（机械设计及理论专业论文）泵控液压马达的性能研究与仿真.pdf

华北水利水i 乜学院硕l 毕业论文 泵控液压马达的性能研究与仿真 摘要 本文分析了电液比例控制系统的组成原理、性能特点及发展概 况，对电液比例控制系统中的泵控马达系统进行了深入研究，建立了 泵控马达系统的数学模型，提出了一种改善该系统性能的控制策略一 模糊p i d 自整定控制算法，并选用m a t l a b 仿真软件对此系统进行了 仿真分析。 通过对不同的输入信号及不同的负载下对系统进行动态特性仿 真，并将该策略系统的响应曲线和常规自整定控制算法的响应曲线进 行了比较，结果表明该控制策略使泵控马达系统动态响应性能得到了 显著的改善，基本实现了马达转速恒速控制问题，达到了预期的目标。 因此，本文提出的模糊p i d 自整定控制算法是一种行之有效的方法， 在工程设计中具有较大的应用价值。 关键词：电液比例控制泵控马达调速系统模糊p i d 自整定仿真 华北水利水i 乜学院硕l ：毕业论文 t h ep e r f o r m a n c es t u d ya n de m uia tio no fp u m p - c o n t r o ile d m o t o r a b s t r a c t t h e c o m p o s i t i o n ,o p e r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f 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 l c o n t r o l s y s t e m a r e a n a l y z e d ，t h e p u m p c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e mi ss t u d i e dd e e p l yo nt h eb a s i so ft h e p u m p c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e mt e s tb e n c h ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h e s y s t e m i s d e v e l o p e d ， an e wc o n t r o l s c h e m e ， f u z z y - a d j u s t a b l e p i dc o n t r o ls c h e m e ，i sp r o p o s e dt oi m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m o nt h eb a s eo ft h ec o n t r o ls c h e m ea n dw i t h t h eh e l po fm a t l a bs o f t w a r e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m i ss i m u l a t e d o nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ti n p u ts i g n a l sa n dd i f f e r e n tl o a d s ， c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la d j u s t a b l ea l g o r i t h m ，t h ec o n t r o ls c h e m e h a s g r e a t l yi m p r o v e d t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h e p u m p c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m ，r e a l i z i n gt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo f t h e r o t a t i o n a ls p e e do ft h em o t o r , a n da c c o m p l i s h i n go u re x p e c t e d o b j e c t i v e c o n s e q u e n t l y , t h ec o n t r o ls c h e m ei se f f e c t i v e ，a d a p tt ot h e 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 lp u m p c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m ，a n do f g r e a tv a l u ei nc o n t r o le n g i n e e r i n g n 华北水利水屯学院硕j ：毕业论文 k e yw o r d s ：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 lc o n t r o l p u m p - c o n t r o lm o t o r s p e e da d j u s t i n gs y s t e m f u z z y a d j u s t a b l e - p i dc o n t r o l e m u l a t i o n 1 1 1 独立完成与诚信声明 本人郏币声明：所提交的学位论文，足本人作指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没仃剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了蹦意。本人完全意谚 到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名： 保证人( 导师) 签名 签字同期：。7 ， 签字同期：0 7 彳， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：，毛彳衫良 签字同期： 0 7 5 c 。 导师签名 签字同期 瑚砰 6il 形撕 华北水利水电学院硕士毕业论文 第一耄缝谂 ， 毫滚羧餐凌零麓爱藏及趋势 滚垂装求藜袭漫是箨魏鬻漆簿鸯学戆嚣谚茇袋褥发菠瓣。1 6 5 0 年稻新卡提 出静态液体中的压力传播娥簿懒斯卡原理，t 6 8 6 年牛顿握示了牯性浓体鳇 蠹黪擦定襻，l 嚣毯纪建壹了流俸力学豹遘壤性方程，这些瓒论韵建立为液雁技 术毂发震奠寝了理谂基礁。扶1 7 9 5 举，英毽人薹惫鲻造出爨器上嫠一妾承鍪褪 算越液蕊稽动开始进入工程领域一然而，液压技术在工程颧域被广泛采用并有 较太冁褒笈鼹颦是辩年嚣戆事壤。在蘩二汶蓬雾大疆蘧窝，蠹予军霉王热靼装 备器薅反威迅速、动作准确的液压传动及控制装置，从而研制出高糟度液压伺服 系绫，瑟遽了滚篷藏术在嚣嵇嚣霾嬲系统骞繇獒发藏瓣。 1 9 3 9 筇荚国麟省理工学院( m i 。成立髓动系缀研究室，在此基础上，1 9 4 5 年靛窕著名煞8 番悫分辑每粒豢研究室8 ( d a c e ) ，短短凡萍取得了霪要韵研究 成袋。 鞠年代。出现搿颓晌废水磁式力矩马达。7 0 年代术，c o r n e l 在d a c lo f m i t 黪会终下，辑懿出繁一台爨骥囔整投瓣魏嚣嚣缓爨簿缀囊瑕瓣，轰熟潍公霉将茭 形成产品，现在已经成为世界上最犬的伺服涧生产厂之一。 辩年我榜，窭璃了予最旁囊马达，薅凌了金鬟杂质蔽澈在磁气滚串薪霉l 起 的敞障问题，至此以后，各幂中结构的伺服阀【3 1 相继出现，悭能不断提高，篓艺 不赣毅善，蕊率逐渐下簿，筏褥毫灌控制系统逐渐飘军工、航空领域转移应嗣到 工业领域中。 毙液诧倒技术怒从1 9 6 7 年瑞士布林格尔公司k l 比例烈合阀开始诞生的。 在电滚魄铡簸寒发鬟戆第一羚爱，褰莰投是爨邃凑墅戆毫一壤壤转簌嚣莰鏊邈磁 铁或调节手柄，阀的结构几乎没有燮化，一般不含参数反馈，其工怍频率仪在 1 - s h z ，稳态滞甄在4 - 7 5 芑_ 瓣，多建予嚣嚣系巯。在靛震兹蘩二鬻羡，褥辩辫器 比例电磁铁糊比例放大器及替种内发馈装置糊结合，馒比例元件的工捧频宽墩艇 华北水利水电学院硕士毕业论义 到5 - 1 5 h z ，稳态滞环减少到3 表崧，可用于开环殿闭环控制。发展的第三阶段 ( 8 0 年幸奄，魄秘搜朱不蘸完善，袋臻了压秀，寝移，流量蠹爱镶帮韵嚣反馈及智 能桉正、自遗应控制等现代控制方法，使比例阀和比例控制系统的稳态精度和动 态瓣应蘩迸一步箍舞娜。在戴赣褥，我雷著名流体耱渤及控镧专家籍幕襻发绢带 反馈的电液比例阀进一步推动7 电滚比例控制技术的向前发展。此外，比例技术 静努一项重大发震怒，浇铡技术和捅装阀褶结合，开发出三通阀，三通比例插装 阙系烈。鼹畦，毫液逝铡技术襄传感器及镒漱子技术耀结会，形成惫滚一体铯集 成比例元件( 如数字式电液比例液成缸等) ，为电液比例技术向模块化、集成化发 袋奠定了基磷1 4 1 1 5 1 。 近年来，电液比例技术取得了迅速发展，特别是液压与电子技术的相互渗透、 有梳结合霞魄滚毙铡技来敬褥逐速麓震。现在，国外靛生声厂家不议提供荦一静 元嚣传，丽熙还能为用户提供成套系列产品。他们组成系列产品的岽黩可归结为： 液蕊、气动技术+ 电子技术+ 传感器技术。目前，国外1 3 豹自动生产线，3 0 的 撰器入，9 0 熬毽装枧壤，7 0 款铸造、锻造设备，2 0 懿轻纺挺械舔采露气魂 技术+ 电子授术+ 传感器技术。9 5 以上的工程机械，9 5 的数控加工中心，9 5 班土熬自裁生产线鄂采秀毫液控爱披零。魏静，专家系统、人工磐麓控裁量开始 应用于电液传动与控制系统中，并取得一些可喜的成果。 瑗我控髑理论雾技术露广泛毙裁爱予滚蘧系统靛设诗、新产品的开发，并正 朝整使液压系统具谢高精度、高可靠性、优良的动态和稳态性能等穷向发展。拢 井，液压系统的数字仿真技术，c a d c a m 投术，检测、测激、故障诊断等也正 在举颧缝逐步宠善，并在实鞯工程中嚣始盛惩。 l 。2 电液控裁系统的特点及分类 瞧液控制系统楚- - l - j 院较年轻瓣技术，它抟发袋强普遍应痿述不囊辩年， 然而，凭借佬的优势却形成了流体传动与控制的一个蘑要分囊，并成为现代控制 工糕鹃基零搜米梅藏芝一；瀚 1 乞 电滚羧裁系统秘特点 众所尉知，电羔和电子搜术在信号的检测、放大、处理粕传输等方嚣毙其缝 2 华北水利水电学院硕士毕业论文 方掰：具有明显的优势。因此，工程控制系统的指令殿信号处理单元和检测反馈单 元足乎无一鲷夕 恐袋用奄予器锌。然瑟，豢功率转羧放大擎元亵执终部 孛方瑟， 液愿元件则具有更多的优越性，如下： 1 ) 液援撬行嚣俘戆秘率重量院和转矩饔往玩( 或力璜量冼) 穴，具脊缀丈 的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。电 磁执行元 串的功率霪量眈取决于铁磁木孝瓣的饱和特性和功率损耗所引起的热量 耗数。滚臌执行元件的功攀霪量比取决于最赢允许愿力，实际上只受材料安全强 度的限制，而系统功耗所产生的热激又可以由流体介质带到系统散热器耗散。因 此，液压技露元俘斡功率重蓬比要魄电磁执簿元 粤翡功率耋璧魄忍警大一令数量 级，液压马达的转矩惯性矩比可达直流电机的1 0 1 5 倍，其响应速度是电气执 行嚣薛瑷零链滋撅翡。 2 ) 液压系统的负载刚度大，精度高。由于液压执行元件的泄漏很少，液体 介质的体积弹性摸囊又禳火，故其有较大的速度负载戳镌，邵速度力或转速 力瓶曲线斜率的倒数很大，因此有可能用予好环系统。用于阙环系统时则表现秀 位觏刚度太，其定饿精度受负载变化的影响小。 3 ) 液援控制系统可以安全、搿纛著迅速建实蠛频繁戆豢受载毖动秘铡动， 进行正反向赢线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 滚垂控铡系绞迩春一墅其建爨赢，铡麴：传动媒介兼鸯润滑终麓，有耧予延 长元件的工作寿命：特别是功率分流比机械方式来得方便；另一方灏，它也存在 菜黧缺点，童要有：效率较低；对流本介霞豹清洁浚管理要求较高；漏泊易污染 环境，故要求系统密封严密无外泄漏：其次，由于流体介质的工作滋度范固和闲 点的限制，系统存在工作温度上下限和抗燃、防爆蹿技术要求；再者，由于液压 系统中很多环节多典有 # 线性特性，款系绫的设计粒分辑较毫控复杂；还鸯，鞋 液滕方式实现信号的检测、处理和传递不如电气方式方便等【7 】【8 1 。 毫气或毫孑技本和滚簇传动及控裁穗续舍熬产物一亳渡控裁系统兼备了电 气和液压的双重优势，形成了具有竞争力的技术特点。 当然，农菜些场合下，指令元件和反馈薅件也可全部采阁祝械、气动或液压 元件，此时，即称为机械一液压控制系统和气动一液压控制系统。 华北水利水电学院顽上毕业论文 1 2 2 电液控制系统的构成 工程实际中的电液控制系统，驻然功能和结构各不相同，但其纂本构成仍可 归纳为典型方框凰如图l l 赝示： 鬻1 1 龟滚院倒按铡系统攥蚕 系统的指令及放大单元多采用电子设备。电机械转换器往往是动圈式或动 铁式电磁嚣箨帮词缀电机、步迸电飘等。它豹功能怒将放大器输出的控制信号转 换为机械量控制信号一力( 力矩) 和位移( 转角) 。液瞧转换及放大器件可以是备类 开关式、伺服式和比例式器件，实际上是一功率放大单元。液压执行元件通常是 液愿缸或液压马达，对于液压缸其竣出参数只能是馁移、遴发、热速度；对于液 压马达力其输出参数只能是转角、缃速度、角加速度和转矩。测量和反馈器件是 耪上述技行元箨竣滋豹动力参数或黉其它审润状态变量热黻硷溅势转换秀反镄 量，既可以采用电信号反馈歪指令放大器，亦可以采用机械域液压方式反馈援电 税辗转换器豹输入端。包攒液压执行元 孚在内的电液控制系统可以归属电液伺 服控制系统1 9 。但不仅如此，取自控制对象的反馈信号还可以是各类王艺过程的 物瓒、化学、生物等受控参数，因此这种控制系统可以看成避广义的工程控制系 统。液压动力源通常采用由銮积式液压泵、滋淡阙粒蓄能爨赝组成毽压油源，在 个别场合也采用由容积式液压泵和安全阀组成的恒流源。 1 2 3 电液控制系缆的分类 电滚控翩系统裔很多分类的方法i 斓，翔按系统的控制方式分类，可将系统 分为开环控制与闭环控制系统；按信号的连接特点分类，可分为反馈控制、髓馕 4 华北水利水电学院硕士毕业论文 控制及含有反馈和前馈的复合控制系统；按系统功用可分为线性系统和非线性系 统、连续系统窝离数系绞、定掌系绫秘酵交系统、猿定系绫窝不磷定系统等。 1 开环控制系统和闭环控制系统 并环羧麓系统耩阕琢羧截系统跫控裁系统豹秘耪最基零的形式。开环控涮系 统就是系统的整个输出对熬个系统的输入没有影响的系统。它的控制信号与输出 信譬仅有箭淘通道，丽没脊反馈通邋。它的输入是攀先设嵬韵，与输出无关，系 统的精度由事先校榷精度来控制。开环控制系统结构简单、维护秘检修方偻恳成 本低，故广泛应用于许多控制系统中。图1 以为一般开环控制系统的方块圈。 赣 r 1 控涮信号厂 输出 1 竺竺r 叫竺竺翌兰广” 鎏1 2 廷拜羧鞠系统 闭环控制系统和开环按制系统之间的区别是多了一条从输出端到输入端的 菠後通道。系统静输密信号通过反镄系统反馈至n 输入端，和输入信鼍裙磁较蔟得 到偏差信号作为控制系统的输入，殿馈系统的作用便是减少系统的输出偏羲，这 样就可以得到比较好的控制效果。闭环控制系统通常也称为反馈控制系统。闭环 控制系统的输出量戆够自动跟踪参考竣入，减少跟踪误差，掇裹控铡系统憨糖度， 从而抑制扰动信号对它的负面影响。在系统中的反馈通道能够使系统对前向通道 孛嚣器 争熬经能参数豹交纯不灵襞，这样洚鬣了对系统蘸两逶道熬露器终豹精度 要求，其反馈作用可以降低系统的某些非线性影响。本论文中讨论的泵控马达系 统赣是这耱蠲珏系统，系统率反镄元箨秀转速传感嚣，图1 3 为一般闭环控制系 统的方块图 图1 3 闭环控制系统 2 毽篷控麓系统和隧动控稍系统 按输入信号的形式可将系统分为恒值控制系统和睫动控制系统。恒值控制系 统爨指参考输入量保持常值的系统。其任务最消除或减少扰动信号对系统输出的 华北水利水电学院硕士毕业论文 影响，使被控量( 即系统的输出量) 保持在给定或希望的数值上。如正业控制中的 电规谖速系统、漫发控制系统葶曩位蒙控卷l 系统等。熬动控割系绞霆豢参考输入量 随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度来跟踪参考输 入爨，舔踩瓣速度酾精度怒随动系统赘嚣瑗主要经能指标。 3 线性系统和非线性系统l 按组成系统的元件特惶可将系统分为线性系统和菲线性系统。线性系统是指 构成系统的所有元传都是线性元件灼系统。其动态栏能可躁线性微分方程攒述， 系统满足叠加原理。非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统， 它哭能用j # 线性微分方程攒述，不满足叠翔爨理。安器孛，理想瓣线蝗系缓是不 存农的，构成系统的元件中总会或多或少含有非线性特性，如果系统的这种q e 线 缝懿往在一定条箨下，或在定范穗内呈线经特缝，潮胃耨它稍透幸予线性纯簸理， 这类系统或元件的特性称为非本质j 线性特性。反之，称之为本质非线性，只能 用释线性毽论进行分析研究。 4 连续系统j 葶离教系统 按系统中信号的特征可将系统分为连续系统和离散系统。连续系统是指系统 内务处豹信号都是以连续载模按量传递戆系统。系绕内菜楚减数处餐号是苏熬净 序列或数码形式传递的系统则称为离散系统，其运动方程只能用差分方程描述。 熬i 串痔列胃癌稼 孛髂号发雯器或振荡器产垒，遣可掰采样舜荚将连续信号交成脉 冲序列，这类控制系统又称之为采样控制予系统或脉冲控制系统。而用数字计算 枫翁数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。 5 节流控制系统和容积控制系统【1 2 1 按功率调节元件的不同可分为带流控制系统和容积控制系统。节流控制系统 也称为阙控系统，它是利魇麓滚骧璞控裁浚入技霉霞 枣戆浚爨或莲宠豹系统。这 种系统中必商流量控制阀，同时也配有溢流阀。显然，节流控制系统是通过能量 豢失来实瑗控裁器瓣，掰教必然效率较低。艇是，这种系统缩掏篱举，调节控铜 比较容易，系统的快速响应能力很强。 容积控制系统又可称为系控系统，它是利用比例变量泵改变排黧的办法控制 流入执行元件的流量或压力的系统。这秘系统的特点是效率较高，发热量小，与 节流控制系统比系统刚度较好，一般用于功率较大的场合。但是，它的结构较复 6 华北水利水电学院硕士毕业论文 杂，调节惯量较大，快速饿不如节流控制系统。 1 2 4 电液比仞控制系统的特点 与其它的滚蓬控麓系统相比，瞧液眈铡控裁系统具有戳下特点： ( 1 ) 能简单地实现自控、遥控和程控； 2 ) 工侔平稳，爱敏度和控制精度较高： ( 3 ) 可麓化液压系统，减少元件使用，毅此结构麓单，弱对抗浮染能力强； ( 4 ) 系统的节能效果好； 5 ) 霹逡续蘧、梭毙爨缝羟裁滚压撬擒翡力、速凄，势耱藐壹邋力、遗发变 化域换向时的冲击； 鼢戆愁龟鹃俊遽毪、灵活往及精确毪镶优点黼液压动力传动等特点有枫毯 结含起来。智能化、集成化、自动化程度高【4 j 。 1 3 本文研究的定要内容 本论文针对电液比例压力流量控制系统实验台中的一个模块一泵控马达系 统送行研究，主要镪括以下一些内容： 1 ) 查阅大量的资料，了解电液比例控制技术的发展历程以及这种新兴技术的 组成、特点簿。 2 ) 对电波比铡艨力滤量试验台徽了楚妥熬食缨，劳对奉论文黪童要磅突瓣象 泵控马达系统从各个方面进行了详尽的阐述。 3 ) 对泵控马达系统建立了完整豹数学模攫。 4 ) l g 较目前各类控制算法，并分析了系统的动态特性，提出了种适合泵控 马达系统静控稍算法。 5 讨泵按马达控制系统进行m a d a b 建模，并对此系统进行仿真。 1 4 小结 介绍了电液比例控制系统的发展概况，并绘出其特点、分类和组成。 给出了本义的主要内容。 7 华北水利水电学院硕士毕业论文 第二章电液比例变量泵控马达系统原理 2 。l 实验螽简述 电液比例伺服综合实验台是将比例阀实验台、伺服实验台( 吉阀控缸) 、泵 控马达实验裔在计黧梳辅勘测控( c a t ) 嚣穗下合成一体的练合实验设备，实验 台螅油源、幸 算机测控系统靼操作套实瑗了嫒 牛共攀秘一体多毖的功黢。实骏台 采用工控机和工业化的测控仪表组成测控系统，基予l a b v i e wc v i 和v i s u a lc 嚣发溺控稷窿移入槐爨囊，实褒霹涮、霹控，天撬交互獒操佟赛嚣，彝靖考虑了 用户的使用要求与威用程序扩展。 实验套包摇泵站2 0 - 3 0 k w , 藿嚣浊源，溺控豪实验套( 含满静祷链灞试，浇爨 阀控缸。伺服阀控缸三个单元) ，泵控马达实验台( 泵控马达，测试仪袭，液压加载) ， 诗辫祝，采爨卡，铽稳软件等。 泵控马达综合实验台谢以进行装控马达翳速度特性试验鞋及其它验谜牲试 验，保留了谶一步扩展功能的可能憔。 本滚丞实验台采瑶3 0 ( i 交滚舔援莲动棒镶车载变量蒙一定量马达盔，然嚣滚 压玛达驱动定量泵，通过溢流阀加载。动力源为3 0 k w 交流电机交流电机，执行 捉稳必定量舄达，负载为遥 过加载溢流阀可调负载压力 静定譬泵；通过溺撩箱调邂 转速，上馒枫测控软 牛实瑗 数据的采集。 马达戆遥度遂避磁遣式 转速传感器检测。变量泵的 舞嚣逶蓬嚣苓毙爨放大器熬 电流进行控制。加裁采用避 运驱动泵翔裁。 整体包含；泵控马达( 浆 控马达，测试仪表，液压加 举北水利水电学院硕士毕业论文 载) 。工业计算机，数据采集卡，测控软件等。 在现鸯豢疆土可隧进褥疑下试验矮霉； 泵控马达空载遮度特性燕验 泵控马这转速控铷系统实验 凝控马达转速控制系统抗负载扰幼实验 电滚魄绷远程诵涯油滚由电机拖动手调伺服交鬣泵供油，系统瑷有电磁溢流 蜒( 通电对锑蕊) 秽电渡比僦溢瀛阕；系统孛蛉电磁溢滚阕椽安全秘鼹蔫瑙，逶 过电液比例溢流词调定压力。它可以为阀控缸试验或其它试验装鬣提供压力 注。除圭莲力输警弱终，系统还其露一囊餐燃霹，提供匿力誉超遂主压力斡嚣力 油。液压油源系统原理图见阂2 1 。 圈2 1 菠骶油源系统原理图 液压油源按空阍分布分为两大部分：波腹台和电控台； 9 华北水利水电学院硕士毕业论文 图2 - 2 为液压油源液压台部分。为液服油源的工作主体； 嬲2 - 2 波压 虫源滚压台部分 图2 - 3 为液压油源电控台部分，实现对液压油源的起停、急停、本地远程 调爨等控制功能，霹黠涟惑壤警实瓣鉴控各令渡虑王终羧态； 图2 - 3 液压油源电控台部分 1 0 华北水利水电学院碗士毕业论文 2 2 泵控马达系统 液压聚与液压码达组成的容积调速系统被广泛成用于国民经济的各个部门。 壹予与：骞滚淫逮相魄，套鬏调速没窍摹渡臻失，困j 筵：功率蘩j 麓率褥辅缀大撬高， 尤其适合犬功率和对转速要求较高的场合。电液比例变量泵怒在液臌缸活塞位移 与控割阀线溜电流之间弓| 入了位置反馈，飙丽提离了控铡精度皓】。本论文童要 研究试验台中泵控码达系绒，所以本节就此泵控马达系统的楣关内容介绍鳃下： 2 2 ，1 泵控马达系统组成 1 电液比例变量泵 在燕系绞串，慕爱翡怒抟德公镶珏舔一e 2 鍪籀焱式辘离变量柱褰泵，特翳适 用予闭式回路，可连续改变排量，连续工作的控制压力4 - 1 0 b a r ，电流2 2 5 m a - 4 1 0 m a ，嗓声低，使弼寿命长，功率纛量沈离，控制时闻短，额定择嚣为 5 5 m l r 。通过改变泵的排墩来调节马达的转速和转矩。 为了满足功率调节和自劾控制的要求，变量泵的控制方式近年米已得到长足 的发展。比例控毒变量泵利惩电一搬械转换元l 牛袭按割阂来操缴交鬃撬据，这不 仅魑操纵方式的不同，更重要的是可以利用电信号来实现功率调节和自适应控 铡。这对蹇疆丈磅搴系统静经憨羧遴移节熊黎吴有鬟要意义。 通常把变量泵的比例控制功能分为比例排量调节、比例流量调节、比例压力 调繁和院铡功率调节图大类。舞采廷翻角交鬃机构的位置控制作用，使泵静簿量 和输入信号成正比，即为排蹙调节。如果针对泵的输入参数，如流璧、压力和功 率进行控制，就要利用泵的出口压力或反映流量的联差与输入信号进行比较，然 后秀通过变辍机构的位置控铡作雳米确定泵的接量。赝以蜃三魏控制功能实际上 都烧在排量调节基础上提出特定要求来实现的f j5 1 。本文研究的是比例排量调节 变豢泵。 比例控制式排量调节按照变量活塞和控制阀之间的反馈方式来分，有位移直 接爱馈式、位移一力反镶式和位移一电反馈式三种。位移直接反馈式相当予常规 变量泵的伺服变量方式，变爨活塞跟踪控制阀的位移丽定位。位移一力反馈式利 用变量活塞的位移，通过弹簧反馈使控制阀芯在力平衡条件下关闭阀口，从而使 华北水利水电学院硕上毕业论文 变艇活塞定位。位移电反馈式把代表排量信息的斜盘倾角戚变量活塞的盥线位 移转换为电售号，劳将姥繁号反馈烈羧入蠛与羧入簧号迸褥跑较处疆，由二砉差 值为零使变量活塞定位。下图2 - 4 为林德h p v - 0 2 型斜盘式轴向变黧柱塞泵的电 滚控毒l 控稍覆瑾图。 囝 固 圈2 q 杯德h p v 电液比例控制泵控制机构原理图 图2 5 为泵一马达系统的闭环遥度控制框图。液压泵将机械l 转换为液鼹能， 是液压系统的动力源。比例控制变量泵是利用电一机械转换元件和撩制阀来操纵 变爨极构蛉，交量枫捣实震上是一令位置羧剿系统，变量活塞茨位鬟窝泵翁搂量 调节参数一一对应。其工作方式是与比例电磁铁电流相关的控制压力通过比例电 磁瓣控裁鬟茯绘交鬃活塞控鬣压力，获雨露茱费赫焱额角遂行谲节。液压泵变量 机构的基本作用是改变泵的排量，使泵的排量的改变和输入信号成磁比，以根据 系统酌参数嶷纯进行泵钓捧最酌调节，达到流量补僚、压力补偿以及功率的臼适 应控制的目的。 1 2 华北水利水电学院硕士毕业论文 图2 - 5 变量泵一定缴马达速度控制系统方块图 电液眈饲泵的控露棒 饿如图2 - 6 ，控制电流由厶交纯至时泵摊量由零变化 至最大，对应于任一电滚氆郏有一确定故搀璧与之瓣应，这撵霹戬达到泵约燹缀 调遽。其排量方程为 d = 固氛p 一磊) 援五一i o ) ( 2 - i ) 。 0 m。z 一 l ； 山山 ；。 khf 耀2 - 6 泵靛控案特性 式中o 为变量泵最大排激 2 纛液晓铡控翻器 产品型号：v t - 3 0 0 0 b k 3 0 g 供电电压：2 4 v l o ，功率；4 0 w 控制瞧压：土9 v 2 先导电流：1 5 0m a ，最大电流；3 8 0m a 受载魄阻：簇黢姆 斜坡时间：o 0 2 s 5 s 3 转速传惑器 s z m b - 9 型磁电转速传感器，使用时通过联轴麓与被测转轴连接，当转轴旋 转丑寸，将角位移量转换成交变电信号，供二次仪表测量转速。该传感器具有体积 华北水利水电学院硕士毕业论文 小，可靠设高，抗环境性强等优点，可用予发动机及其它设备作转速测量。 该传感器为牙磁臻式磁龟黉感爨，拾取转速信号嚣重，装在转辘上躬塞纛夔转 轴旋转，齿盘有若干等分的齿槽，传感器径向安装猩齿盘的外端，传感器与齿顶 寄定闻藩，齿蠹旋转对，齿瑛与滚稽交替逶过话惑器鹩感应头，使褥逶j 壹传感 器线圈的磁场强度交替变化，从而输出一个随转速变化的交变电信号，此电信号 即w 送二次仪表作转速测鬣。 传感器的主要技术指标如下 铡凝范围：5 0 r m i n 1 5 0 0 0 r m i n 输爨熬冲数：6 0 令辣 孛，转 输出波形：近似正弦波 输滋痞号壤值：5 0 r m i n , _ 2 0 0 m v a e 工作环境 环境温度：_ 2 5 5 5 相对湿度：墨s 5 外形尺寸：外径m 2 2 l 总长8 0 m m 4 。电滚比铡马达 试验台液压系统中电液比例马达为定量马达，采用德国林德公司h m f 5 5 0 2 型嗽液比例马达，噪声低，使用寿会长。 2 2 2 泵控_ 玛达系统液压原理 泵控马达系统的液压原理图如下图2 - 7 所示： 凰2 7 泵控马达系统液压原理图 华北水利水电学院硕士毕业论文 2 2 3 泵擦马达调速系统特性 泵控马达调速系统，魏有三种调速方式i 伯t ：其一是变麓泵控制定量马达形 式，即为本论文所用到的形式；其三是定量泵控制变量马达形式；其三是变量泵 控制变量马达形式。 本论文掰鼹裂瓣骞积溺速霾黪是逶避零独调苓液压裂豹交簿豢凝籀来改交 泵的输出排量进行调速，由于这种回路中液压泵的工作压力基本上等于负载压 力，盈液嚣泵豹输滋流量与系统耩添的流量褐匹配，系统丸乎不存在工作澈流， 所以其效率太大高于节流调速回路。但这种系统的缺点是采用的变量机构造价较 高，结构较复杂，放这种调速回路多应用予功率较大的场合。 对于泵一马达式调速系统，其回路的调速性熊包括转速特性、转矩特性和 功率特性，以上各特性分别指马达的转速、转矩和功率与可调节参数( 泵或马达 的搀量) 之阕斡关系特性。 令液压泵的转速、排量、流量、压力、和功率分别为脚，d p - q p ，p p 和p ， 液聪马达的转速、排量、流爨、压力、功率和转矩分别为n m ，d m ，函，p m 和而。 在交登泵一定爨马达灞逮系统中，泵豹籍 量岛不是固定的常数，马达摊量 蕊是不变的常数。 1 ) 转速特性 在理想条件下，液压马达的转速为： n m = 塞= 笔= 云锦( 2 - 2 )风风仉4 式( 2 2 孛壹t - 脚、殇为常数，函貌，马达豹转速糯与泵翡簿量巍或 正比。 2 ) 转缒待往 液压马达输出转矩为： 孙去瓴玩 ( 2 3 ) 2 万 式孛：6 秘一弩达工终惩差；k ( 2 3 ) 孛，垂予矗攻与譬拊均秀攀数，瓒叛骂 达输出转矩是与凝的排量胁无关的常数，即具有恒转矩特性，掰以这种调速 回路称为恒转矩调速。 3 ) 功率特缝 华北水利水电学院硕士毕业论文 马达的输出功率为： 编= 执= 去蕊执) ( 2 趸壹瑚= 蝴 ( 2 - 4 ) 编= 执= 去蕊执) ( 2 趸云瑚= 蝴 ( 4 ) 式( 2 4 ) 中，概、脚均为常数，所以马达输出功率与泵的排爨d p 成雁比。 由上述的讨论可画出理想条件下的马达转速特性，转矩特性和功率特性曲 线图，也即变量泵一定量麓达的工作特性如图2 - 8 辨示。 n 。 - 。 t i 仉 图2 - 8 变量泵一定量马达工作特性 交量裂一定量礴达系统其有渔转矩祷梭，泵控玛达谲遴系统茵其体积小、输 出功率大、运行成本低等优点，在车辆制造、航空航天、冶金技术、海洋工程上 得搦广泛应用啊。 实际上，液压聚葶b 马存在泄漏，恧且受载越大，油压越大，其泄潺也越大， 从而引起执行元件的速度下降，故这种回路也有速度随负载增加而下降的特性。 2 4 小结 简要分析了本论文基础试验台一电液比例压力流量试验台液压及电气系统元 黪缝成、终趸等。 主要是针对所研究对象泵控马达系统的液压原理、调速原理作了详尽的研究。 1 6 华北水利水l 把学院硕1 毕业论文 第三章泵控液压马达系统的数学模型的建立 本节将建立图2 7 所示的泵控马达调速实验系统的数学模型，在建立时域系 统的数学模型时将系统分成泵排量调节机构、主液压回路及加载回路等几个环 节，分别建立各环节的动态方程，然后综合起来得到系统的时域数学模型，在此 基础上建立系统的开环传递函数。 3 1 系统初步模型 泵排量调节机构( 闭式泵电机组) 主要由三部分组成：带直动式比例电磁铁的 比例换向阀4 w r a 6 、双作用液压缸、泵的主体( h p v 5 5 0 2 一e 1 ) 。下面分各个部分 分别建模： 3 1 1 电液比例方向控制阀 4 w r a 6 吲米用板式连接，弹黄对中，主阀芯控制台阶压降小；阀体采用铸造， 内流道通流能力强，重复精度好；底板安装尺寸与普通相同通径电磁阀相同，通 用性好，广泛应用于机床、轻工、冶金、矿山、航天等各领域中1 1 8 1 。 1 电一机械转换元件 设当比例电磁铁线圈通过电流为i ，其衔铁行程为x t ，则： 在工作区域内，电磁铁推力的近似线性表达式为： 昂= 巧，一k y x r ( 3 1 ) 式中：巧= 芝争为比例电磁铁的电流力增益( n a ) ； 创 巧= 孥+ b 为比例电磁铁的位移力增益和调零弹簧的刚度之和( n m ) 。 考虑外负载的衔铁组件的动态力平衡方程： 瓦= 坼争+ 毋鲁+ r ( 3 2 ) 式中：m ，一衔铁组件质量( k g ) ； 华北水利水电学院硕i ：毕业论文 辟一阻尼系数( s m ) ； r 一作用于衔铁组件上的外负载( n ) 。 合并式( 3 一1 ) 和( 3 - 2 ) 并进行拉氏变化，得： k i l ( s ) = m 一2 x r ( s ) + b r s x r ( s ) + k y x r ( s ) + t ( 3 3 ) 图3 l 直流比例电磁铁结构简图 2 比例方向控制阀 4 w r a 6 阀是靠比例电磁铁操纵的直动型比例换向阀，用来控制液流的流量和 流动方向。该阀由阀体、两个弹簧、阀芯和两个比例电磁铁组成。当电磁铁未通 电时，阀芯由复位弹簧保持中位，其中位机能为“0 ”型。如电磁铁通电时，电 磁铁推杆直接推动阀芯右移，位移量和电器信号成正比，使阀芯的v 形槽逐渐打 开，从而控制液流流量。若断电时，阀芯靠复位弹簧复位。阀芯采用对称三位四 通滑阀，弹簧对中。 设在电磁铁线圈通电时，衔铁与阀芯间的相互作用力为f ，阀芯位移量为 ，则c 就是前面所说的衔铁组件的负载，即c = t ；而相应的有x ，= x t 。对 阀芯列动态力平衡方程 丁吨争+ 鼠鲁+ k v + 坼 ( 3 。) 式中：帆一阀芯质量( k g ) ： 最一阀的粘性阻尼系数，可认为是作用于阀芯上的瞬态液动力产生的阻尼 华北水利水电学院硕上毕业论文 可得： 系数( s m ) ； 疋一阀芯对中弹簧刚度( n m ) ； k 。一作用于阀芯上的稳态液动力刚度系数( n m ) 。 联立式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 - 4 ) ，并由丘= x r ，得： k z i - k r = ( m v + m r 万d 2 x v 地+ 辟) 鲁啦+ k k 对上式作拉氏变化，并整理为： k ，j ( s ) = 【( 豫+ 坼) ，+ ( b + 辟弦+ ( k + k + 巧) k ( j ) 上式可简化为： ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 拍) 2 面丽西菇嚣币丽b ，) 型： 地) 乓+ 堑。+ 1 吒 式中：一液压固有频率( t a d s ) ，= 。一液压阻尼c 无因次量，。= 圭三j 三豸焉 v 嘲艄繇引，瓦2 击。 3 1 2 伺服变量机构 在阀控缸系统中，作为双向变量泵排量控制机构的伺服变量机构是一个由对 称三位四通滑阀控对称双作用液压缸结构。如下图3 2 所示。这样既能保证作为 排量调节机构的泵斜盘作正反转运动，使吸、排油路互易，又能保证双向动作的 动态特性的一致性。但该位置系统必须采用辅助油源，即采用外控变量机构，以 保证泵在排量为零的情况下不使控制及反馈失效。 9 华北水利水电学院硕l 。毕业论文 为分析建立该环节的数学模型方便，先作以下假设1 5 j ： 1 ) 阀的节流窗口是匹配和对称的，预开口量为零； 2 ) 阀的节流窗1 3 处的流动为紊流。由于液体密度的变化量很小，液体压缩性 的影响在阀中予以忽略：液压缸的内外泄漏为层流运动； 3 ) 阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位移和阀压降的变化，相应的流 量变化能瞬间发生； 4 ) 供油压力p s 恒定，回油压力只为零： 5 ) 液压缸每个工作腔内压力处处相等，所有的连接管道都粗而短，管道内 的摩擦损失、流体质量和管道动态影响忽略不计； 6 ) 油温及体积弹性模量为常数。 根据液压系统分析中的基本特性方程建立伺服排量调节机构的数学模型。 图3 - 2 阀控双作用液压缸作用图 ( 1 ) 滑阀的流量特性方程 对于理想零开口滑阀，流量特性方程为： q = 。峨括( 只吲 盱c m 鼯焉却x 。鼯 式中：o 一滑阀阀口流量系数； 、v 一滑阀窗口宽度( m ) ： p 一油液密度( k g m 3 ) ； ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 华北水利水电学院硕j 二毕业论文 乓供油压力，只为常数( 尸口) 6 - - 回i 由压9 ，bz o ( 忍) ； 只一液压缸进油腔压力( 尸臼) ； 名一液压缸回油腔压力( p 口) ； g 一经滑阀流入液压缸进油腔的流量( 册3 s ) ： g 一经滑阀流出液压缸回油腔的流量( m 3 j ) 。 由于负载压力置= 只一b ，供油压力尼= b 一只，所以有： 只= ( 罡+ p j 2 最= ( 乓一p , ) 2 取负载流量幺= ( 幺+ 绋) 2 ，即有： 鲮= 圭慨居c 再婀却k 、孕p 对式( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 进行线性化处理，得： 幺2 誓缸+ 警叱= _ 缸v - 2 k 叱 ( 3 _ 1 2 ) 绋。警蝇+ 薏叱= k 瓯+ 2 k 叱 ( 3 - 1 3 ) k = 等= 鼍= 即居磊= 鲁 仔。， 2 轳o 够q a = 薏却品与q 嚣p 四 式中：k 。一滑阀在稳态工作点附近的流量增益( s1 ； 丘一滑阀在稳态工作点附近的流量一压力系数( m 5 n s ) 。 故得： 从而有： 遏l = a q + 、a q n = kq k ，一k t 缱e q l = k 。一k c p l 对上式作拉氏变换得 2 ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) 牛北水利水电学院硕 ：毕业论文 鱿( j ) 2k q x ，( 5 ) 一k c 吒【s ) 【3 1 s ) ( 2 ) 液压缸流量连续性方程 对于液压缸，根据可压缩液体的流量连续性方程，流入( 出) 液压缸的流量等 于流出( 入) 液压缸的流量与其体积的增加量之和。 流入液压缸的流量：q = c 。( 只一b ) + c 二只+ 爿 兰d 尘r + 鲁誓 ( 3 - 1 9 ) 流出液压缸的流量：蜴= 巳( 只一b ) 一e 。b + 4 鲁一鲁誓 ( 3 2 。) 式中：矗一活塞位移( m ) ； 4 一液压缸活塞有效端面积( 脚2 ) l 。一液压缸进油腔初始体积( ) ； 。一液压缸回油腔初始体积( 册3 ) ； c 。一液压缸的内泄漏系数( m 5 n j ) 。 c 2 一液压缸的外泄漏系数( 研5 n j ) 。 所以：q = 学= ( c 。+ 争肥一弓) + 4 鲁+ 瓷鲁一爱鲁( 3 z ) 当活塞处于缸体中间位置时，两缸中油液体积相等，用 来表示，等于液压 缸两油腔总容积的1 2 如果不在中位时，= 芒篆；考虑到只= 只一b ， 有： q ，：c ，只+ 彳，生+ 旦一a e , 2 2 ) 骁2 q 只+ 4 署+ 君一d t ( 3 - 2 2 式中：q ：c 。+ 昙巳为液压缸总泄漏系数( 册5 n s ) 。 对上式作拉氏变换得： g ( s ) = c j f 最( s ) + 4 趼，( s ) + 羞只( s ) ( 3 2 3 ) 华北水利水电学院硕l 毕业论文 吲= 争+ 皿鲁+ 辑+ 艺 ( 3 - 2 4 ) 4 e o ) = ( j 2 + 皿j + k ) k ( j ) + 五( j )( 3 2 5 ) 叫印：姜竺蔓v t s 兰竺竺 b 2 。， 蹦印2 百i 嚣i 而 。2 6 啪，= 瓢m y , s 3 杀1bv,臻2鹄kbc,b kv,k 及负载的粘性阻尼系数芝一般很小，所以可以令：k = o ，又因半j ， 缈型k q 写k 琴匠v 竺 p ：。， j ( 之+ = 生5 + 1 ) 华北水利水1 乜学院硕i ：毕业论文 一液压固有频率( r e d s ) ，= 旷籼顺，= 鲁厣嗑岳 则可得液压缸活塞位移对阀芯位移的传递函数为： 3 1 3 活塞斜盘倾角关系 ( 3 - 2 9 ) 在泵控马达系统中，轴向变量柱塞泵的基本作用是改变泵斜盘倾角，从而达 到改变泵排量的目的。变量机构在本质上其实是一个位黄控制系统，机构中变量 活塞的位置与泵的排量调节系数一一对应。其结构简图如下图3 3 所示：【1 9 】 由图3 3 可知 叭 ， 7 ， j ， ， 图3 - 3 活塞一斜盘倾角模型 式中：三一变量活塞油缸施力点与斜盘铰接点问的距离( m ) ； y 一变量泵斜盘倾角( r a d ) 。 因为y 本身很小，所以s i n ) z y ( 3 - 3 0 ) 脬 荔 = 一生 华北水利水电学院硕 ：毕业论文 则式( 3 - 3 0 ) 可简化为l = 工y ，即 l 7 2 z 对上式作拉氏变化得： 删= z i ( s ) = _ ( s ) 式中：e 一变量泵斜盘倾角系数。 则从液压缸活塞位移到泵的摆角之间的传递函数为： 嚣2 圭2 巧 3 1 4 泵控马达 ( 3 - 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 - 3 3 ) 泵控液压马达是通过改变泵的排量来控制传送给负载的动力。泵控马达液压 原理图如下图3 4 所示。泵控液压马达是由变量泵和定量马达组成的传动装置， 以下推导从泵的摆角到液压马达输出角之间的传递函数”。 坠卫 图3 4 泵控液压马达液压原理图 假定 1 ) 泵和马达的泄漏为层流，壳体回油压力为零，忽略低压腔向壳体内的泄漏。 2 ) 连接管道较短，管道内的压力损失、流体质量效应和管道