（机械电子工程专业论文）燃油总管试验器压力流量控制系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 我国现有的燃油喷嘴试验器比较落后。其操作方法比较笨拙，自动化程度不高，控 制的精度和系统的响应速度达不到要求，对测试结果的数据处理手段也不科学，已经不 能适应现代科学技术发展的需要，所以对现有试验器的改进和更新是很必要的。 本文对试验器中喷嘴入口的压力控制和流量控制进行了系统的研究。其中压力控制 系统以电液比例溢流阀为控制元件，以压力传感器作为反馈压力信号的输出元件，通过 在工业用p c 机中的比较运算和校正，再以控制信号的形式发送到电液比例溢流阀，完 成对系统压力的控制：流量控制系统与压力控制系统的工作原理相似，利用了固定节流 口的压力流量特性，通过控制电液比例溢流阀的压力来实现控制其流量，但不同的是这 里使用了流量传感器作为流量反馈信号的输出元件，通过比较运算和校正再输出到比例 阀而行成闭环控制。 建立了压力控制系统和流量控制系统的非线性数学模型及线性数学模型，并应用 m a t l a b s i m u l i n k 计算机仿真软件分别对系统的非线性和线性数学模型进行了仿真和比 较：线性数学模型的过渡时间、超调量、响应的快速性等指标与非线性数学模型有所差 异。测试了系统在典型的阶跃输入信号下的动态响应的各项性能指标，并采用了p i d 校 正的方式对系统进行了校正来提高系统的综合性能，对校正之前和之后的系统的性能进 行了比较，校正后的系统性能指标明显有所提高。 将理论研究的结果与实测的结果进行了比较，仿真出来的结果与实测的系统的响应 有不同之处，分析了产生差异的原因，验证了这种精确控制系统压力和流量的方法和原 理、以及建立数学模型的方法和仿真的方法的正确可行性，计算出了压力控制精度和流 量控制的精度。说明了这种研究方法可应用于对其它类似系统的分析之中，能够真实的 反映系统的响应过程。 关键词：比例，压力控制，流量控制，仿真，数学模型 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 s t u d yo np r e s s - f l u xc o n t r o ls y s t e mo f f u e lm a i lm a i n p i p et e s t e r a b s t r a c t t h eo p e r a t i o no ft h ee x i s t i n gf u e lm a i lm a i np i p et e s t e ri sr a t h e rc l u m s yi nc h i n a t h e d e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o ni sn o th i g h t h ep r e c i s i o no ft h ec o n t r o l l i n ga n ds p e e do fs y s t e m r e s p o n s ef a l ls h o r to ft h ed e m a n d so ft h et e s ta n di t c a l ln o ta d a p tt od e v e l o po fm o d e m t e c h n o l o g y a n dt h em e a n so fd a t ap r o c e s s i n g i st m s c i e n t i f i c a c c o r d i n gt ot h ef a c t s m e n t i o n e da b o v e i ti sn e e d e dt od os o m ei m p r o v e m e n ta nu p d a t e t h es t u d yo f p r e s sc o n t r o la tt h ee n t r a n c eo f t h em t t z z l ea n df l u xc o n t r o lo f t h em u z z l ei s d o n ei nt h et e x t t h ep r e s sc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ee l e c t r i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v ea sc o n t r o lu n i ta n dp r e s s u r et r a n s d u c e ra sf e e l i n gb a c ku n i t ，d o e sc o m p a r ea n d e m e n d a t i o ni np ca n dg i v ec o n t r o ls i g n a lt ot h ep r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v et or e a l i z et h ep r e s s c o n t r 0 1 t h ef l u xc o n t r o ls y s t e mh a v et h es a m ec o n t r o lp r i n c i p l ea st h ep r e s sc o n t r o ls y s t e m ， u t i l i z i n gt h ep r e s s f l u xi d e n t i t yo ft h r o t t l em o u t h ，c o n t r o lm u z z l ef l u xb yc o n t r o lm u z z l e p r e s s b u tt h ed i f f e r e n c ei st h a ti ta d o p t st h ef l u xt r a n s d u c e ra sf e e l i n g b a c ku n i tf o r m i n gt h e c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m l i n e a rn u m e r i c a lm o d e la n dn o n l i n e a rn u m e r i c a lm o d e lo ft h ep r e s sc o n t r o ls y s t e ma n d t h ef l u xc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p i nt h eo t h e rs i d e ，t h es i m u l a t i o na n dc o m p a r ei sd o n ei n m a t l a b s i m u l i n k t h et r a n s i t i o nt i m e ，o v e r s h o o t ，e x c e e d i n gq u a n t i t yo fr e s p o n s eo fl i n e a r n u m e r i c a lm o d e li sd i f f e r e n to ft h en o n l i n e a rn u m e r i c a lm o d e l s t e s t i n ga l lt h ec a p a b i l i t y t a r g e t so f t h ed y n a m i cr e s p o n s ei nt h es y s t e mw h e n t h es p r i n gi n p u ts i g n a li sg i v e ，u s i n gp i d a l g o r i t h mf o rr e v i s i n gt oi m p r o v et h es y n t h e t i cc a p a b i l i t i e so ft h es y s t e ma n dc o m p a r i n gt h e c a p a b i l i t yb e f o r ea n da f t e rt h ee m e n d a t i o n ，t h ei m p r o v e m e n ti sv e r yo b v i o u si nt h es y s t e m a f t e rt h ee m e n d a t i o n c o m p a r e dw i t hr e s u l t so f t h et e s ti nt h el o c a l e ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r ed i f f e r e n to f 一鲨堕三些盔堂堕主堂笪笙苎 a c t u a lr e s u l ta n da n a l y s i st h er e a s o no f d i f f e r e n c e ，v a l i d a t i n gt h ee x a c t i t u d eo fu s e dm e t h o d a n dt h e o r y , c a l c u l a t i n gt h ep r e c i s i o no fp r e s sc o n t r o la n dt h ep r e c i s i o n o ff l u xc o n t r o l ， i l l u m i n a t i n gt h es t u d ym e t h o dc a nb eu s e dt oo t h e rs y s t e ma n dc a l lr e f l e c ta c t u a l l yt h ec o a l - s e o f r e s p o n s e k e y w o r d ：p r o p o r t i o n ，p r e s sc o n t r o l ，f l u xc o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，n u m e r i c a lm o d e l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：逝日期：幽：主：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：嫩日期：皿 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文研究的背景及国内外发展动态 飞机并不同于一般的交通工具，它在飞行的过程中是不允许出现故障的，因为这直 接关系到人的生命安全，所以保证飞机的工作可靠性至关重要。而飞机飞行的可靠性很 大程度上与飞机发动机的工作状态有关，燃油喷嘴又是飞机发动机的关键部件，其质量 的好坏直接决定了发动机内部温度场是否均匀和煤油供给量是否适中，要保证发动机的 工作状态良好必须要保证燃油喷嘴的质量可靠。所以，研究开发检验燃油喷嘴质量的高 科技试验器是相当必要的。 目前，国外已经研制出不同规格的燃油喷嘴试验器，其自动化程度较高，测试的 精度能够满足要求。国内现有的燃油喷嘴试验器，其工作过程大多都是人工的手动控制 来实现的，精度难以达到要求，所以尚无可全面借鉴的先例，需要大量开发性研究，进 行整体上的优化设计。 1 2 论文研究的内容 以压力和流量这两项指标作为衡量的标准，对生产出来的燃油喷嘴进行检验，测试 单个喷嘴在不同压力下的流量和多个喷嘴的喷射不均匀度，进而来判定这组喷嘴的质量 是否能够达到要求。这就对压力和流量控制系统的综合性能提出了要求，本文对试验器 的压力和流量控制系统进行了系统深入的研究 ( 1 ) 控制系统的总体方案的设计。以计算机控制系统为核心，v i s u a lb a s i c 6 0 作为控 制的实现软件。以工业用p c 机作为控制的输入端，以数据采集卡和数据采集模块以及各 种压力、流量传感器作为控制的中间环节，以燃油喷嘴的压力和流量作为控制的目标负 载，利用经典控制理论，将输入信号与反馈信号进行比较运算，再利用p i d 控制算法进 行校正和计算之后输出到比例阀进行闭环控制，从而达到自动控制喷嘴负载入口处压力 和流量的日的； ( 2 ) 建立了压力和流量控制系统的非线性和线性数学模型； ( 3 ) 应有m a t l a b l s i m u l i n k 仿真软件对这两种系统的数学模型进行仿真，得出其在阶 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 跃信号输入下的动态响应以及各项性能指标，并分析这些性能指标的正确性和是否能满 足实际的要求，判断系统是否需要增加校正环节进行校正； ( 4 ) 将理论研究的结果与实际测得实验数据进行对照，分析其中的不同之处，并得 出相应的结论，从而来说明这种控制压力和流量的方法的正确可行性以及对生产实际的 指导意义。 1 3 电液比例控制系统慨述 现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的普及与发展，又为实现各类工艺过程 的最佳控制提供了技术基础。因此，工程控制理论的应用已逐步从航天、航空和军事工 程领域普及到民用工业部门【l - 3 】。电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大功率 工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一，在近2 0 年中 得到了迅速发展【4 ，5 】。它与传统的电液伺服技术相比，具有可靠、节能和廉价等明显特点， 已应用于相当广泛的领域，形成了颇具特色的技术分支。目前，已引起工程控制界的密 切而广泛重视，在机电液一体化和工程设备实现计算机控制的技术革命过程中，电液比 例控制技术将获得更新、更快的发展【7 ，甜。 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不尽相同，但都可归纳为由功能相同 的基本单元组成的系统。如图1 1 所示，图中的虚线为可能实现的检测与反馈。包含外 反馈回路的控制系统才称为闭环控制系统，不包含外反馈的称为开环系统，如果存在比 例阀本身的内反馈，也可以构成实际的局部小闭环控制，但一般也不会称为闭环系统嘲。 组成电液比例控制的基本组件有： ( 1 ) 指令组件 它是给定控制信号的产生与输入的组件。可以是信号发生装置或过程控制器。 在有反馈信号的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。 ( 2 ) 比较组件 它的作用是把给定信号与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输入。进 行比较的信号必须是同类型的，比例控制器的输入量为电学量，因此反馈量也应当转换 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 为同类型的电学量。如遇不同类型的量作比较，在比较前要进行信号类型转换，例如 a j i d 、d ，a 转换、机电转换等。 i 指令元件卜_ 枣窭一电控器卜产械擎h 液压执行嚣p 型 i l 垡塑竖坚厂 丘i = = 互a 图1 1电液比例控制系统的构成 f i g 1 1c o m p o s i t i o no f 耐州洲舢p r o p o r t i o n a lc o i 咖 o is y s t e m ( 3 ) 电控器 电控器通常被称为比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大 ( 0 8 0 m a ) ，而偏差控制( 信号) 电流较小，不足以推动电磁铁工作，且偏差信号的类型 或形状都不一定能满足高性能控制的要求，所以要使用电控器对控制信号进行功率放大 和对输入的信号进行加工、整形，使其达到电一机械转换装置的控制要求。 ( 4 ) 比例阀 比例阀内部又分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大组件，还可能带有阀内 的检测反馈组件。电一机械转换器，它是电液的接口组件，它把经过放大后的电信号转 换成与其电学量呈正比的力或位移这个输出量改变了液压放大级的控制液阻，经过液 压放大作用，把不大的电气控制信号放大成足以驱动系统负载液压能，这是整个系统的 功率放大部分。 ( 5 ) 液压执行器 通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 ) 检铡反馈组件 对于闭环控制需要加入检测反馈组件它检测被控量或中间变量的实际值，得出系 - 3 一 燃油总管试验嚣压力一流量控制系统的研究 统的反馈信号。检测组件有位移传感器、测速发电机等。检测组件往往又是信号转换器 ( 例如机电，机液转换) ，用于满足比较的要求。从图1 1 中可见，检测组件有内环、外环 之分。内环检测组件通常包含在比例阀内，用于改善阀的动、静特性。外环检测组件直 接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制精度，并用m a t l a b 对系统进行计算 机仿真，与实测进行结果对照。 1 3 1 电液比例控制系统的分类及特点 电液比例控制系统可以从不同的角度按很多方式来进行分类，电液伺服控制系统 是一种广义上的比例控制系统。因而比例控制可以参照伺服控制按代表系统一定特点的 分类方式进行分类【n 1 2 1 。 按被控量是否被检测和反馈来分类，可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。由 于比例阀是适应较低精度的控制系统而开发的产品，目前的应用以开环控制为主。随着 整体闭环比例阀的出现，其主要性能与伺服阀无异，因而采用闭环比例控制的场合也会 越来越多。 按控制信号的形式来进行分类，可分为模拟控制和数字式控制。后者又分为脉宽调 制、脉码调制和脉数调制等。 按比例组件的类型来分类，可分为比例节流阀控制和比例容积控制两大类。比例节 流控制适用于功率较小的系统，而比例容积控制用在功率较大的场合。 目前，最通用的分类方式是按被控对象( 量或参数) 来进行分类，由此电液比例控 制系统可以分为： ( 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 ) 比例速度控制系统； ( 5 ) 比例位置控制系统； ( 6 ) 比例力控制系统； ( 7 ) 比例同步控制系统。 一4 沈阳工业大学硕士学位论文 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压组件。与电液伺服阀相 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不如伺服阀外，其它 方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态性能足以满足大多数工业应用的要求。 因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀 的市场，但现在闭环比例技术也是一种新的选择。电液比例阀与传统的液压控制阀比较， 虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求 有高质量控制水平的地方，传统开关阀就逐渐由比例阀或数字阀来代替【1 3 。堋。 此外，比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能。这 使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化。 电液比例控制系统主要有以下特点： ( 1 ) 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在 电控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质， 还可缩短工作循环时间； ( 2 ) 利用电信号便于实现远距离控制或将阀布置在最合适的位置，提高主机的设计 柔性； ( 3 ) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标； ( 4 ) 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续 控制，并易实现自动无级调速。 1 3 2 电液比例控制系统的发展 液压工业已成为全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公 司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位，我国液压工业和国外还有一定的差距。 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展，是微电子技术与液压技术间的接口。 德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、可编程序控 制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低，迅速占领了欧美各 种拖拉机的应用市场。 随着电液比例技术的发展，对于常用的常规阀，一般都有对应的比例阀。比例阀是 一5 一 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接收电信号的指令，连续地控 制液压系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例地变化。它可以用于开环系 统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与比 例阀配套供应的电控制器，要具有断电保持功能，控制信号中要迭加高频小振幅的颤振 信号，以克服摩擦力，保证控制灵活。要有斜坡信号发生器，以便控制压力变化，速度 或位移部件的加速度，有效防止惯性冲击，要有函数发生器，还可补偿死区特性【1 蚴】。 比例阀分为压力、流量、方向控制三大类，近年来出现了复合化趋势，极大地提高 了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上，发展出先导式电反馈比例方向阀系 列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电反馈比例方向流量复合阀， 可进一步取得与负载协调和节能效果。这种高性能的电反馈比例液压元件将在高精度、 快响应的比例控制系统中获德广泛应用。由比例方向节流阀和定差减压阀组成压力补偿 型比例方向流量阀，被控制量是输出流量，与输入控制电流成正比，可连续比例地控制 液压缸，而与供油压力、负载压力、回油压力变化无关，它与压力阀组合在一起，就构 成了可同时实现液流方向、流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复合阀我国生产的 品种少，而国外很多，如德国力士乐产品系列的控制特性、抗污染性、可靠性和经济性， 已成液控技术发展趋势，具有广阔的市场前景。其稳态性能的滞环、重复精度、分辨率、 非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当，但动态响应比伺服阀稍低，在较大的参数 调节范围内运行，故控制回路中的非线性因素不能忽略【肄冽。 电液比例控制系统的发展趋势主要有以下几点【2 9 训： ( 1 ) 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀 的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用圜l ； ( 2 ) 比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结构简 单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成。此外出现比例容积控制为中、大 功率控制系统节能提供新手段； ( 3 ) 由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大器和 阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。其主要表现有： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 ) 高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年西德b o s c h 公 司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，并 含有位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅0 3 ，零区压力增益 达3 额定控制电压，负载腔达8 0 供油压力，工作频宽和性能己达高水平伺服阀，而成 本仅为后者的l 3 ； 2 ) 带集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的开发，为电反馈比例阀小型化，集成 化创造良好的条件； 3 ) 伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、高精 度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性； 4 ) p i d 调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标，可利用 计算机对p i d 参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路p i d 参数的优良匹 配。 1 3 3 电液比例控制系统中的非线性环节 由于摩擦、间隙、检测元件的不灵敏区等因素的存在，以及为提高系统性能一些非 线性环节的人为引入，自动控制系统一般都是非线性系统，而在其中电液比例控制系统 可以认为是最典型的非线性系统，因为各种机械的、液压的和电子的非线性现象集于一 体。其表现：一是阀的流量一压力特性；二是各种典型非线性，如死区特性、饱和特性、 摩擦特性、滞环特性等。由于各种非线性的存在，一方面对系统的分析和研究带来了困 难，另一方面则严重影响了系统的精度和稳定性。 在控制系统中，虽然线性系统理论已趋于完善，分析方法多种多样，但在实际的系 统中，没有完全意义上的纯粹的线性系统，也就是说组成控制系统的元件，其静态特性 都有着不同程度的非线性。目前，对非线性现象的研究主要集中于对它的处理上，迄今 为止，液压伺服系统采用的控制方法无论是古典的还是近代的均是基于线性系统这个基 本前提，往往用线性化的方法得到在一定范围和一定程度上与非线性系统近似的线性系 统，如对于阀的流量一压力特性，一般采用在工作点的增量线性化或精确线性化的方法 来近似解决，然后利用线性系统的分析与设计方法来研究相应的线性系统。确实在有些 一7 一 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 情况下，如分析系统的小扰动稳定性和小给定动态品质，可将系统在某一平衡点处加以 近似线性化。这样当然就可采用线性化理论与方法进行分析与综合了。但是，如果非线 性系统中的非线性因素较强时，用以上方法所得到的结论必然有较大的误差，甚至完全 错误。 非线性系统还存在一种特殊的属性，那就是在一定条件下会进入混沌状态，呈现出 混沌现象。这种非线性系统所特有的现象在美国气象学家e n l o r e n z 从大气现象中发现 并加以发表后得到了广泛重视。混沌( c h a o s ) 这个概念简单说来是指一个确定的非线性系 统，在一定条件下，其状态量会呈现出类似随机的复杂现象；或者说一个描述非线性动 态系统的确定的状态方程的解，在一定条件下呈现随机性。从微观上看这些解是完全无 序的( 在宏观上还是有序的) 。对液压伺服系统来说，混沌现象的发生，就会表现为一种 非周期性的，似乎是无规则的、突发性或阵发性的振荡。这当然是我们所不希望的。在 这些情况下，必须直接分析原非线性系统口 9 1 。 事实上，随着仿真技术的发展，是可以直接分析非线性系统的。在此可以充分利用 s i m u l i n k 软件包，建立图形化界面得到整个电液伺服系统的非线性数学模型，以避免 线性化造成的误差，从而得到比较确切的仿真结果。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 压力控制系统的非线性数学模型的建立 液压系统的原理图如图2 1 所示。系统主要由电机、液压泵、比例阀、压力传感器、 流量传感器、喷嘴和接油的装置构成。其主要的工作原理为：由计算机作为控制指令的 发出装置，经过d a 转换数据卡将数字信号转换为电信号，再把电信号发送给电液比例 溢流阀3 ，经过电液比例溢流阀3 将电信号最终转换为液压系统的压力输出，再经过中间 管路把压力传输到喷嘴6 的入口处，再由压力传感器或者是流量传感器采样得到压力或 者是流量值，经过a d 数据转换卡转换成数字信号，反馈给计算机，计算机再经过与输 入信号做比较输出，形成一个闭环的压力或流量控制系统，实现精确的控制 4 0 , 4 。 1 ) 液压油泵2 ) 电机3 ) 电液比例溢流阀4 ) 电液比例换向阀 5 ) 压力传感器刚4 个喷嘴倘量传感器 图2 1 液压原理图 f 弛2 1h y d r a u l i cp r i n c i p l e 由于溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压、 调压或限压作用，所以溢流阀的性能好坏，直接影响到系统是否能正常工作，而且在喷 一9 一 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 嘴与比例阀之间是以一段较长的钢管连接的，所以电液比例溢流阀调定的压力并不是喷 嘴前端的压力，而是喷嘴前端压力与管道损失的压力之和。因此综合考虑了电液比例溢 流阀和管道的动态特性，对系统的动态性能进行分析，研究系统对阶跃信号的响应，分 析其稳定性、快速性和稳态精度等衡量系统性能的指标旧。 为保证系统的控制精度能够达到要求，使用了两个不同量程的压力传感器分量程进 行压力的测量，输出更高精度的压力值，以作为反馈量对系统的压力进行更加精确的控 制。 2 1 电液比例溢流阀先导阀的非缎帽舅噶恻的建立 可变液阻的外加控制信号y 实际上是由先导级移动部件上诸力的平衡状态决定的。 力的平衡条件涉及先导级结构、反馈方式、液阻配置和几何参数。现在以比例电磁铁推 力，肼作为先导级的输入变量，y 作为中间变量，液桥的控制压力以作为输出变量，对 先导级的动态特性进行分析，其运动微分方程为： 一一巳，= 脚y + q p 儿以 ( 2 1 ) = k p a u f ( 2 2 ) 式中： a u ，= u ，一岛p ； 咋一计算机输入到比例电磁铁的电流值； 以一先导阀芯有效作用面积； k 3 一压力传感器放大系数； p 一系统的控制压力( 喷嘴入口处的压力) ； k ，一电磁力一电压系数； 一计算机输入到比例阀的电压值； 沈阳工业大学硕士学位论文 f 肼一比例电磁铁在一定电流时的推力； 以一先导阀的控制压力； 瓦，一先导阀口处的液动力现在把它当作一项独立的干扰力，其数值很小，实际 上可以忽略； 乃，一先导阀上的库仑摩擦力在一个制作良好的先导阀上，本应该使运动到处于 粘性摩擦状态，此力数值很小，故可以忽略； 所一先导级移动部件包括衔铁的质量； d 。一与粘性摩擦有关的阻尼系数； j 0 一等效弹簧系数； y 。一弹簧的预压缩量； y 一先导阀阀芯的位移。 而弹簧力与电磁力相平衡，并且先导阀的响应速度非常快，也就是说先导阀的动态 响应过程与主阀相比时间很短，所以把先导阀当成是比例环节处理，即：j ，= 0 ，y = 0 则合并式( 2 1 x 2 2 ) ，并简化后的先导阀的运动微分方程为： p ，a o = k p ( 约一b p ) ( 2 3 ) 2 2 电液比例溢流阀主阀的非线性数学模型的建立 电液比例溢流阀的结构示意图如图2 2 所示。 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 图2 2 溢流f 两结构示意图 f i g 2 2 咖c h i r eo f r e l i e f v a l v e 电液比例溢流阀主阀的运动微分方程为： 4 p 1 + ( 彳，一彳) 风一。儿= m x + p ，x + j 0 ( + x ) + f ( 2 4 ) 彳一主阀芯进油腔端面面积4 = 三耐2 ； 4 一主阀芯控制腔端面面积，与进油腔端面面积相等； d 一主阀芯直径； p o 一主阀芯回油腔压力，由于回油腔与油箱相联，所以硒= o ； a 一主阀控制压力； 见一与粘性摩擦有关的阻尼系数； p 。一先导液桥输出的控制压力； 肘一阀芯的质量； 砭一弹簧等效同4 度； 一弹簧预压缩量； z 一主阔阀芯位移： 沈阳工业大学硕士学位论文 巴一液动力，由于在此系统中液体的流动并不是很快，故此项液动力可以忽略 将式( 2 4 ) 简化后的运动微分方程为： 彳( p l p x ) ；m x + d ，x + k 。( + 力( 2 5 ) 阀口前后压力容腔的流量平衡方程为： q l 一级一彳二一告。五= 绋 ( 2 6 ) 尻一介质的弹性模量。 阻尼孔r 流量公式为： 鳊叫。莎鬲 式中：4 = 丢碡2 ； d r 一固定阻尼孔r 的直径； 见一介质的弹性模重； c a 一流量系数。 主阀口的流量公式为： 岛刮( 力历 ( 2 8 ) 式中：彳( 力= 础； d 一阀芯的直径 合并式( 2 6 2 7 x 2 8 ) 并简化的方程为： 蜴一 鸸2 巴历鬲_ 一* = g 础历 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 2 3 赜瞒非线性数学模型的建立 喷嘴相当于固定节流口，而且其出口压力为大气压，所以其流量的表达式为： 见= 白p( 2 1 0 ) 热k 。= 1 4 x 嘉； q 一喷嘴流量： d l 一喷嘴的内径； a 一介质的动力粘度； ，l 一喷嘴孔的长度。 2 4 管道j 始料蚓赛学模型的建立 管道的沿程压力损失为： 锄= 乞q ( 2 1 1 ) 式中：岛：里警； ，玖 4 晓一管道的沿程压力损失； 一介质的动力粘度； 如一管道的长度； 如一管道的内径； v 一液体流速。 系统的流量平衡方程和压力平衡方程为： 沈阳工业大学硕士学位论文 将式( 2 1 1 ) ( 2 1 2 x 2 1 3 ) 合并得： 将式( 2 1 4 ) 代入( 2 1 0 ) 得： 将式( 2 1 5 y f 弋a ( 2 1 2 ) 得： 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 3 ) 得： 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 9 ) 得： q l = q 一骁 p = p l 一印2 l p 2 币i p 1 骁= 去a q l = q 一忐p l 见以= b ( q 一再鼍i p 1 ) q 一忐a 一 矾2 g 整理式( 2 5 x 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 得： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) “一移= g 蛎町 以= 去七，( 一再鼍i a ) 一1 5 一 ( 2 1 9 ) 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 工 = 面1 【- 1 删2 ( p 。一p ，) 一k ( x o + x ) 一见二) ( 2 2 0 ) ；t = 鲁c q 一志 杠2 c d 设状态变量： 五= a x i = x 蜀= 善 由式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 x 2 2 1 ) 可得压力控制系统的状态方程： 拓鲁c q 一忐p 。一i l a d 一2 c d x 2 = 五 一三耐2 蜀一g 积e 主，= 万1 【- 1 耐2 瞄一n ) 一如( + 五) 一p ) 1 6 一 )( 2 2 2 ) r 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 3 压力控制系统的线性数学模型的建立 3 1 电液比例溢流阀先导阀线性赘噶恻的建立 在前面建立系统的非线性数学模型的时候，已经把先导阀简化为线性的数学模型， 这里不需要再进行进一步的简化。这里所使用的线性数学模型仍然沿用式( 2 3 ) ，即式： j 4 = k v ，一k 3 p ) 3 2 电液比例溢流阀主阀线性数学模型的建立 控制腔的流量平衡方程为： q i2 9 q m = 彳x 一考vp ， ( 3 - 1 ) 将式( 2 5 x 2 6 x 3 1 ) 整理并线性化的增量方程拉式变换后的增量方程为： 一如) 舰一4 瓴= 【胁2 + ( k + ) j a r ( 3 2 ) 式中：譬彦= a a ( p 1 一p o ) ；最二= 晖o x g 矾媚+ 以心一x , a y 2 ( g m + k + 言v 印蛾 ( 3 3 ) 式中： g m = 锄l a ( 只一只) ； 墨，一先导阀阀口的流量系数； k 一主阀阀口的流量压力系数 a q , 一( 翰+ 加玲= ( 勤+ 甚d 锄 ( 3 - 4 ) 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 如一主阀阀口的压力流量导数； 翰一主阀阀口的流量增益。 在( 2 5 ) 和( 2 6 ) 两式中消去只，经整理后得到一个描述主阀运动的表达式： 缸：叁! ：壶竺盘竺 ， ( 二+ 1 ) ( + 1 ) + 式中： m m = 0 l k 。+ x 扛) m ； q = ( g m + ) p v , ； 2 ( 1 一惫丧地= ( g r l 【1 - 南+ 冽圪； 唧= ( 如+ 如) ( g 。+ ) 以2 ； 4 铆一了f f p 一丧； 彳 吼2 石。 方程( 3 5 ) 反映了一些重要的概念： ( 1 ) 主阀本身虽然是一个典型的质量一弹簧一阻尼系统，但是机械谐振频率高达数 百赫兹，当其他频率远低于该值时，翻0 实际上不起主导作用。阀本身的粘性摩擦系数 之值极小，故式中已略去阻尼系数； 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 控制腔转折频率吐也是数百赫兹的数量级。但在考虑了面积比和液动力一压力 系数焉的反馈作用以后，得到一个远比q 要低的转折频率翻- 此数值约数十赫兹， 已相当接近控制阀的工作范围作简化分析时q 可以略去而吼。不能忽略； ( 3 ) 主阀运动的主导转折频率是国，一般在1 0 赫兹以下。国，是代表主阀运动的一 个主要参数，它反映了先导液桥对于主阀运动的速度负反馈，使主阀传递函数中一阶因 子起占优势的作用； ( 4 ) 等效机械弹簧刚度中k 矗之值随流量和压差而变。在高压差下工作时k 启总是远 大于量，舡，而此时的五昀却是很小的值。所以在讨论额定工况附近的动态响应时， 是 可以忽略的。但是在低压大流量情况下，k 膏之值减小而置彦之值增大，j 与彳相比便 是一个不可忽视的因素； ( 5 ) 有效作用面积彳反映了面积比，k 加以及先导液桥液阻配置的相互关系它 将影响控制阀的动态响应。 根据以上分析可以写出一个大为简化的主阀运动方程，如式( 3 6 ) 缸：盘! 皇竺：盘竺 。 1 + 将上式代入( 3 3 ) 式，得出先导阀的控制信号以，干扰量q i 和被控参数觇的相互 矿 关系。略去! 丝这一高转折频率，经整理以后，如( 3 7 ) 式所示。 以 。毛( 1 + 旁蛔+ 儿 锄2 1 季爵 2 。 ( 3 7 ) 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 式中： q l = q 一q l ； k 2 忐； 墨= 蛩； q = 等等； = = 函i 乃审i 系统的固有频率： 吼= x 曾致v , ； q 一液阻器的液阻； 9 一泵站输出的流量的变化量； a 姨一经溢流阀后输入到系统的流量。 3 3 管道和喷嘴的线性数学模型的建立 由于管道压力损失的数学模型本身就是线性的，所以此时的线性数学模型就是如式 ( 2 1 1 ) 所示。喷嘴的数学模型也是线性的，所以线性数学模型如式( 2 i o ) 所示。 3 4 建立系统的线性数学模型 根据式( 2 3 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 3 7 ) 作出压力控制系统的传递函数方框图即系统的线性化的 数学模型如图3 1 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 1 压力控制系统传递函数 根据图3 1 用s 小，n k 作出系统的仿真数学模型如图3 2 所示。 图3 2 传递函数仿真数学模型 简化系统的传递函数的数学模型，将相应的节点转移之后，先简化毛屯所在的局部 数学模型，简化结果如图3 3 所示 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 图3 3 传递函数仿真数学模型 作进一步的简化工作，将毛屯所在的局部模型合并，简化的结果如图3 4 所示。 圈3 4 传递函数仿真数学模型 f i g 3 4t i m u l a t i o nm o d e lo f t r a n s f e rf t m c t i o n 最后对其他的带有负反馈的典型的环节进行简化，再把前项通道上的其他放大环节 进行简化合并，最后的简化的s i m u l i n k 数学模型如图3 5 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 5 简化后的传递函数方框图 f i g 3 5p r e d i g e s ts i m u l a t i o nm o d e lo f t r a n s f e rf u n c t i o n 从而由简化后得传递函数方框图图3 5 得压力控制系统的开环传递函数为： k p k 啪卜幂蠢赫 ) 压力控制系统的闭环传递函数为： 2 孑e 磊1 再+ k t k 2 丽 燃油总管试验器压力一流量控制系统的研究 4 压力控制系统的仿真及结果分析 4 1m 绷柏s i l l j i i m ( 仿真软件简介 机械工程控制是以机械工程中有关广义系统动力学为研究对象，进行系统的传输、 处理与反馈。对于高阶系统的时间响应曲线和频率特性中b o d e 图、n y q u i s t 图、n i c h o l s 图等特性曲线，很难精确绘制，这就难于直观地分析系统的特性。一般的机械工程控制 系统，可以用计算机仿真方法来观察系统的响应，分析系统特性。最新流行的基于 m a t l a b s i m u l i n k 的仿真软件，为系统仿真技术提供了新的解决方案，它不仅提高 编程的效率，而且可以大大提高编程的质量和可靠性，成为当前国际上首选的计算机仿 真软件。 m a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司自1 9 8 4 年正式推出韵科学计算与仿真软件， 它是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图形处理、多媒体 处理于一身，并提供了实用的w m d o w s 图形界面设计方法，使用户设计出友好的图形 界面。目前，m a t l a b 已经成为国际上最流行的科学与工程计算软件工具。它由 m a t l a b 主包、s i m u l i n k 组件以及功能各异的工具箱组成。其中控制系统工具箱提 供了丰富的函数，用于处理和分析l t i 模型，不但可以实现系统模型的建立、转换、分 析和处理，还可以进行控制系统设计，很方便地对机械工程控制中的系统时间响应分析， 是一种用来实现计算机仿真的软件工具用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平 台。 s d 小姗【模型可以用来模拟非线性或线性、连续或离散或者两者混合系统，另外， 它还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。过去， 通常用高级计算机语言( 如c 、f o r t r a n 语言) 来编程仿真模型，对高级语言不熟的人 来说这种方法较难。利用s i m u l i n k 库模块构造仿真系统，可简化传统繁重的编程工 作，大大减少传统编程的工作量，而且交互性强。由于创建一个s i m u l i n k 模型时， 就等于在编程，因此必不可少地会存在数值积分稳定性问题【4 3 4 日。 4 1 1m a t l a b 的特点 一种语言之所以能迅速的普及，显示出如此旺盛的生命力，m a t l a b 有其不同于其 沈阳工业大学硕士学位