（机械工程专业论文）基于二次调节的减速器加载系统分析与鲁棒控制研究.pdf

摘要 随着国家。亿吨煤”基地的建设发展需要。矿井工作面对刮板输送机的整 机性能、可靠性的要求也越来越高，减速器作为刮板输送机的核心部件，在其中 起着至关重要的作用，为了提高刮板输送机的工作性能和可靠性，对新设计 制造的减速器，须利用专门的高动态性能固定试验台进行模拟加载试验，以 往所用的普通加载试验台难以胜任近年来我国开始利用二次调节技术研制 新型加载试验设备，在这种二次调节加载技术的理论与应用方面，取得了一 定成果和进展，但还存在许多需要进一步解决的问题，例如系统柔性、耦合 干扰、系统鲁棒性等问题。本文就是以减速器模拟加载系统为研究对象，针 对如上这些问题进行理论分析和研究 本文建立了含有柔性环节的减速器加载系统的多自由度传递函数方块图 模型，并利用传递函数方块图模型，对前置级捧量控制系统，驱动单元转速 控制系统、加载单元转矩控制系统进行了频域分析，并通过仿真分析研究了 柔性环节对加载系统特性的影响 为了改善系统的控制性能，提高系统的鲁棒性，本文对该加载系统的鲁棒 控制策略进行了仿真研究，采用动态鲁棒补偿控制方法，设计了动态鲁棒补 偿控制器，并通过仿真验证了该方法的有效性，得出了一些有参考价值的结论， 关键词二次调节；模拟加载；减速器；鲁棒控制；仿真 w i t ht h en a t i o n a ld e m a n df o rd e v e l o p i n ga n db u i l d i n g “10 0m i l l i o nt o n s o u t p u t ”c o a lm i n e s ，t h er e q u i r e m e n tf o rw h o l em a c h i n ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t yo f a r m o u r e df a c ec o n v e y o ri sh i g h e ra n dh i g h e r a st h ek e yc o m p o n e n to fa r m o u r e d f a c ec o n v e y o r , t h eg e a r b o xp l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l e i no r d e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fa r m o u r e df a c ec o n v e y o r , t h en e wd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e dg e a r b o x e ss h o u l db et e s t e dw i t ha n a l o g u el o a db ys p e c i a lh i g h d y n a m i cf i x e dt e s t i n gs t a t i o nw h i c hc a n n o tb ed o n eb yt h en o r m a lt e s t i n gs t a t i o n i nr e c e n ty e a r so u rc o u n t r ys t a r tu s i n gt h es e c o n da d j u s t m e n tt e c h n i c a lt od e v e l o p n e wt y p et e s t i n gs t a t i o n ，a n dh a sa c q u i r e ds o m ef r u i ta n dd e v e l o p m e n t ，h o w e v e r t h e r ea r es o m ep r o b l e m sn e e dt ob ef u r t h e rs o l v e d ，s u c ha sf l e x i b i l i t y , c o u p l i n g i n t e r f e r e ，s y s t e mp r o b l e m se t c t h i sa r t i c l ea n a l y z e sa n ds t u d i e sp r o b l e m so f g e a r b o xa n a l o g u el o a d i n gs y s t e m i nt h i sa r t i c l e ，m u l t i f r e e n e s st r a n s f e r r i n gf u n c t i o nf r a m em o d e lf o rl o a d i n g s y s t e mo fg e a r b o xw i t hf l e x i b l ee l e m e n ti ss e tu pa n du s i n gt h ef r a m em o d e l ，t h e d i s c h a r g ea m o u n tc o n t r o ls y s t e mo ff r o n t d i s p l a c e ds t a g e ，r o t a t es p e e dc o n t r o l s y s t e mf o rd r i v i n gu n i t ，r o t a t i n gt o r q u ec o n t r o ls y s t e mf o rl o a d i n gu n i th a v eb e e n a n a l y z e d ；t h r o u g hi m i t a t i o na n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c et ot h ef e a t u r eo fl o a d i n g s y s t e mb yf l e x i b l ee l e m e n ti sr e s e a r c h e d i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n de n h a n c et h er o b u s t p r o p e r t yo fs y s t e m ，i nt h i sa r t i c l e ，t h er o b u s tc o n t r o lt h e o r yo fl o a d i n gs y s t e mi s i m i t a t i o nr e s e a r c h e d ；w i t ht h ed y n a m i cr o b u s tc o n t r o lt h e o r y , t h ec o m p e n s a t i o n r o b u s tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ；t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di st e s t e da n ds o m e v a l u a b l ec o n c l u s i o ni sm a d e k e y w o r d s ：s e c o n d a r yr e g u l a t i o n ；s i m u l a t i o nl o a d i n g ；g e a r b o x ；r o b u s tc o n t r o l ； i m i t a t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i i绪论 1 1 课题来源及研究目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于西北奔牛集团公司技术改造项目。1 0 0 0 千瓦减速器加载试 验台的研究” 1 1 2 研究目的和意义 随着煤矿越来越多高效工作面的出现，相应的工作面输送能力就要加大， 要求装机功率也在不断的加大，对核心传动系统的工作特性和可靠性等的要 求也越来越高，尤其是在煤矿井下工作面工作条件下运行的大型重载减速器， 这方面的要求就更高。减速器作为核心部件对输送机整机寿命、可靠性的提 高起到了至关重要的作用，因此为了提高输送机的整机工作性能和可靠性， 应将重点放在减速器上。对于新设计制造的减速器，需要利用专门的高动态 性能稳定试验台对其进行模拟加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是 否满足要求由于矿用减速器传递功率高、工作参数变化范围大，工况复杂 多变，要对其进行接近实际条件下的全面试验，在普通试验台上是很难完成 的以往对较简单的单项试验如疲劳寿命试验等，可在传统的液压式加载试 验台n 】上进行，但其功率嘲消耗很大，效率很低对稍复杂一些的综合性能试 验，可在电封闭加载试验台上进行，但在相同加载功率下，所用电器设备庞 大复杂，另外虽然可实现功率回收，提高了效率，但由于其回收功率以电能 形式回馈给电网，因而在动载变化较大时，对电网的冲击较大，某些电器元 件被烧坏的情况时有发生 利用二次调节技术可模拟减速器运行的各种复杂工况和工作状态，对减 速器进行各种综合性性能试验，是一种理想的减速器模拟加载试验系统，同 传统的液压加载系统相比，可回收、储存、重新利用能量，系统效率高；多 个二次元件联合工作，且其驱动、加载功能可互换；数字控制灵活可靠，系 统动态性能好网。同电气加载系统相比，功率密度大、重量轻、安装空间和安 装功率较小；闭环控制动态响应快；回收能量不改变形式而直接回馈给加载 系统，对电网的冲击较小 近年来，我国在二次调节加载技术的理论与应用研究方面，取得了一些 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 成果和进展，但还存在许多有待进一步研究解决的问题 1 2 二次调节技术的研究发展与应用 1 2 1 国外二次调节技术研究发展概况 二次调节技术是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始发展起来的一种新型静 液传动技术，近年来越来越受到人们的重视，它在诸如大型加载试验台、车 辆传动、造船工业、钢铁工业等许多领域获得了广泛的应用，并表现出许多 独特的优点由于这项技术的成功利用，使得液压技术向前推进了一大步 二次调节技术起源于德国，从事这项技术的研究也主要限于德国。 1 9 7 7 年，h w n i k o l a u s 教授首先提出二次调节静液传动的概念1 9 8 0 年， w b a c k e 教授和h m u r r e n h o f f 先生开始利用单出杆变量油缸的二次元件进行 液压直接转速控制的二次调节系统的研究1 9 8 1 年，h w n i k o l a u s 教授采用 双出杆变量油缸的二次元件进行液压直接转速控制的二次调节系统的研究。 1 9 8 2 年开始研究液压先导控制二次调节系统，其中有机液位移反馈调速和机 液力反馈调速两种调速形式从1 9 8 3 年开始研究电液转速控制的二次调节系 统和电液转角控制的二次调节系统。1 9 8 7 年，f m e t z n e r 为提高系统的控制性 能，提出了数字模拟混合转角控制系统，将经过电液力反馈转速控制的二次 元件作为被控对象，用数字p i d 控制方法，实现位置( 转角) 、转速、转矩和功 率控制。1 9 9 3 年，w b a c k e 和c h k o e g l 又研究了转速和转矩控制的二次调节 闯题，其中包括对这种系统中两个参数的解耦问题的研究1 9 9 4 年，r k o d a k 先生研究了具有高动态特性的电液转矩控制二次调节系统，并在四轮驱动车 上进行了实物试验1 9 9 5 年，德国力士乐公司为德雷斯顿工业大学内燃机和 汽车研究所研制了大功率、用于旋转试件并接近于实际运行条件的二次调节 反馈控制试验台目前在德国，这项技术已进入实用阶段，在许多与液压相 关的领域获得了成功利用以力士乐公司为代表，在二次调节技术方面，具 有多项专利技术，用于二次调节的二次元件和控制器等也有多种系列产品网。 1 2 2 国内二次调节技术的研究发展概况 在国内，从事二次调节技术的研究起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才 开始这方面的研究1 9 8 9 年，哈尔滨工业大学的谢卓伟博士首先对二次调节 系统的原理及其机液，电液调速特性进行了理论分析，并于1 9 9 0 年在哈尔滨 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 工业大学机械工程系液压传动与气动实验室内的试验台上，用单片机组成闭 环控制系统进行试验研究，提出了用变结构p i d 控制算法来控制二次元件的 转速，并取得了一定的成果1 9 9 2 年，蒋晓夏博士对二次元件的模型进行了 一定的简化哪，同时研究了用微机控制的二次调节系统，并引入了仅需要输入 输出信号的二次调节全数字自适应控制系统浙江大学的金力民等根据二次 调节系统的数学模型，研究了低速滞环问题，并采用非线性补偿算法来克服 低速滞环阿中国农机研究所的闫雨良等也进行过二次元件调速特性的试验研 究，并且应用到遥控装载机行走液压传动系统中阿。同济大学范基等进行了二 次调节系统的节能液压实验系统研究川1 9 9 5 年哈尔滨工业大学姜继海等人 采用智能p i d 、神经网络和模糊控制等方法，分别对转速控制和转角控制的二 次调节进行了研究嘲。1 9 9 7 年，哈尔滨工业大学的田联房博士在国内首次将 二次调节系统用于扭矩伺服加载技术中，并建立了二次调节加载试验台同 时，还进行了转速控制和转矩控制以及它们之间解耦技术方面的研究，并将 模糊控制和神经网络控制引入二次调节系统中，形成了神经模糊p i d 控制方 案 国内贵阳航空液压件厂引进了德国力士乐公司的二次调节液压元件制造 技术北京理工大学液压实验室引进安装了德国力士乐公司生产的二次调节 扭矩加载实验台通过对引进的二次调节技术和设备的消化和吸收，取得了 一些阶段性成果。 2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所研制的。特种 车辆轮桥加载试验台”，应用德国r e x r o t h 的二次元件，采用计算机控制技术， 能够实现转速、转矩及恒功率控制，系统技术含量高，可满足车辆不同路况 的模拟加载要求，是国内首例应用二次调节技术的成型产品 1 2 3 二次调节技术的应用 a 回收位能在有位能变化的机械中，例如起重机械、搬运机械、卷扬机 械、矿井提升机械以及索道机械等，利用二次调节技术可以回收其位能。 b 回收惯性能对于往复运动机械，在频繁的启动、制动过程中会产生和 消耗许多惯性能，利用二次调节技术，不仅可以储存惯性能还可以在启动时 释放所储存的能量，以利于加速启动，提高工作效率市内公共汽车、印刷 辽宁工程技术大学硕士学位论文 机械、锻压机械、挖掘机、矿区的采矿车等都是很好的应用领域 c 试验设备二次调节系统除了具有可回收能量和重新利用的特点外，其 最突出的优点在于它同数字控制的完美结合，可灵活方便地实现各种控制， 使系统获得相当高的动态性能。因而可利用二次调节系统来模拟各种复杂的 旋转运动状态，这种系统特别适用于各种旋转试件的模拟加载、性能测试等 试验 i 3 减速器加载系统概述 减速器在运行过程中，随着温度、载荷、转速等因素的变化，输出轴扭 矩与转速也是变化的。因此，试验加载系统应具备扭矩、转速可变化的条件， 且其扭矩、转速的变化应是可单独调节的。根据加载功率流的循环情况，减速器试验 加载系统主要分为开放式和封闭式两大类。 1 3 1 开放式加载系统 开放式加载系统原理如图1 1 所示嗍驱动单元由电动机( 或内燃机、液 压马达等) 、调速器及附属装置组成，它负责向系统提供动力( 功率) ，驱动转 速的调节由电机调速来实现；试验单元主要由被测装置、减速器、转矩转速 测量装置以及其它一些测量装置组成； 载器、磁粉制动器等) 及附属装置组成， 粉制动器) 调定 负载模拟单元主要由测功机( 或液压加 加载转矩由测功机( 或液压加载器、磁 功率输k 叫驱动单元卜叫试验单元卜叫负载模拟单元卜+ 动率消耗 1 _ j 1 _ j 【一 图1 1 开放式加载系统原理示意图 开放式加载系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术含量 低，制造成本相对较低，但它的致命弱点是需要大功率动力，能量无法回收 利用，效率低，因此其试验成本相对于后面所述的封闭式加载系统来说较高 1 3 2 封闭式加载系统 封闭式加载系统又分为电力封闭式，机械封闭式和液压封闭式几种。 a 电力封闭式加载系统这种加载系统的原理如图1 - 2 所示b 1 驱动单 元由交流( 或直流) 电动机、调速器及附属装置组成，驱动转速的调节由电 机调速来实现；试验单元与开放式相同；负载模拟单元由交流( 或直流) 发 电机及附属装置组成，负载转矩由发电机形成。 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 负载发电机产生的电能通过电网加以回收并反馈给驱动电机，形成封闭 的功率流，从而降低试验能耗，系统效率高但由于功率回收技术是一项专 业性非常强的技术，整套装置的成本非常高，又由于回收过程的回收效率的 影响以及其驱动仍然需要较大的动力，所以很难达到比较理想的状况。另外， 在系统动载变化较大时，可能对电网造成较大的冲击。 图l - 2 电力封闭式加载系统原理示意图 b 机械封闭式加载系统这种加载系统的原理如图1 3 所示f l o l 。它将原 来单纯由电机提供功率( 转矩、转速) ，分解为由两套装置分别向系统提供转 矩和转速，由转速提供装置( 电动机) 向系统提供所需要的转速，同时由转矩施 加装置( 液压加载器) 向系统提供试验所需要的转矩。在这个过程中，转矩 被封闭在一个由两个变速传动装置、两个转矩转速测量装置、一个转矩施加 装置、被试件和陪试件所组成的封闭机械系统中，它不再对转速提供装置( 电 动机) 产生影响，电动机所提供的动力，仅仅是用来平衡系统运动过程中产生 的机械损耗，从而降低了电动机的功率消耗。这种加载系统的转速通过电机 调速进行调节，转矩通过调节液压加载器油源系统溢流阀的开启压力来设定， 不易实现自动控制因此，这种加载系统不适用于动态模拟加载试验。 变 变 速 速 传 传 动 动 装 ( 液压加载器) r _ 1 件r 一 装 置 置 图1 3 机械封闭式加载系统原理示意图 c 液压封闭式加载系统这种加载系统的原理如图1 - 4 所示【1 引3 1 。驱动 单元由油源、液压马达及相关液压元件组成，它负责向系统提供动力( 功率) ， 通过对液压马达流量和斜盘摆角的调节，来满足对不同驱动转速的要求；试 验单元与前述系统相同；负载模拟单元由液压泵及相关液压元件等组成，通 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 过控制液压泵的斜盘摆角，可模拟各种工况下的负载转矩负载模拟单元产 生的液压能通过液压网络加以回收，并直接反馈给驱动单元，形成封闭的功 率流，从而降低试验能耗，系统效率高系统加载过程中所形成的动载影响， 基本被限制在液压系统内部，对电网的冲击很小 如果将图1 - 4 中的液压马达和液压泵换成二次元件，就构成了二次调节加 载系统由于二次调节加载系统可充分利用计算机控制的优越性，使加载参 数( 转矩和转速) 的调节非常灵活方便，所以系统的静、动态性能好，可对 各种复杂工况进行模拟因此，将这种二次调节式加载系统用于减速器模拟 加载试验，是十分理想的 图l _ 4 液压封闭式加载系统原理示意图 1 4 二次调节加载系统原理与特点 1 4 1 原理 二次调节加载系统原理如图1 5 所示1 1 3 】可逆式泵，马达元件9 ( 或1 5 ) 与电液伺服阀8 ( 或1 7 ) 、变量液压缸7 ( 或1 6 ) 、位移传感器6 ( 或1 8 ) 等 组合在一起，统称为二次元件电动机l 、恒压变量泵2 、蓄能器3 、安全阀 4 及相应的管路等元件构成恒压网络，为整个加载系统提供稳定的恒压动力 源。元件9 和1 5 以压力耦联方式并联于恒压网络上，两元件机械端口之间通 过转速转矩传感器l o 、1 3 以及加载对象1 2 刚性地连接在一起元件9 为马 达工况，为加载系统提供所需的驱动转速，它同电液伺服阀8 、变量液压缸7 、 位移传感器6 、转速传感器i o 和控制器1 1 构成转速控制系统元件1 5 为泵 工况，实现对加载对象1 2 的加载，它同电液伺服阀1 7 、变量液压缸1 6 、位 移传感器1 8 、转矩传摩器1 3 和控制器1 4 构成转矩控制系统。 在该加载系统中，转速控制系统和转矩控制系统为典型的电液伺服系统， 二者相互独立，可分别进行调节，以满足加载系统对转速和转矩的不同要求 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 系统工作时，由控制器1 1 和1 4 分别向电液伺服阀8 和1 7 发出电信号，通过 阀控缸机构( 前置级捧量控制) 改变元件9 和1 5 的斜盘摆角，从而使其排量 发生变化，以适应外负载转速和转矩的变化另外，当系统进行工作时，元 卜电动机2 恒压变量泵3 蓄能器圣_ 唼全阔5 油箱6 ，1 8 位移传感器 7 ，1 6 变量液压缸8 ，1 7 。电液伺服阀9 ，1 5 可逆式泵马达元件l o 转速传黪器 1 1 ，1 4 _ 控制器1 2 加载对象1 3 转矩传感器 图1 - 5 二次调节加载系统原理 件9 ( 马达) 由恒压网络获取液压能，并将其转换成机械能来驱动加载对象 1 2 和元件1 5 ( 泵) ，实现加载，元件1 5 ( 泵) 将机械能转换成液压能后又直 接回馈给恒压网络，重新用来驱动元件9 ( 马达) ，在元件9 ( 马达) 和元件 1 5 ( 泵) 之间形成闭式循环这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿 系统的容积损失和机械损失，而驱动元件9 ( 马达) 所需的大部分能量都来自 元件1 5 ( 泵) 此外，在该加载系统中，没有节流元件，因而避免了节流损失 由此可见，该加载系统载工作中不仅减少系统发热，而且还可以达到节能目 的。 1 4 2 特点 同传统的加载系统相比，二次调节加载系统有如下一些特点： a 多个二次元件可联合工作于一个恒压网络上，每一= 次元件可单独进 行调节，且既能工作于泵工况，又能工作于马达工况，因此可方便地实现驱 动和加载功能的互换。 b 通过对二次元件斜盘摆角的自动调节，可灵活方便地实现转角、转速、 转矩和功率的计算机数字控制，系统静动态性能好。 c 可实现能量回收、储存和重新利用，系统效率高。 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 d 功率密度大、重量轻、安装空间和设置功率较小 1 5 电液伺服系统控制理论的发展 二次调节加载系统属于典型的电液伺服系统，下面就其常用的控制理论 作一简要叙述 1 5 1p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，是古典控制的代表。由于其算 法简单、使用方便可靠，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其使用于 可建立精确数学模型的确定性系统然而实际工业过程往往具有非线性、时 变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规p i d 控制器不能达到理想 的控制效果，而且在实际现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规 p i d 控制器参数往往整定不良、性能不佳，对运行工况的适应性很差 1 5 2 鲁棒控制 鲁棒控制是针对当系统数学模型存在不确定性因素( 包括外部干扰和未 建模动态) 时，所设计的控制器仍能使系统保持内稳定和理想的控制性能， 在一定程度上弥补了现代控制理论对数学模型依赖过高的缺陷2 0 世纪8 0 年 代初z a m e s 提出的以系统范数为性能指标的h o o 控制理论是目前解决鲁棒控 制问题比较成功且比较完善的理论体系，已成为近2 0 年来自动控制理论及工 程应用研究的热门课题之一 鲁棒控制将是现代控制理论中的一个最重要的发展方向和最活跃的前沿 课题，它的进一步发展和完善，将填补最优控制理论与实际控制系统设计之 间的鸿沟，为设计高质量控制系统提供了理论依据。 1 5 3 神经网络控锯 神经网络控制也是智能控制的重要分支，从6 0 年代起，w i d r o w 和h o f f 就开始研究神经网络在控制中的应用了，当前神经网络越来越多地应用于控 制领域的各个方面，从过程控制、机器人控制、生产制造、模式识别直到决 策支持都有许多应用神经元网络的例子，而且获得了相当好的效果神经网 络主要具有以下一些特点： a 具有自适应功能它主要是根据所提供的数据，通过学习和训练，找出 和输出之间的内在联系，从而求得问题的解答，而不是依靠对问题的先验知 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 识和规则，因而它具有很好的适应性 b 具有泛化功能它能够处理那些有噪声或不完全的数据，从而显示了很 好的容错能力对于许多实际问题来说，泛化能力是非常有用的，因为现实 世界所获得的数据常常受到噪声的污染或残缺不全。 在神经网络控制中，应用较多的网络是b p 网络，r b f 网络0 4 1 、c m a c 网 络0 5 , 1 叼等 1 6 论文主要研究内容 a 对基于二次调节的减速器加载系统进行深入的理论分析，建立带有柔 性环节的加载系统数学模型。 b 对加载系统进行频域特性分析，并同不带有柔性环节的加载系统频域 特性进行比较，找出柔性环节的影响所在。 c 加载系统动态性能影响因素分析通过仿真，分析系数参数( 如电液 伺服阀的固有频率、阻尼比、加载对象的等效转动惯量和等效阻尼系数等) 变化和耦合( 机械耦合和液压耦合) 干扰对系统动态性能的影响，并总结出 影响规律 d 重点研究解决适合于本加载系统的动态鲁棒补偿控制方法，并对其进 行仿真 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 2 减速器加载系统数学模型 2 1 引言 为了对减速器模拟加载系统进行各种特性分析，需建立较为精确的数学 模型数学模型包括有微分方程、状态方程及变量图、传递函数及方块图等 本章针对减速器模拟加载系统，建立主要用于频域分析的传递函数方块 图模型 2 2 减速器模拟加载试验台组成与原理 2 2 1 试验台各部分组成及其功用 减速器加载试验台，由恒压油源及管路系统、模拟加载系统、控制系统、 机械台架四部分组成恒压油源为整个模拟加载单元提供恒定压力，同各种 液压元件及管路一起构成恒压网络恒压油源主要由两台r e x r o t h 的 a 4 v s 0 1 8 0 d p 型轴向柱塞式恒压变量泵和一台双联叶片式定量泵组成，柱塞 泵为系统提供恒定的高压油源，叶片泵为二次元件及主泵提供背压，并通过 给系统补充冷油的方式来实现系统的冷却。当然，油源部分还包括高低压溢 流阀、卸荷阀、蓄能器、油液过滤器及风冷却器等模拟加载系统实现对试 验对象减速器的驱动和加载的模拟，它包括驱动单元、二次输出加载单元 驱动单元主要由两个r e x r o t h 公司的a 4 v s 0 2 5 0 型轴向柱塞元件串联而成的双 联二次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器组成，该单元用来模拟减速 器驱动二次输出加载单元主要由双联二次元件、两个弹性联轴器、转矩转 速传摩器输出变速器组成，该单元用来模拟减速器输出靖的负载控制系统 由p c 计算机、工业控制计算机、数据采集卡、数字显示仪和用来控制油源启 停及变速器档位切换的p l c 控制器等组成，该部分主要完成整个系统的连续 量和开关量的控制、数据采集、系统状态监铡、系统状态超限保护等。机械 支架和试验平台提供加载试验对象减速器、变速器、驱动及加载二次元件的 支撑和连接其中模拟加载系统为整个试验台的核心部分，也是本课题的研 究对象 2 2 2 模拟加载系统原理 减速器模拟加载系统的原理，如图2 1 所示，两套二次元件的液压端口共 同并联于恒压网络上，机械端口通过各转速转矩传感器、弹性联轴器、变速 豇宁工程技术大学硕士学位论文 1 l 器、加载对象减速器等连接在一起二次元件l 工作于马达工况，用来模拟 减速器驱动轴动力，它同转速传感器、控制器等构成驱动转速控制系统；二 次元件2 工作于泵工况，用来对减速器二次输出端进行加载，与转矩传感器、 控翻器构成二次输出加载转矩控制系统在转速控制系统，包含有内环和外 环两种控制回路，由对应于各二次元件的电液伺服阀、变量液压缸、位移传 感器l v d t 构成前置级捧量控制回路( 内环) ，再加上相应的二次元件、转速 感器或转矩传感器，就构成了转速控制回路或转矩控制回路( 外环) 1 - p c 机( 上位机)2 - 工控机( 下位机) 3 - 采集卡 4 - 弹性联轴嚣( 4 个) 5 - 转矩转速传感器( 2 个) 6 - 齿轮联轴器( 2 个) 图2 1 减速器加载试验台组成 当系统进行工作时，二次元件1 ( 马达) 由恒压网络获取液压能，并将其 转换成机械能来驱动加载对象减速器和二次元件2 ( 泵) ，实现模拟加载同 时，二次元件2 ( 泵) 将机械能转换成液压能后又直接回馈给恒压网络，重新 用来驱动二次元件l ( 马达) ，在= 次元件l ( 马达) 和二次元件2 ( 泵) 之间， 功率流形成闭式循环。这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿系统的 容积损失和机械损失，而驱动二次元件l ( 马达) 所需的大部分能量都来自二 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 次元件2 ( 泵) 因此，该加载系统实现了能量回收与利用，系统效率高。由 于两套二次调节系统同样设置有转速传感器和转矩传摩器，可以任意将其调 整为转速控制状态( 作为驱动单元) 和转矩控制状态( 作为加载单元) ，因此 可以按被试件的要求，设置其中一套二次调节系统作为驱动单元，另外1 套 作为加载单元，构成输出轴复合加载系统 2 3 模拟加载系统的方块图模型 2 3 1 二次元件前置级捧量控嗣的方块图模型 减速器模拟加载系统所用核心部件为r e x r o t h 公司的a 4 v s 0 2 5 0d s 型二 次元件，其实物及原理分别如图2 2a ) 、b ) 所示。它由可逆式轴向柱塞泵， 马达单元、电液伺服阀、变量油缸、安全保护阀、位移传感器( l v d t ) 、滤 油器以及防气蚀单向阀等组成。它具有快速的响应特性，能工作在四个象限， 既可用傲马达也可用做泵，具有很好的转速、转矩控制特性，没有节流损失， 功率损失小 a )b ) 1 轴向往塞单元2 变量液压缸3 电液伺服阔4 安全保护髑5 滤油嚣6 位移传蓐 嚣7 码盘8 - 防气蚀单向阀9 一二位三通电磁阀b 高压油口s - 低压油口 图2 2a 4 v s 0 2 5 0 d s 型二次元件实物及原理图 如前所述，二次元件用作马达时，其控制方式为转速控制；用作泵时， 其控制方式为转矩控制，但两种控制方式的前置级捧量控制( 内环) 是相同 的，都是由电液伺服阔、变量液压缸、位移传感器l v d t 构成的。由图2 2 b ) 可见，前置级捧量控制回路就是对称伺服阀控制对称液压缸回路，下面分别 列写出该回路各元件的数学模型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 电液伺服阀的传递函数通常用二阶振荡环节【1 嘬示，即 既2 器5 蠢 蝣o j w 如果系统的频宽较低时，伺服阀的传递函数可用一阶惯性环节表示，即 2 南o o t q o o o o o a o b i 9 0 b b o b g g b 9 0 0 0 0 0 0 0 q e ( 2 - 2 ) 当系统的频宽远小于伺服阀的固有频率时，伺服阀的传递函数可近似为 比例环节，即 既= 毛 式中级( d 第f 个二次元件电液伺服阀的输出流量( 皿v s ) ； ( d 一一第i d 二次元件电液伺服阀的输入电压( v ) ； 一一第f 个二次元件电液伺服阀的固有频率( r a d s ) ； 厶一一第f 个二次元件电液伺服阀的阻尼比( 无因次) ； 毛一一第i 个二次元件电液伺服阀的流量增益( ( m 3 i s ) i v ) ； 瓦一一第f 个二次元件电液伺服阀的时间常数( s ) ； f 一一二次元件序号，i = 1 ，2 ，分别对应于驱动、二次输出加载二次元件 变量液压缸的流量连续性方程为 如警+ q 巳+ 老譬( 2 4 ) 式中一一变量液压缸的流量( m 3 s ) ； 只一一变量液压缸活塞的位移( m ) ； 如一一变量液压缸的有效作用面积( m 。) ； g 一一变量液压缸的泄漏系数( ( m 3 s ) i p a ) ； 圪一一变量液压缸两腔的总容积( m 3 ) ； 尻一一液压油的体积弹性模量( n m 2 ) 变量液压缸的力平衡方程为 如气2 啊争+ 毛警+ 五只+ e ( 2 - 5 ) 式中现一一变量液压缸活塞与斜盘等的等效质量( k g ) 。 玩一一变量液压缸的阻尼系数( n ( m s ) ) ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 e 一一作用于变量液压缸活塞上的外负载力( n ) ： 五一一负载的弹簧刚度( n m ) ，没有弹性负载时，五= o 位移传感器视为比例环节。其传递函数为 g ( d = j | ：。”( 2 - 6 ) 对式( 2 - 4 ) 、式( 2 5 ) 进行拉氏变换得 1 7 磊( d 2 如踊+ c ，j 屹+ 右最匕( 2 - 7 ) ， 如屹= n s 2 + 见s y , + 墨】：+ e ( 2 - 8 ) 由式( 2 - 1 ) 、式( 2 - 6 ) 、式( 2 - 7 ) 和式( 2 - 8 ) ，可画出前置级排量控制即阀控缸 的传递函数方块图，如图2 3 所示。由图可见，输入的是电压量，输出的是液 压缸的位移，经过一套连杆机构，将液压缸的位移转换为轴向柱塞元件的斜 盘摆角，因此将摔量控制也称为摆角控制 图2 - 3 前置级捧量控制方块图 2 3 2 驱动单元转速控制的方块图模型 减速器模拟加载系统驱动单元的组成如图2 - 4a ) 所示，它包括双联驱动 二次元件、弹性联轴器，转速传感器、驱动变速器以及齿轮联轴器等下面 分别列出它们的有关方程。 二次元件捧量方程为 矿矿 k = _ 璺l 只= 二塑芝n ( 2 - 9 ) 并有如下关系式 y t = x t ，i 式中巧一一二次元件的捧量( m 3 r a d ) ； 巧。一一二次元件的最大捧量( m i r a d ) ： 一一二次元件变量斜盘的摆角( d e g ) ； ( 2 - i o ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 办。一一二次元件变量斜盘的最大摆角( d e g ) ； ： 次 输 出 b ) 图2 - 4 驱动单元组成与物理模型 弗一一二次元件变量液压缸活塞的位移( m ) ； 乃。一一二次元件变量液压缸活塞的最大位移( m ) ； 疋一一变量液压缸活塞位移对斜盘摆角的变换系数( d e g m ) 。 脚标f 是二次元件的序号，此处指的是驱动单元二次元件，故应取i = 1 。 双联驱动二次元件墨的力矩平衡方程为 虮2 2 a p , k 2 擎+ 墨警+ 即( 2 - 1 1 )玎一田 式中 m ，一一二次元件的理论输出转矩( n m ) ； m 一一二次元件的实际输出转矩( n m ) ； 正一一二次元件转动件和弹性联轴器z l ，输入轴的等效转动惯量 ( k g m 。) ； 焉一一二次元件的等效阻尼系数( n m l ( r a d s ) ) ； 仍一一二次元件的转角( r a d ) ； 纰一一二次元件的进出油口压差( n m 2 ) ； k 一一二次元件的捧量( m 3 r a d ) 里主三墨茎垄盔竺堡圭兰垒i 哒 ! ! 弹性联轴器z l ，的力矩平衡方程为 m 。毛“娩一办1 ) ( 2 1 2 ) 式中 l 一弹性联轴器上l 。的扭转刚度系数( n m r a d ) ； 一一弹性联轴器厶l 的输出轴转角( r a d ) 。 转速传感器z l 的力矩平衡方程为 m ；厶兰4 - 二( 2 - i a ) 式中 鸩。一转速传感器z l 的输出轴转矩( n m ) ； 厶一一弹性联轴器厶。输出轴、转速传感器和弹性联轴器厶：输入轴的 转动惯量之和( k g m 2 ) 转速传感器视为比例环节，其传递函数为 g = j 南，( 2 x 4 ) 式中 一一转速传感器z i 的变换系数v ( r a d s ) 。 弹性联轴器三1 2 的力矩平衡方程为 舶2 射j ，= 毛1 2 瓴l 一仍i ) ( 2 1 5 ) 式中 地。一一驱动变速器岛的输入轴转矩( n m ) ； 瓦n 一一弹性联轴器厶2 的扭转刚度系数( n m r a d ) ； 一一驱动变速器丑的输入轴转角( r a d ) 驱动变速器墨及齿轮联轴器g 的力矩平衡方程为 也t 2 厶争+ 如争+ 丢鸠。2 - 1 6 ) 1 2 毛1 i ( 2 - 1 7 ) 式中 l 一一减速器输入轴转矩( n m ) ； 1 一一减速器输入轴转角( t a d ) ： 一一驱动变速器马的总传动比( 无因次) ； 厶一一弹性联轴器厶：输出轴、驱动变速器骂，齿轮联轴器q ( 包括减速 器输入加载轴) 的等效转动惯量( 向驱动变速器最输入轴等 效) ( k g m 2 ) ： 风。一一变速器丑及齿轮联轴器c i 的等效阻尼系数( n m ( r a d l s ) ) 。 堑室三墨垫查盔兰堡主丝望壅 ! ! 对式( 2 9 ) 式( 2 - 1 8 ) 和式( 2 1 5 ) 式( 2 1 7 ) 进行拉氏变换得 矿 巧= 二氅力c 2 1 8 ) ，f m = 疋乃c 1 9 ) 2 只v i = j i s 2 朔4 - r i s 仍+ m ( 2 - 2 0 ) m = 瓦。锄一) = ，s 2 仡i + m z i “ ( 2 - 2 1 ) m z l = 砌= 邑l ( 口k 一_ ) ( 2 - 2 3 ) 蚝i = j b l s 2 + 如s + j l ( 2 - 2 4 ) 埘 9 h = t ” 由式( 2 - 1 4 ) 、式( 2 - 1 8 ) 一式( 2 - 2 5 ) 以及前置级捧量控制方块图，可以画 出驱动单元转速控制系统的传递函数方块图，如图2 - 5 所示图中的阀控缸 为前置级捧量控制内环，k u l 和k l ，。表示两个柔性环节弹性联轴器的影响。 图2 5 驱动单元转速控制系统方块图 减速器的力矩平衡方程为 蛳= 争+ 毛誓+ ( 2 - 2 6 ) 对上式进行拉氏变换得 m q i = j c s 2 9 扣+ 毛j 9 扣+ 坂2 ( 2 - 2 7 ) 式中一一减速器速比( 无因次) ； 2 3 3 加载单元转矩控制的方块图模型 减速器加载单元包括二次输出加载单元， 次元件进行加载，下面建立数学模型。 二次输出加载单元转矩控铜的方块图模型 加载单元由双联加载二次元件、弹性联轴器、 二次输出加载单元采用双联二 如图2 - 6a ) 所示，二次输出 转矩传感器、二次输出变速器 辽宁工程技术大学硕士学位论文 及齿轮联轴器等组成，其物理模型如图2 - 6b ) 所示 功 塞 输 入 b ) 图2 - 6 二次输出加载单元组成与物理模型 二次输出加载单元由双联加载二次元件、弹性联轴器、转矩传感器、二 次输出变速器及齿轮联轴器等组成 二次输出变速器岛和齿轮联轴器c 2 的力矩平衡方程为 鸭：吡争+ 等 ( 2 - 2 8 ) 2 = 2 ( 2 - 2 9 ) b 2 式中 坂2 一一减速器二次输出轴转矩( n m ) ； 地：一一二次输出变速器垦的输出轴( 弹性联轴器厶。输入轴) 转矩 ( n m ) ； 一一二次输出变速器呸的总传动比( 无因次) ； 厶一一齿轮联轴器( k g r a 2 ) ； 2 一一减速器二次输出轴转角( r a d ) ； 墨：一一齿轮联轴器c 2 、二次输出变速器岛和弹性联轴器k 的等效阻 尼系数( n m ( r a d s ) ) ； 2 一一二次输h q 变速器岛的输出轴( 弹性联轴器上2 。的输入轴) 转角 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 ( r a d ) 弹性联轴器l 的力矩平衡方程为 肘j 2 。埘二2 ；墨2 l 瓴2 9 1 2 ) ”( 2 - 3 0 ) 式中鼠2 i 一一弹性联轴器岛l 的扭转刚度系数( n m r a d ) ； 仡2 一一弹性联轴器厶。的输出轴转角( r a d ) ； j k f ：一一转矩传摩器z 2 的输入轴转矩( n m ) 转矩传感器z ，的力矩平衡方程为 = 以z 争+ 鸩1 ) 式中 肘：一一转矩传感器z 2 的输出轴转矩，也是双联二次元件岛的实际输入 转矩( n m ) ； 厶一一转矩传感器z 2 的转动惯量( k g m 2 ) 弹性联轴器k 的力矩平衡方程为 m 2 = k l 笠( 9 嘧2 一仍) ( 2 - 3 2 ) 式中 仍一一双联二次元件是的输入轴转角( r a d ) 。 二次输出单元二次元件是的力矩平衡方程为 鸩= 2 蝇巧+ 以争+ 恐誓( 2 - 3 3 ) 式中 必一一二次元件岛的进出油口压差( n m 2 ) ； k 一