（机械工程专业论文）液压电梯液控技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一r - i ：= 作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者弥锄苏签字隰细岁年胪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：导师签名： 签宁日期：年月日签字r 期： 重庆大学r 程硕士学位论文中文摘要 摘要 液压电梯是现代社会中一种重要的垂直运输工具，尤其适用于重载场合。液压 电梯是集机、电、液一体化的产品，是由多个相互独立又相互协调配合的单元构成， 对液压电梯的开发研究涉及机械、液压及自动控制等多个领域。本课题以上海大众 汽车维修站一车用液压电梯为研究对象，主要针对液压电梯的两个关键技术进行研 究。首先对液压电梯液压系统进行改进，用进油节流凋速系统代替液压电梯常用的 旁路节流调速系统，以提高液压系统的调速性能；采用负荷传感技术，根据负载大 小自动调节系统压力，以提高系统的效率。其次，对液压电梯采用可编程控制器( p 【c ) 控制，以提高液压系统工作的可靠性和稳定性，从而提高国产液压电梯的乘坐舒适 性，摆脱国产液压电梯全面依赖进口的现状。通过机理推导、系统辨识建立了负荷 传感液压电梯的系统模型，并对这两种模型进行比较。对液压电梯系统进行开环控 制，采用光电编码器对液压电梯轿厢速度进行检测，实现对液压电梯的速度控制。 关键词：车用液压电梯，进油节流调速，负荷传感，p l c 控制 重庆人学工程硕十学位论文 英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i ce l e v a t o ri sa ni m p o r t a n tv e r t i c a lt r a n s p o r t a t i o nt o o li nm o d e r ns o c i e t ya n d i su s e di nh e a v y d u t ye s p e c i a l l y t h ef o r e g r o u n do fh y d r a u l i ce l e v a t o ri sw i d ei nc h i n a a n dt h eq u a n t i t yd e m a n d e di n c r e a s e sa n n u a l l y h y d r a u l i ce l e v a t o r p r o d u c ti n t e g r a t e d m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n dh y d r a u l i c s i sc o m p o s e do fi n d e p e n d e n ta n dc o o r d i n a t e d p a r t s t h er e s e a r c ho fh y d r a u l i ce l e v a t o ri n v o l v e sal o to ff i e l ds u c ha sa u t o m a t i o n t h e v e h i c l eh y d r a u l i ce l e v a t o ru s e di ns h a n 曲a iv o l k s w a g e nm a i n t e n a n c es t a t i o ni sm a i n s u b j e c ti n v e s t i g a t e d t h i sp a p e rd i s c u s s e st w op o i n t sm a i n l y f i r s t l y , h y d r a u l i cs y s t e mh a s b e e ni m p r o v e d ，t h eb y p a s st h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i th a sb e e ns u b s t i t u t e db yt h ee n t r a n c e t h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i ti no r d e rt oi m p r o v es p e e dg o v e r n i n gp e r f o r m a n c e ，l o a ds e n s i n g s y s t e mi m p r o v e se f f i c i e n c y s e c o n d l y ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) c o n t r o l s h y d r a u l i ce l e v a t o ri no r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n da m e n i t y t h i sc a nr e a l i z e h y d r a u l i ce l e v a t o rm a d ei nh o m e m o d e l l i n gb ym e c h a n i s ma n ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t h c o r y h a v e b e e nu s e di n b u i l d i n gm o d e l o p e n e dl o o p c o n t r o l s y s t e mu s i n g p h o t o e l e c t r i ce n c o d e rh a v eb e e nu s e di nc o n t r o l l i n ge l e v a t o ri no d e rt or e a l i z e c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：v e h i c l eh y d r a u l i ce l e v a t o r ，t h ee n t r a n c et h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t ，l o a d s e n s i n gs y s t e m ，p l c t t 重庆大学r 程硕士学位论更 1 绪论 1 绪论 1 1 液压电梯的发展概况 电梯的r 泛使用早已成为工业化社会的标志之一，目前在发达国家晕，电梯早 已经进入了人们的日常生活，商场、办公楼、停车场等公共场所，以及公寓楼、私 人住宅中电梯已经成为人们必不可少的交通工具。 液压电梯是由液压传动的电梯，通过液压动力源( 液n n ) 把液压油匿入液压缸， 使柱塞向上运动，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升。轿厢的下降一散靠自 重使液压缸内的油液返回油箱中。液压电梯是多层建筑中安全、舒适的垂直运输工 具，也是厂房、仓库中最廉价的重型垂直运输设备。近年来，液压电梯以其独特的 优势，显示出强大的生命力。 1 1 1 国外液压电梯发展简况 世界上第一台液压电梯起源于1 9 世纪，于1 8 4 5 年由威廉汤姆森制造。随后在 1 8 7 6 年巴黎万困博览会上展出了水压间接式的液压电梯，它利用公用水管极高的水 压推动液压缸的柱塞顶升轿厢，下降时靠泄流。但由于水压波动及生锈问题难以解 决，不久就出现了油压直接式的液压电梯。由于当时公其液压站在造价和传递方面 比蒸汽动力有明显的优越性，而且蒸汽动力电梯采用强制驱动方式，其卷筒的宽度 限制了电梯行程的根数，所以从1 8 7 0 年到1 9 世纪末逐步得到发展。但是早期的液 压电梯功能较简单，主要用于运送货物。 液压电梯的大规模使用比曳引式电梯晚，第二次世界大战后期，高压油传动在 武器制造业的应用，使得液压传动和液压控制技术得以发展。虽然1 9 世纪中叶伦敦 金融城区内的办公楼就开始使用液压电梯，但真正大规模推广使用是从5 0 年代末开 始，6 0 年代进入持续稳定增氏期，7 0 年代液压电梯进入迅猛发展阶段，8 0 年代液 压技术更加成熟，其市场占有率逐步增加。见表1 1 。以美国液压电梯市场为例，1 9 6 2 年订货量就价值2 1 0 0 力美圆以上，销售的液压电梯台数占电梯总销量的2 6 8 ，到 1 9 6 9 年增加到近6 0 0 0 万美劂，占领了3 8 3 的电梯市场。1 9 7 3 年美国液压电梯订 货量突破1 亿美圆，销售额占电梯市场的4 8 7 。1 9 7 9 年订货量达到2 亿多美圆，市 场占有率为6 3 7 ，1 9 8 3 年订货额突破3 亿美图，1 9 9 0 年增至3 6 亿美圆，销售台 数占电梯总销售量的7 1 4 7 。 近年来，国际市场上1 0 层( 高4 0 m ) 以下的建筑中的电梯7 0 采用了液压电梯。 欧共体诸国液胍电梯年均安装量占总量的4 5 ，其中德国6 0 左右，英国为5 5 ， 重庆人学l 程硕士学位论文 1 绪论 表l ，1 美、日、德生产的液压电梯台数表 年份美国日本 德国合计 1 9 7 03 4 8 83 4 01 7 9 25 6 9 1 1 9 7 1 4 0 4 3 2 6 8 1 9 2 56 3 0 7 1 9 7 24 0 4 92 6 11 7 1 56 0 9 7 1 9 7 35 3 2 4 4 2 92 4 6 0 8 2 8 6 1 9 7 44 9 7 73 9 02 2 9 07 7 5 1 1 9 7 5 3 6 9 0 3 1 42 2 1 16 2 9 0 1 9 7 63 6 2 3 4 6 52 6 3 26 7 9 6 1 9 7 75 0 2 65 3 62 9 1 68 5 5 5 1 9 7 85 6 1 48 4 8 2 8 8 39 4 2 3 1 9 7 96 2 2 21 1 0 03 6 0 i1 1 0 0 2 1 9 8 06 0 7 4 1 4 9 23 9 6 61 1 6 1 2 1 9 8 16 0 8 0 1 6 1 44 5 4 71 2 3 2 2 1 9 8 26 0 4 1 1 9 0 04 4 2 11 2 4 4 4 1 9 8 37 4 8 7 2 2 5 44 9 9 71 4 8 2 1 1 9 8 4 8 3 7 12 8 7 35 4 4 1 1 6 7 3 9 1 9 8 58 8 7 4 3 1 3 15 1 8 41 7 2 7 4 1 9 8 6 8 2 6 13 5 4 35 2 4 2 1 7 1 3 2 1 9 8 78 9 1 1 4 0 8 95 4 9 81 9 5 8 5 1 9 8 8 9 3 9 65 8 7 5 6 6 7 22 2 0 0 4 1 9 8 98 5 1 9 6 9 0 06 8 6 0 2 2 3 6 8 】9 9 08 1 0 07 9 0 0 7 0 4 62 3 1 3 6 1 9 9 17 6 0 4 9 0 0 0 7 8 5 42 4 5 4 9 1 9 9 2 7 7 3 4 1 0 0 0 08 0 3 8 2 5 8 6 4 瑞士有4 0 ，而斯堪的纳维亚北欧诸国则高达8 0 9 0 ，加拿大1 9 8 9 年电梯总销 量2 7 8 4 台，其中液压电梯就有1 3 0 0 台。即使在高层建筑较多的日本，近几年液压 电梯的增长速度也是相当惊人的。1 9 7 0 年市场占有率仅3 3 ，1 9 8 0 年突破1 0 ， 1 9 9 1 年增至2 7 5 。 近年来，由于曳引电梯技术的进步，对液压电梯市场产生了强有力的冲击，尤 其是无机房曳引电梯的面世芬兰通力公司( k o n e ) 的m o n o s p a c et m 和瑞士迅 达公司( s c h i n d l e r m o b i l et m ) 、l m c 公司的g e n e s i s 方案、v e s t n e r 公酬 的白支撑电梯方案、h i r o 公司的无机房方案等l ，使得液压电梯存机房设置方面的 重庆大学工程硕士学位论文 】绪论 优势不复存在。但这并不意味着液压电梯将被淘汰，高性价比使其还会继续发展 在重载场合，它仍具有广阔的市场。 1 - 1 2 国内液压电梯发展简况 我国液压电梯的研制开发工作始于1 9 7 7 年，在当时的一机部起重机械研究所主 持下，试制了两台采用通用液压元件的液压电梯，但由于经验不足，一些技术指标 未能达到预期的性能要求。1 9 8 4 年浙江大学流体与控制研究所与天津电梯研究所合 作，成功研制出两台采用流量反馈电液比例控制的液压电梯，性能指标均达到了设 计要求，并于1 9 8 5 年通过了浙江省鉴定。近年来，我国液压电梯的研究、开发和使 用发展很快，国产液压电梯新产品不断涌现，相继投放市场。目前，许多电梯厂家 都已能生产各种液压电梯，并正努力提高液压电梯的国产化水平，产品性能和产品 质量都得到了进一步的提高。 液压电梯不仅具有运行平稳、舒适性好、故障率低、安装灵活等特点，而且能 达到整体协调、豪华和重载的要求，因此，液压电梯首先可以用做商场、宾馆、高 级饭店、体育场、娱乐场等豪华建筑和古典建筑中的观光电梯与重载电梯。随着人 们居住条件的不断改善，在一些旧房改建中需增设电梯的场合，不需顶层机房的液 压电梯将具有很大优势，特别是一些需要保证外观及内在建筑风格的古典建筑中安 装电梯，液压电梯更是由于安装方便、性能良好及较低的故障率成为用户的最佳的 通常也是唯一的选择。另外是一些特殊使用场合， 如车用电梯、船用平台等，由于 液压电梯具有功率重量比大、安装灵活等特点，将会使液压电梯垄断这一领域。还 有包括办公楼、图书馆、医院、实验楼、地下工程等建筑中使用的电梯，这类电梯 虽然已有少量定货，但还有待于进一步开发。这些液压电梯市场的启动，将推动液 压电梯生产规模的进一步扩大，成本进一步降低。促使更多的资金投入研究，从而 提高其性能，形成一种良性循环。 1 2 液压电梯的技术特点 1 2 1 、液压电梯的组成 液压电梯是集机、屯、液一体化的产品，是由多个相对独立又相互协调配合的 子系统组成，液监电梯系统如图1 1 所示。 液压系统。包括泵站( 电机、液压泵和油箱) 、控制阀块等是液压系统的动力驱 动装置，也是液压电梯与曳引式电梯的主要区别。 机械系统。包括轿厢、导轨、门机、层门、保护装置、连接件利辅助元件等。 土建系统。包括井道和机房布置。 垩堕查兰! ：型婴：! 兰堡堡。 !竺丝 _ - _ - _ - - ，_ _ - - _ h - _ _ _ _ - - - - ， _ _ _ _ _ ， d _ _ ，d h 一 目1 1 液压电梯系统图 f i 9 1 1t h es y s t e mo fh y d r a u l i ce l e v a t o r 控制系统。包括控制柜、控制机及显示装置等。 1 2 2 、液压电梯的优点 液压电梯与其它驱动方式( 如曳引电梯) 的垂直运输工具相比，具有以f 优点： 机房设鼍灵活。液压电梯靠油管传递动力，因此，机房位置可设置在离 井道周围2 0 m 的范围f j l ，且机房面积仅4 - - 5m 2 ，再电不需要用传统方式将机 房设置在井道上部，可使建筑结构简化。 井道结构强度要求较低。因液压电梯轿厢自重及载重等垂直负荷均通过 液压缸全部作用于地基上，对井道墙及顶部的建筑性能要求低。 井道利用率高。一般液压电梯不设置对重装置，故可提高井道面积的利 用率。相同舰格的液压电梯要比曳引电梯的井道面积少1 2 。 结构紧凑。在相同主参数情况下，液压传动系统比曳引驱动系统的体积 小、重量轻。 1 2 _ 3 、液压电梯的缺点 由于输入功率、控制及结构等条件的限制，一般液压电梯的升程有限 o r e ) ，速 度不高( 1 m s 以下) 。 需要输入的功率大。因为液压电梯不设配重，在额定载重量、额定速度及提升 高度相同的情况下，液压电梯所需要的电机功率是曳引电梯的2 5 - 3 倍，因为液压 电梯配套的动力电路容量比曳引电梯大。尽管液压电梯电机只在上行时工作，但其 能量消耗至少为同等曳引电梯的2 错左右。 温度及载荷变化对液压电梯的起制动、加减速有定的影响。液压电梯的动态 速度模型随着环境的变化会有所变化，增加了控制难度。 重庆人学r 程硕十学位论文 1 绪论 由于温度的变化和泄漏等因素的影响，当轿艚较长时间停在某层站时会下沉 囚此必须采取措旋防止轿厢下沉。 1 3 液压电梯速度控制的难点 液压电梯系统具有长行程、变负载、变液容以及由于油温变化引起的变泄漏， 且受外负载和摩擦力干扰等特点；同时还有对乘坐舒适性和速度跟踪性能要求等。 建立它的精确数学模型十分困难，这些均使得常规的实时控制方法难以满足要求。 目前，国外对液压电梯的实际控制一般都采用闭环p i d 等传统的线性控制算法。但 是对这样复杂的一个电液控制系统，被控对象和控制系统中存在的非线性、时变、 外部干扰，建模后难以简化和线性化因素，使传统的控制策略很难收到满意的控制 效果。虽然p i d 控制器不需要系统建模，但存在着变工况下的超调、振荡、不易调 节等缺点，尤其在电梯的起动与制动阶段，电梯运行存在明显的死区和抖动现象。 由于人的生理特点，人们对于垂直起动和制动阶段的速度比较敏感，特别是对于电 梯的起动，当电梯起动产生抖动时，人会感到明显的不舒适。但由于液压电梯系统 中存在着死区、摩擦等非线性环节，以及电梯本身的低阻尼特性，使得电梯在运行 的起始阶段，容易产生轿厢抖动。液压电梯起动抖动的另外一个原冈是液压电梯中 的非线性环节。液压电梯中由于摩擦非线性的存在，使得电梯起动时需要一个初始 值，非线性环节对液压电梯起动的影响表现在电梯控制对控制器初始值的敏感上。 摩擦非线性环节是由轿厢、液压缸等多方面引起的，它对电梯启动的影响乇要是静 摩擦和动摩擦的突然转换所致，它们之问的转换实际上给电梯输入了+ 个小的脉冲。 电梯起动时抖动的大小程度同此输入脉冲的幅值大小和脉冲的作用时间有关，另外 在电梯起动时，当电梯输入的初始值与电梯静摩擦相近时，所产生的脉冲引起电梯 抖动很小。在实际控制中，由于液压电梯中死区非线性的存在，当电梯控制算法采 用p i d 等反馈控制方法时，死区往往使得控制器在得到电梯起动的信号时，控制器 已产生了一个较大的输出值，大大超出电梯起动时所需的初始值，即相当于在电梯 起动时，控制器给电梯输入了一个较大的脉冲，使电梯发生抖动。因此液压电梯系 统中的死区非线性，是电梯起动不平稳的一个重要原因，这给实际控制带来很大的 困难。 由于目前绝大数液压电梯既无对重设施又无能量回收装置，电梯_ 卜降过程中将 耗尽载重及轿厢自重所具有的全部势能，这些势能将变成热能。这些能耗不仅使得 电梯的经济性下降，更为有害的是将使油温上升，使得电梯的控制性能变差，影响 电梯的舒适性。 液压电梯具有明显的e 区。死区的存在引起电梯的抖动利系统的性能变差，如 呕庆人学r 程硕士学位论文 l 绪沦 何解决液压电梯的死区问题，对进步提高液压电梯的性能具有重要意义。液压电 梯的控制实际e 是对电梯理想速度曲线的跟踪控制过程，电梯的理想速度曲线具有 起动加速段、高速运行段、减速运行段、平层段。在启动加速段和减速制动段，速 度曲线是变化的，将此两段速度的变化率以一定方式反馈到控制器中，必将减少电 梯的起动死区，进而提高液压电梯的运行品质。 1 4 本论文的选题意义及研究内容 1 4 1 选题意义 由前述可知，随着社会的发展，人们对生活环境要求的提高，液压电梯技术的成 熟，液压电梯在我国具有很大的潜在市场，其前景光明。但由于国产化进程未跟上， 液压电梯生产不足，造成了目前基本依靠进口的局面。其原因主要是对液压电梯系 统及其组成元件的研究不足，因而缺乏有关理论依据和准则柬指导设计和生产，使 固产液压电梯性能得不到可靠保证。 为适应国内这种形势，最重要的是利用现有技术力量，投入必要的资金，开发 元件及配套技术，选择适用的控制策略，采用先进的微机来控制液压系统。为彻底 解决国产化问题，并将液压电梯迅速推向市场，必须优化液压系统设计，设计合理 的控制系统，使得电梯的运行性能达到国际水平的前提下，大幅度降低造价，以促 进液压电梯在国内大规模的广泛使用。 本车用液压电梯的研制过程中，本课题组做了大量的工作，并攻克了一些关键 技术。在液压系统设计方面，尝试了采用不同的调速方案以获得良好的速度性能； 在控制方法上，采用先进的控制方法，设计一个控制系统使液压电梯的性能充分发 挥，液压电梯轿厢的速度更加逼近理沦速度曲线，满足人们对电梯舒适性的要求。 1 4 2 研究内容 n 车用液压电梯的液压系统设汁 目前，液压电梯液压系统一般上行均采用旁路节流调速回路，下行采用回油节 流调速回路。本论文上行采用进油节流调速回路，下行采用回油节流调速回路的调 速方案，以提高系统调速稳定性，增大调速范围。为了改善系统效率较低的缺点， 将负载的压力反馈至溢流阀的导控口，这样，溢流阀就可根据负载大小对液压泵的 出口压力进行调节，从而达到节能的目的。 2 1 液压电梯系统的建模 在确立系统合适的控制策略前，首先要建立系统的数学模型。山于液压电梯液 压系统具有k 行程、变负载、变液容以及e 自j ：油温变化引起变泄漏的特点，直接由 重庆人学：l 程硕士学位论文 1 绪论 其机理推导出数学模型相当复杂，甚至是不可能的；同时，所得的模型必须能用于 实际的控制当中，模型结构应尽量简化。为此，我们采用辨识的方法进行建模。为 提高可靠性，采用以下两种方法：一是实测辨识，给实验装置加阶跃响应数据辨识 出速度的动态模型；二是应用m a t l a b 巾的s i m u l i n k 功能仿真得到系统得机理 模型的阶跃响应。 3 、控制系统的硬件设计 本车用液压电梯液压系统控制核心采用可编程控制器( v l c ) ，它接收各种信号源 发出的开关量、脉冲量和模拟量，并依据相应的操作规程和控制算法作出决策，从 而控制执行机构按所需要的要求动作，为实现这一过程，用于信号接收、放大的过 程通道是必不可少的，包括p w m 输出放大、脉冲量输入、轿厢速度的检测等。 4 1 车用液压电梯速度控制的研究 为保证液压电梯的乘坐舒适性，系统输出速度值应较好地跟随输入速度指令。 首先根据电梯地乘坐舒适性指标及运行效率设计了理想运行速度曲线；然后研究外 干扰对液压电梯速度系统输出的影响，在分析速度闭环系统的稳定性和控制品质的 基础上，提出对系统进行校正的必要性；最后，通过仿真和试验手段，分别运用p i d 等控制方法对电梯速度进行控制。 重庆人学l 一程硕士学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 2 液压电梯液压系统的研究 2 1 液压电梯液压控制回路的概述 对液压系统的流量进行控制，理论上只有三种方法：容积调速、节流调速以及 容积和节流复合调速。容积调速方式通过调节泵输出流量的大小来控制流量，使之 达到给定值；节流调速方式是调节系统中阀开口大小来控制流量：复合调速是系统 中同时使用了容积和节流两种调速方式。根据液压系统流量控制的特点，液压电梯 的液压回路可分成三大类：容积调速、节流调速和复合控制。 2 1 1 容积调速液压系统 泵控容积调速一般有两种形式：一是改变原动机转速，另一个是通过流量适应 或功率适应方式通过机械变量机构改变泵的排量。 最早出现的容积调速系统是 开环控制的，这种系统能使流量 大致按照速度曲线规律变化。这 种系统具有较好的节能效果，同 时又能满足性能要求一般的电梯 的要求，因此当时有一定的应用 范围。这种系统采用变量泵来输 出流量。 如图2 1 所示，电磁方向阀6 用来控制电梯上下行油液的流动 方向。电梯上行时( 如图2 1 所 示) ，该阀的电磁铁失电，阀左位 工作，此时靠凸轮2 的转动来带 动变量泵变量机构按一定规律运 动，使变量泵输出流量按照凸轮 设计曲线的规律变化。此流量经 过单向阀5 和方向阀6 进入液压 缸，液压缸c 土l 就以相应运动规律 l 訇2 1 开环变量泵容积调速系统 1 滤油器2 凸轮机构3 变量泵4 溢流阀 5 单向阀6 两位二通方向阀7 液压缸 8 、1 0 j ，流阀9 、1 1 两位两通方向阀 f i g2 1t h es y s t e mo fo p e nc y c l ec o n t r o lm o d e 运行。这种电梯系统在外界干扰不大的情况f ( 如负载变化不大，温度没有较大的变 化等1 可以较佳的速度 | 1 线运动。 重庆大学丁程硕十学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 电梯下行时，泵停止工作，电磁方向阀6 得电，将连通状态切换到右位，从节 流阀8 至油箱之间的油路沟通( 电磁方向阀1 1 失电，另一条油路被切断) ，只有一股 较小的流量从液压缸7 流经方向阀6 ( 叟b 于得电状态) 、节流阀8 、方向阀9 返回油箱， 这一股流量( q ，) 较小，当某一时刻，电磁方向阀7 也得电时，另一条经节流阀1 0 、 电磁方向阀1 1 的油路沟通，流经节流阀1 0 的流量为( 0 2 ) 。可以通过调节q 】、q 2 ， 使流量位q 1 + q 2 ( 即电磁方向阀9 、1 1 同时得电时) ，对应的液压缸速度为所需的最 高速度，而q - 同时对应较低的速度，利用它来准确平层。由于下行时加速段和减速 段不可控，一般采用这种控制回路的液压电梯额定速度不能太高。 由上述可知，容积调速只在电梯上行时进行。这种类型的液压系统大都出现在 较早的液压电梯控制系统中，由于受到当时传感器及元器件水平的限制，很难构成 闭环控制回路，同时当时曳引电梯的性能指标也不太高，从而使这种运行性能不太 高的系统可以被接受。目莳这种控制方式只能应用于低速货梯，但从历史的眼光来 看，这种液压电梯的控制方案是具有其特色的，首先这种系统能耗低，由于采用了 压力、流量匹配，比节流控制系 统能耗低得多；其次这种系统性 能也不低于交流双速电梯，特别 是上行段，运行性能明显优于交 流双速电梯。 容积调速液压开环控制系统 很难满足目益提高的电梯性能要 求，随着电液比例技术的发展， 以及各种新元器件的大量出现， 对流量进行检测并反馈已变得不 太困难，这样如图2 2 所示的另 一种容积调速液压闭环控制系统 应运而生。在这种系统中，普通 变量泵由电液比例变量泵所代 替。 图中单向阀4 、液压缸9 、电 磁方向阀1 1 的作用与图2 1 液压 系统中相应阀类似。液控单向阀 5 在其控制油路( 如图所示的虚线) 中的电磁方向阀1 0 失电时，即单 8 0 l c 柚 斟2 2 闭环变量泵容积调迷系统 1 滤油器 2 变量泵3 安全阀4 单向阐 5 液控单向阀6 流量传感器7 两位两通方向闷 8 压力表9 液乐缸 】0 两位二通方向阀 1 2 比例节流阀 f i g2 2t h es y s t e mo fc l o s e dl o o pc o n t r o lm o d e j 匡犬大学上群硕士学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 向阀5 控制油口与油箱相通时，油口单向阀5 与普通单向阀类似，而当电磁方向阀 1 0 得电后，阀5 控制油口与压力油相通，液控单向阀被强制打开，流量反向流过液 控单向阀。流量传感器6 检测流过的流量并转化为电量进行反馈控制。限速切断阀 7 是安全保护阀，主要作用是当油管破裂时，纺止液压缸超速下降，此阎能在反向 流量超过一定值时，自动切断油路。比例节流阀1 2 可以根据电信号调节开口大小， 从而控制流经比例节流阀1 2 的流量。 在上行过程中，电液比例变量泵2 输出流量，双向流量传感器6 对流量进行检 测，与预置电信号进行比较，去控制泵的流量。事实上这种系统一般都有配套电路， 用于存储最佳速度曲线，并根据传感器的反馈信号，利用各种控制策略，去调节比 例泵的输入，使电梯运行在最佳状态f ，这种采用流量反馈技术的容积调速系统可 以满足电梯对控制系统的运行舒适性和稳定性要求。目前符合电梯大流量要求的变 量泵输出流量脉动大，噪音高，影响电梯运行平稳性，其中主要使用的轴向柱塞泵 的比例机构动态反应慢，难以满足电梯上行起动时对泵流量变化的要求，而且柱塞 泵一般设计在高压下使用，在液压电梯这类低压系统中效率偏低，也影响了这种 形式的调速系统的应用。 2 1 2 节流调速液压系统 这种调速方法适应于定量泵和定量执行元件所组成的液压系统。它是利用节流 方法来调整并联的主油路( 接液压缸) 和旁油路( 接油箱) 的相对液阻，使一部分压力油 从旁油路回油箱，从而改变进入液压缸的流量，实现电梯的有缴或无级调速。液压 电梯的上行控制一般采用旁路节流调速，下行控制采用出口节流调速。 虽然液压电梯节流控制方式只此一种，但由于具体使用的流量控制阀的差别构 成了种类繁多的液压电梯液压控制系统，归纳起来有以下儿种形式的流量控制阀： 1 1 不带负载压力补偿的可调阻尼流量控制阀 这种流量控制阀属于开环控制方式，由下关电磁铁驱动，通过润节控制主节流 阀背腔压力的先导液阻网络能近似得到液压电梯运行速度曲线，但显然它受负载、 温度影响大，流量控制精度低，速度稳定性差。 2 1 带负载压力补偿的可调阻尼流量控制阀 这种流量控制阀属于小闭环控制方式，也由开关电磁铁驱动，采用流量一压力 反馈的负载补偿原理，增强了抗负载性能，提高系统负载刚性和动态性能。但它还 只是依靠调节主节流阀背腔压力的先导液阻网络近似得到液压电梯运行速度曲线， 只能大致地改变起动加速段和制动减速段的斜率值。 重庆人学r 程硕卜学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 2 1 3 复合控制液压系统 容积调速系统与节流调速系统各有特点，如何融合这两种系统的特点，进一步 来解决采用单一方案带来的问题呢? 如油液温升的问题，这一直是困扰设计者的难 题之一。因为在液压电梯的液压系统中，能量损耗大部分转化为热量形式，并引起 目2 , 3 能量刚收式电梯液压控制系统 1 泵一马达元件、电动机一发电机元什2 , 6 电液比例流量阀 3 流量传感器4 液压缸 5 两位三通单向i 铡 f i g2 3t h ec o r t r o ls y s t e mo fc n e r g yc i r c u l a t i o n 液压系统温度的上升，如果在环境温度较高的使用场合，频繁地使用一段时间后， 必须启动散热装置，否则油液温度升到警戒温度线，系统将强制停机以降低温度。 在容积调速液压系统的分析中，曾提出容积调速虽然大幅度降低了上行过程中的能 嚣损耗，但_ 卜行时几乎所有势能损耗在节流口，并大部分转化为热量，这部分热量 是导致系统温升的午要原斟。为了彻底解决温升问题，较大规模提高系统效率，能 量回收式系统应运而，卜。它的其本原理是将轿厢的势能在下降过程中通过液压汕路 重庆人学f 程硕十学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 转化为电能，其系统油路如图2 3 所示。这种控制系统可采用容积调速或节流调速 的任何一种方案控制液压缸上行时的速度。图中所示的系统在下行时，流出液压缸 的油通过方向阀5 及节流阀6 进入呈液压马达工况的液压泵，返回油箱，液压泵输 出轴与电动机相连，此时电动机呈发电机工况。在接到电梯下行的指令后，方向阀 5 接通油路，比例流量阀逐渐打开，电梯处于下行加速段，油液经过空转的液压泵， 然后返回油箱。此时由于液压泵空转，大部分压降作用在比例流量阀的节流口上， 而这一加速段节流量小、时问短，因此发热少。随着比例流量阀开口的增大，流量 增加至某一设定值时，发电机得到空转信号投入工作。由于液压泵带载工作时大部 分压降作用在液压泵上，且比例流量阀口开至最大设定值，故节流损失很小，大部 分的系统能量通过液压泵带动发电机使之转化为电能，此时比例流量阀对流量仍有 小范围的调节作用。发电机输出的电能可并入通用电网。 能量回收式系统能大幅度降低能耗，目前这种系统元件还不太成熟，价格也偏 高，不过今后从节能的角度来看，这种类型系统的前景将会是比较光明的。 2 2 液压电梯液压系统的设计分析 由上节所述，容积调速的最大优势是节约能源，这一点使容积控制方式在液压 电梯中日趋重要。各国都在争相研制液压电梯专用容积调速系统。但与节流调速技 术相比，传统容积调速液压元件体积大、价格高，e l 前还没有工业化产品。另外， 变量泵的变排量机构时间常数较大，使容积调速系统的频响较低。改变原动机转速 的容积调速技术是近年来变频调速技术在液压领域中的应用。这种形式的容积调速 系统克服了上述传统泵控调速方式的缺点，能得到优良的控制性能，而且节约能源。 但因其成本较高，应用不多。目前液压电梯中广泛采用的足节流调速系统。 2 2 1 车用液压电梯负荷传感液压系统的设计 由笫一章的叙述可知，电梯乘坐舒适性、沉降、油液温升和噪声等是液压电梯 倒2 4 液压l h 梯速度理想曲线 f i g24t h ep e r f e c tc u r v eo fv e l o c i t y 重庆大学工程硕士学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 研制中应着重注意的几个问题。而乘坐舒适性是液压电梯研究的重点。由于采用的 是节流调速，油液的温升是不可避免的，它会影响电梯的乘坐舒适性。兼顾温升和 调速性能，总结以前的系统的特点，现采用负荷传感液压系统，根据负载的大小自 动调定溢流的压力，减少能量损耗。 在液压电梯速度控制系统中，对它的运行性能f 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 速度以及加加速度的最大值都有严格的限制。反映液压电梯运行规律，般以速度 量0 。 s = ：翟 厶。 山 、江舜( = | 、r 4 广目i ) 5 图2 5 负荷传感液压系统原理图 1 、油箱2 、进油滤油器3 、回油滤油器4 、液压泵5 、电动机 6 、压力表开关7 、压力表8 、电磁换向阀9 、高压滤油器加、单 向阀1 l 、溢流阀1 2 、二位二通截止蒯j 3 、比例调速阀1 4 、液控 单向阀1 5 、液压桥路1 6 、二位二通截止阀 1 7 、手动f 降阀1 8 、液压缸 f i 口25t h eh v d r n u | i es v s t e mo fc h a r p cs e n r ；n p l3 一il、_ ，l r 3 重庆大学j r 程硕士学位论文 2 液压电梯液压系统的研究 曲线来表示。如图2 4 所示，整个液压电梯运行过程可分为5 个阶段：f t ) j j n 速阶段 o b ；( 2 ) 匀速阶段b c ；( 3 ) 减速阶段c e ；( 4 ) 平层阶段e f ；( 5 ) 结束阶段f h 。 负荷传感液压系统原理图如图2 5 所示。该系统对单个液压缸进行分析，其结 果同样适用于双缸系统。将负载( 油缸) 的压力反馈至溢流阀，这样溢流阔就可以根 据负载情况动态的进行调整，从而达到节能的目的。 新的系统带来了新的问题。新的问题就是在各种工况下，溢流阀的进油口和导 控口的压力差恒定，在电梯运行的过程中，这个压力差是否会导致溢流阀主阀芯产 生定的开度。由于溢流阀主阀芯微小的开度就可以使溢流阀溢流，导致大部分流 量通过溢流阀溢流，小部分流量通过调速阀，严重影响电梯的调速性能。 对此，我们采用了试验的方法验证该系统的可行性。 通过对试验的分析和证明，在各种工况下，随着调速阀电流的增大，流过的流 量也逐渐加大，而流过溢流阀的流量逐渐减少，所以溢流阀的功率损失也逐渐减少。 试验数据证明了改进的进油节流调速系统是完全可行的。这与我们没计该系统的初 衷是完全符合的。 液压电梯的功率损失发生在电梯上行时的加段、减速阶段、平层阶段和结束阶 段，这四个阶段为非匀速阶段，电梯的速度总是小于最大值。 在非匀速阶段，液压泵的流量有一部分要通过比例调速阀，且在加速阶段流经 比例调速阀的流量随着速度的增加而逐渐减少，在其他的三个阶段随着速度的降低 而逐渐增加，其功率损失为比例调速阀进口处压力( 如果忽略系统中阀的压降，比例 调速阀进口处压力即为负载压力) 与流过比例调速阀流量的乘积。 在匀速阶段，液压泵的流量全部通过比例调速阀。 本课题研究的车用液压电梯负荷传感液压系统采用单缸系统，避免了多缸液压 系统中的同步问题，控制简单，故障率低，在轿厢布置及绕绳方式上力求使轿厢的 受力合理。负荷传感液压系统采用将负载压力反馈的方法代替进油节流渊速回路中 的比例溢流阀，使系统的成本降低，反馈更直接，响应更快速；负荷传感液压系统 用液控单向阀代替了双缸进油肖流调速回路中的电控单向阀，降低了成本，标准化 程度提高。 重庆人学工群硕士学位沧文 3 液压电梯系统建模的研究 3 液压电梯系统建模的研究 在研究液压电梯的控制系统时，首先必须对它进行建模、仿真，在一定的理论 高度上了解其结构及动态性能，然后才能研究和采用定的先进控制算法进行控制。 为抑制各种干扰对液压电梯速度性能的影响，选取轿厢速度直接反馈，采用机理和 辨识两种方法得到其速度模型。 假如要从机理上直接建立其模型，那将是非常复杂的，就算能建立也是不实用 的。为此，我们把整个液压e 邑梯系统当作是一个狄箱，通过辨识的方法来建立其速 度的简化数学模型。通过分析研究，可以深入地了解液压电梯系统的特点。 由于液压电梯上下行运行阶段我们采用不同的驱动方式( 上行靠液压泵驱动，下 行靠自身重力) ，同时，上下行时油液有效弹性模量及导轨摩擦力等一些因素对液压 电梯系统性能的影响也不同，因此应分别研究建立电梯上行与下行时的模型。 3 1 辨识方法的介绍和分析 系统辨识的问题普遍认为是，通过观测一个系统或一个过程的输入输出关系， 确定系统或过程的数学模型。本系统可以看作是个近似的线性过程，设其传递函 数为： g o ) ；黑；掣警翌 o ；m ( 3 1 )、 u 0 ) as “+ a n _ i s “1 十- + l 、7、7 在此就是根据速度的响应数据估计出上式中函数的参数：f b m 、b 一、】及 【a n 、a 。小、a 0 】。 一般在进行系统辨识时都是假设动态模型的阶次是实验前已知的，仅仅是方程 ，j 的参数是要估计的，可实际上系统的阶次很难确切地知道，因此，阶次的确定是 系统辨识问题的一个重要组成部分。模型阶次的确定也叫系统结构的确定，一个阶 数不正确的模型，在控制系统没计中会导致严重的问题。 3 1 1h a n k e l 矩阵判秩法 设过程的脉冲响应序列为：g o ) ，g ( 2 ) ，一：g ( l ) ，并含有弱噪声，构造如下h a n k e l 钳f 阵： 重庆大学l 程硕 学位论文 3 液乐屯梯系统建模的研究 h “， ) = g ( 女) g ( k + n g ( k + 1 、 g 僻+ 2 ) g ( k + l - 1 ) g ( k + n 其中，f 决定h a n k e l 矩阵的维数 哪些脉冲响应序列组成h a n k e l 矩阵。 的秩等于n o ，即有 r a n k h ( 1 ，) 】= n o ，h o ，v k g ( k + f 一1 、 g ( k + ，、 ( 3 2 ) k 可在? 至( l - 2 l + 2 ) 之间任意选择，它决定用 如果z n 。( 过程的真实阶次) ，则h a n k e l 矩阵 ( 3 3 ) 此式意味着当f 大于过程的真实阶次n o 时，h a n k e l 矩阵的秩仍然等于1 1 0 。利用 这一事实，可以通过对不同的i 值，判断h a n k e l 矩阵的奇异性来确定过程的阶次n o 。 当脉冲响应含有弱噪声时，引进h a n k e l 矩阵行列式的平均值d j ： 来观察h a n k e l 矩阵是否已由非奇异阵变为奇异阵。当j 从，开始逐一增加时， 不断计算d j 值，可取d j 到达最大值时的j 作为模型的阶次，此时分母项较分子项 急剧下降。 在这种方法中要用到脉冲响应序列，但我们实际测量到的是速度阶跃响应，因 此要把阶跃响应转化成脉冲响应序列。 没所得到阶跃响应为： h ( 回，h ( 1 ) ，h ( i 加( 出_ f 经过滤波处理，因此可以看作 含有弱噪声) ，脉冲响应为：【g ( 0 ) ，g ( 1 ) ，一jg ( l ) 】，h ( o ) = o ，g ( o ) = o ，可得： ( t ) = 了g ( i ) ( 3 5 ) 胃 印 h ( k 1 一h ( k - 1 ) = g ( t ) ，( k = 1 , 2 ，l ) ” 从而我们可以从阶跃响应得到脉冲响应。 3 1 2h a n k e l 矩阵法 ( 3 6 ) h a n k e l 矩阵法是一种由脉冲响应确定传递函数的辨识方法。考虑一个n 阶脉冲 传递函数 + b ：z 一2 + + 6 。z 一” ( 3 7 ) 舭一纠 叫一扎 整弘盘盎 重庆火学i 程硕十学位论文 3 液压电梯系统建模的研究 把它化成桐应的状态方程： p ( + 1 ) = 血( 2 ) + 妇( 【_ y ( 女) = c x ( k ) 其脉冲传递函数又可表示成： o ( z 1 ) = c ( z t 一爿) 。b 注意到 ( ，一詈) 妻( 拿) ；薹( 拿)