（机械工程专业论文）dp803型三缸单作用液压隔膜泵动力端控制系统研究.pdf

t t l 一 卜 l r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m a c h i n ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r s e n i o re n g i n e e rz h a n gh o n g s h e n g a p r i l ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名：张应争1日期：纱年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：张幺辱、l 导师签名锄杉 日 日 7 月月 彳 年年丫 0 浼 期期 日日 丁程硕士学位论文 曩曼曼寰曼寰曼鼍曼皇曼皇曼蔓曼曼皇曼舅舅曼曼曼曼曼i i l l l ：i 鼍曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼鼍量暑曼曼皇 目录 l i j录i 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 隔膜泵的发展概况1 1 1 1 隔膜泵的起源l 1 1 2 隔膜泵的发展与现状1 1 2 国内外相关研究现状综述2 1 2 1 国外隔膜泵的研究现状2 1 2 2 国内隔膜泵研究现状2 1 3 液压驱动隔膜泵相关技术的研究现状3 1 3 1 现代液压伺服元件的发展概况：3 1 3 2 电液控制系统的应用状况4 1 3 3 近代控制策略在电液控制系统中的应用状况5 1 4 本研究课题概况6 1 4 1 本论文的选题意义6 1 4 2 本课题研究的主要内容及创新点7 1 5 本章小结8 第二章d p 8 0 3 型液压隔膜泵动力端液压系统设计9 2 1 液压驱动隔膜泵的组成9 2 2 电液比例方向速度控制回路概述1 0 2 2 1 电液比例容积调速液压系统1 1 2 2 2 电液比例节流调速液压系统1 2 2 2 3 电液比例容积节流调速液压系统1 3 2 3 隔膜泵动力端负载传感液压系统的建立1 6 2 4 本章小结1 9 第三章隔膜泵动力端主要元件的选择与计算2 0 3 1d p 8 0 3 型液压隔膜泵主要参数及性能指标2 0 3 2 液压动力端的运动规律研究2 0 3 3 组合液压缸的设计计算2 2 3 3 1 组合液压缸行程的确定2 2 d p 8 0 3 型三缸单作用液压隔膜泵动力端控制系统研究 3 3 2 组合液压缸内径的计算2 3 3 4 动力端液压缸的设计计算2 3 3 4 1 动力端液压缸工作压力的初步选择2 3 3 4 2 动力端液压缸内径的计算j 2 4 3 4 3 动力端液压缸活塞杆直径的计算2 4 3 5 液压系统的设计计算2 5 3 5 1 液压泵的选择2 5 3 5 2 计算液压泵电机功率2 7 3 5 3 电液比例换向阀的选择2 8 3 5 5 检测元件及其所采用的传动机构的确定3 l 3 6 本章小结3 2 第四章液压隔膜泵动力端控制系统的硬件和软件实现3 3 4 1 隔膜泵理想运动速度曲线的数学模型3 3 4 2 隔膜泵理想运行速度曲线的软件实现3 5 4 2 1 理想运行曲线的程序设计一3 5 4 3 隔膜泵动力端速度控制系统的硬件设计3 6 4 3 1 动力端液压缸控制系统的分析3 6 4 3 2 动力端控制系统的硬件设计3 6 4 3 3 动力端控制系统的软件设计3 9 4 4 本章小结4 0 第五章隔膜泵动力端液压系统的数学建模分析：4 l 5 1 阀控缸环节传递函数的建立4 1 5 1 1 面积梯度- 4 1 5 1 2 电液比例换向阀的负载流量方程4 2 5 1 3 建立非对称动力机构的数学模型4 5 5 1 3 非对称动力机构传递函数固有频率和阻尼比参数的计算4 7 5 1 。5 阀控缸的线性数学模型分析4 8 5 2 速度闭环控制系统离散数学模型的建立4 9 5 2 1 速度传感器环节传递函数的建立5 0 5 2 2 速度闭环控制系统离散数学模型的建立5 0 5 3 变量泵泵压闭环控制系统离散数学模型的建立5 l 5 3 1 斜盘位置控制环节5 2 5 3 2 压力反馈环节5 3 5 3 3 泵流量闭环控制系统离散数学模型5 4 5 4 本章小结5 4 i i j 下程硕十学位论文 第六章隔膜泵动力端液压系统仿真分析5 5 6 1 动力端液压缸速度闭环控制系统的响应分析5 5 6 1 1 液压缸速度控制系统的频率响应分析5 5 6 1 2 液压缸速度控制策略研究一5 6 6 2 变量泵泵压闭环控制系统的响应分析6 2 6 3 本章小结6 6 结论与展望6 7 参考文献6 8 致 射7 l 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录7 2 i i i 工程硕十学位论文 摘要 从上世纪7 0 年代以来，随着料浆输送设备的迅速发展，隔膜泵在矿山、电站、 冶金、石油及化工等各个行业得到了越来越普遍的应用。但目前传统隔膜泵的驱 动形式大多为传统的机械式曲柄滑块机构，使得泵的流量脉动、震动和噪声较大， 体积大以及制造成本高。因此，一种性价比高的新型动力端来代替传统的机械式 动力端已成为未来隔膜泵发展的趋势。 本课题在研究当前传统隔膜泵的基础上，针对d p 8 0 - 3 型隔膜泵动力端开展分 析和设计，探讨解决传统隔膜泵存在的问题，设计了一种新型的三缸单作用液压 动力端，可为液压隔膜泵的研究提供理论参考。 本课题在分析当前常用的液压缸速度控制回路的基础上，设计了负载传感液 压动力端，主要由三个单杆液压缸和一个主变量泵组成。具有节流损失小，结构 简单，一次性制造成本低，安装维修方便，占地面积小，市场竞争力强等特点。 同时，还选择了所需液压元件的规格和尺寸，建立了电液比例方向阀控液压缸和 电液伺服换向阀控变量泵的线性数学模型，并在课题最后对系统液压缸的速度控 制和变量泵的泵压控制的控制策略进行了理论研究和m a t l a b s i m u l i n k 仿真， 仿真结果和预期的结果有较好的一致性。本课题还深入研究了隔膜泵工作过程中 液压缸的运行速度曲线，研究表明三个液压缸只有保持1 2 0 度的相位角并按规定 的速度曲线工作才能有效减轻隔膜泵的流量脉动、震动和噪声。同时，对液压隔 膜泵动力端控制系统的硬件和软件实现进行了研究，选择了在控制过程中所需的 p l c 和相应的硬件模块，并对液压缸运行速度曲线在p l c 控制器内的存储方式进 行了一定的探讨。最终确定速度曲线按定时2 0 m s 变地址存储的原则，存储到p l c 的用户存储器中。液压缸运行速度、位置的测量采用旋转增量式光电编码器，具 有精度高、分辨力高、可靠性好、不需要a d 转换等特点，并可实现单个传感器 测量多种变量的功能。 关键词：d p 8 0 - 3 型三缸单作用隔膜泵；电液比例方向阀；液压缸；变量泵；p l c j j t h et r a d i t i o n a ld i a p h r a g mp u m pd r i v e nb yac o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a l c r a n ks l i d e r m e c h a n i s m w h i c hm a k e st h ep u m pf l o wp u l s a t i o n ，v i b r a t i o na n dn o i s eg r e a t e r , l a r g e v o l u m ea n dh i g hm a n u f a c t u r i n gc o s t s t h e r e f o r e ，ac o s t 。e f f e c t i v e n e wp o w e rp o r t i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp o w e rp o r th a sb e c o m et h et r e n do fd i a p h r a g m p u m pi nt h ef u t u r e t h es t u d vo ft h i ss u b j e c tw a sb a s e do nt h e c u r r e n tc o n v e n t i o n a ld i a p h r a g m p u m p st 0c a r r yo u ta n a l y s i sa n dd e s i g n f r o mt h ep o w e rp o r to fd p s 0 - 3t y p e d i a p h r a g i n ，f i n da n ds o l v e t h ep r o b l e m so nt h et r a d i t i o n a ld i a p h r a g mp u m p d e s i g n e d d i a p h r a g mp u m pp o w e r e n dh y d r a u l i cs y s t e m ，i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o r t h es t u d yo fh y d r a u l i cd i a p h r a g mp u m p s t h es u b je c td e s i g nal o a ds e n s i n gh y d r a u l i cp o w e r e n db ya n a l y z i n gt h ec u r r e n t c o m m o n l yu s e dc y l i n d e rs p e e d c o n t r o ll o o p ，m a i n l yc o n s i s t so ft h r e es i n g l e 。r o d h v d r a u l i cc y l i n d e r sa n dam a i nv a r i a b l ep u m p t h e r ea r em a n ya d v a n t a n g e s ，s u c h a s i c i w e rt h r o t t l el o s s ，t h es t r u c t u r em o r es i m p l e ，t h eo n e - t i m em a n u f a c t u r i n gc o s tl o w , e a s vt oi n s t a l la n dm a i n t e n ，s m a l l e rf o o t p r i n t ，c o m p e t i t i v em a r k e ta n ds o o n a tt h e s 锄et i m e w es e l e c tt h er e q u i r e ds p e c i f i c a t i o n s a n dd i m e n s i o n so fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s ，e s t a b l i s h e d al i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a l v a l v ec o n t r o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e ra n de l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o v a l v ec o n t r o lv a r i a b l e p u m p 。i nt h el a s t ，w ec o m p l e t e t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nt ot h es p e e dc o n t r o lo fh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h ev a r i a b l ep u m pp r e s s u r e c o n t r o lp u m po fs y s t e m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e c t e d t h i ss u b j e c ti sa l s od e p t hs t u d yt h es p e e d c u r v eo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ri n d i a p h f a g mp u m pw o r k i n gp r o c e s s s t u d i e s h a v es h o w nt h a tt h et h r e e h y d r a u l i c c v l i n d e r so n l yb ym a i n t a i n i n g12 0d e g p h a s ea n g l ea n da c c o r d a n c e w i t ht h ep r o v i s i o n s o ft h ev e l o c i t yc u r v ew o r k i n g ，t h ed i a p h r a g mp u m p sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ef l o w p u l s a t i o n ，v i b r a t i o na n dn o i s e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eh y d r a u l i cd i a p h r a g m p u m pp o w e re n dc o n t r o ls y s t e ma l s ob es t u d i e di nt h es u b j e c t ，s e l e c t e dt h er e q u i r e d p l c 柚dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r em o d u l e si nt h ec o n t r o lp r o c e s sa n ds t u d yt h e w a yo fs p e e dc u r v eo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e rs t o r e di nt h ep l c c o n t r o l l e r ，u l t i m a t e l y i l 工程硕士学位论文 d e t e r m i n et h ep r i n c i p l et h a ts p e e dc u r v eb es t o r e da tt i m e2 0 m sv a r i a b l ea d d r e s si nt h e p l cb s e r m e m o r y h y d r a u l i cc y l i n d e rw o r k i n gs p e e d ，p o s i t i o na n da n g u l a r d i s p l a c e m e n tm e a s u r e db yi n c r e m e n t a lr o t a r ye n c o d e r w i t hh i g ha c c u r a c y , h i g h r e s o l u t i o n ，r e l i a b i l i t ya n dd on o tn e e da dc o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e r e a l i z a t i o no fas e n s o rt om e a s u r eav a r i e t yo fv a r i a b l e s k e y w o r d s ：d p 80 3 d i a p h r a g mp u m p ；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 a ld i r e c t i o n a l v a l v e ；h y d r a u l i cc y l i n d e r ；v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ；p l c i i i 工程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 隔膜泵的发展概况 1 1 1 隔膜泵的起源 隔膜泵是国外上世纪六七十年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型的机电一 体化产品，可以高效安全而且不污染环境地输送高温、高腐蚀、固液两相介质， 被广泛用于冶金、石油化工、矿山、煤炭、电力、陶瓷等多种行业，是目前世界 上较为先进的一种料浆输送设备，同时也是国内外泵行业中技术难度最大，产品 附加值最高的泵类产品之一【l 4 j 。 隔膜泵的工作原理及基本结构早在1 9 5 8 年就由法国学者b a l l u 提出，并申请 了专利。b a l l u 提出的隔膜泵综合了活塞泵输出压力高、坚固耐用和隔膜室结构简 单、耐腐蚀等优点，又克服了活塞泵密封件易磨损和隔膜室本身无动力源的不足， 很快被人们接受，并在欧洲工业发达国家进行工业化研制【5 】。隔膜泵由于采用橡 胶隔膜将输送介质与驱动介质( 油类) 隔开，通过活塞( 柱塞) 的往复运动，推动油 介质使橡胶隔膜凹凸变形，完成料浆的吸入和排出。这不仅使输送介质无外泄， 而且使输送的颗粒性介质与泵运动部件( 活塞等) 不接触，免除了固体颗粒对泵造 成的严重磨损。因而它在提高泵的环保节能指标的同时，也延长了泵的寿命，使 泵的性能稳定性及可靠性都得到很大提高。 1 1 2 隔膜泵的发展与现状 二十世纪七十年代末，荷兰h u s t h u s t 公司创立了一套先进完善的检测控 制技术，使隔膜泵的设计理论、控制方法产生了突破性的进展，基本解决了其核 心技术问题，使隔膜泵的连续运转率达到8 5 9 5 ，运行成本仅为同类泵的1 6 ， 从而使得隔膜泵在工业领域得到广泛应用。 目前，多数公司的产品动力端结构大多是曲柄连杆机构：动力端一曲轴连杆 一活塞一隔膜。这种曲柄连杆机构的隔膜泵体积庞大，安装位置要求严格，且由 曲柄连杆机构转变来的往复直线运动是一种近似正弦曲线的运动，导致料浆吸入 和排出流量也是一种近似正弦曲线，使得泵流量的脉动性很大。虽然在设计中采 用了多缸叠加等办法，但依然无法从根本上解决问题哺1 。这些问题的根本则是由 于动力端的曲柄连杆机构本身固有的缺陷所致订1 ，因此一种新型的、性能优良的 动力端的研究势在必行。 上世纪7 0 年代初，荷兰、西德、美国先后研制成功了隔膜泵，因具有使用寿 命长、油耗低、产能大、效率高等优点，得到广泛应用哺1 。国外隔膜泵的制造商 中h o l t h u i s 公司在全世界的市场占有率最高，w i t h e r 公司、w i l s o n s n y d e r 公司近年的市场份额聚减，产品竞争力削弱，e m m e r i c h 公司的产品集中在氧 化铝市场，f e l u m a 公司的产品处于市场推广阶段。h o l t h u i s 公司近年相继推 出大流量、高压力的泵，在计算机控制、易损件寿命、动力端结构、安全可靠操 作方面有较大的提高，w i t h e r 公司、w i l s o ns n y d e r 、e m m e r i c h 公司近 年未见有新产品的推出。f e l u m a 公司推出的隔膜泵在结构及原理上有较大的突 破，目前缺少更多的工业实践，以完善和提高其工作性能，从而进一步占领市场。 美国w a r r e n r u p p 气动隔膜泵是世界上首家获得i s 0 9 0 0 0 质量证书的专业 隔膜泵制造厂。在气动式双隔膜的世界市场上居于领先地位。s a n d p i p e r 泵广泛 应用于石油化工、水处理、食品工业、机械制造、造船、制药、油漆等领域，其 特性为完全自吸式、无密封、干转可变流量及扬程、可选择出口、无马达且防爆、 可处理磨损性物体及高粘度物质。 美国w i l d e n 泵业公司开发了世界上第一台气动隔膜泵w l l d e n 气动隔膜泵 己成为隔膜泵行业中的标准，占全球市场份额的5 5 。 g e h o 公司生产的隔膜泵代表了国际先进水平，该公司生产的隔膜泵的控制 最初多采用普通的继电器式逻辑控制，对泵运行中的位置、控点、时间变化等控 制一直不够准确。 随着p l c 技术的迅速发展，部分国家已经对隔膜泵实施p l c 控制。 1 2 2 国内隔膜泵研究现状 上世纪九十年代初，中国铝业山西分公司8 0 万吨氧化铝项目，引进了5 台荷 兰h o l t h u s 公司的往复式隔膜泵。它由3 台单缸单作用隔膜泵头组成，共用1 台 驱动装置，由曲轴连杆机构带动活塞在缸内的往复运动形成隔膜的凹凸运动完成 料浆的输送功能旧1 。 1 9 9 4 年兰州石油化工机器厂、甘肃工业大学在长城铝业公司寻求隔膜泵的情 况下，联合研制g m b 2 0 0 - 2 5 型隔膜泵，该项成果获得1 9 9 8 年度国家科技进步三 等奖。 1 9 9 4 年研制的第一台国产隔膜泵应用于山东铝厂、长城铝业公司、上海焦化 厂、鞍山钢铁公司、武钢矿业公司、山东鲁南化肥厂等企业。 1 9 9 6 年兰州石油化工机器厂、甘肃工业大学和山西铝厂合作，将氧化铝二分 厂窑喂料油隔离泵液力端改造为g m b l 0 0 3 型隔膜泵，投入使用至今，取得良好的 经济效益。 工程硕士学位论文 2 0 0 0 年由我国国家经贸委和教育部支持甘肃工业大学及北京龙基九天有限 责任公司进行隔膜泵系列开发，完成了图纸、控制等方面的工作，为我国隔膜泵 的开发和生产奠定了基础。 2 0 0 3 年4 月，6 台s g m b l 6 0 7 型隔膜泵一次性在鞍钢集团鞍山矿业公司东鞍 山烧结厂投入试生产，该泵本身具有高效、节能、工作可靠、噪音低的特点，机 械性能优越，运行稳定。并杜绝了生产废水的外排，回收了尾矿库的溢流水，节 约了大量的水资源，其经济和社会效益非常显著。 2 0 0 5 年3 月中国铝业股份有限公司广西分公司氧化铝厂，对隔膜泵的隔膜进 行研发，并应用于实践，保证了该公司生产的稳定高效运行。 2 0 0 7 年1 1 月1 日，中国有色集团沈阳冶金机械有限公司( 以下简称中色沈 机公司) 的“大型煤化工水煤浆高、低压隔膜泵 在南京通过了技术鉴定。 中色沈机公司利用自主创新的核心技术开发的隔膜泵系列产品，在冶金、矿 山、有色、化工、建材、煤炭、电力及环保等领域有广泛的市场，需求量可达6 0 7 0 亿人民币，国际市场的需求量也非常巨大。至今中色沈机已生产2 0 0 余台套，完 成7 5 9 亿产值。2 0 0 6 年隔膜泵订货产值2 7 亿元人民币、2 0 0 7 年1 - 1 0 月隔膜泵 订货产值3 5 亿人民币，经济和社会效益显著。 目前，沈阳大学正在进行液动柱塞隔膜泵的研究与开发，相关型号的泵也正 处于研制之中。 沈阳工业高等专科学校浆体输送研究所研制的y m b 型液压隔膜泵与现有的浆 体输送设备相比，具有以下特点n 们：( 1 ) 特别适用于高扬程、小流量的浆体输送 系统；( 2 ) 自动化程度较高，检测准确其使用寿命较活塞泵、柱塞泵长，隔离效果 好；( 3 ) 不耗油与水，节电，节省人力，不污染环镜；( 4 ) 整机结构紧密，部件配 置合理。安装、运输十分方便。但该型泵的换向系统采用的是传统的电磁换向阀 控制，换向冲击大。 就目前液压动力端的技术水平而言，单台泵的压力可达7 0m p a ，流量可达3 0 0 m 3 h ，效率可达8 5 。它能否开发成功主要取决于两个关键问题的解决：一是 如何在保证流量、压力要求的前提下，提高隔膜的使用寿命；二是如何避免混浆 现象发生】。 1 3 液压驱动隔膜泵相关技术的研究现状 1 3 1 现代液压伺服元件的发展概况【l 2 】 早在第一次世界大战前，液压伺服控制作为操舵装置已经开始用于海军舰 艇中。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液伺服控制系统，其滑阀由伺服电机拖 动；但由于伺服电动机惯量很大，限制了系统的动态特性。 2 0 世纪5 0 年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达。2 0 世纪5 0 年代后期出 现的以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最 快、控制精度最高的伺服系统。 2 0 世纪6 0 年代末以来，出现了廉价、可靠、控制精度和响应特性均能满足 工业控制系统实际需要的工业伺服技术和电液比例技术。1 9 6 7 年瑞士布林格尔 公司生产了首个比例阀( k l 比例复合阀) ，2 0 世纪7 0 年代初日本油研公司申请 了压力和流量比例阀两项专利。但这一时期的比例阀，仅仅是将比例型的电气 。o 。o 。o 。o o o o o o o 。o o o o _ _ _ d p 8 0 3 型二缸单作用液压隔膜泵动力端控制系统研究 量量曼曼量置舅曼曼曼量曼曼量曼曼量量皇量鼍曼曼置量曼曼曼曼曼量皇曼曼曼量曼量舅曼皇曼量曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼 一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以替代开关电磁铁或调节手 柄。1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电 磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例元件的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳 态滞环亦减少到3 左右；其应用领域日益扩大，不仅用于开环控制，也被用于 闭环控制。2 0 世纪8 0 年代，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流 量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳 定性都有了进一步的提高。 除模拟式电液比例元件外，随着现代微电子技术和计算机技术的发展，早在 2 0 世纪六十年代人们就开始注意电液数字控制元件( 也称数字式或脉冲式比例元 件) 的开发。2 0 世纪7 0 年代后期国外开始研制的电液数字阀，美国、加拿大、 德国、英国和日本等国相继进行了开发研究，以日本较为领先。2 0 世纪8 0 年代 初日本推出系列产品，随即在机床、成型机械、车辆与工程机械、冶金机械等工 业控制中获得广泛应用，现在已开发出规格齐全、性能稳定的增量式数字压力阀、 流量阀和方向流量阀等产品。但快速式开关数字阀仍处于研究阶段，尚未见有商 业化系列产品。 1 3 2 电液控制系统的应用状况 目前，随着现代电子技术和计算机技术与液压控制技术的紧密结合构成了 电液控制系统，并在航空航天，军事及民用工业( 机械制造、能源及冶金工业、 建筑与工程机械、轻纺化工机械、交通及河海工程等) 及公共设施等领域得到 了广泛的应用。 文献 1 3 介绍了一种电液伺服式水槽不规则波造波机，该水槽不规则波造 波机采用了液压驱动、伺服控制和平推式推波板形式，不规则信号产生、波谱 和波列控制及数据处理均由微型计算机完成。文献 1 4 设计了一种舰船模拟平 台电液比例闭环控制系统。该平台为三个自由度的框架式结构，由底座、密封 舱( 上平台) 、液压缸组及两个特殊的支架组成。密封舱由两个特殊的支架及 三个电液比例控制的液压缸支撑。液压缸下端耳环与底座铰链连接，上端活塞 杆耳环与平台采用万向节连接。上平台受到特殊支架的限制，可以在上下、俯 仰及横摇三个自由度任意运动，或它们之间的组合运动。在输入信号的作用下 平台上升时按正弦波曲线运动，下降时以重力加速度或接近重力加速度的加速 度向下运动。文献 15 介绍了一种双缸直顶式液压电梯的两种电液比例系统， 是一种集机、电、液于一体，由多个相对独立又相互协调配合的子系统构成。 与电动牵引电梯相比，液压电梯具有不需要在顶部安装机房，结构紧凑、承载 能力大、无级调速、运行平稳、成本低等优点。在液压电梯速度控制系统中， 对其运行性能( 包括轿厢启动、加减速运行平稳性、平层准确性以及运行快速 工程硕士学位论文 性等方面) 都有较高的要求，并对液压电梯的速度、加速度以及加速度的最大 值都有严格的限制。 1 3 3 近代控制策略在电液控制系统中的应用状况 1 、自适应控制( a c ) 在设计控制系统时，不完全知道系统的参数或结构，要求一边估计未知参 数，一边修正控制作用，这就是自适应控制问题。 文献 1 6 针对机器人电液伺服系统参数变化的特点( 主要是负载惯量j 随姿 态变化) ，提出了电液位置伺服控制系统的自适应控制律。文献 1 7 3 对模型跟 随自适应控制( a m f c ) 进行了深入研究，分别基于直接状态提取法和最小范数 法提出了a m f c 新方法，使得模型可跟随条件( p m f ) 自动满足。这些方法在双 缸同步控制系统、试验伺服系统和机器人伺服系统中得到了成功的应用。 但a c 的不足之处是对被控对象的数学模型( 阶次和相对阶) 仍有严格的要 求，此外诸如持续激励、慢时变，严格正时和波波夫不等式等条件也制约了a c 具有更强的鲁棒性。 2 、p m w 在流体控制领域，脉宽调制( p m w ) 最先应用于液压伺服系统中，用来驱动 伺服阀。一方面可以减小伺服阀死区的影响，防止阀卡死；另一方面也解除了 阀控流量特性的非线性n 引。 目前从事于流体p m w 的学者们从不同角度对p m w 技术进行了研究。如采用前 馈补偿、压力补偿、自适应补偿等，以及将p m w 与开关控制相结合。国内的浙 江大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学也对系统的控制策略进行了研究。 3 、p c m p c m 是将多个普通的开关阀组合起来作为转换元件，得到希望的输出特性。 这种控制把控制信号编为n 位二进制信号来控制n 个开关阀的开启和闭合。这n 个开关阀的有效开关面积之间的关系为氏：s ：s ：s 州= 2 0 ：2 ：2 2 2 ”。n 个开 关阀组合数为2 “，即可以获得2 “级不同的流通面积。p c m 控制非常适用于计算机 控制。计算机按照设计的控制规律发出一组二进制编码，控制n 个开关阀，得 到不同的开口面积，从而输出不同流量推动作动筒运动。h i r o h is f lt a n a k a 提 出用软件克服开关阀开启和关闭不同造成的波动n 引。国内哈尔滨工业大学对 p c m 气动位置系统做了系统研究，如p i d 、模糊控制、自适应等p c m 控制策略乜0 。射1 。 4 、智能控制 1 9 7 1 年，人工智能的创始人博京孙( f u lk s ) 教授首先提出了智能控制概 念，即智能控制是人工智能和自动控制的交互作用结果n 引；g n 萨里迪斯对智 能控制的发展做出了重要贡献，他在1 9 7 7 年出版的“随机系统的自组织控制 d p s o 一3 型三缸单作用液压隔膜泵动力端控制系统研究 一书和1 9 7 9 年发表的综述文章“朝向智能控制的实现”从控制理论发展的观点， 论述了从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控 制、自组织控制，并最终向智能控制这个最高阶段发展的过程。并首次提出了 分层递阶的智能控制结构形式心2 卫3 1 。随着模糊集理论的形成和发展以及神经网 络在控制学科的不断渗透，文献 2 4 中又提出智能控制是人工智能( 包括符号 主义s m 和神经网络n n ) 、运筹学( o r ) 、自动控制( a c ) 和模糊集( f u z z y ) 交互作用 的结果。基于这些观点，多年来有关智能控制的研究主要侧重于下列几个方面： 专家控制； 神经网络控制； 模糊控制。 神经网络控制( n n c ) 是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理而工作 的。目前，一个值得注意的方向是将n n c 和反馈控制复合，采用l y a p u n o v 稳定 性或p o p o v 超稳定性理论来推导n n 的参数( 权值) 更新律( 学习律) 。文献 2 5 将 自适应线性连接模型神经元与d v s c 相结合，实现了泵控马达速度伺服系统的离 散变结构控制。文献 2 6 研究了一带钢轨机液压伺服系统。把神经网络的能实 现任意的非线性映射，具有快速处理能力和容错能力，能处理有噪声或不完全 的数据等优点，与自适应控制的自动补偿能力有机地结合起来使控制速度得到 了较大的提高。 模糊控制( f c ) 和精确控制一样，是一种闭环控制系统。其不同之处只是前者 在控制器中采用模糊量与模糊推理，不依赖于控制系统的数学模型，模糊量与精 确量之间的转换以及模糊推理的规则，则是由专家的经验予以确定。文献 2 7 采 用模糊p i d 控制器对电液伺服系统中液压缸的位移进行控制，并通过在实验室的 试验台上进行试验，取得了较好的控制效果。文献 2 8 为了减少液压挖掘机的燃 油消耗，提出了一种新的功率敏感节能控制策略。应用基于t s 模型的模糊p i d 控制算法，对发动机一变量泵的功率匹配进行控制，并根据仿人工智能的思想对 模糊规则进行了优化，提高了控制系统的动态特性。但f c 的主要不足之处是控制 精度较差，所以大量的研究是对经典的f c 进行适当的改造才能使其在液压控制领 域获得广泛应用。 1 4 本研究课题概况 1 4 1 本论文的选题意义 首先，从技术层面，液压隔膜泵由于动力端采用液压传动方式，除了兼具隔 膜泵高压、高效、耐磨、耐腐蚀、耐高温的特点外，它还有如下的优点：流量均 匀，不存在活塞隔膜泵由于原理上的流量脉动而引起的压力脉动和噪声，并且避 _ r ：稗硕十学何论文 免了在多泵并联时，瞬时流量峰值叠加而引起的整个管路和隔膜泵的损坏。 其次，针对液压隔膜泵的分析发现，从市场的角度看，液压隔膜泵由于取消 了传统隔膜泵的减速机构和曲柄滑块装置，因此结构更简单，一次性制造成本低， 安装维修方便，占地面积小，具有很强的市场竞争力。同时，d p 8 0 3 型三缸单作 用隔膜泵是我国浆体输送常用泵型，针对该泵进行液压动力端控制系统研究与设 计也具有重要的理论研究和实际应用价值。 最后，节能环保一直是当今社会当今社会关注的热点话题，液压驱动隔膜泵 由于压力高、效率高，无水耗、无气耗，且只有在检修时有很少的油耗，因此， 在同等功率下与传统隔膜泵相比，其装机功率得到降低，满足了节能环保的要求。 1 4 2 本课题研究的主要内容及创新点 针对液压驱动隔膜泵的研究现状并结合其运行特点以及市场情况分析，本研 究课题选择了泵控和阀控相结合的控制方案。该方案一方面采用电液比例方向控 制阀对液压缸进行调速，调速简便可靠，价格低廉；另一方面为减少节流能量损 失，在系统设计中引进了负荷传感技术，能有效减少系统不必要的溢流损失。同 时，为了使隔膜泵流量均匀，避免流量脉动，对隔膜泵动力端运动规律进行了深 入研究，并在分析其运动规律的基础上，确立了理想速度曲线并对计算机程序实 现进行了研究。同时，为了检验系统设计的合理性和可控性，还对液压系统进行 动态设计，并进行了m a t l a b 仿真。本课题研究中还尝试采用工程实用性较强的最 优p i d 控制算法和计算机控制惯性因子法等控制策略，以提高隔膜泵运行平稳性和 鲁棒性。本课题的创新点归纳如下： l 、液压驱动隔膜泵液压系统的建立以及系统的数学建模和性能分析 目前，液压系统的速度控制、位置控制和力控制等控制回路一般采用旁路节 流调速控制或比例容积调速回路，但旁路节流调速回路的效率较低，而比例容积 调速回路的动态性能较差。因此，为了即满足系统动态性能好和高工作效率的要 求，引进了负载传感技术，将泵控和阀控结合起来构成泵阀串联控制系统。这种 泵阀串联控制系统，主要利用阀控保证系统的动态性能，利用泵控输出进行功率 调节。 根据液压隔膜泵动力端系统各环节的特性及相互关系，建立了液压系统的数 学模型，同时对负载传感液压系统的速度控制性能和节能性能进行了仿真研究， 对整个液压系统的设计具有指导意义。 2 、液压隔膜泵理想速度曲线的研究与实现 隔膜泵液压缸的运行过程分为匀加速、匀速、匀减速三个阶段，运行时为了 使隔膜泵运行速度跟随给定理想速度运行曲线，采用闭环控制，且用按时间控制 的v = f ( t ) 速度曲线作为给定速度曲线存储并采用按定时2 0 m s 变地址存储的原则， d p 8 0 3 犁二缸单作用液压隔膜泵动力端控制系统研究 存储至u p l c 的用户存储器中。 通过对理想速度曲线研究及构造v - - f ( t ) 曲线的计算机程序，为液压缸的运行提 供了信号基础，进而为整个动力端控制系统的研究与设计提供了依据。 3 、液压驱动隔膜泵速度测控系统和负载传感系统的设计和相应的控制算法研究。 本测控系统的核心选用了三菱公司的f x 2 n 系列p l c ，具有存储量大、模块 器件丰富、简单实用、通信能力强等特点，能满足多数领域自动化控制的需求。 f x 2 n 的高电磁兼容性、强抗振动、冲击性也使其具有高的工业环境适应性。 对于速度测控系统和负载传感系统分别采用了源于最