（机械制造及其自动化专业论文）带式输送机液粘可控传动装置控制研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学何论文 。 摘要 由于工业生产效率的不断提高，作为散料运输的主要设备一带式输送机 正朝着大功率、大运量、长距离的方向发展，液粘可控传动技术是新型大功 率带式输送机研制的关键技术之一，液粘可控传动装置的可控起动技术、控 制策略与实现技术的研究对于液体粘性传动理论的发展应用及基于液粘传动 技术的大型带式输送机的研制都具有重要的理论研究意义和实际应用价值。 本文在分析带式输送机液粘可控传动装置工作机理的基础上，进行了液 粘可控传动装置内部摩擦片受力分析，建立其受力平衡方程，通过在工作点 增量线性化的方法得到加速度传递函数，通过试车数据进行了模型校验。设 计了增量式p i d 控制器，进行了仿真实验。 本文在研究广义预测控制理论的基础上，提出了液粘可控传动装置广义 预测控制参数的设计要求，并设计了液粘可控传动装置预测控制器。针对非 线性系统建立预测模型较困难的问题，采用一种模糊与预测控制相结合的控 制方法，基于专家知识和操作经验以及现场数据建立基于m a x m i n 算法的 m a m d a n i 型模糊模型，通过模糊输入变量对模糊模型的结构分析，建立预测 模型。在一步预测模型的基础上，推导出多步预测模型，实施预测控制，进 行了仿真研究。 研究了液粘可控传动装置模糊神经网络控制方法。在设计和分析液粘可 控传动装置模糊控制的基础上，进行了模糊控制与神经网络相结合的控制技 术研究。采用模糊c 均值聚类方法初始化隶属度函数，基于权值矩阵的最大 值来提取和化简模糊规则，采用遗传算法进行隶属度函数的优化调整，通过 对样本数据的学习，提取控制规则，确定液粘可控传动装置模糊神经网络控 制器的结构及算法，并进行了仿真研究。 以正在试制的3 0 0 k w 液粘可控传动装置为对象，分别应用p i d 算法和广 义预测控制、模糊预测控制、模糊控制神经网络控制方法对空载和满载起动 液粘可控传动装置进行控制仿真研究，对控制效果进行比较分析，优化出液 粘可控传动装置模糊神经网络控制器。 关键词：液粘可控传动装置；p i d 控制；预测控制；模糊神经网络控制 ；垒竺塑鍪丝些鎏垒坠一置；i ；i ；i i i 罱i 篁i i i 宣；i i ；i i i i ；宣；i i i i i i 。一一 a b s r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a le f f i c i e n c y , t h eb e l tc o n v e y e r t a k e s 硒t h em a i ne q u i p m e n to f b u l ks o l i dt r a n s p o r t a t i o nt h a ti sd e v e l o p i n gt ot h e h j 曲p o w e r , l a r g e c a p a c i t ya n dl o n g d i s t a n c e t h e h y d r o v i s c o u s c o n t l l a b l e t r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 ) ri so n eo fk e yt e c h n o l o g yf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e n e w i yh i 吐p o w e rb e l tc o n v e y e gt h er e s e a r c h o fc o n t r o l l e ds t a r tt e c h n o l o g y , c o n t r 0 1s t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo f t h eh y d r o - v i s c o u sc o n t r o l l a b l e t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs e n s e a n dp r a c t l c a l a p p l i c a t i o nv a l u et ot h ed e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o n o fl i q u i dv i s c o u st r a n s 肌s s l o n t h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fl a r g e b e l tc o n v e y o rb a s e do nl i q u i d v l s c o u s t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h ef o r c eo fi n t e r n a l f r i c t i o nd i s ko ft h eh y d r o - v i s c o u s c o n t r o l l a b l e t r a n s m i s s i o nd e v i c ei sa n a l y z e db a s e do nw o r k i n gm e c h a n i s mo fb e l tc o n v e y o r h v d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ef o r c ee q u i l i b r i u me q u a t i o n l s b u i l t a n dt h e a c c e l e r a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n i so b t a i n e db yt h em e t h o do f i n c r e m e n tl i n e a r i z a t i o na tt h ew o r k i n gp o i n t t h em o d e li s c h e c k e db yt r i a lr u n d a n i m t h ei n c r e m e n tp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti s m a d e t h ed e s i g nd e m a n d so fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o lp a r a m e t e r s f o rt n e h v d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m a r ep r o p o s e db a s e do n t n e r e s e a r c ha n dl e a r no fg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r y , a n dt h ep r e d i c t l v e c o n t r o l l e ro fh y d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sd e s i g n e d a i m i n g t om ep r o b l e mo fm o d e l i n gd i f f i c u l tf o rn o n - l i n e a rs y s t e m ，t h ec o n t r o lm e t h o d 1 s p r o p o s e d ，w h i c hi n t e g r a t e dt h ef u z z ya n dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 t h em a m d a n i f u z z y i n o d e li sb u i l tb a s e do nm a x m i na l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ee x p e r tk n o w l e d g e ， o p e r a t i n ge x p e r i e n c ea n df i e l dd a t a t h es t r u c t u r eo ff u z z ym o d e l i sa n a l y z e db y 勉z yi 1 1 p u tv a r i a b l e sa n dt h ep r e d i c t i v em o d e l i sb u i l t t h em u l t i 。s t e pp r e d i c t i v e m o d e li sd e d u c e db a s e do no n e s t e pp r e d i c t i v em o d e l ，t h ep r e d i c t i v ec o n t r o l l s i m p l e m e n t e d a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sm a d e 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 t h em e t h o do ff u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lf o rh y d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l e t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e d t h ec o n t r o lr e s e a r c ht h a tc o m b i n e d f u z z y c o n t r o lw i t hn e u r a ln e t w o r kc o n t r o li sm a d eb a s e do nd e s i g n i n ga n d a n a l y z i n gt h e f u z z yc o n t r o lo fh y d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h em e m b e r s h i p f u n c t i o n sa r ei n i t i a l i z e db yt h ec m e a n sc l u s t e r i n gm e t h o d t h ef u z z yr u l e sa r e e x t r a c t e da n d s i m p l i f i e d b a s e do nt h em a x i m u mo f w e i g h tm a t r i x t h e m e m b e r s h i pf u n c t i o n sa r eo p t i m i z e da n da d j u s t e db yt 1 1 eg e n e t i ca l g o r i t h m t h e s t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo ff u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e rf o rh y d r o v i s c o u s c o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e ma l ed e t e r m i n e dt h r o u g hl e a r n i n gs a m p l ed a t u m a n de x t r a c t i n gc o n t r o lr u l e s a n dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi sm a d e b yt a k i n gt h ed e v e l o p i n g3 0 0 k wh y d r o v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o n s y s t e ma st h er e s e a r c ho b je c t ，t h ec o n t r 0 1s i m u l a t i o nr e s e a r c h e so fn o n 1 0 a da n d f u l ll o a ds t a r t i n ga r em a d e ，w h i c ha p p l i e st h ep i dc o n t r o l ，g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l ，f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r 0 1a n df u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l r e s p e c t i v e l y a n dt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ri so p t i m a lt h r o u g h c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：t h eh y d r o - v i s c o u sc o n t r o l l a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p i dc o n t r o l ； p r e d i c t i v ec o n t r o l ；f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：主垒至盈 日期：丽年月f 7 日 哈尔滨t n 大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在现代散装物料的连续输送中，带式输送机是主要的运输设备，具有适 用范围广，运输成本低、运量大、地形限制小及维护简便等优势。在采矿、 冶金、码头、化工等工矿企业发挥着重要作用。随着现代工业规模的扩大和 科学技术的发展，带式输送机也随之向长距离、大运量、大型化方向发展， 在煤炭等采矿业的散料输送过程中有着广泛的应用前景。 大型带式输送机的输送带对驱动装置启动制动的动态响应是一个非常复 杂的过程，由于其重负及惯性的影响，启动不平稳，启动电流对电网的冲击 较大，且在制动力、惯性力的作用下产生的应力变化相当大，瞬间变化引起 各承载件的动载荷变化，会加速托辊的损坏，缩短输送机的使用寿命。近年 来对大型带式输送机的研制，除了提高输送带的强度外，主要是研究大型带 式输送机的可控起动控制技术。 带式输送机的可控传动技术就是在带式输送机空载或满载的状态下，通 过控制启动加速度来确保带式输送机按所要求的速度曲线平稳地启动，在一 定的启动时间内，到达额定运行速度，同时使电机的启动电流和输送带的启 动张力控制在允许范围内，同时如果带式输送机的输送能力或所输送的物料 品种发生变化时，可根据实际需要调整带式输送机的带速及动力站的输出功 率，降低能耗n q l 。 目前国内研制的带式输送机液粘可控传动装置是基于液体的粘性传动原 理，非常适合于带式输送机的可控起动，但由于其传动机理比较复杂，液粘 可控传动装置控制方法及实现技术是带式输送机液粘可控传动装置迫切需要 研究的重要内容之一。 1 2 液体粘性可控传动装置概述 液体粘性可控传动装置的理论基础是液体粘性传动，它以粘性液体为工 作介质，依靠主、从动摩擦片间液体的粘性( 剪切力) 来传输动力和调节转 速与力矩，能够长期在打滑情况下工作、进行无级调速，并且可以实现主被 动轴之间的同步传动。 1 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 液体粘性可控传动装置的工作原理是基于牛顿内摩擦定律h 1 ，如图1 1 所示。 图1 1 流体的内摩擦模型 根据牛顿的流体剪切理论，可知： foc彳(1-1) o f ：竺：昙( 1 - 2 ) a 2f = 一2i 以o 式中：f 一油膜的剪切力，n f 油膜的切应力，p a 油膜的动力粘度，p a s 口两平板的相对速度，m s 万油膜厚度，m a 承受油膜剪切作用的面积，m 2 从式( 1 2 ) 可以看出，在保持流体动力粘度一定的条件下，通过控制两 平板的间距万，就可以调节两平板间传递的剪切应力z 。 液体粘性可控传动装置的机械本体主要由主动摩擦片和从动摩擦片组 成。主动摩擦片旋转时通过流体形成的粘性油膜来带动从动摩擦片的旋转， 通过改变控制油缸中油压的大小，可以改变主、从动摩擦片之间的间隙，从 而调节输出转矩。 在液粘可控传动装置中，每一对摩擦片可以看成是平行的、中间充满粘 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 性流体的、相互有转速差的两个圆形平板面，每一对摩擦片的工作简图如图 1 2 所示。刀组摩擦片之间的粘性流体所传递的扭矩m 为： m = p r d a = 1 p 产2 7 r r 3 d r = 百勉a l u n ( 譬一巧4 ) ( 1 - 3 ) 式中：f ，半径r 处的油膜剪应力，p a 国为主、从动摩擦片间的转速差，r a d s h 主、从动摩擦片间的距离，即油膜厚度，m i l l 摩擦片中牛顿流体的动力粘度，p a s k 摩擦片有效工作面的内半径，i i l l t i 一摩擦片有效工作面的外半径，i i l r i l a 摩擦片有效工作面的面积，m 2 n 摩擦片的组数。 图1 2 摩擦片扭矩计算简图 在控制过程中油膜的厚度h 的大小通过控制压在摩擦片上的活塞上的压 3 哈尔滨工程人学硕士学位论文 力来控制，山于压力是无级可调的，所以油膜厚度也是无级可调的，通过式 ( 1 - 3 ) 可知，输出的扭矩肘也是无级可调的。 液粘可控传动装置由机械主机和液i = | i 辅机两部分组成。主机由动力输入 系统和动力输出系统组成。动力输入系统包括主动轴、主动摩擦片等，动力 输出系统包括被动摩擦片、被动轴等。液压辅机包括控制系统、冷却系统和 测量系统等。 液粘可控传动装冒主机结构示意图，主要由主动、被动磨擦片、液粘 可控传动装置控制油缸、润滑密封及支承等部分组成。 l 被动轴；2 被动堆端盖3 被动轴透盖4 一轴承：5 一轴承：6 一连接盘；7 一赴轴；8 一外摩擦 片，9内摩擦片，l o 轴承；1 1 压盘，1 2 - - 压盖；1 3 一主动轴透盖；“一销轴：1 5 一主动轴端盖； 1 6 - - 主动轴；17 - 侗盘；1 8 一碟形掸簧1 9 - - 销轴；2 0 - - 壳体；2 j 一测速齿轮 图13 液粘可控传动装置主机结构 液压辅机组成如图i4 ，主要有润滑与控制两个供油回路，使用共同的油 箱。润滑供油系统的作用是向主、被动摩擦片问充分供油形成工作油膜，并 将有转速差时所产生的热量带走，通过冷却器将热量散掉，以保证液粘正常 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作。控制供油系统的作用是根据对带式输送机的启动要求，供给油缸以不 同的工作油压，进而传递不同的转矩和转速，从而实现带式输送机可控起动 目的。 l 一主电机；2 一压力传感器；3 一温度表；4 一温度传感器；5 一液粘可控传动装置；6 一控制油缸；7 一带式输送机；8 - - 转速传感器；9 - - 压力传感器；l o 一控制器；1 1 一比例阀放大器；1 2 一单向阀；1 3 一换向阀；1 4 - - 比例压力阀；1 5 - - 精滤油；1 6 一控制油泵；1 7 一过滤器：1 8 一控制油箱：1 9 一单向阀； 2 0 一控制电机；2 1 一主油箱；2 1 一溢流阀；2 2 润滑油缸；2 3 一滤油器；2 4 一调压阀；2 5 一润滑泵机； 2 6 一润滑油泵：2 7 一冷却器；2 8 - - 压力表；2 9 一温度传感器；3 0 一转速传感器 图1 4 液压控制系统结构原理示意图 液粘可控传动装置工作的基本过程：通过控制器输出连续的电流信号供 给电液比例溢流阀1 4 ，而阀的输出压力与输入电流信号成正比例关系，可以 连续的调节控制供油系统的压力，不断的调整主被动摩擦片间的油膜厚度， 传递不同的转矩，从而实现带式输送机的可控起动。 1 3 液粘可控传动技术研究现状 国际上美国是较早开始研究液体粘性传动的国家之一1 ，2 0 世纪6 0 年代 初，液体粘性传动装置开始用于工业领域小功率场合，如小型泵和小型风机 传动。随着技术的不断完善，现在应用范围已扩展到了电厂、化工厂等重要 s 哈尔滨i 程人学硕l 学位论文 i 业场合。美固有两家公司从事液粘传动装置的研制生产：威斯康星卅i 的双 环公司( h t t p ：w w w t w i n d i s co o mc n ) 和宾夕法尼亚卅l 的费城齿轮公司 ( p h i l a d e l p h i ag e a rc o r p o r a t i o n r ”。 职虾公司( 1 w 1 nd i s cc o r p o r a t i o n ) 该公司的粘性训速装置主要有m c d ( m a r i n e c o n t r o l d r i v e ) 船用调速离介器和u c d d i k 无级调迷装胃。 u c d 是美国烈环公爿比利时分公司牛产的一种液力变速装置，采用的暇 不公几 的欧米加专利技术。u c d 是安装在原动力和工作机之司的动力传动装 置。 目17 c s t 结构原理图图18 澳大利亚o a k y n o r t h m i n e 哈尔滨下程大学硕士学位论文 c s t 系统原理示意图如图1 3 所示。使用c s t 系统后，可以连续地控制 带式输送机的起动和停车，而不必顾及负载及环境的任意变化。在长距离带 式输送机上，使用多点驱动系统，在整个速度控制过程中，c s t 提供了出色 的负载平衡和力矩限制，电机功率将被最大程度地利用。图1 4 为c s t 系统 在澳大利亚o a k y n o r t hm i n e 的应用图n 引。 2 0 世纪7 0 年代末，日本新泻控巴达公司( n i i g a t a c o n v e t e rc 0 ) 从美国双盘公司引进液体粘性传动技术，并进行了大规模的开发生产。德国、 英国、澳大利亚等国也在近些年开发这一技术n 3 1 引。 国内关于液体粘性传动的研究从2 0 世纪7 0 年代末开始，起步比较晚。 北京理工大学魏宸官教授经过数年努力，于1 9 8 6 年针对风机、水泵调速，成 功推出新型液体粘性传动装置n 刮，并获得了3 5 届尤里卡世界发明博览会银质 奖章。这一技术在风机、水泵上得到了大量推广应用。魏宸官教授专著液 体粘性传动技术论述了液体粘性传动的原理、特点，介绍了液体粘性调速 离合器和硅油风扇调速离合器的结构，理论与设计，介绍了液体粘性传动装 置在风机、水泵、液力变矩器、汽车四轮驱动系统、制动器及测功器中的应 用h 1 。国内生产和研究液体粘性传动装置的单位主要有中国航空工业第二集 团公司保定螺旋桨制造厂、南京耐特机电( 集团) 公司、兖州科欣机电设备 制造有限公司、北京理工大学、上海交通大学n 引。 国内外与带式输送机相关的液体粘性传动资料较少，但发展趋势是将液 体粘性传动技术应用于带式输送机的可控传动n 卜2 0 1 。尽管美国成功地应用了 c s t ( c o n t r o l l e ds t a r tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 技术，但其加工要求高，成本高 投资大，而且不适合现有重型机械设备简单的技术改造和我国的国情。 山东科技大学在带式输送机设计特别是大倾角上下运带式输送机和普 通转弯式输送机设计以及多点驱动带式输送机设计方面有较深入的研究，山 东科技大学正在研制的3 0 0 k w 液粘可控传动装置针对矿山、水泥厂、电厂机 械的起动、调速、停车、制动等工况，提高大功率输送运输设备的动态性能， 降低系统能耗，延长整机寿命，提高安全性、可靠性，为具有自主知识产权 的大功率、长距离、大运量带式输送机的研制解决关键技术。 从目前国内的资料来看，虽然我国起步较晚，缺乏必要的技术支持，使 我国的液体粘性传动设计研制还停留在仿制阶段。企业在研制液体粘性调速 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 离合器时仅是根据进口产品进行测绘仿制，机械部分与电液控制分离，没有 从系统的角度综合考虑，很难提高设备的综合性能，同时理论上的研究大多 以动力润滑的研究为重点。近1 0 余年来，相关研究成果较少，涉及液体粘性 可控传动的控制技术的文章更少。 液粘可控传动装置是集机、电、液一体的复杂装置，其应用于带式输送 机的起动是一个时变的、非线性的复杂系统汜h2 射。先进的控制方法及其实现 技术将直接影响到液粘可控传动装置的使用性能和控制效果，根据不同的应 用背景，液粘可控传动装置的控制技术尚处在研究探索和不断完善阶段，比 较系统地研究带式输送机液粘可控传动装置控制技术的成果很少。 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目基于虚拟样 机技术的可控传动系统研究。 本课题研究的液粘可控传动装置是一种集机、电、液于一体，面向实用 化的可控传动装置，以目前性能比较可靠的c s t ( 美国d o d g e 公司) 系统为 参考技术指标，同时要求降低成本。据了解，我国近年煤炭系统每年购置的 美国大型c s t 装置仍约2 0 台套。由于c s t 成本很高( 4 0 0 k w 主电机根据传 动比不同大约为1 5 - - 2 0 万美元) ，该产品完全实用化和商品化后，不仅提高 我国在大功率、长距离、大运量带式输送机领域的技术水平，同时也将带来 显著的经济效益和社会效益。因此，带式输送机用液体粘性可控传动装置的 研究和开发具有重要的研究意义和实际应用价值。 1 5 论文的主要工作 本文为了研究带式输送机软起动液粘可控传动装置的控制问题，研究了 p i d 控制、模糊控制、模糊神经网络控制、广义预测控制和模糊预测控制， 为液粘可控传动装置控制的开发提供技术基础和应用方案。主要研究内容包 括： 1 、研究液粘可控传动装置的工作机理，采用在工作点增量线性化的方法， 建立其数学模型，设计增量式p i d 控制器，进行仿真研究。 2 、研究广义预测控制的基本算法，设计液粘可控传动装置广义预测控制 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器。针对该装置特点提出一种基于m a x m i n 推理的m a m d a n i 型模糊线性化模 型的预测控制器。建立非线性系的m a m d a n i 模糊线性化预测模型，进一步获 得系统的一步和多步线性化预测模型，对系统进行预测控制研究。 3 、根据液粘可控传动装置的传动特性，研究模糊控制器设计的方法和原 则，设计模糊控制器，进行仿真研究。 4 、研究基于模糊神经网络的液粘可控传动装置控制方法。以模糊自适应 学习控制网络( f a l c o n ) 为基础，采用分步式学习方法对网络结构和参数 进行调整，用模糊c 均值聚类方法对输入输出变量隶属函数进行初始化，研 究基于最大权值矩阵的方法进行模糊规则的提取和化简，基于遗传算法对隶 属函数的参数进行调整和优化，进行仿真研究。 5 、以3 0 0 k w 液粘可控传动装置为对象，分别应用p i d 算法和广义预测 控制、模糊预测控制、模糊控制神经网络控制方法对空载和满载起动液粘可 控传动装置进行控制仿真研究，对控制效果进行比较分析，优化出液粘可控 传动装置模糊神经网络控制器，进行仿真实验进一步验证其控制效果。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章液粘可控传动装置p i d 控制 2 1 引言 p i d 控制是一种技术比较成熟、应用比较广的控制方法，由于其算法简 单、鲁棒性等优点，被广泛应用于化工、冶金、热工等过程控制系统中乜3 _ 钔。 为研究液粘可控传动装置的控制技术，探讨不同控制方法并进行分析比较， 本章研究液粘可控传动装置的p i d 控制方法。液粘可控传动装置的摩擦片进 行受力分析和转矩计算，建立受力平衡方程、流量平衡方程、转矩平衡方程， 针对其非线性和时变性的特点，采取在具体工作点增量线性化的方法，获得 加速度传递函数，根据低速、中速、高速三工作点的模型，采用加权方法， 对p i d 参数进行整定，研究其控制效果。 2 2 液粘可控传动装置模型的建立 动力学模型是研究液粘可控传动装置控制器的基础，本文采用机理式建 模，分析计算液粘可控传动装置内部摩擦片油膜受力状况，建立其受力平衡 方程，得到其数学模型，然后在某点进行增量线性化处理得到液粘可控传动 装置加速度传递函数。 2 2 1 油膜受力分析 活塞和摩擦片之间形成一个圆盘油膜，受剪切作用而传递动力和转矩。 活塞挤压圆盘油膜，而圆盘油膜对活塞产生反作用力。活塞挤压圆盘油膜的 力为以下各力的代数和h 1 。 1 、液压缸压力对活塞的作用力 设液压缸内半径为r ，外半径为飓，控制油的压力为p ，则 e = p ，n - ( 一群) ( 2 - 1 ) 局是调节油膜厚度的主要作用力。控制油压尸，是通过电液比例阀调定 的，相对于一般液压系统的油压力，p ，比较小，一般为0 2 1 5 m p a 。 2 、液压缸离心压力乃对活塞的作用力 液粘可控传动装置采用旋转液压缸。液压缸产生的离心压力计算如下： 1 0 哈尔溟丁程大学硕十学位论文 互= e2 p ：, r c r d r = 署p 砰 霹一砰一2 碍( 碍一砰) ( 2 - 2 ) 式中只液压缸中离心压力对活塞的作用力( n ) 5 p 油的密度( 堙所3 ) ，取p = 8 8 0 k g m 3 ； q 液压缸的角速度，主动轴角速度( r s ) ； 墨，足，r 分别为液压缸内、外半径和油液起始半径( 所) 。 3 、弹簧力 液粘可控传动装置的圆盘油膜数为n ，最大厚度为，最小油膜为零， 任意油膜厚度为万。设弹簧的刚度为k ，当万= 甩时，活塞处于原始安装 位置，弹簧的变形量为墨： 层= z k ( s i + ，z k - n 6 )( 2 3 ) 4 、润滑油压力对活塞的作用力 活塞内径和园盘油膜内径所决定的环型面积受到润滑油压力r 的作用， 即环型面积和润滑油压力的乘积。应当指出，润滑油处于流动状态，流动中 各点的润滑油压力不等于表面压力，但在本文中，为了计算方便，认为润滑 油压力等于液粘可控传动装置润滑油表的压力。 5 、活塞移动时密封圈产生的摩擦力 活塞内外圆均有一个橡胶密封圈，防止控制油液的泄漏，当活塞移动时， 密封圈产生的摩擦力为： 。 e = 万f p l b ( r i + 尺2 ) ( 2 - - 4 ) 厂密封圈对液压缸的摩擦系数； p l 液压缸压力( 砌) ； b 密封圈宽度( 历) ； 尺l 、r 2 为液压缸内外半径( 垅) 。 6 、活塞移动时外花键齿产生的摩擦力 活塞与摩擦片之间的圆盘油膜受到剪切作用，因而活塞受到转矩的作用。 活塞移动时，外花键移动时产生的摩擦力为 f 6 = 等( 2 - - 5 ) 力口 r 液粘可控传动装置传递的转矩( 聊) ； 厂花键的摩擦系数； 1 1 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 n 液粘可控传动装鼍的园盘油膜数； j 活塞外花键的分度圆直径仰) 。 7 、圆盘油膜离心承载力 润滑油通过旋转的摩擦片间隙时，由于离心力引起的压力下降而产生的 的离心承载力： 1 弓= 一= 1p l r ( 3 a 考+ 4 心+ 3 砰) ( 鬈一4 ) ( 2 - - 6 ) 、吃摩擦片有效工作面的内、外半径( 聊研) ； 劬、唑主被动摩擦片的旋转角速度( r a d s ) 。 8 、油膜静压承载力 润滑油通过静止的摩擦片之间的间隙时产生的静压承载力为： 层= r 2 p 夕r r d r2 彖卜- r 1 2 - 2 r 1 2 i n 詈】 c 2 1 ， ，i 9 、油膜动压承载力 由于主动摩擦片上的m 条径向游槽的存在，形成流体动压润滑中的阶梯 推力滑动轴承的结构，在油膜中产生油膜的动压承载力为： f ：丝刍竺! ! 生丝幺垒竺 1 9 万3 + 乞( 万+ 办) 3 1 0 、摩擦片间挤压作用力 假设摩擦片有，1 个边长为b 的网格。查有关文献乜司可得这些网格面积上 产生的挤压作用力为： 互。= 一万r t b 4i d 8 2 2 2 受力平衡方程的建立 ( 2 8 ) 根据液粘可控传动装置摩擦片的受力情况，忽略各摩擦力的影响，以液 粘可控传动装置的摩擦片为研究对象，受力分析如图2 1 ，建立受力平衡方程。 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 惯性力d 出2 x ：, _ - ， 第第 = 动压承载力c ( 4 _ j 摩 一，摩 擦擦 式r 挤压力e 陋】 油膜厚度暖 图2 1 摩擦片受力平衡分析 由前面的计算可得得摩擦片所受的离心力岛、静压承载力凡、动压承载 力局以及挤压力局d 。假设摩擦片的初始位移坐标为x l ，恐，x 3 ，吒，则各摩 擦片之间的油膜厚度为： 4 = x 2 一x l 嘎= x 3 一而 8 3 = x 五- x 3 ( 2 - 9 ) 皖一l = x n - x 一l 皖r a m l - x 对液粘可控传动装置的活塞和摩擦片进行力学平衡研究，得平衡方程为： ( + 慢孑a 2 x l + 忍鲁+ k 瓴+ 五) = 乞4 一f 8 + 巧+ 气( 酉) 一f 9 ( 4 ) 慢了d x 2 = - f , o ( 4 ) + f 9 ( 4 ) + 民 ) 一f 9 ( 4 ) 。 ( 2 - l o ) 慢争= - f , o ( 8 ，2 ) + 5 ( “) + 互( 站) 一巧( “) 慢争= 吨( “) + 乓( 站) + 乓( 戌) 一乓( 壤) 1 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 式中 摩擦片的质量( k g ) ； 7 p 离合器活塞的质量( 蚝) ； n 离合器摩擦副的对数。 2 2 3 液粘可控传动装置加速度传递函数 液粘可控传动装置加速度传递函数是在某工作点增量线性化，并对各动 态平衡方程进行拉氏变换获得的。 l 、液粘可控传动装置线性增量模型 为了方便液粘可控传动装置系统的动态稳定性分析，将整个系统以传递 函数的方式表示。设各摩擦片之间的油膜厚度的增量依次为： 磊= a x 2 一缸 4 = 缸一蚬 4 = 瓴一挑 瓯一l = a h a k _ l 4 = 矗 上方程组中各式相加可得： 缸= 一4 i = 1 在工作点万= 瓯，d s d t = o ，锡= 哆。附近对以上各式按增量线性 化得： ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( + ) 生d 堑t 2 + 境警= 卸4 一k 缸+ 砭1 d a 厂b , + 砭点+ 砭皑 争一砭警却警脚磊 ( 2 - 1 3 ) 等争= 型争一砭“+ 砭丝争+ e 配。 笋= 丝争一砭蠢。+ 砭d a 班d + 砭瓯 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中 耻每 k ；= 2 k ，。( 詈+ 2 + 祷柄 ( 2 - m ) 矿一k 4 ( q 一( 0 2 0 ) 3 1 2 ( 6 0 + 办) 2 + 3 l l 霹】 “4 1 2 ( 6 0 + 办) 2 + ，l 辞 2 而摩摞片的质量= 1 5 k g 活塞的质量朋p2 1 8 5 k g ，摩擦片的质量对系 统的动态响应影响很小，因此可忽略摩擦片质量大小的影响。化简( 2 1 0 ) 得： 嘶争+ 忍警一姒+ k 缸却妒砭争枷+ 砭驴t l ( 2 _ 1 5 ) 令少= a j ，由( 2 - 1 1 ) 可得： a x , = 一y( 2 1 6 ) 将上式代入式( 2 15 ) ，得油膜厚度增量线性化动态平衡方程： 聊p 窘+ 鼠鲁+ 等鲁+ ( k + 等) y = 却讲4 一她( 2 7 ) 2 、负载动态平衡方程 根据式( 1 3 ) 计算的单对摩擦副的传递扭矩，可以得出n 对摩擦副所传递 的扭矩为 心= 丢万( 孝一4 ) ( q 一哆) ( 善n 去) ( 2 1 8 ) 液粘可控传动装置工作时，输入转速q 保持不变。 在工作点每= 菇，哆= 皑。将式( 2 - 1 8 ) 增量线性化得： 毗= 咧芬去蛔一互1 舰眨4 一彳) ( q 一法豁 ( 2 - 1 9 ) 1 5 哈尔滨工程人学硕十学位论文 令 k = 去彬( h “ ( 2 - 2 。) 巧2 去彬( 。- r l ) ( q 一蝴 将式( 2 2 0 ) 代人，3 6 简( 2 1 9 ) 得 m = 一k 侥q k8 y 设负载转矩m 与转速破的函数关系为m = 瓦( 皑) ，令 以= 乱 则在工作点c 0 2 = c o = o ，万= a o 附近有负载扭矩增量为： 埘= ，百d a ( - 0 2 + 如锡 根据a m = 毗，由式( 2 - 21 ) 并i ( 2 2 2 ) n - - - j ：导： 一k 馐吐一kb y = d d k d c t 0 2 - + k m 吨 3 、流量平衡方程 ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) 堕盟型=,ccl#p128rl + 4 亟 (224)。1 2 8 r l = d t p 。 仁囊一舱 巧。卸，= ( 杨。+ 巧：) 卸脚+ 4 警 ( 2 - 2 5 ) 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 4 、液粘可控传递装置加速度传递函数 液粘可控传动装置的液压系统的核心是电液比例阀。按照产品汹1 说明， 输入电流和输出压力可以等效为一阶惯性环节，其传递函数为： 世f k i 缸t s 十、 ( 2 - 2 6 ) 式中电流输入增量； a p r 电液比例减压阀输出压力增量； k 比例系数； t - 一时间常数。 根据电液比例控制系统的动态平衡方程( 2 2 6 ) ，油膜动态方程( 2 1 7 ) ，负 载动态平衡方程( 2 2 3 ) 和流量动态平衡方程( 2 2 5 ) ，并经拉普拉斯变换得： 卸，：土 缸= m , s z j + ( k 掣：+ b 坐e ) s + 生( k t + 一k 4 ) ( 2 2 7 )一一， 戤： 垒 缸 。 j s 七k m + k ，l k d 、厶p - 0 k d t + k d 2 ) a p + a p 缸、 得出输出转速增量缎的控制方块图2 2 ： 图2 2 输出转速增量控制方块图 由于单位时间的速度增量哆即为加速度a ，由控制方块图2 2 可得输 出加速度a 的传递函数为： 1 7 哈尔滨工程人学硕十学位论文 g = 器= 万丽雀 弘2 8 ， a b 、) = k i k8 kd 、a p a o = k d j m p t 口。= 丁 k a m p ( k 。+ k 口) + k d j ( 等+ 吃) + 彳p 2 j + k a 觑， 口：= 丁( 等+ b c ) ( k 。+ k 。) + ( k ，+ 等) ( k 。+ k 口) + ( k 。+ k 洲；】+ 一刀刀 k d 脚，( k 。+ k 口) + ( k 以 2 + b c ) + 彳p 2 】+ k d 砌户 口3 = t k d ( k ，k ，1 4 ) ( k 。+ k 。) 一x ；x 芦1 + e ( k 刀 2 + b c ) ( k 。+ 足。) + ( 足，+ 生) ( k 。+ k 。) + ( k 。+ k 口) 彳p 2 n刀 口。= k d 【( 巧+ 等) ( k 。+ k 口) 一k ；k 声 甩 2 2 4 模型的验证 通过装置实际运行数据与理论计算的数据进行对比，对模型进行验证。 实际运行数据是在某工厂试运行过程中获得的，理论数据依据下面的理论计 算获得。 液粘可控传动装置静态时在不计摩擦片不计摩擦片所受摩擦力的情况 下，点相同，则 m ：型学( 名一r 1 4 ) ( 2 2 9 ) 根据负载特性有坂= 尸( 皑) ( 2 - - 3 0 ) 活塞行程五有 p 埘彳p kx o + x i ) - k ，p l + k 3 皖一i 踹= 。( 2 - - 3 1 ) 哈尔滨工程人学硕士学位论文