相比， 具有可靠、节能、廉价等优势，形成了颇具特色的技术分支“3 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 液压马达速度控制系统技术现状 1 1 1 液压马达速度控制系统的结构形式 液压马达速度伺服系统的基本类型有泵控( 容积控制) 和阀控( 节 流控制) 系统两种。前者效率高，但由于斜盘变量机构的结构尺寸和惯 量大，因此动态响应慢，适用于大功率和对快速性要求不高的场合；后 者由于采用伺服阀或比例阀控制，动态响应快，但效率低，适用于对快 速性要求高的中小功率场合。为了解决快速性和系统效率之间的矛盾， 将阀控( 调节时间短和超调小) 和泵控( 较高的系统效率) 结合起来联 合控制是现今液压马达速度伺服系统发展的一种趋势。这种阀泵同时控 制的系统在动态调节过程中利用阀控输出保证动态性能，在稳态调节时 主要利用泵控输出进行功率调节，因而这种系统在保证快速性的同时具 有较高的效率”1 。 ( 一) 泵控液压马达速度伺服系统 泵控液压马达速度伺服系统是由变量泵和定量马达组成的传动装 置。这种系统的工作原理是通过改变变量泵的斜盘倾角来控制供给液压 马达的流量，从而调节液压马达的转速。按其结构形式可分为开环泵控 液压马达速度伺服系统和闭环泵控液压马达速度伺服系统。 ( 1 ) 开环泵控液压马达速度伺服系统( 图卜1 ) 这是一个用位置闭环间接地控制马达转速的速度开环控制系统。由 于是开环控制，没有速度负反馈，系统受负载和温度的影响大，如当压 力从无负载变化到额定负载时，系统流量变化大约8 一1 2 ，故精度很 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 低。只适用于要求不高的场合。 图1 - 1 开环采控液压马达速度伺服系统 f i g - 1 - - 1 t h e s p e e ds e r v os y s t e m o f m o t o r w i t h o p e n l o o p c o n t r o l l e db y p u m p ( 2 ) 闭环泵控液压马达速度伺服系统( 图卜2 ) 图卜2 闭环泵控液压马达速度伺服系统 f 追1 2 t h e s p e e d g e r v os y s t e m w i t h o f m o t o r c l o s e l o o pc o n t r o l l e d b y p u m p 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 这类系统是在开环控制的基础上，增加速度传感器，将液压马达的 速度进行反馈，从而构成速度闭环系统。与开环速度控制系统相比，它 增加了一个主反馈通道和一个积分放大器，构成了i 型系统，因此其精 度远比开环系统高。缺点是系统结构较为复杂，成本高设计难度大。此 种系统最有使用价值，因此应用较为广泛。 ( 二) 阀控液压马达速度伺服系统 这类系统实质上是节流式伺服系统，通过调节电液伺服阎的开口大 小来调节进入液压马达的流量，进而调节液压马达的转速，使其与设定 值保持一致。此类系统由于伺服阀的频响很高，因此系统的响应很快， 精度高，结构也较简单，但效率较低。一般用于中小功率和高精度场合。 该类系统按其结构形式分为三种类型：串联阀控液压马达速度伺服系统、 节流式并联阀控液压马达速度伺服系统和补油式并联阀控液压马达速度 伺服系统。 ( 1 ) 串联阀控液压马达速度伺服系统( 图卜3 ) 图1 - 3 串联阀控液压马达速度伺服系统 f i g 1 - - 3 t h es p e e ds e l v os y s t e mo f h y d r a u l i cm o t o r c o n t r o l l e db yv a l v ei ns e r i e s 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统的构成是伺服阀串联于泵、马达之间，液压马达的转速由测速 装置检测，经反馈构成速度闭环。这种系统的特点是：由于饲服阖直接 控制进入液压马达的流量，因此系统的频响较快，但由于系统中节流损 失的存在，系统的效率很低，理论上最大效率只有3 8 ；而且由于节流 损失都转化为热量，系统的温升很快。 ( 2 ) 节流式并联阈控液压马达速度伺服系统( 图卜4 ) 图卜4 节流式并联阀控液压马达速度伺服秉统“1 f i g 1 4 t h es p e e ds c r v o s y s t e mo f h y d r a u l i cm o t o rc o n t r o l l e d b y v a l v e p a r a l l e lc o n n e c t i o nw i t ht h r o t t l e 在此系统中，伺服阀并联在系统中。系统的工作原理是：先给伺服 阀一个预开口，预开口的大小视液压马达的转速范围和系统的泄露而定， 具体数据可根据实验确定。液压马达的转速确定后，使旁路部分泄露的 流量达到需要调节的最大值。如负载从零变化到满负荷时转速下降了 1 5 ，则使旁路部分泄露的流量为系统总流量的1 5 。当外负载增大或温 度升高时，液压马达转速下降，此时将伺服阀的开口减小，以补偿变量 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 泵驱动电机转差和泄露所造成的流量减少，使马达转速恢复到设定值； 反之，当外负载减小时，液压马达转速上升，此时将伺服阀的开口加大， 增加系统的外泄露以保持马达的转速稳定。 这种系统的特点是：由于伺服阀本身不带负载，所以频响很高，可 以使系统的调节对间大大缩短；系统从旁路流回油箱的流量不大，旁路 功耗较小，效率比串联阀控系统高，一般可达8 0 左右：旁路的泄露增 加了系统的阻尼，从而提高了系统的稳定性；但该系统的刚度较羞。如 果采用合适的调节手段来弥补刚度差的弱点，就可获得较快的调节时间 和较高的效率。 ( 3 ) 补油式并联阀控液压马达速度伺服系统( 图卜5 ) 图1 5 补油式并联阀控液压马达速度伺服系统 f i g 1 - - 5 t h e s p e e ds e r v os y s t e mo fh y d r a u l i cm o t o rc o n t r o l l e d b y v a l v e p a r a l l e lc o n n e c t i o nw i t hc o m p e n s a t f o n 与节流式并联阀控系统相比，补油式并联阀控支路有自己的单独能 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 源，伺服阀工作于向系统补油状态。当系统受到阶跃负载或负载扰动时， 液压马达转速发生变化，系统通过闭环控制方式调节旁路伺服闽的开口 来调节进入马达的流量，实现对系统的调速或稳速目的。该系统与节流 式并联阀控系统相比有两个突出的优点：旁路伺服阀有自己独立的供油 系统，总是工作于向系统补油状态，从而使系统获得较好的刚度：伺服 阀阀口压差不仅决定于系统压力，还受补油压力的影响。提高补油压力， 可以提高系统的响应速度。该系统适用于解决大功率系统高效与快速调 节的问题。 ( 三) 阀泵联合控制液压马达速度伺服系统 对于大功率速度伺服系统，传统的阀控形式无法解决溢流损失造成 的系统温升高、散热难的问题，因此必须采用效率较高的容积控制系统 以解决发热量大的问题，容积控制系统虽然效率较高，但动态性能较差， 不适合于高精度的场合。因此采用阀泵联合控制以吸取二者的优点的系 统成为必要。该类系统按结构形式和控制方式的不同分为以下两种类型： 阀泵串联控制液压马达速度调节系统和阀泵并联控制液压马达速度调节 系统。 ( 1 ) 阀泵串联控制液压马达速度调节系统( 图1 6 、7 ) 这种系统的结构是在伺服变量泵和液压马达之问再用个电液伺服 阀来控制泵的输出流量，其工作原理与具体系统构成有关。图卜6 为用 同一指令同时控制伺服阀和油泵的系统形式。因斜盘倾角的变化速度低 于伺服阀开口的变化速度，故用一个给定信号y 来保证液压泵时刻都有 一个固定输出q n 。这个q n 应足以满足执行机构瞬时加速度和速度的要求， 另方面，当负载需求量较小时，q o 的大部分将以溢流阀调定的压力流 7 一奎堡垄三盔堂堡主堑壅生堂堡鲨窒 回油箱，造成能量的损耗，故要求q o 尽量小。因此y 的选择是本系统设 计的关键之一。 图卜6 阀泵串联控夺j 液压马达速度调节系统之一“ f i 昌1 6o n e o f t h e s p e e ds e l 、，os y s t e m o f h y d r a u l i c m o t o r c o n t r o l l e db yv a l v ea n d p u m p i ns e r i e s 图1 7 阀泵串联控制液压马达速度调节系统之二嘲 f j g 卜7a n o t h e r s p e e ds e r v os y s t e mo f h y d r a u l i cm o t o r c o n t r o l l e db yv a l v ea n d p u m p i ns e r i e s 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 阀泵串联控制的另一种形式如图卜7 所示。工作原理是：变量泵斜 盘机构的控制信号取自能源压力和负载压力之差，使能源压力跟随负载 压力变化，这样可以消除恒压油源的溢流损失，并减少伺服阀的节流损 失和液压泵的泄漏损失。液压泵必须有一个高于负载压力的设计信号 ，把泵出口压力与负载压力比较得到的差值再与比较，用最终得到 的差值来控制泵的斜盘倾角，进而调节液压泵的流量输出。系统的控制 指令直接控制电液伺服阀的输出流量来保证液压马达的瞬态性能。 ( 2 ) 阀泵并联控制液压马达速度调节系统( 图1 - 8 ) 图卜8 阀泵并联控制液压马达速度调节系统“1 f i g 1 - - 8 t h e s p e e ds e n 7 0s y s t e mo f h y d r a u l i cm o l o r c o n t r o l l e db yv a l v ea n d p u m p i np a r a l l e l 在该系统中，将电液伺服阀的输出流量与变量泵的输出流量合起来 控制液压马达转速。在动态调节过程中，主要由电液伺服阀瞬时控制输 出流量，阀控系统的快速响应特性保证了系统具有良好的动态调节性能； 在达到稳态过程后，伺服阀关闭，变量泵根据系统的实际需要提供流量， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 这时充分发挥了泵控回路缓慢调节的作用，消除了偏差，从而使系统具 有良好的静态性能。根据理论分析，这种系统的传动效率几乎接近泵控 系统本身，而动态过程基本接近阀控系统。因此是未来液压马达速度伺 服系统的发展方向“1 。 1 1 2 阀控系统的类型 目前在液压控制系统的实际应用中，阀控系统主要有以下三类。3 ： ( 1 ) 电液开关控制 ( 2 ) 电液比例控制 ( 3 ) 电液伺服控制 各类系统的核心在于所选择的控制元件不同，即开关阀、比例阀、 伺服阀。一般来说，根据系统的要求来选择控制元件，对于开环系统通 常选择开关阀，而闭环系统选择伺服阀，比例阀则既可以用于开环系统， 也可以用于闭环系统。通常来说，开关阀只有两种状态：开启和关闭， 因此要实现高质量的复杂控制时，必须有大量的元件，把各元件调整成 某一特殊状态，必要时选通这些元件，从而实现使被控对象按预定的顺 序和要求进行动作，控制比较复杂。在工程实际中一般用开关阀来控制 仅具有有限几种状态的被控对象。开关元件简单可靠，价格低廉，不存 在系统不稳定的情况。比例阀、伺服阀可以依据输入的电信号来控制液 流的方向，并可以使流量和压力与电信号成比例地、连续地变化，可以 认为能实现无限种状态，能够适用于具有多种状态的被控对象，并且其 控制相对简单。 下表列出了三种元件的性能对比“1 。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 表卜1 电液伺服、数字、比例和开关元件的性能对比 f 竺 伺服阀比例阀开关阀 介质过滤精度( um ) 52 52 5 阀内压力降( b g p a ) 70 5 20 2 5 0 5 稳态滞环( ) 0 1 一o 5i 一3 重复精度( x )0 5 一lo 5 一l 频宽( h z 一3 d b )2 0 2 0 01 0 7 01 0 以下 中位死区无有 有 价格因子1 03 5 l 由上表可见，传统的电液伺服阀对于流体的介质清洁度要求十分苛 刻，制造成本高，维护费用高，系统的能耗比较大，适于用在对系统性 能要求非常高的场合。而传统的开关控制又不能满足高质量控制系统的 要求。比例阀是介于开关阀与伺服阀之间的种元件。与电液伺服阎相 比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面 不如伺服阀外，其他方面的性能和控制水平与伺服阀相当，足以满足大 多数工业需要。与传统开关阀相比，虽然价格较高，但由于其良好的控 制性能而得到补偿。因此在控制较为复杂，特别是要求较高控制质量的 地方，比例阀逐渐取代了传统开关控制阀。此外，比例控制阀还具有流 量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这就使得比例控制系统 较传统开关系统，不但控制性能得意提高，而且控制系统得到简化。因 此，比例阀得到较为广泛的应用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究工作概述 彭佑多，张永忠等在文献【4 】中定性分析了在液压提升机上应用阀泵 串联饲服控制、泄油式阀泵并联饲服控制和补油式阀泵并联饲服控制等 控靠q 方式以改善液压提升机的速度特性。 王芙蓉在文献【5 】中提出了将比例阀以旁路形式并联于泵控马达速 度系统中，构成节流式控制系统，通过p i d 控制比例阀，减少了响应时 间，提高了系统的效率。 马俊功等在文献【6 】中介绍了液压马达速度伺服系统的主要结构形 式、工作原理、特点和使用场合，并结合当前应用和研究中的问题，指 出了液压马达速度饲服系统的发展趋势。在结论中提出阀泵联合调节系 统部分地解决了快速性和系统效率之间的矛盾，具有响应快和效率高的 特点，可适用于大功率、高精度、快响应的场合，是未来液压马达速度 伺服系统的发展方向。 提高速度抗干扰性最有效的方法是减小比例方向阀的流量压力系 数，并使其不随负载压力的变化而变化。传统方法是在比例方向阀上叠 加压力补偿器( 定羞方向减压阀) 。使比例方向阀节流阀口的压降保持恒 定。但由于压力补偿器的流量一压力特性较差，尤其是当阀口压降发生突 变时会产生很大的瞬时流量超调，使液压缸( 马达) 产生速度冲击，其 动态抗干扰性较差。在王庆车等在文献【7 】中针对电液比例节流速度控制 的受控速度易受负载和油源压力干扰的影响，以电液比例节流速度控制 系统为对象，提出了一种采用数字压力补偿提高速度控制系统抗干扰性 的方法。结果表明，该方法使系统的速度刚度得到很大的提高，且算法 简单，可实现性和实时性好，是提高速度控制抗干扰性的最佳途径之一。 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 对执行器进行速度控制时，常用的方法是在一个比例方向阀上叠加 压力补偿器( 控制比例方向阀阀口两端压差近似为定值) 的结构。但这 种结构在对大惯性负载的加、减速过程进行控制时存在一定的问题。这 主要是由于流量控制用的比例方向阀的两个控制阀口( 分另u 控制执行器 的进、出流量) 是联动的，同时压力补偿器在初始状态是全开的，且补 偿特性较差。针对这些问题，在文献【8 】中，作者王庆丰等提出了基于压 差传感的电液进、出口节流独立调节原理，特别适用于大惯性负载的加、 减速及制动过程控制。理论分析和试验表明，采用该调节原理，可以缩 短大惯性负载加速过程时问，避免减速及制动过程中执行器出油侧的压 力冲击，提高系统的阻尼比，是改善大惯性负载加速特性、解决大惯性 负载减速及制动过程平稳性问题的有效途径之一。 北京理工大学的王军政在题为电液伺服阀控马达速度闭环数字控 制系统的应用研究的文章中，文献【9 】，研究了计算机控制电液伺服阀 控马达速度闭环系统的应用技术，采用光电编码器作为速度反馈元件， 结构上将伺服阀与马达连在一起，用嵌入式p c i 0 4 总线实现智能控制算 法，提高了系统的固有频率，该算法为棒一棒控制、分段p i 控制和死区 控制的组合。试验结果表明，智能算法比常规p i d 控制效果好。由于采 用光电编码器作为测速传感器，因此测速精度高、响应快、范围宽。 h m u r r e n h o f f 在题为( s y s t e m a t i ca p p r o a c ht ot h ec o n t r o lo fh y d r o s t a t i c d f i v e s 的文章中，文献 1 0 1 ，概述了现有的液压传动控制方式。并介绍 了一种分类方法来分析开环控制和闭环控制。开环控制可分为直接控制 和间接控制；而闭环控制可分为力或扭矩控制、速度控制和位置或转角 控制。速度控制主要用在直接控制和间接控制的旋转驱动上。作者给出 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 了用于速度控制的直接控制的框图和所有可用作反馈信号的状态变量。 通过对各种常规控制器的比较，作者得出带有微分部分的控制器最适合 采用直接控制的速度控制的结论。 在jhh y u n ，c0l e e 的文章o p t i m i z a t i o no ff e e d b a c kg a i n sf o ra h y d r a u l i cs e w os y s t e mb yg e n e t i ca l g o r i t h m s ) ) 中，文献i n ，作者指出， 在斜盘变量马达的速度控制中，双环控制器的五个反馈增益的最优值可 以使用遗传算法通过实验来确定。文章对用于速度控制系统的每种控制 增益的遗传算法和其搜索范围进行了详细的描述。通过在给定的增益空 间里设定恰当的函数，就可确定最优反馈增益，即使当油压和惯性变化 时，也可获最优值。对比表明，在液压伺服系统反馈增益的优化中，通 过手动调节去寻找最优值是一项费时的工作，而使用遗传算法有效地节 省了时间和人力。 t a k a o n i s h i u m i ，h i r o s h ik a t o ha n ds h i z u r o uk o n a m i 在 h p p l i e a t i o no fn e u r a ln e t w o r kf o rh y d r a u l i cm o t o r l o a ds y s t e m 文章中，文献1 1 2 】，讨论了神经网络在液压马达负载系统角位移控制中 的应用。在该系统中，小激励信号存在死区。作者通过模型对阶跃信号 的响应的实验和仿真对比，发现静摩擦引起的初始扭矩扩大了系统的死 区。作者使用神经网络补偿嚣根据条件的变化来调整状态反馈的增益。 通过实验和仿真，证明了神经网络补偿器在提高控制系统的控制精度和 鲁棒性的显著作用。其缺点是在接近死区时，系统对小激励信号的响应 不是很好。 刘永锦等在比例阀控马达在自动送料系统中的应用研究中，文 献 1 3 1 ，以比例阀控马达在自动送料系统中的应用为主题，建立了适合 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 实际工程情况的数学模型，在比例控制系统的动态性能的设计计算中借 鉴了饲服系统的设计计算方法，设计选择了实际工程中的比例阀、液压 马达、控制系统的有关参数，探索了电液比例控制系统的动态性能计算 方法。 大惯性负载如减速过程的平稳性问题严重影响了阈控系统的动态特 性，顾临怡等在文献 1 4 1 , ，在采用进、出口节流协调控制的阀控单元 的基础上，提出了对大惯性负载加减速过程采用分段控制，并在执行器 转速接近设定值时采用基于参数在线估计的状态反馈控制，以保证执行 器转速控制精度和动态过程的平稳性；同时提出了在减速及制动过程中 对出油侧压力进行控制的方法。试验表明，采用这种方法可兼顾大惯性 负载加减速过程的快速平稳性与执行器转速的稳态精度。 1 3 研究课题的目的、意义 液压马达速度伺服系统是工程上常用的伺服控制系统，它具有响应 速度快、功率重量比大、负载刚性高和性能价格比高等特点，能实现高 精度、高速度和大功率的控制，因此在航空航天、冶金、船舶、机床、 动力设备和煤矿机械等工业领域得到了广泛应用。 大惯性负载加减速过程的平稳性问题由来已久，尤其是在涉及到生产 及人身安全的系统中，给执行器的寿命及安全造成严重影响。传统的定值 阀控单元在对大惯性负载的加减速过程进行控制时存在加速过程缓慢、减 速过程有较大冲击以及迟缓振荡等问题，动态过程的平稳性问题十分严 重。 在生产实践中，常常需要用由液压马达驱动、钢丝绳牵引的小车在 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 水平道轨上进行物料的运送。这些负载所具有的共同特点就是惯性较大， 且由于钢丝绳的的存在使得系统具有较大的柔度。而这些特性随着负载 及钢丝绳张紧力的变化而变化，因此在起动、停止和换向的过程中冲击 较大，过大的冲击力常导致牵引钢丝绳的断丝，不利于生产的进行且大 大缩短系统的寿命。因此需要对系统进行优化控制而使系统运行尽可能 的平稳，缩短过渡时间及减少超调量，抑制系统振荡。分析负载中影响 钢丝绳受力的因素对于正确的选用钢丝绳从而使其具有较长的使用寿命 有重要意义。 电液比例技术填补了传统开关式液压控制技术与伺服控制之间的空 白，已成为流体传动与控制技术中最富生命力的一个分支。因此有可能 在一般工业应用中以其廉价、抗污染和节能等优势来取代伺服阀。但目 前电液比例阀用于闭环控制的系统还比较少，其设计理论还不成熟，因 此对该类比例控制系统的研究，对电液比例控制技术的发展和完善具有 一定的意义。 1 4 课题中所要做的工作 本文所研究的课题中，负载质量较大且不确定，而且在传动链中由 于钢丝绳的存在而具有较大的弹性。本文的研究重点就是分析柔性负载 对阀控马达速度系统的影响并提出相应的改进方法。 本课题的主要工作包含以下几个方面： ( 1 ) 调查国内外液压速度控制系统的发展概况，对本课题内容进行 详细的了解、分析，初步论证课题的可行性。 ( 2 ) 设计电液比例控制系统，以满足实际的生产需要。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 分析液压控制系统，建立电液比例控制系统的动力学模型、数 学模型，分析预紧力、设定速度等因素对钢丝绳受力的影响。 ( 4 ) 结合理论分析柔性负载对速度系统的影响，通过仿真比较柔性 负载对开关控制和比例控制影响的不同。 ( 5 ) 进行仿真研究，分别针对开环速度系统和闭环速度系统设计 p i d 控制器，对系统的进行校正。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章液压控制系统方案介绍 2 1 台车机组简介 下： 台车系统的机械传动部分如图2 一l 所示，其工作原理与动作要求如 导转囊譬菠压缸 小车铜丝冕 尊轨基动藏蕾 图2 - 1 台车传动示意图 f i g 2 1 t h e d r a w i n gs y s t e mo f t h e c a r 该机组的主要负载为装在台车上的重物，最大重量为1 0 吨。在工作 过程中要求台车在任何位置能够快速起停，正反向运动；液压马达通过 减速器把动力传递给滚筒，在钢丝绳的牵引下滚筒带动台车在导轨上往 复运动。要求起动、制动过程平稳无冲击。 由于台车的行程比较大，达到2 2 米，因此钢丝绳的弹性影响较大， 如果采用开关控制，将会引起很大的速度冲击。要想达到平稳地启动和 停止，就需要使得马达的速度能够连续地变化，综合各项因素考虑，采 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 用电液比例控制就能较好地满足系统的要求。为了更好地减少台车运动 时的振荡现象，在导轮位置设张紧油缸，通过控制提供给张紧油缸的液 压力来控制钢丝绳的预紧力，以便减小钢丝绳的松弛量，补偿钢丝绳受 力伸长的影响。 2 2 电液比例控制系统的组成、分类及特点 2 2 1 电液比例控制系统的组成嵋1 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能不同，但是就其原理来 说都可以归纳为由功熊基本相同的单元组成的系统，如图2 2 所示。图 中虚线所示为可能实现的检测与反馈。 图2 2 电液比例控制系统框图 f i g 2 - - 2 t h ef r a m eo f e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o ns y s t e m 由上图可知组成电液比例控制系统的基本元件有： 1 指令元件( 输入元件) 它给出与反馈信号同样形式或相同因次 的控制信号。如电位器，也可以是其它电器或计算机。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ 一一 一 2 比较元件把控制信号与反馈信号加以比较，给出偏差信号作为 电控器的输入。 3 电控器通常称作比例放大器。对输入的信号进行整形和放大， 使其功率达到电一机械装置的控制要求。 4 比例阀这是整个系统的功率放大部分。其内部可分为两大部 分，即电一机械转换器及液压放大部分，还可能带有阀内的检测反馈元 件。 5 液压执行元件常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置， 用于驱动负载。 6 检测反馈元件它检测被控制量或中问变量的实际值，得出系统 的反馈信号，如位移传感器、测速传感器等。检测元件有内环与外环之 分，内环检测元件通常包含在比例阀内，用于改善比例阀阀的动、静态 特性；外环检测元件直接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制 精度。 7 控制对象如工作台或其它负载装置。 以上各组成部分中，液压控制元件( 如比例阀) 、执行元件和负载的 作用是密切相关的，常把三者的组合称之为液压动力机构。此外，系统 中还可能含有各种校正装置，用来改善系统的动静态性能。 2 2 2 电液比例控制系统的分类3 1 电液比例控制系统可以按不同的角度分类，每一种分类方法都代表 系统一定的特点： 1 按被检测量是否被检测和反馈可分为： 1 ) 开环电液比例控制系统； 2 ) 闭环电液比例控制系统。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 按输入信号的类型和信号处理的方式可分为： 1 ) 模拟式电液比例控制系统： 2 ) 数字式电液比例控制系统，它又具体分为脉宽调制、脉码调制 和脉数调制等类型。 3 按比例控制元件的类型可分为： 1 ) 比例节流控制系统，其特点是动态响应快，但功率损耗较大。 常用于中小功率场合； 2 ) 比例容积控制系统，其特点与节流控制相反，常用于功率较大 场合，具体可分为液压泵控制、液压马达控制和联合控制等。 4 按被控对象( 量或参数) 的不同可分为： 1 ) 比例流量控制系统； 2 ) 比例压力控制系统； 3 ) 比例流量压力控制系统： 4 ) 比例位移( 或转角) 控制系统； 5 ) 比例速度( 或转速) 控制系统； 6 ) 比例加速度( 或角加速度) 控制系统； 7 ) 比例力控制系统； 8 ) 其它参数控制系统。 5 按液压动力机构是否对称可分为： 1 ) 对称系统。该系统在两个运动方向的运动速度和输出力是相同 的，而且在两个运动方向可用同一精度来控制； 2 ) 非对称系统。该系统的运动速度和输出力以及可能达到的控制 精度随运动方向而异，系统的动态特性同样也依赖于系统的运动方向。 2 2 3 电液比例控制系统的特点b 1 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 电液比例阀由于能与电子控制装置组合在一起，可以十分方便地对 各种输入、输出信号进行运算和处理，实现复杂的控制功能。同时它又 具有抗污染、低成本以及响应较快的优点。因此在液压控制工程中广泛 应用。 电液比例阀是介于电液伺服阀与开关型的液压阀之间的一种液压元 件。从控制特性看，除控制精度及响应快速性外的其它性能更接近伺服 系统；从抗污染、可靠性和经济性看，更接近开关控制系统。因此它兼 有二者的许多优点。综合起来，电液比例控制系统具有如下主要特点： 1 ) 可明显的简化液压系统，减少元件的使用量，并可实现复杂程序 控制： 2 ) 利用电信号便于实现自控、程控、遥控： 3 ) 能把电的快速性、易校正性等优点与液压输出力大等优点结合起 来； 4 ) 可连续按比例地控制液压机构的力、速度及方向，并能防止压力、 速度变化或换向时的冲击，极易实现无级调速； 5 ) 使用条件、保养维修与普通液压阀基本相同，耐污染性好。 2 3 确定液压系统控制方案 工业上的控制系统，根据有无反馈作用可分为两大类，既开环控制 系统和闭环控制系统。在开环控制系统中，不存在反馈作用，其输入信 号是预先确定的，负载等外界干扰不会引起它的变化，控制精度取决于 系统的校准精度，以及组成系统的元件特性和参数的稳定程度，因而这 极大地限制了系统的控制精度。而闭环控制系统能利用反馈作用减小系 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的误差，自动纠正系统夕 干扰和系统内参数变化引起的偏差，抗干扰 能力强，最终可以采用精度不太高且成本比较低的元件组成一个精确的 控制系统，但闭环控制系统的结构复杂，且系统的稳定性始终是一个重 要的问题，而开环系统则没有这个问题且结构简单。 对于本论文所要讨论的问题来说，由于负载经常是变化的，且由于 长度较长的钢丝绳的存在，工作过程中不确定的因素较多。若采用开环 控制方式，则很难实现平稳的起动和停止，可能还会带来速度长时间的 不稳定，严重影响工作质量和效率。采用合理的闭环控制将可以实现对 速度较为精确的控制，实现预期的目的。 通常理论上已成熟的电液闭环控制是电液伺服控制，但电液伺服控 制系统的功率损失大，对油液的过滤要求苛刻，制造和维护费用高，而 它提供的快速性、高精度在一般工业设各中又往往用不着。近年来。迅 速发展起来的电液比例控制技术恰好填补了普通开关控制与伺服控制之 间的空白，其工作可靠，价格低廉，控制精度与响应特性均能满足一般 工业的实际需要，因此可在着重研究系统稳定性的基础上，采角电液比 例控制的技术方案。 系统原理图如图2 - 3 所示。 奎堕塞三盔堂堡主堑塞兰堂垡堕奎 1 温度计2 过滤嚣3 变量柱塞泵4 单向阀5 卸荷阀6 压力表 7 电磁比例阀8 梭阀9 马达1 0 张紧油缸1 1 单向节流阀1 2 蓄能器 1 3 电磁换向阀1 4 溢流闾1 5 冷却器1 6 过滤器17 齿轮泵1 8 液住计 图2 - 3 液压系统原理图 f i g - 2 - - 3 t h ec h a r to f h y d r a u l i cs y s t e m 2 4 主要液压元件的参数选择 2 4 1 台车系统的主要参数 减速器速比：4 2 5 ： 两端滚简直径：6 5 0 m m 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 最大行程：2 2 m ； 台车最大速度8 0 m m i r a 台车及负载最大质量1 0 0 0 0 k g 。 2 4 2 台车系统的主要元件选择 1 、计算滚筒的最大转速： 珊，：- 里l ，3 8 r m i n 8 3 1 4 0 6 5 2 、计算马达的最高转速： c o 。一3 8 4 2 5 = 1 6 1 5 r m i n 3 、计算系统的最大流量： 根据系统的负载大小，初选系统额定压力为1 2 m p a ，根据负载质量 以及最大加速度初选马达的排量为6 0 m l r ，因此系统的最大流量为： q o 0 6 x 1 6 1 5 9 7 1 ，m i n 。 4 、选择液压马达： 查找样本，选择力士乐公司的a 4 f m 6 3 3 0 w - - p p b 0 1 ，该马达排量 6 3 m l r ，公称压力3 5 m p a ，最高使用压力4 5 m