（机械电子工程专业论文）基于新型数字同步阀位置同步系统控制策略的研究.pdf

江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学住论文 摘要 在位置同步系统的控制中，使用伺服阀或比例阀的控制系统具有高精度的位 置同步，但系统造价高，工作环境要求高；使用同步阀的控制系统虽然经济但位 置同步精度低。新型数字同步阀组合了伺服阀和同步阀的特点，是一种很有市场 潜力的数字阀。 本文中首先直接对数字同步阀的非线性微分方程组进行数值求解，根据求解 的结果，分别分析了新型数字同步阀的流量、压力和分流误差的动态特性，分析 了结构参数对数字同步阀分流误差的影响。 接着基于数字同步阀构建了液压双缸位置同步系统，详细分析了该开环系 统在不同偏载、不同工况下的位置同步误差特性。 最后根据开环位置同步误差的特性，先选用了常规p i d 控制策略，建立闭环 位置同步控制系统，分析闭环系统下双缸位置同步误差精度。由于常规p i d 属于 线性控制器，本文又选用了属于非线性控制的模糊控制器。即运用了智能控制中 的模糊控制策略，建立闭环控制系统，分析双缸同步误差精度。 通过仿真，得出了由新型数字同步阀组成的液压双缸位置同步系统在闭环控 制下能够得到较高的位置同步精度，数字同步阀是一种较优的新型同步控制元件。 本文为数字同步阀的深入研究打下了一定的基础。 关键词：同步阀位置同步控制系统数字阀p i d 控制模糊控制 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 a b s t r a c t s y s t e m so fu s i n gs c r v ov a l v eo rp r o p o r t i o n a lv a l v ec a nh a v eh i g hp e r f o r m a n c ei n a p p l i c a t i o no fp o s i t i o ns y n c h r o n o u sc o n t r o la n dh a v et os p e n dal o to fm o n e yo n b u i l d i n gc o s t , t h e no p e r a t e a tt h eb e t t e ra m b i e n t c o n d i t i o n ；s y s t e m so fu s i n g s y n c l l r o n o u sv a l v em a ys p e n dl i t t l em o n e yt h e na c h i e v el o wp r e c i s i o ni np o s i t i o n s y n c l l r o n o u s h a v i n gc h a r a c t e r i s t i co fb o t hs e r v ov a l v ea n ds y n c h r o n o u sv a l v ew i l lb ea k i n do f ad i g i t a lv a l v ew i t hb e t t e rv e n d i b i l i t y t h et h e s i su s i n gt h em e t h o do f a n a l y s i sd i f f e rf r o mt r a d i t i o n a lc o n t r o la n dm o d e m c o n t r o lt h e o r yd i r e c t l ye v a l u a t e sg r o u p so fn o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o no fn u r n e r i c a l v a l u e ，a n da c c o r d i n gt ot h i sr e s u l ts e p a r a t e l ya n a l y z e sd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f f l o wa n d p r e s sa n dd i v i d i n ge r r o ro f n e w 切ed i g i t a ls y n c h r o n o u sv a l v e ，a n de f f e c to f s t r u c t u r e p a r a m e t e ro nd i v i d i n ge r r o r p o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro nd i f f e r e n tl o a dsa n dc o n d i t i o nh a v e b e e n d e t n i l e d l ya n a l y z e df o rt w oh y d r a u l i cc y l i n d e rp o s i t i o ns y n c h r o n o u so p e n q o o ps y s t e m s 、瓶t hn e w 切e d i g i t a ls y n c h r o n o u sv a l v e l a s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e n - l o o ps y n c h r o n i z a t i o ne r r o r , a tf i r s t , u s i n gt h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l s t r a t e g i e s e s t a b l i s hac l o s e d l o o p p o s i t i o n s ”1 c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mf o ra n a l y z i n gt h ea c c u r a c yo ft h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r t h e n , u s i n g 矗l z z yc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hb e l o n gt ot h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lb u i l du pa c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mf o ra n a l y z i n gt h ea c c u r a c yo f s y n c h r o n i z a t i o ne r r o r i nt h i sp a p e r , f o rt h ed i g i t a ls y n c h r o n 0 1 l sv a l v eh a sl a i das o m ef o u n d a t i o nf o r f u r t h e rs t u d y k e yw o r d ：s y n c h r o n o u sv a w e p o s i t i o ns y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m d i g i t a lv a i v e p i dc o n t r o l f u z z yc o n t r o l n 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， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：( 长己l 九指导教师签名： 7 伊6 年f 月f bb 年月 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：限& i 九 日期：年t 月f 3 日 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 第一章绪论 液压传动与机械传动相比是一种比较年轻的技术。液压传动便于实现工作过 程的机械化和自动化，近四十年来在机械工程领域以极高的速度增长，被广泛应 用于国民经济的各个部门。目前，液压技术正向高压、高速、高效率、低噪音、 数字化、集成化方向发展。对液压技术的逻辑设计、优化设计、计算机辅助设计 和数字仿真等研究越来越多，并逐步应用于生产上。 1 1 液压同步控制论述 液压同步控制按控制参数分可分为速度同步控制与位置同步控制两种类型。它 们都是以流体( 液压油) 为工作介质来传递、分配和控制能量的液压控制系统。 液压位置同步控制系统可使两个或两个以上的被控制对象的输出位移保持相等。 而速度同步控制系统只能保证被控制对象的速度( 或固定的速比) 相同。可见， 液压位置同步控制必定为液压速度同步控制，而能够实现液压速度同步的系统不 一定能够实现位置同步。 液压位置同步控制，与其它同步控制方式相比，具有结构简单、组成方便、 易于控制和适宜大功率场合的特点，尤其是和现代控制理论、计算机技术的结合， 为液压同步控制技术注入了生机，在同步控制系统中得到了广泛的应用。 目前，应用最多的液压位置同步控制形式是电液位置同步控制。电液位置同 步控制是利用以电液控制元件等组成的电液控制系统来实现被控对象的输出位置 相同，实现位置同步控制任务，它的控制方式往往采用闭环方式。在电液位置同 步控制系统中，尤以电液饲服阀和电一液伺服变量泵等组成的电液伺服位置同步系 统和以电液比例阀或电液比例变量泵等组成的电液比例位置同步系统在实际中 应用最多。八十年代以来，电液数字阀和电液数字变量泵得到了较大发展，电一 液数字位置同步系统的使用也日益增多 1 1 1 2 1 。 1 2 液压位置同步控制的应用领域 目前，电液位置同步控制在航空航天设备、各类金属压力加工、冶金设备和 工程机械、提升设备等很多技术领域都得到了实际应用。 液压折弯机是采用电液位置同步控制技术的一种通用金属板料折弯机械。为 保证板料折弯成形的质量，关键是要控制推动活动横梁运动且布置于横梁两端的 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 两个液压缸保持位置同步运动。重型液压折弯机或同步精度要求较高的小型液压 折弯机，一般采用电液伺服阀或电液比例阀组成的电液位置同步控制；而大型液 压折弯机多用电控变量泵等组成的另一类电液位置同步系统。【3 】【4 】【5 l 液压机是常用的金属成形加工设备。如汽车纵梁液压机一般使用多个液压缸 并联工作，各液压缸位置同步驱动则是保证所加工产品质量的关键。现多采用电 液比例元件( 电液比例阀或电液比例变量泵) 等组成电液位置同步系统来实现多 缸同步运动。如国内研制的3 0 0 0 0 k n 和3 5 0 0 0 k n 两种汽车纵梁液压机 7 1 1 8 1 。 工作平台的顶升与下降，以及大型设备的提升也是电液位置同步控制较多的 场合。文献 9 】【l o 】对工作平台顶升与下降的作了介绍。文献 1 l 】 1 2 】 1 3 】对大型结构 件的电液位置同步提升技术作了介绍。 大型舞台的升降也采用电液位置同步系统。在文献 1 4 】中介绍了三块双层升降 舞台的电液位置同步系统。 除以上列举外，还有许多应用实例，如旋压机 1 5 l ，连铸设备【1 6 1 ，大型电液伺 服仿真转台和航空航天驱动装置【1 7 j 1 8 1 等上面都有应用。 1 3 同步阀论述 目前，对同步精度要求褶宜和适中的同步控制系统中，采用同步阀来组成开 环液压位置同步控制系统。 同步阀又称分流集流阀，是分流阀、集流阀、单向分流阀、单向集流阀和分 流集流阀的总称。从工作原理上同步阀可分为分流阀，集流阀，分流集流阀，可 调式分( 集) 流阀，自调式分( 集) 流阀。从结构形式上又可分为换向活塞式和 挂钩式两种同步阀。 它们的主要作用是能自动分配从油源进入两个或多个液压执行器中的油液 流量( 或是集合来自两个或多个液压执行器中的油液流量) ，使得液压执行器保持 位置同步或按一定比例关系运动。 从控制原理上看，同步阀都是利用负载压力反馈来补偿因负载压力变化所引 起的流量变化，它们实质上都属“压力反馈间接补偿流量”的一类流量分配 阀。由同步阀等组成的开环液压位置同步系统与由电液伺服阀或电液比例阀等组 成的闭环电液位置同步系统相比，前者具有系统简单、维护方便、使用可靠、造 价低廉等的优点。然而，现有同步阀固有的缺陷使得它的分流精度不高，导致它 所控制的液压执行器的位置同步误差大，也就大大限制了同步阀的实际使用范围。 2 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 1 4 数字阀论述 电液数字控制阀( 简称数字阀) 是用数字信号直接控制液流的压力、流量和 方向的阀类。与电液伺服阀和比例阀相比，数字阀的突出特点是，可直接与计算 机接口，不需d a 转换器，结构简单，价廉，抗污染能力强，操作维护更简单； 而且数字阀的输出量准确、可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强【1 9 】。 根据控制方式的不同，电液数字阀可分为增量式数字阀和脉宽调制( p w m ) 式高速开关数字阀。 增量式数字阀是采用由脉冲数字调制演变而成的增量控制方式，以步进电机 作为电气一机械转换器，驱动液压阀芯工作。由计算机( 或控制器) 发出脉冲序 列经驱动器放大后使步进电机工作。步进电机是一个数字元件，根据增量控制方 式工作。增量式数字阀的输出量与输入脉冲数成正比，输出响应速度与输入脉冲 频率成正比。对应于步进电机的步距角，阀的输出量有一定的分辨率，它直接决 定了阀的最高控制精度。 脉宽调制式高速开关数字阀( 简称高速开关数字阀) 的控制信号是一系列幅 值相等、而在每一周期内宽度不同的脉冲信号。由计算机( 或控制器) 输出的数 字信号通过脉宽调制放大器调制放大后使电气机械转换器工作，从而驱动液压 阀工作。由于作用于阀上的信号为一系列脉冲，因此液压阀只有与之相对应的快 速切换的开和关两种状态，而以开启时间的长短来控制流量或压力。目前这种数 字阀还没有形成产品的报道。 1 5 现存主要问题 纵观目前的液压位置同步控制，主要有两种控制方式，一种是开环控制方式， 另一种是闭环控制方式。 开环控制的液压同步系统，因为它完全是靠液压元件本身的精度来控制执行 元件的同步，不能消除或抑制液压系统的本身存在的误差因素，如泄漏、控制元 件间的性能差异、执行元件之间的磨擦、其它各种扰动等等，造成液压执行器的 位置不同步。故只适用于对位置精度要求不高的场合。闭环控制的液压同步系统， 由于它对输出量进行检测、反馈，能在很大程度上消除和抑制液压系统本身存在 的误差，因而获得较高精度的位置同步。它几乎在所有需要高精度液压同步驱动 的各类主机上都得到了较好的应用。但用电液伺服阀或比例阀组成的位置同步闭 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论丈 环控制系统，对工作环境要求高，结构复杂，成本远远高于开环系统。 随着计算机控制技术的发展，越来越多的控制系统直接采用计算机控制，而 由机液伺服阀或比例阀不能实现电控制和计算机控制，用机械反馈装置进行反馈 误差大，同步精度低。采用电液伺服阀或比例阀需进行a i d 和d a 转换才能用计 算机控制，这样使控制系统更复杂。 在采用伺服阀或比例阀组成的位置同步控制系统，在组装控制系统时，要求 主要结构对称安装，有严格的匹配关系，因不同元件的性能差异也会直接影响同 步精度。这些给系统的调试工作带来一定的难度，且以后系统的维护工作也较复 杂。 1 6 选题的意义与目的 从上述对电液位置同步控制系统应用分析，以及国内外位置同步系统研究中 存在主要问题不难看出； ( 1 ) 现有同步阀因本身结构，不能应用于电闭环系统，难以得到高精度的 位置同步。因而开发新型同步元件获得高精度的位置同步有着积极的意义。 ( 2 ) 采用比例阀或伺服阀组成的位置同步闭环控制，虽有较高精度，但工 作环境要求高，成本也高。要在位置同步控制中大量应用，有一定的难度。因而 开发一种与它们类似的产品有着广阔的市场。 ( 3 ) 数字技术与液压技术相结合，是以后液压控制发展的方向之一。直接 式数字控制阀可直接接受数字信号，控制灵活可靠。开发新型数字阀是开发新型 的多功能液压元件的重要方向。 正是基于上述原因，选择了新型数字同步阀作为研究对象，其主要目的就是： ( 1 ) 开发一种具有闭环控制功能的数字同步阀，即该阀能采用数字控制实 现电闭环，以达到高精度的位置同步控制要求，从而为电液位置同步系统提供新 的控制元件。 ( 2 ) 以提高位置同步控制的精度为目的，研究新型数字同步阀采用不同的 控制策略可得到的位置同步精度。 因此，可以说选择这样的研究课题，不仅具有理论意义，而且也有着工程上 的实际意义。这正是本文选题的出发点。 4 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 1 7 主要研究内容 围绕选题，本文的主要研究工作在于： i 根据新型数字同步阀的非线性数学模型，采用数值解，直接分析其动态性 能，并根据仿真结果，研究各参数对新型数字同步阀的性能影响。 2 建立由新型数字同步阀组成的双缸位置同步系统，用仿真方法对开环位置 同步误差的动态性能进行分析以寻求相应的控制策略。 3 在采用p i d 控制策略的双缸液压位置同步闭环系统下，分析位置同步误 差的大小并采用相应措施使不同偏载，不同工况都具有较小的同步误差。 4 在采用模糊控制策略的双缸液压位置同步闭环系统下，根据影响位置同步 误差因素采用相应控制措施减小同步误差，以达到高精度位置同步。 5 比较采用的控制策略，分析在不同情况下可采用的控制方法。 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 第二章新型数字同步阀的数学模型及性能分析 文献【2 8 】【冽在分析新型数字同步阀性能及位置同步系统时，都是将非线性数学 模型线性化后假设在稳定状态附近的作微小变化时对其动态性能进行分析研究。 模型的线性化忽略了非线性因素，对于非线性系统并不能完全反映它的动态特性。 本章通过建立的数字同步阀非线性数学模型，直接进行数字仿真，分析了阀的动 态性能及结构参数对分流误差的影响。 2 1新型数字同步阀的基本工作原理 设计思想：开发一种新型同步阀，一方面能结合计算机控制技术，直接采用 数字量进行控制，另一方面又有同步阀分流特点，对多个执行元件进行同步控制。 2 1 1 新型数字同步阀的系统框图 图2 1 新型数字同步阀的系统框图 2 1 2 新型数字同步阀的结构图 图2 2 新型数字同步阀的结构图 1 步进电机及传动机构2 右补偿阀芯3 右补偿阀弹簧4 艘阀5 左补偿弹簧 6 左补偿阀芯7 主阀芯消隙弹簧8 阀体9 主阀芯8 - 6 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 图2 3 新型数字同步阀液压原理图 2 1 3 新型数字同步阀工作原理分析 从图2 1 中可以看出，新型数字同步阀由三部分组成：步进电机，传动机构， 同步阀。步进电机作为数字同步阀的动力装置，接受由微型计算机( 或控制器) 发出脉冲序列控制信号，通过驱动器放大后使步进电机转动，步进电机输出与脉 冲数成正比的位移步距转角( 简称步距角) ，再通过机械传动装置将转角转换成同 步阀的主阀芯的位移( 图2 2 ) ，从而控制同步阀一次节流口的开度，即改变通流面 积，调整两分流口的流量分配。 从新型数字同步阀液压原理图2 3 中可以看出，定量泵输出流量q 。进入阀的 迸油1 3 ，油液分别经过两个控制油口x p l 和x p 2 ，分成q 。1 和q a 2 两股油液，然后 分别经过两二次节流口，输入到执行机构。当负载压力变化时，较大负载端的压 力由梭阀选择并反馈到两补偿阀芯另一侧的弹簧腔，引起两补偿阀芯各自移动， 使二次节流口各自调整自己的开度，即调整各自的节流压降，进而进一步调整一 次节流口前后油液压差，使该数字同步阀不但根据负载压力变化，而且同时可由 系统反馈改变一次节流口的开度来实现流量分配的双重控制。这样既可保证在执 行元件静态时的同步，而且也能保证动态时能及时纠正同步误差。 2 2 新型数字同步阀的数学模型 数学模型是系统动态分析、系统优化过程中非常重要的一步，数学模型直接 影响它们的结果。 7 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 2 2 1 步进电机及传动装置的数学模型 步进电机能将数字电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动，即一定的转速 或转角。在新型数字同步阀中的步进电机将控制器输出的电脉冲数转换为一定的 转角( 即角位移) ，转角的大小与步进电机的步距角有关，在近似豹动态特性分析 中可写为： 0 = 只胛( 2 1 ) 其中只为步距角，z 为电脉冲数。 传动装置将步进电机输出转角转换为直线位移，驱动主阀芯的运动，输出的 位移和丝杆、螺母的螺距有关，在近似的动态特性分析中可写为： x p 5 刍。p ( 2 2 ) 其中r 为螺距。 则步进电机及传动装置的数学模型为： 两= 二一6 l 一= k x n (23)360 i j 、， 戽= 一矿 其中 3 6 0 5 。即步进电机及传动装置的数学模型简化为比例环节。 2 2 2 同步阀的数学模型 为了简化问题，忽略步进电机的影响、阀芯自重、瞬态液动力、阀的泄漏等 次要因素，假设油源为恒流源( 即采用定量泵) ，左右补偿阀芯完全对称。 1 一次节流口流量连续方程 q 一嘶吲再一c ：( x , o - ) 瓜音警= 。 2 左右补偿阀芯的运动平衡方程 鸽( 艺。一只) 一恐( + 毛。) 一乞吒。( 只。一忍。) 一召誓= 所参 ( 2 5 ) 4 ( 只：一只) 一( + ：) 一e x , a ( p , a - 只：) 一口专产= 脚象 ( 2 6 ) 只为取两负载压力中最大值。 s 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 瓜一鸽誓电t 瓜一鲁鲁= 。( 2 7 ) c l ( 训厅瓦一4 百d x a 2 一厄瓦一差警= 。( 2 8 ) 4 一次节流口输出流量分别为： q t2 c 1 。+ 兰二!( 2 9 ) 厶22 ( j 2 l o 一j 一2 5 二次节流口输出流量分别为： q ，2 c 2 x - 墨生( 2 - 1 0 ) q 2 = g x 2 只2 一只2 式中，c 口= q ：哗i n 2 口；c i = 嘲厉；c 2 = q ：碱s i l l 口厉 将2 4 - - 2 8 方程进行整理，并转化成状态方程组： 输入量为：u - ( u 1u 2 u 3u 4 ) 7 = ( q 。p b lp b 2x p ) 7 输出量为：) ，= “，儿) 7 = ( c 2 矗；f 百，c 2 讫；i ) 7 状态变量为) f ( x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，】【5 戍，x 7 ) 7 = ，e l ，v 。i ，x 。l ，x a 2 ) 7 三= 争( q j g ( b 。+ 蝴) ：i i c l ( 。一心) o i 二i ) ( 2 1 1 ) 乏= 鲁( c i ( 驴地) 再一4 毛一c 2 - 而) ( 2 1 2 ) 乏= 铥( c l ( 矿u 4 ) x - i - x 3 。一4 而一c 2 再) ( 2 1 3 ) x 4 = ( 2 1 4 ) 毫= 去 4 ( 而一m a x ( 地，心) ) 一吒( 。+ 札) 一c o x , ( x ：一地) 一甄 ( 2 1 5 ) x e = 局( 2 1 6 ) 妄= 去 4 ( 为一m a x ( u , ，坞) ) 一k o ( x o 。+ ) 一c ：( 而一) 一 ( 2 1 7 ) v 1 ：c 丸：二i 9 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 y 2 = c 6 b 一锐2 2 2 3 在s i m u iin k 下搭建仿真模型 m a n a b 是一种数值计算型科技应用软件，白面世以来，在国际上很快得到了 推广应用，被i e e e 称为国际公认最优秀的科技应用软件之- - 2 0 。m a t l a b 控制支 持产品设计过程中的每一个环节，可以用于不同的领域。在工具箱中，有六个常 用的控制工程类工件箱，它们是：系统辨识工具箱，控制系统工具箱，鲁棒控制 工具箱，模型预测控制工具箱，模糊逻辑工具箱，非线性设计模块。框图式动态 仿真工具s i m t t k i n k ，可以方便地建立控制系统原型和控制对象模型，通过仿真不 断地优化和改善设计。s i m u k i n k 不但支持线性系统仿真，还支持非线性系统仿真； 不但支持连续系统仿真，还支持离散系统甚至混合系统仿真；不但本身功能强大， 而且还是一个开放性体系，s i m u k i n k 是描述动态系统模型的最佳工具。 s i m u l i n k 的存在使m a t l a b 的功能得到进一步扩展。这种扩展的意义表现在： ( 1 ) 实现了可视化的建模，在w i n d o w s 环境下，用户通过简单的鼠标操作 就可以建立起直观的模型，并进行仿真； ( 2 ) 实现多工作环境问文件互用和数据交换； ( 3 ) 把理论和工程实现有机地结合在一起。 根据数字同步阀中补偿阀阀芯实际的动作情况，将两补偿阀芯加入以下约束： 两补偿阀芯的位移不得小于零( 不得为负值) ，当位移小于零时，令其等于零；当 阀芯位置为零时，阀芯的运动速度、加速度不得小于零，否则令其等于零。 图2 4 约束子系统 方法是在原模型的s i m u l i n k 框图中加入约束子系统，来对原模型加以约束， 如上图2 4 。输入为原始模型计算的补偿阀芯位移和加速度，输出为约束后的补偿 阀芯加速度。且加入约束后符合实际的动作情况。 1 0 图2 5 无绮束的压力曲线图 图2 6 加入约束后的压力曲线图 加 = 黑鉴墨筌竺飙在勰阶黜现了蹴晰弧，和眦； 加入竺要压力没有出现异常情况，l l j l p a l 和p a 2j ：嘉p s 0 1 ”“q 1r a l 利p a 2 同步阔在姚下搭建成的模型如图2 7 ，图i 8 为同步阀的子模块。 与真主烹竺嚣琶兰望竺唐接触的的锻魑由于没有线性化媳 与真登统鼍警接近，本文先对同步阀的性能作较详茹蒜磊! 姗硼譬峻地 始卜主2 耋竺? 苎妻警时零初始条件下的起动姚同嘉高内压力曲线由零开 始上升油源压力上升缓慢，而两补偿阀控制腔压力i 弄翥。葛荔嚣兽嚣 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 q b l 、q b 2 完全相等且出现了时滞，等油源压力大于两补偿阀控制腔内压力时流量才开 始上升，时滞时间随负载的增加而增加。这一动态特性与液压系统的工作特性符合。 图2 7 同步阀在s i m u l i n k 下的模型 将同步阀模型建成子系统为： 图2 8 同步阀子模块 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 萋 山 矗 n 氛。 题 。r r k f p a l f 一。一 。t 酴。一，“ 。 貔 图2 9 无负载下的p s 、p a 、1 p a 2 曲线 l ： ： 6 7 ii b lr 伽 。 ? ；4 。3 2 t 时滞 b 覆f醐0 3 0 。t b 擎a 6 0 7 0 b0 事l 。“ 一， 惰。+ 图2 1 0 无负载f 的q b l 、q b 2 曲线 图2 1 l 、图2 1 2 是主阀芯位于中位，两负载相差o 7 m p a ( p l l p l 2 ) 时的 分流误差响应曲线和压力p s 、p a l 、p a 2 响应曲线。从分流误差响应曲线可以看出， 加载初期误差变化剧烈，但调整时间极短。开始加载时，负载增大端输出流量减 小，使分流误差出现负值，这可以从二次节流口流量输出公式2 1 0 中理解。稳定 时，负载增大端的输出流量变大，从压力变化曲线可以看出，系统稳定时，两补 偿阀控制腔压力不相等，p a 2 p a l ，根据一次节流口流量输出公式2 9 ，则q a l q a 2 。这些变化与图2 1 1 的动态误差曲线相吻合。这也说明，分流误差在一次节流 口分流时出现，主要原因就是两补偿阀控制腔压力不相等。而两补偿阀控制腔压 力是靠负载压力反馈来调节的。也就是说负载压力反馈不能使两补偿阀控制腔压 力相等，不能彻底解决同步阀的输出流量的误差。这也是同步阀仅靠本身压力反 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 馈不能达到较高精度的位置同步的原因。 图2 1 1 分流误差响应曲线 x 1 。- “一一i r 弋 p 。 f l ?f p a 2p 丑。 口 j 龟2 ，。o j 7 。0 7 誉。艄? 急 图2 1 2 偏载时压力响应曲线 以上都是在主阀芯位移x p = 0 时的分析。 图2 1 3 、图2 1 4 是当负载为零，主阀芯位移x p = 3 0 2 0 8 3 1 0 币时的输出流 量和压力变化曲线。由图2 1 3 可知，两输出口流量不相等，主要是因为主阀芯的 偏置使两一次节流口分流时输出流量不相等。从图2 1 4 中可知，主阀芯移动使两 补偿阀控制腔压力不等，这主要是因为压力流量之间的非线性关系。 当两负载相差0 7 m p a ( p l l p l 2 ) 且x p = 9 2 0 8 3 1 0 4 时分流误差响应曲 线如图2 1 5 所示，从图中可知，由于主阀芯的位移，使分流量误差在经过约0 3 s 后达至极小。图2 1 6 为同步阀两输出口的流量曲线，从图中可知，两输出口流量 1 4 爹；萎；。圣曼|d嫠：o。沁； 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 相差不大，将图2 1 l 与图2 1 5 比较可知，主阀芯的移动减小了同步阀的分流误差。 、x 心 一 。 i 。 口 i ； b 移 ： = = = 上 k! q ti 氢 l ； ? 2 。o覆t0 2 瞳30 48 蠡撬50 7嚣巷0 9 e “ 。 图2 1 3 x p = 3 0 x 2 0 8 3x1 0 。时输出流量变化曲线 厂 i p si 严 l 一；砬a l1 1 r f ，0,2 0 40 , 60 , 8 ； * 一n 抵y 一。讹一 g ；h k 一 。m 一“蕊 图2 1 4 x p = 3 0 x 2 0 8 3 1 0 4 时压力变化曲线 从以上的动态特性分析可知： ( 1 ) 当两负载相等时，同步阀输出流量相等；输出流量的时滞时间随负载变 化而变化。 ( 2 ) 当两负载不相等时，同步阀的分流误差仅靠负载的压力反馈是不能消除的。 ( 3 ) 新型数字同步阀通过调节主阀芯的位移来减小分流误差这一构思是正确 的且从仿真图形2 1 3 和2 1 4 可以证明这一点。 ( 4 ) 同步阀的分流误差随负载增加而增加，但如果随负载的变化，调节一次 节流口进行分流，就能较好地减小分流误差。分流误差大小也受系统结构参数影 响，如果有较优的结构参数配置，能从结构设计上减小系统分流误差。若构成位 扎 嚣d)、诺d罡-$m 黟：；善一蒋甓d-$m：；k 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 置闭环控制系统，通过调节主阀芯的位移就能减小分流误差，包括液压系统中其 它影响因素造成分流误差。 k 二“ 一：；? 一 。墙哦 图2 1 5x p = 一9 x 2 0 8 3 1 0 。时，分流误差响应曲线 ， | 7 图2 1 6x p = - g x 2 0 8 3 i 酽时q b l 、q b 2 曲线 2 2 5 结构参数对新型数字同步阀分流误差的影响 同步阀分流误差计算表达式为： 艿：醯二剑。l o o 或三邕22 。 趵 或万：! 垒 孥! 。1 0 0 。 0 5 蛾 虽然求解联立方程组2 4 2 8 ，再代回到2 1 8 同步阀分流误差公式中，可求出 1 6 ：。，一亭善q。叶qo；。，：熟 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 各结构参数对分流误差的影响，但求解非线性微分方程组有较大的难度。本文采 用数值解法。根据同步阀在s i i i l u l i n k 下搭建的同步阀模型，编制简单的m 仿真程 序文件，求出稳态时各结构参数对同步阀分流误差的影响。 二次节流口中的弹簧刚度、半锥角、补偿阀芯的承压面直径这些参数对分流 误差的，与文献【勰】中结论一致。除这些主要结构参数外，补偿阀弹簧预压缩量x a o 、 一次节流口中的主阀芯直径d 1 、以及主阀芯位于中位时，一次节流口的单边开度 x p o 等对分流误差也有影响。为保持对同步阀研究的连贯性，图2 1 5 图2 1 7 也为 偏载0 5 m p a ( p b l p b 2 ) 各参数影响分流误差的关系曲线。 从图2 1 7 可知，补偿阀弹簧预压缩量对分流误差的影响不大，但它存在最大 值，当预压缩量的大于最大值，补偿阀的位移灵敏性会降低，故补偿阀弹簧预压 缩量的选取应小于最大值。 图2 1 7 补偿阀弹簧预压缩量与同步误差关系曲线， 图2 1 8 主阀芯直径与同步误差关系曲线 1 7 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 图2 1 9 一次节流口单边开度与同步误差关系曲线 由图2 1 8 可知，分流误差随主阀芯直径增加而增大，基本呈线性关系，故在 结构允许的条件下，主阀芯的直径不要太大。 由图2 1 9 可知，一次节流口单边开度与分流误差也基本呈线性关系且随单边 开口值的增加而增大，故应在允许的误差值时选择适当的单边开度值。 2 3 本章小结 本章根据新型数字同步阀中同步阀的非线性数学模型，分析了同步阀的动态 特性： 1 空载时同步阀压力特性曲线及两输出口的流量特性曲线。 2 根据偏载时分流误差曲线，分析了分流误差产生的原因。 3 根据新型数字同步阀主阀芯位置随偏载变化时同步阀的分流误差曲线，得 出了新型数字同步阀设计思想的正确性。 4 分析了各结构参数对分流误差的影响。 1 8 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 第三章双缸位置同步系统开环性能分析 基于前一章的分析基础，本章建立由新型数字同步阀组成的双缸位置同步系 统。在开环控制下，分析该系统在不同偏载、不同工况下的位置同步误差曲线。 3 1新型数字同步阀位置同步系统的建立 在绪论里已介绍了同步控制系统广泛的应用领域，本文建立如图3 1 所示的 位置同步控制系统，采用不对称液压缸作为执行元件，位置同步基于主从式，即 以液压缸a 伸出位置为基准，使液压缸b 伸出位置跟随液压缸a 伸出位置而保持 位置同步。 o 图3 i 双缸位置同步系统原理图 该系统组成为：两个同型号、规格的电磁换向阀；两个双作用不对称液压缸； 一个新型数字同步阀；一套液压油源装置；两个同型号、同规格的位移传感器。 1 9 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 位置同步系统一般有三种工况：活塞伸出，活塞缩回和位置保持。位置保持 由换向阀的中位机能和平衡阀8 、9 来实现。因活塞伸出与缩回主要是负载方向不 同，本文只对活塞伸出工况作详细分析。 3 2 位置同步系统工作原理分析： 油泵输出流量为q s 的液压油，经新型数字同步阀分流，输出两股流量为q b l 、 q b 2 的液压油至换向阀。当2 d t 、4 d t 得电，两股油液分别经两换向阀的右位进 入两液压缸无杆腔，使活塞杆伸出，液压缸有杆腔油液流回油箱。同时位移传感 器检测两活塞杆的伸出的位置误差，通过控制器使位置误差值调节新型数字同步 阀主阀芯位置，新型数字同步阀根据执行元件位置的不同，调整输出的两股流量 来调整执行元件位置，使之保持同步。 当1e i t 、3 d t 得电，两股油液分别经两换向阀的左位进入两液压缸有杆腔， 使活塞杆缩回，液压缸无杆腔油液流回油箱。同时位移传感器检测两活塞杆的缩 回的位置误差，将之反馈到新型数字同步阀，使新型数字同步阀能根据执行元件 位置的不同，调整输出的两股流量来保持执行元件位置同步。根据双缸位置同步 控制系统可画出控制方块图，如图形3 2 。该方块图完整地反映了基于新型数字同 步阀的双缸位置同步控制系统的组成部分。 图3 2 双缸位置同步控制系统方块图 3 3 不对称液压缸数学模型的建立 在第二章已建立了数字同步阀的数学模型，为不重复，本章只建立不对称液 压缸的数学模型。由于电控换向阀只起换向作用，液压油经过它时的压力损失一 般为( 0 0 5 - - 0 0 8 ) m p a 。在建立位置同步系统数学模型时将之忽略，假设新型数字 江多大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 同步阀输出的流量q b l 、q b 2 直接输出到两执行元件。 忽略执行元件所受瞬态、稳态液动力，不计液体发热、泄漏对系统性能造成 影响，也不考虑摩擦力的影响。 3 3 1建立工况为活塞杆伸出的数学模型 1 ) 无杆腔流量连续性方程 液压缸a ： 液压缸b ： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 由于回油路直接接油箱，活塞杆移动速度只和进油路流量有关，故不考虑有 杆腔的流量连续方程。 2 ) 液压缸活塞运动方程： 液压缸a ：4 。只。一4 。= m 。拿+ 置警+ 只 ( 3 3 ) 液压缸b ：4 ：己：一，：。：= 鸩鲁+ 最专尹+ e ( 3 4 ) 式中：4 l 、4 2 为两无杆缸工作面积，m 2 ； 只。、只：为两无杆腔i 作压力，m p a ，因忽略油路的压力损失，则 p w i = p l i , p w e = p l 2 ； 4 l 、a y ：为两有杆腔工作面积，m 2 0 i 、0 z 为两有杆腔工作压力，m p a ；因回油腔直接和油箱相连，则 岛= o ，0 z 卸； e 、e 为所承受的总负载，n 圪。、圪：为两无杆腔的容积，m 3 x w 。、k ：为活塞伸出位移。 2 1 盟毽 鱼出 监尼 鱼尼 蚊西 篮出 厶 如 酝 锄 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 3 3 2 建立工况为活塞缩回的数学模型 1 ) 有什胫况萤连! 饕任乃程 液压龇 鼢厶鲁= 警 液压缸b ： 幺：- a ，；d 西x y 2 = 百v y 2 d p f y 2 2 ) 液压缸活塞运动方程： 液压缸a ：爿，。& 一4 。己。= m 譬+ 置誓+ 只 液压缸b ：4 ：。：一4 ：己：鸩譬+ 最1 d x 厂y 2 + e 式中：x y 。、q ：为活塞缩回位移。 、0 ：为两有杆腔的容积，m 3 e 、只为所承受的总负载，n 以下只对活塞杆伸出进行分析。 将活塞杆伸出方程组进行整理，并转化成状态方程组： 输入量为：u - ( u l ，u 2 u 3 ，1 1 4 ) = ( f l ，ef 2 ，q b l ，q b 2 ) 输出量为：尸( y i ，y 2 ，y 3 ，婀x w l - x w 2 ，p w l ，p w 2 ) t 状态变量为：x = ( x i , x 2 , x 3 ，x 4 , x 5 ，) ( 6 ) 1 文p w l , p w 2 ，x w l ，v w l ，x w 2 ，v w 2 ) t i = 等心喝- ) = 考去也“x ) 三2 一一虬v w 2 v 4 - ：k ) = 孝去。- a w 2 x e ) 屯2 x 4 毫= 击( 4 。 一蜀矗一) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 乏= 壶( 4 ：而一岛一“：) 3 4 在s if i l m | n k 下根据数学模型搭建双缸仿真模型 不对称液压缸与对称液压缸不同，由于缸的不对称性，难以获得系统的传递 函数及频率特性，必须根据动态方程组，通过数字仿真求出系统的动态性能。m a n a b 中的s i m u l i n k 为此提供了工具。 两个非对称液压缸模型只是结构参数不同，搭建时只需建立液压缸a 的模型， 液压缸b 的模型先复制液压缸a 的模型，再修改结构参数即可得液压缸b 的模型。 图3 3 为双缸仿真模型，图中x y l , x y 2 分别表示液压缸a ，b 的位移，即液压缸伸 出数学模型中的x w l , x w 2 ，以下同。 图3 3 双缸仿真模型 将液压缸a 做成予系统，图3 4 为子系统封装画面，修改图3 4 中参数即可 有不同的液压缸模型。图3 5 为子模块组成的双缸仿真图形。 江苏大学在职人员以研究生毕业同等学历申请硕士学位论文 图3 4 子系统封装 图3 5 双缸子系统模块 图3 缸图3 9 为液压缸输入流量为q 眈时，在无负载和有负载下液压缸活塞 速度、位移仿真图。 从图中可以看出，无负载时液压缸的速度瞬间上升到最大，然后下降达至平 稳，有负载时液压缸的速度从0 开始上升到稳态值附近振荡，这是因为密封在油 腔中的液体被压缩时，会像弹簧一样有弹性刚度使得速度振荡。达到稳态值的时 间与液压缸的阻尼大小等参数有关。从位移图上可以看到同样的时闰无负载对位 移略大于有负载时位移。 图3 1 0 、图3