（轮机工程专业论文）基于变频技术的液压调速系统控制方案的仿真研究.pdf

摘要 基于变频技术的液压调速系统是一种全局性的新型液压调速方式。它采用变 频器、普通电机、定量泵的形式，省去复杂的变排量机构。通过改变电机的供电 频率来改变电机转速，从而实现液压系统的流量调节。这种新型液压调速系统主 要应用于大型精密液压机床、液压提升机构、注塑机、液压起货机等液压调速回 路中。在这些液压系统中马达转轴都具有较大的转动惯量，系统功率也很大，都 需要对马达转速进行实时控制。基于变频技术的液压调速系统是典型大惯量、强 负载干扰及多耦合的非线性系统，这就使锝传统基于线性理论的控制方案已经很 难满足高性能液压调速系统控制的要求，不断发展的智能控制思想为我们设计新 型控制器提供新思路。在这种情况下，本文结合工程实际背景需要，开展以下几 个方面研究工作。 根据基于变频技术的液压调速系统实际要求，本文首先介绍液压变频调速系 统的基本原理，建立变频液压调速系统的数学模型；进行系统频域分析和稳定性 分析，为控制方案选择提供基础；其次分析变频液压调速系统各种干扰因素，给 出系统参数及负载因素对马达转速和系统压力的影响；论文对控制策略进行深入 地分析，提出速度反馈大闭环控制方案；为了提高液压变频调速系统鲁棒性和响 应的快速性，提出模糊p i d 复合控制的控制方案；最后运用m a t l a b 中s i m u i n k 软件对系统在负载变化、温度变化、泄漏量变化的情况以及不同转速情况下进行 仿真，得出相应马达转速和系统压力的响应曲线图。 从仿真结果上看，在模糊p i d 复合控制下，基于变频技术的液压调速系统的 动态性能稳定、响应迅速，基本上达到本课题研究的预期目标。说明模糊p i d 复 合控制的智能控制方案是切实可行的。 关键词：变频调速；数学模型；闭环控制；模糊p i d 复合控制 s i m u l a t i o ns t u d yo nc o n t r o ls c h e m eo ft h eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n g s y s t e mb a s e do i lv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e mb a s e do nv a r i a b l e 丘e q u e n c yt e c h n o l o g yi s o n en e wh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gw a y i tu s e st h ei n v e r t e r , t h eo r d i n a r ye l e c t r i c a l m o t o ra n dt h ec o n s t a n td i s p l a c e m e n tp u m p i to m i t st h ec o m p l e xc h a n g i n gd i s p l a c e m e n t o r g a n i z a t i o n ，i tc h a n g e st h ee l e c t r i c a lm o t o rr o t a t i o n a ls p e e dt h r o u g ht h ep o w e rs u p p l y f r e q u e n c yc h a n g i n g ，t h u sr e a l i z e st h a tc u r r e n td i s p l a c e m e n to ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi s a d j u s t e d t h i sk i n do fn e wh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e mm a i n l ya p p l i e st ot h e l a r g e - s c a l ep r e c i s eh y d r a u l i cl a t h e ，t h eh y d r a u l i cp r o m o t i n go r g a n i z a t i o n ，t h em o u l d i n g p l a s t i c sm a c h i n e ，t h eh y d r a u l i cc r a n ea n ds oo n t h em o t o rr e v o l u t i o na x i si nt h e s e s y s t e m sa l lh a sag r e a t e ri n e r t i am o m e n t ，t h es y s t e mp o w e ri sa l s ob i g ，t h es y s t e mm u s t c o n t r o lm o t o rr o t a t i o n a ls p e e dr e a l t i m e t h eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e mb a s e d o nt h ev a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yi st h et y p i c a lb i gi n e r t i a , s t r o n gl o a di n t e r f e r ea n d m u l t i c o u p l i n gn o n l i n e a rs y s t e m t h i sm a k e si t d i f f i c u l tf o rt h et r a d i t i o n a lc o n t r o l s c h e m eb a s e do nt h el i n e a rt h e o r yv e r yd i f f i c u l tt os a t i s f yc o n t r o lr e q u e s to ft h e h i g h p e r f o r m a n c eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e m t h en e wi n t e l l e c t u a l c o n t r o l t h e o r yo f f e r st h en e wm e n t a l i t yf o ru st h a tw ec a nd e s i g nt h en e w - t y p ec o n t r o l l e r u n d e r t h i sk i n do fs i t u a t i o n ，t h i sa r t i c l eu n i f i e st h ea c t u a lp r o j e c tb a c k g r o u n dn e e d ，d e v e l o p s t h er e s e a r c hw o r ko f t h ef 0 1 1 0 w i n gs e v e r a la s p e c t s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u e s to f t h eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e mb a s e do n t h ev a r i a b l ef r e q u m a c yt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l ea b o u tt h e h y d r a u l i cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dg o v e r n i n gs y s t e m ，e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a l m o d e l ；p r o v i d st h ef o u n d a t i o nf o rt h ec h o i c eo fc o n t r o lp l a nt h r o u g hc a r t i n go nt h e s y s t e mf r e q u e n c yr a n g ea n a l y s i sa n d t h ea n a l y s i so f s t a b i l i t y n e x ta n a l y s e se a c hk i n do f i n t e r f e r ef a c t o ro ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c yh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n i n gs y s t e m ，p r o d u c e s t h es y s t e mp a r a m e t e ra n dt h el o a df a c t o rt oi n f l u e n c ea b o u tt h em o t o rr o t a t i o n a ls p e e d i l a n dt h es y s t e mp r e s s u r e ；t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n t r o ls t r a t e g y , p r o p o s e st h es p e e d c l o s e dl o o pc o n t r o lp l a n ；i no r d e rt oe n h a n c et h es t a b l i t ya n dt h er e s p o n s er a p i d i t yo f t h e h y d r a u l i cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dg o v e r n i n gs y s t e m ，p u t sf o r w a r dt h ef u z z y p i d c o m p o u n dc o n t r o lp l a n f i n a l l yu t i l i z e sm a t l a bs i m u l i n k s o f t w a r et oc a r r yo nt h e s i m u l a t i o no ft h es y s t e mi nt h ec h a n g e a b l el o a d i n g ，t h ec h a n g e a b l et e m p e r a t u r e ，t h e c h a n g e a b l el e a k a g ea n dd i f f e r e n ts p e e d , u n d e rt h ec h a n g e a b l es i t u a t i o n ，o b t a i n st h e c o r r e s p o n d i n gr e s p o n s ec u r v ec h a r ta b o u tm o t o rr o t a t i o n a ls p e e da n dt h es y s t e m p r e s s u r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ei ss t a b l e ， r e s p o n s ei sr a p i d ，t h u sf u z z y - p i dc o m p o u n dc o n t r o lp l a ni sf e a s i b l e k e y w o r d ：v a r i a b l ef r e n q u e n e ya n ds p e e da d j u s t i n g ；m a t h e m a t i c sm o d e l ) c l o s e d l o o pc o n t r o l ；f u z z ya n dp i dc o m p o u n d c o n t r o l i i i 大连海事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：本论文是在导师的指导下，独立进行研究1 二作所取得的成果，撰写成博士， 硕士学位论文 ：基王銮翻蕴垄曲擅匿进蓝垂蕴趁剑友苤鳇笾基堑痘：t 除论文中已经 注明引用的内容外。对论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。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壬讼w 髫年1 月羁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解。大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 保密口在 _ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：壬毛倔导师签名：如弯j r 弘 1 日期：训年妒加 第1 章绪论 1 1 问题的提出 液压动力传动以其传动平稳、调速方便且调速范围广、易于实现过载保护、 功率体积比大、容易控制等优良特性，广泛用于各个工业部门和领域。据调查： 在国内外生产的9 5 i 程机械( 如船用起货机、舵机、绞缆机、装载机、挖掘机 等) 、9 0 数控加工中心( 大型数控精密液压机床等) 、9 5 以上自动化生产线都采 用液压传动技术f ”。液压技术的应用对机电产品质量的提高起到了极大的促进和保 证作用。但是液压传动能量利用率不高，整个系统效率也较低。因此，节能成为 液压传动技术中的主要研究方向之一。为此本研究是把目前广泛应用于其它领域 的交流变频调速的先进技术应用予液压系统中，提出用变频器控制电机转速，驱 动定量泵达到调节液压系统所需的有效输出流量，这样不仅可以避免传统的液压 伺服装置对油液抗污染要求高，伺服机构复杂，价格昂贵以及由于长时间不工作 在满负荷状态所导致驱动电机效率不高等缺陷。另外还可以通过控制电机转速， 调节系统运行的控制参数，避免电机和液压泵的高速连续运转，从而有效地降低 系统噪声和机件磨损，提高系统使用寿命和可靠性。其中最重要是减少液压系统 能量损失，提高整个系统工作效率。 1 2 变频液压技术研究 1 2 1 变频液压技术的研究背景 目前，发达国家的异步电动机9 0 已采用变频调速。我国也把交流电机变频 调速技术作为重点推广技术。但交流电机变频调速技术在液压领域应用尚不多， 这迫切需要我们进行这方面的研究。毫无疑问，随着电力电子技术的发展，变频 器性能会越来越好，而价格会越来越低，液压领域将会普遍地应用变频变压 ( v v v f ) 技术【2 1 。 由于电机变频调速技术在液压系统中应用具有显著的节能效果，所以世界各 国对此十分重视。为此我国已将推广交滚电机变频调速这项技术作为电力电子技 术发展的重点，大力发展电机变频技术以实现对现有产品的更新换代。 具体来讲，变频技术应用于液压系统的研究背景基于以下几个方面原因： 1 ) 交流电机调速技术的发展 在交流调速没有使用变频变压技术之前，它与直流调速系统相比，直流电机 具有良好的调速性能和起动、制动性能，而且还具有优良的静态和动态性能，所 以直流电机调速系统在电机调速领域占有统治地位。但是直流电机采用电刷和换 向器完成电枢电流的换向，在运行时电刷和换向器之间经常产生火花和摩擦，造 成换向器和电刷都需要经常维护保养，这使得直流调速发展受到很大限制。 在早期交流调速采用一些简单的调速方案如【3 l ：定子调压调速，变级调速，定 子串电阻调速，变转差率调速等。这些调速方案性能较差，浪费能源，而且只能 在些限定的场合可以应用，从而导致早期的这些交流调速方案不可能在工业领 域中得到广泛的应用。 交流调速基本理论在很早就已经确立，但是由于电子技术和控制方法限制， 使交流调速实际应用受到很大限制。到上世纪7 0 年代德国专家e b l a s c h k c 提出“感 应电机磁场定向的控制原理”( 即交流电机的矢量控制理论) ，美国专家r c c u s t m a n 提出“感应电机定子电压的坐标变换控制”( 即交流电机的直接转矩控制理论) ， 解决交流电机转矩控制问题 4 1 。由于交流电机无电刷和换向器，不需要大量维护保 养工作，与直流电机相比，输出功率相同时，交流电机结构简单，坚固耐用，适 应安装运行环境广，可以在较高转速和电压下运转。而且随着电力电子技术和功 率电子器件发展，变频器性能日益完善，交流调速性能差的问题已得到根本性解 决。所以现交流变频调速系统在性能上完全与直流调速系统相媲美，再加上以上 交流电机固有的优点，更适用于直流调速系统无法比拟的场合。 目前实用的异步电动机变频调速系统，主要有四种控制方式【1 0 l ：变频变压控 制调速系统、转差频率控制调速系统、矢量控制调速系统、直接转矩控制调速系 统。 2 ) 传统液压系统调速方法的优缺点p 1 ( 1 ) 节流调速：它是由定量泵供油，用流量阀调节进入执行元件( 液压缸或 液压油马达) 的流量来实现速度调节。在执行器运行过程串，始终存在着较大的 溢流损失和节流损失，液压系统功率效率很低，油液发热量很大。 ( 2 ) 容积调速：它是利用变量机构的位置控制来改变油泵和油马达排量来调 节执行元件的运动速度。容积调速没有溢流损失和节流损失，效率较高。但是容 积调速回路具有一些缺点【4 】： 需要一套比较复杂的变排量控制机构，对液压油介质要求较高； 斜盘的摆角只能限制在定的范围内，因此调速范围受限： 电机转速固定，因而小流量时液压泵仍作高速运转，摩擦副的磨损加剧， 噪声加大； 电机效率随负载而变化，在轻载时效率很低； 变量泵比定量泵的噪音要大。 3 ) 基于变颓技术液压系统的性能特点 近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技 术迅速发展，交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已 成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质 量和改善环境、推动技术进步一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动 性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛适用范围及其它许多优点而被国内 外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术越来越受到人们的重视。将变频 技术应用于液压系统，给液压调速带来一个光明的前景，特别是大功率间歇运动 的调速系统，实现对执行元件的调速，这种调速方法和传统的变排量调速方法截 然不同，它是靠改变电机电源频率和电压来调节电机转速，从而达到调节执行元 件速度的目的。该系统性能优点如下： ( 1 ) 高效节能 变频变压液压调速系统无节流损失与溢流损失，故液压系统回路效率高，与 传统阀控节流调速相比，节能率在2 0 以上。如果用能量回馈型变频器。制动负 载时能量回馈电网，节能率在4 0 以上【5 1 。另外，变频变压液压调速系统属于转差 功率不变型调速系统，电动机效率在调速时基本不变。 ( 2 ) 调速范围增大 对于变频变压调速系统，在额定转速以下调速属于恒转矩调速，额定转速以 上属于恒功率调速，调速范围可达额定转速时5 6 倍。如三菱变频器的频率设定 范围为旷o o h z ，可以根据工况的需要设定1 8 种不同的转速f s 】。 ( 3 ) 较高的调速精度 通用变频器的频率最小设定单位一般为o 0 1 h z ，对于四极电动机，其转速分 辨率为o 3 r r a i n ，可见调速精度相当高皿1 。 ( 4 ) 提高系统的寿命和可靠性 在变频变压液压调速系统中，一般都用可靠性高而又对系统要求低的定量泵 代替娇气的变量泵，同时避免使用对介质要求高的伺服阀，因而提高系统可靠性。 ( 5 ) 降低噪声、油温和泄漏量 由于在变频液压调速系统中采用定量泵，与变量泵容积调速系统相比，定量 泵的噪声要比变量泵低，降低系统噪声，更符合环保要求。 采用变频技术的液压系统油温可降至3 5 5 0 左右f 6 】，保证液压系统稳定性， 液压油使用寿命也会延长。同时，由于简化液压系统，将降低液压油的泄漏量， 并减小液压系统占地面积。 1 2 2 变频液压技术在国内外的发展 国外变频液压技术应用情况介绍 k l l z l l o 等人提出用变频驱动实现液压系统恒压控制方案，y u t a k a 等人对这种带 蓄能器变频驱动恒压系统的特性进行探讨，并做一些性能测试1 7 】。此后，他们又对 变频电机驱动定量泵、普通电机驱动变量泵和变频电机驱动变量泵等几种情况的 节能效果及动态特性作了对比实验研究。结果表明，普通电机驱动变量泵系统和 用变频电机驱动定量泵系统效率近似相等，变频电机驱动变量泵系统效率最高。 普通电机驱动变量泵系统和变频电机驱动变量泵系统的流量响应快于变频电机驱 动定量泵系统的流量响应。 液压领域中最早应用变频调速技术的对象是液压电梯。早在1 9 8 4 年，日本三 菱公司( m i t s u b i s h i ) 就开始着手研究变频驱动液压电梯，并于1 9 8 6 年申请美国专利， 这篇专利文献开创变频驱动技术用于液压电梯的先河，直是研究变频驱动液压 毫梯最基础文献。在这篇文献中，提出通过检测电机转速，将实测转速与给定转 速进行比较，利用转速差值信号作为变频器的控制信号，变频器输出不同频率的 电信号来实现对电机和泵转速的调节，从而调节液压系统的流量。2 0 世纪9 0 年代 初，三菱公司率先将这种变频驱动液压电梯推向市场：到9 0 年代末，瑞士柏林格 公司( b e r i n g e r ) 和德国l e i s t r i t z a g 公司及其研究人员k l i t z k e 都推出液压变频产品。 柏林格公司推出交频驱动液压电梯，其控制系统采用变频和阀控技术相结合的方 案，用其高质量的动态双向流量传感器作为反馈元器件实现闭环控制。电梯上行 工作原理与其他标准变频驱动液压系统相同，下行的起始加速段和减速停层段采 用比铡电磁阀控制，其他阶段采用变频控制。德国l e i s t r i t z a g 推出交频驱动液压 电梯是采用变频驱动技术和活塞缸带配重系统相结合的方案1 3 1 。 除了在液压电梯上应用以外，变频驱动液压技术还在飞机、注塑机、液压转 向系统、制砖厂等获得应用。 国内变频液压技术应用情况介绍 国内交频驱动液压技术的研究和液压电梯的研究是密不可分的，浙江大学流 体传动及控制国家重点实验室自1 9 9 2 年开展对变频驱动液压电梯研究来，先后开 发研制了三种变频液压电梯控制系统；变频一阀控相结合、上下行全变频和带蓄 能器的变频控制系统。 变频一阀控相结合的变频驱动液压电梯控制系统，其上行采用变频变压变频 容积调速控制，下行则采用流量一电反馈二通电液比例阀控制的混合控制系统。 该系统的特点是对变频器的力矩性能要求不高，无需电机轴转速反馈，简化液压 泵站结构；而下行采用流量反馈的比例二通阀调速，虽然结构简单，但是下行过 程的势能设有得到有效的利用，在下行过程中由于阀口节流损失引起的油液温升 比较严重，方案的实用性不佳。全变频驱动液压电梯控制系统，其上、下行程均 为变频容积调速，而且下行时由电梯轿厢自重所产生的机械能带动电机反转，电 机处于发电状态，向电网回馈电能。这种系统同阀控液压电梯相比，其节能率约 可达4 0 。不过由于采用轿厢速度直接反馈，中间包含较多的环节，虽然可以获 得较高的稳态精度但系统的动态控制品质较差。带蓄能器的变频驱动液压电梯 控制系统，下行时轿厢自重所产生的机械能通过由电机一主回路泵马达一蓄能回 路泵，马达一蓄能器所组成的压力一能量转换装置转换成压力能储存在蓄能器中； 当在上行时，储存在蓄能器中压力能又为电梯提供辅助动力。这种系统同阀控液 压电梯相比，其节能率可达6 0 【8 1 1 9 1 ，而且可以较大幅度地降低系统功率。 由于采用轿厢速度直接反馈变频驱动液压电梯的控制系统包含变频器、电机 及液压系统多个环节，整个系统存在较大惯性、死区和非线性，给控制带来难度。 为此，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室电梯组多年来对多种智能控制算 法在变频驱动液压电梯中的应用进行深入研究。研究变频驱动液压电梯的模糊控 制、模糊p i d 控制、单神经元p i d 控制、非线性p i d 控制、神经网络控制，从而 提商变频驱动液压电梯的控制品质。 此外广东工业大学罗勇武等对交流变频闭式容积调速液压控制系统进行开环 控制研究，并获得广东省重点攻关项目资助【4 9 l 【5 0 l ；西安交通大学王世明等对以交 流变频电机与定量泵代替变量泵的闭式容积调速回路作了模糊神经网络闭环控制 研究，取得较高的速度稳定性和回路刚度【5 ”。 1 3 变频液压谓速系统控制技术的发展与现状 本论文是将传统液压调速系统用交频器加定量泵来代替，提出一种新型液压 调速方案。传统液压调速系统一般采用基于经典反馈p i d 控制，p j d 控制也因其 控制规律简单和易于理解，受到工程界的普遍欢迎。然而随着人们对控制品质要 求不断提高，液压调速系统中p i d 控制的地位发生动摇。这主要是由于变频液压 调速系统的特性所决定的。 1 ) 变颓液压调速系统是一个严重不确定的非线性系统，环境和任务复杂，普 遍存在参数变化，外干扰和交叉偶合干扰： 2 ) 变频液压调速系统对速度恒定和跟踪精度都有很高的要求； 3 ) 在高精度快速跟踪条件下，变频液压调速系统中的非线性作用己不能忽略。 因此，可以说变频液压调速系统是一个典型未知的非线性不确定系统。这类 系统扰动大，工作范围宽，时变参数多，难以精确建立数学模型。这些特点对系 统的稳定性，动态特性和调速精度都会产生严重的影响，特别是对于控制恒速精 度高，受负载特性影响大而难以预测的变频液压调速系统更是如此。所以在实际 运行过程中必须随时地改变p i d 设置参数，传统p i d 控制是很难满足系统的控制 要求。 近年来，控制科学的发展推动变频液压调速系统智能控制的研究。模糊控制 和神经网络控制等非线性控制技术在变频液压调速系统中取得一席用武之地田1 a 变频液压调速系统非线性智能控制研究的前景是十分广阔的。 然而，目前存在许多问题，比如：非线性系统理论不完各，对如控制策略设 计、稳定性分析以及非线性和智能控制理论方法在实际应用中存在的局限性缺乏 有针对性的研究等。此外应该指出的是，虽然变频液压调速系统中的非线性因素 对控制系统的设计产生一定的影响，但是这些非线性因素的影响在大多数条件下 远不如负载扰动的影响大。在控制器作用下，这些非线性影响都可以在一定的程 度上得到减少。对于交频液压控制系统恒速运行的要求而言，负载干扰在所有影 响因素中影响是最大的，为此在进行变频液压调速系统的结构设计和控制嚣设计 时，考虑最多的也应该是负载变化。 基于上述现状，对智能控制策略进行深入的研究，以寻求一种新的控制方法， 并探求一条可行的工程实现途径，实现对未知不确定非线性变频液压调速系统的 高品质控制已经是刻不容缓的。下面对控制理论发展进行简单的介绍， 经典反馈控制【2 9 l 主要目标之一是提高控制系统鲁棒性，然而，经典控制理论 忽略一些非线性特性。只能对较小程度的不确定性系统进行控制。但是经典控制 理论还是推动当时自动化技术的发展。而且在当今许多工程、技术领域获得广泛 应用。在实际应用中都存在以下问题： ( 1 ) 传统控制系统的设计和分析建立在系统精确的数学模型基础上，而实际 系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性。常常无法获得精确的数学模 型，甚至难以建立数学模型。 ( 2 ) 研究这些系统，必须提出假设条件，而这些假设条件在应用中往往与实 际并不相吻合。 ( 3 ) 为了提高系统的控制性能，传统控制系统可能变得十分复杂，从而增加 设备的投资，降低系统的可靠性。 现代控制理论【2 9 】的出现，弥补经典控制对时变系统、非线性随机系统控制无 能为力的一些缺陷。但是对于复杂不确定系统的控制，现代控制显得过于复杂或 难以实现。 模糊控割是撑应用模糊集会理论统筹考虑系统的一种控制方式。它吸收人思 维具有模糊的特点，是智能控制较早钓形式。模糊控制的主要特点是： ( 1 ) 用模糊集合来描述实际不确定的运行工况比用精确的数字代表常变的工 况数据进行计算更接近实际，而且计算处理简单又快速。 ( 2 ) 由于使用语言的方法，可不需要知道过程精确的数学模型。 ( 3 ) 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规p i d 控制，并对过程参数 变化具有较强的适应性。 ( 4 ) 横糊控制器是非线性的控制器，可逼近任意的非线性函数( 模糊系统的 万能逼近特性) 虽然模糊控制具有上述的一些优点，但是控制性能的优劣主要取决于控制规 则和隶属度函数，而经典模糊控制器的控制规则和隶属度函数都是根据经验预先 总结出来的，控制过程中对控制规则进行修正，不具备学习和适应能力。 1 4 选题的意义 综合前面所述，对于变频技术的液压调速系统而言，首先，它是一个严重不 确定非线性系统，环境和任务复杂，普遍存在参数变化，外干扰和交叉偶合干扰 等；其次，变频液压调运系统对速度精度的要求很高。在高精度要求的条件下， 变频液压调速系统中的非线性作用已不能忽视，因此，这是一类典型的未知不确 定非线性系统。这类系统扰动大、工作范围宽、时变参数多、控制要求精度高、 难以建立准确的数学模型。这些特点对系统的稳定性、动态特性和精度都产生严 重的影响，特别是速度控制精度受负载特性的影响而难以预测。在这种情况下， 仅采用传统液压控制技术( 如p i d 等) 已难以满足人们日益精确的控制要求。正 是在这种背景下，基于变频技术的液压调速系统的智能控制研究有着十分广阔的 应用前景。 实际上，含回转类负载的液压动力设备并不少见，液压精密机床、液压提升 机、起货机、卷取机、采煤机、注塑机等一般都含有泵控马达系统，系统功率比 较大，都需要对马达转速进行实时控制。因此，研究大功率回转类负载的变频驱 动，研究马达转速的实时控制特性具有重要的意义。 1 5 论文主要工作及结构安排 本文根据基于变频技术的液压调速系统的要求，提出基于变频变压的变颓调 速方案。针对变频液压调速系统的大惯量、强负载扰动，多偶合的非线性特点， 分析内部参数和负载对系统调速性能的影响，对控制方案进行研究，采用模糊p i d 控制方案，并对本文提出的控制策略进行仿真验证。 论文总体分为七章。简介如下： 第一章简要介绍基于变频技术的液压调速系统的发展现状；此外还阐述本论 文研究的目的、意义及论文的主要工作和结构安排。 第二章介绍基于变频技术的液压调速系统的原理，建立系统的数学模型，并 对系统数学模型进行简化，写出系统的开环传递函数。 第三章对变频液压调速系统的特性进行分掇。用劳斯一赫尔维茨稳定判据分 析该系统的稳定性，同时利用s i m u l i n k 对系统进行仿真，分析参数变化对系统调 速精度的影响。 第四章进行模糊控制器的设计。分析传统控制方案的不足，提出油马达速度 大闭环控制方案。进行模糊p i d 复合控制器的设计。 第五章用s i m u l i n k 对基于变频技术液压调速系统的控制方案迸行仿真。参数 变化和负载扰动对系统的动态特性，并与传统p i d 控制进行比较。结果表明系统 采用模糊p i d 复合控制优于传统p i d 控制，验证采用模糊p i d 复合控制对变频液 压调速系统控制的可行性。 第六章结论和展望 第2 章基于变频技术的液压调速系统数学模型的建立 2 1 基于变频技术的液压调速系统的原理分析 本课题研究的液压调速系统是以变频泵控马达调速系统为研究对象。图2 一l 所示为变频泵控马达液压调速系统原理图。三相电源接入变频器l 的输入侧，经过 交频器。变频器l 将3 8 0 v 5 0 h z 的工频电源转换成特定频率特定电压的正弦电压 信号供给异步电机2 ，电机2 带动主液压泵3 旋转，主泵3 输出一定流量的压力油， 压力油经滤油器4 ，单向酒5 及换向阀6 驱动双向定量马达7 做阐转运动，马达7 出油口的低压油经换向阀6 回油箱。马达输出轴用联轴节同转子轴相连，在转子 轴上装有惯性轮8 和转矩转速传感器9 ，转子轴的另一端用联轴节同加载泵l o 输 出轴相连，所以马达7 回转又带动加载泵1 0 回转。加载泵1 0 从低压侧吸入液压 油，出油1 2 1 排出高压油，哪一侧是低压腔哪一侧是高压腔视加载泵的回转方向而 定。假定图中加载泵的上侧为高压腔，则压力油经单向阀1 4 、比例溢流阎1 5 流向 低压侧，低压侧的油液再经另一个单向阀流向加载泵1 0 吸油1 ：3 构成一个回路。图 中两个安全阀，用来限定加裁回路高压侧的压力。溢流阀1 2 经液动换向阀1 3 圈2 1 变频泵控马达液压调速系统原理图 1 一变频器，2 一电机。3 一主泵。4 一滤油器，5 一单向闽6 一电磁抉向阍或比例伺 服阀，7 一马达，8 一惯性轮，9 一转矩转速传感器，1 0 一加载泵，1 1 一安全阀，1 2 一加载低 压回路滥流阀，t 3 一渣动换向阀，1 4 一单向阀，1 5 一比例溢流阀，1 6 一安全阀或溢流阀， 以限定加载回路低压侧的压力。调节比例溢流阀1 5 阀口开度大小，可以改变加载 回路高压侧的压力，从而模拟不同大小的负载。 图中1 6 是安全阀或溢流阀。当马达7 转速依靠改变变频器的控制电压来调节 时，主回路无溢流，这时1 6 起安全阀的作用，它的调定压力要高于最大负载作用 时的系统压力。当图中的三位四通换向阀换成比例溢流阀或普通节流阀。并且电 机2 作为普通的异步电机使用时。马达7 转速是依靠改变流最控制阀的阀口开度 来实现，这时主回路有溢流，图中1 6 为溢流阀，溢流阀的调定压力由实际工况的 需求确定。 2 2 基于变频技术的液压调速系统数学模型的建立 2 2 1 变频器环节1 1 2 j 变频器的输入电压范围是0 v 一5 v ，相应的变频器输出到电机定子侧的电流 频率为o 一5 0 h z ， 变频嚣和异步电机相比，其时间常数小得多，忽略变频器动态 响应过程，将变频器简单地看成比例环节。变频器输入是控制电压u c ，通过 变频器得到相对应的电源频率z 和电机定子的相电压u 1 ，z 与“。的关系如下： z = 毛。 ( 2 1 ) 式中是电压频率转换系数。因为吣的范围为卜5 v ，频率石的范围是 0 - - - 5 0 h z ，所以k 。= i o h z v 。变频器的控制面板上提供了设置v f 曲线的功能， 旨在提高电机在低频下的转矩特性。 由电机学可知，稳态情况下异步电机定子每相电压与每相感应电动势的关系 为： d ：量。+ t z ，：j 2 筇a l , , + f 置i , + j 2 n f ，厶tl ( 2 2 ) u = e + l 互=厶+ l 置 上1 ，。l u _ 式中，e = j 2 t r f k 。； z l = r l j l + j 2 r c f l l , ls ； 为定子相电流： 为励磁电流； 墨为定予每相绕组电阻； l 为定予和转子间的互感 由于变频变压控制方式成立的前提条件是忽略了定子阻抗上的压降。但是在 z 较低时，由式2 2 可知，定子感应电动势有效值e 也变小，其中惟有tr l 项并不 减小，与巨相比，互比重增加，u i * t 不再成立，也就是说正较低时定子阻 抗压降不能再忽略了。为了让姿：c o n s t 的控制方式在低频情况时也可以应用，往 j 1 往在实际工程中采用l 墨补偿措施，即根据负载电流大小把定子相电压有效值u 适当地提高，以补偿定子阻抗压降的影响。补偿后的u ：_ 1 = c o n s t 的控制特性如图 t r j l 2 2 图中的曲线所示。 图2 2 低压补偿v ，f 曲线 频率h z 石较低时，如果不进行l 马补偿，孚= c b 删的控制原则失效，异步电动机势 必处于弱磁通工作状态，异步电动机的最大转矩瓦。必然严重降低，导致电动机 的过载能力下降。当在z 较低时采用l 蜀补偿后，u ，i ：g 。n s t 表明了低频时仍能使 气隙磁通九恒定，也就是说在低频情况下通过t 墨补偿后，电动机的最大转矩瓦。 得到提升，因此通常把r 补偿措施也称为转矩提升( t o r q u eb o o s t ) 。 根据不同的工况能够设定不同的低频补偿电压。根据变频器手册， 在这里设 定补偿电压u 。_ 7 6 v 。设置的曲线如图2 2 所示，从图中可以看出，电机的相 电压u i 与电源频率z 的关系为： u = 2 2 0 5 - 0 u 1 0 z + 。 ( 2 - 3 ) 式中：u 。低频转矩补偿电压v 当( 2 3 ) 式中的低频转矩补偿电压u 。在数学模型中忽略时，即u o = 0 v 时上 式变为： u = 巧z ( 2 4 ) 式中：巧一频率电压转换系数巧= 等= 4 4 v h z 将式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 合并就得到变频器的数学模型： u = 2 2 5 0 0 - b k 。u 。+ u 。 ( 2 5 ) 忽略u 。低频转矩补偿电压则简化后变频器的数学模型为： u l = k n i q 虬 ( 2 6 ) 2 2 2 电机环节的数学模型 异步电动机动态数学模型的性质： 1 ) 强藕合性异步电机的输入有电压( 或电流) 和频率，若考虑电压是三相的， 实际输入变量数目还要多；输出有转速和转矩，因而异步电机是一个多输入多输 出系统，且电压( 电流) 、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以它又是一个 强耦合的多变量系统。 2 ) 非线性在异步电动机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得到旋转感 应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积。这 样一来，即使不考虑磁饱和等因素。数学模型也是非线性的。 3 ) 高阶性三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每 个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性再加上运动系统的极点惯性，即使不考 虑变频装置中的滞焉因素，至少也是一个七阶系统。 因此，交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 在这里，首先考虑变频器在变频变压工作方式下。由于描述异步电机的动态过程 的电磁方程组极其复杂，而且相对于液压系统的动态过程来说，电机的瞬变过程 较短，因此可以忽略电机中的电磁瞬变过程，则异步电动机的电磁转矩瓦为【1 4 】： ，3 m p q ( 是s ) “础墨+ 争) 2 + 讹圳2 】 ( 2 7 ) 珈，( 争面面警丽商 式中，一异步电动机的磁极对数( = 2 ) ； u 一异步电动机定予的每相电压v q 一异步电动机的角速度 r a d s 足一异步电动机定予每相电阻 q 置一异步电动机折合到定子侧的转子每相电阻 o s 异步电动机的转差率 s = 1 一( 夕乞) ，一异步电动枧的同步转速2 罨 “m i n 一异步电动机的实际转速r r a i n 厶一异步电动机定子每相漏感h 如一异步电动机折合到定子侧的转子的每相漏感h 一异步电动机的电磁转矩n m 异步电动机在额定工况下工作时，处于高滑差态，即转速接近l 司步转速，转 差率s 很小。根据电动机的技术资料，在额定工况下，电机的额定转速为 一= 1 4 8 0 ( r r a i n ) ，此时转差率s = ( 1 5 0 0 1 4 8 0 ) 1 5 0 0 = 0 0 1 3 3 。并且注意到r 1 与， 以及q - ( 厶+ 上2 ) 都是同一个数量级，因有坞s r 1 ，r 2 s f t i ( 厶+ 岛) ，则上式可 以化简为： 瓦*丽3mpui2r2s=32m石p缟u?，s ( 2 8 ) 在额定工况下，即电动机的供电频率f = 5 0 h z ，定子相电压u = 2 2 0 v ，转速为 额定转速n = 1 4 8 0 r p m ，转矩为额定转矩t = 4 5 0 n m ，有上式可求的折算到定子侧的 转子每相电阻坞= 专芋s = 。8 7 q ，将转差率s = 1 一( r i p ：，i ：1 z 寻： 瓦z 麓”争 将玎：皇蛆代入上式可得： ( 2 9 ) 瓦= 筠”静= 最c 秘志c 在不考虑低压补偿时，即u 。= o 时有 l = 蔫巧u 一志即，嗡u 却， 黼k = 酱 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 墨：堡堕( 2 1 3 ) 4 0 7 r g , 一。 电动机系统的力矩平衡方程为： 警厶誓= 一一一芸帆 ( 2 其中t 厶为折合到电机轴上的转动惯量，由于电机的转动惯量为0 6 5 k g r r 2 ， 考虑到泵的转动惯量以及泵与电机之间联轴节的转动惯量，确定= l 姆m 2 。 易为电动机转轴阻尼系数。根据资料，取耳= o o i n m s r a d 。 疗为电机轴上负载转矩，n l m 。 电机的负载转矩即为泵的输入转矩，考虑机械损失以及摩擦力的影响，因此 有： 致= q 0 ( 2 1 5 ) 式中，见为泵的排量，根据手册，d p 2 6 3 6 6 1 0 “m 3 r