（机械设计及理论专业论文）电液比例变量泵控马达控制系统的分析研究.pdf

摘要 本文首先介绍了电液比例控制系统的发展及其特点、组成，接着针对其中的 泵控马达系统进行二次开发：建立了系统的数学模型；通过比较仿真后的马达转 速时域曲线图和理想的马达转速时域曲线图，得出该泵控马达系统的动态性能和 稳态性能差的结论；针对这个特点本文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，它融合了p i d 和模糊控制两者的优点；选用m a t l a b 仿真软件对此系统进行仿真分析，建立了系统的仿真模型，继而在不同的输入信 号及不同的负载下对系统进行动态特性仿真，并且比较未加模糊p i d 自整定控制 和加上此控制后系统的响应曲线。结果表明给泵控马达系统采用模糊p 1 d 控制后 使得马达输出动态响应性能大大改善，基本实现了马达转速恒速控制问题，达到 了我们预期的目标。因而说明在泵控马达系统中采用模糊p i d 自整定控制算法是 一种有效的方法。 关键词：电液比例泵控马达动态特性模糊p i d 自整定仿真 a b s t r a c t t h i st h e m e f i r s t l y i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t 、t h ef e a t u r e a n dt h e c o m p o n e n to fe 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 ls y s t e m ，t h e ns t a r t s t or e s e a r c h s e c o n d l y t h ep u m p - c o n t r o l e dm o t o rs y s t e mo nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lp r e s s u r ea n dd i s c h a r g et e s t b e d i t c r e a t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es y s t e m a f t e rc o m p a r i n gt h es p e e do f r o t a t i o nt i m e d o m a i nc u r v ed i a g r a mo f t h em o t o rw i t ht h ei d e a lc u r v ed i a g r a m ，w e g a i nt h er e s u l tt h a t t h ed y n a m i c c h a r a c t e d s t i co ft h i sp u m p c o n t r o l e dm o t o rs y s t e mi sb a da n du n s t a b l e f o rt h i s t r e a to ft h es 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 a l g o r i t h m i sb r o u g h to u tt o p r o g r a v e t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ea l g o r i t h mi n v o l v e st h em e r i t so ff u z z y c o n t r o la n dp i dc o n t r 0 1 i th a sm a d eas i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mu s i n gm a t l a b s o f t w a r e ，a n ds i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yt 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 mu n d e r t h ec o n d i o no fd i f f e r e n ts i s a li n p u t sa n dd i s t i n g u i s hl o a d s m o r e o v e rc o m p a r e dt h e u n c o n t r o l l e da n dw i t ha d d i n gt h ec o n t r o l ，t h e ng o tt h ed y n a m i er e s p o n s eo fm o t o r r o t a t es p e e do u t p u t s t h er e s u l t p r o v e st h a ta d d i n gt h ef u z z y - a d j u s t a b l e p i dc o n t r o l t ot h ep u m p c o n t m l e dm o t o rs y s t e mh a sg r e a t l yp r o g r a v e dt h es t a t i c a u dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m i th a sr e a l i z e dt oc o n t r o lt h em o t o rr o t a t es p e e d ，a n d a c c o m p l i e do u re x p e c t e do b j e c t i v e t h r o u g h l y ，i ti s a ne f f e c t u a lm e t h o dt h a tt h i s a l g o r i t h mi sa d a p t e dt o t 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 e dm o t o r s y s t e m 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 l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c e m u l a t i o n i i p u m p - c o n t r o l e dm o t o r f u z z y - a d j u s t a b l e - - p i dc o n t r o l 长安大掌司e 士掌位论文 第一章绪论 爹1 1 电液比倒控制技术概论 1 1 1 发展历程 电液比例控制技术是近几年发展起来的机电传动控制的- f l 新技术，它使用 方便、试用面广、抗干扰能力强、性价比高，同时在液压传动及控制技术的发展 过程中，电液比例控制也是继电液伺服控制之后电液控制的又一大重要进展。 电液伺服技术首先用于航空，继而用于一些重要工业设备的自动控制，迄今 已臻成熟。北京机床所精密机电有限公司( 原名为北京机床研究所) 于2 0 世纪 6 0 年代末在国内率先研制了电液伺服阀，到9 0 年代末已形成了q d y l 一q d y l 5 系列电液伺服阀，流量由1 1 m i n 至5 0 0 l m i n ，最高压力为3 1 5 m p a ，在国内的 各行业得到广泛应用。但是，电液伺服阀对介质清洁度的要求十分苛刻，制造 成本高且价格昂贵，系统能耗也大。 因此，自6 0 年代末期开始，电液比例技术得到了迅速发展。在其发展的第 一阶段，比例技术仅仅是将比例型的电一机械转换器代替电磁铁或调节手柄，阀 的结构几乎没有变化，一般不含有参数反馈，其工作频率仅在1 - - 5 h z ，稳态滞 环在4 - - 7 之间，多用于丌环系统。在比例技术的第二阶段，将耐高压比例电 磁铁和比例放大器及各种内反馈原理相结合，使比例元件的工作频宽增加到5 1 5 h z ，稳态滞环减少到3 左右。可用于开环及闭环控制。在比例技术的第三阶 段，比例技术不断完善，采用了压力、位移、流量内反馈和动压反馈及智能校正， 自适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响应都 进一步提高。在不到2 0 年的时间里，各国竞相开发了以传统型液压阀为基础的 各类电液比例控制阀、价廉可靠的电机械转换器及专用的控制放大器。利用这 些元件，首先是构成一些开环控制的电液比例控制系统，随后采用相应的检测传 感器构成闭环控制系统。于是，现代工业装备获得了一种价廉、可靠、能耗较低、 控制精度和响应特性均能满足要求的电液控制技术。 当前，大多数生产机械，只希望用较简易的电气控制装置来实现对精度响应 速度和洁净度都不太高的系统进行控制，连续电液比例技术正是根据这种需要在 通断式和伺服式元件的基础上发展起来的。电液比例控制技术在结构上和插装阀 相结合，并利用微电子技术的最新成果推出了机电液一体化的比例控制阀、变量 长安大掌硕士学位论文 泵和变量马达。除模拟式比例技术外，数字式( 脉冲式) 电液比例控制元件也正 在研制。 1 1 2 电液比例阀技术 比例阀是比例控制系统的核心部件，电液比例控制技术的发展当然也就离不 开比例阀的发展。此外，伺服阀以及介于这两者之间的伺服比例阀也逐渐成为液 压阀的主流。 1 1 比例阀 比例阀输入的是电信号，输出的是液压参数。连续改变电信号的大小，就能 达到连续比例调整输出参数的目的。比例阀的控制原理与伺服阀相同，但其结构 动作原理及对液体洁净度的要求与通断式逻辑阀相似或相同。使用比例阀在简化 油路的同时，还使控制特性特别是过渡特性得以改善。而且对于有比例阀的电液 比例控制系统输出参数的上升和下降可用比例放大器的斜坡函数来调节和控制， 可针对不同工况的载荷和速度，使系统的输出参数快速平稳地变化。如果在比例 阀的控制环节中引入微机、数模、模数转换器，就能按特定地变化规律控制输 出参数，为普通生产机械的随动控制和实时控制提供既安全可靠又方便易行的控 制方法。 2 ) 伺服比例阀。1 具有伺服特性的高性能比例阀，它的输入信号也是电信号，电信号和主阀芯 的输出反馈信号就决定了主阔芯的位置。优化的电子控制技术确保了商功能的伺 服性能，同时保留了普通比例阔的优点，如耐用、过滤要求不太高、易加工及可 靠性高。开发这种高性能阀旨在加速用“普通”比例阀替代伺服阀。由于比例阀 正日益具有伺服性能，并且耐用，成本较低，因此将不断取得胜利。因为在经济 形势严峻的时期，液压系统工程师们不仅要从技术角度考虑，而且还要考虑经济 性。 3 ) 伺服阀与比例阀比较 伺服阀的主要优点在于它的高速调节。这个优点比其达到的控制精度给入的 印象更深。由于其要完成的工作条件经常是苛刻的，因此这些伺服阀需要经常维 护。但比例阀更耐用和更可靠，这意味着他们将在高热、有尘土及不沽的机加工 厂里有优势。比例阀目前正在木材加工、陶瓷及金属压机、塑料注射成型机和铸 2 长安大掌硕士学位- 沦文 造厂获得广泛使用。较低的温度敏感性经常使工程师们更乐意选用比例阀，尤其 是用树脂封装的电子控制部分更是如此，如我们新一代的比例阀。而那些无封装 的阀仍然是易于受到振动的影响。从结构上看，比例阀耐用，泄露较少。它们不 需要截止阀，因为在紧急情况下其可自动回到安全保护位置。回路也简单了，从 而使这种比例阀易于同p l c 或p n c 控制器，特别是同中枢控制卡相连，从而缩短 了系统的起动过程，并使其工作过程中更平稳，响应更快。最新一代比例阀现在 己可同伺服阀相媲美。由于其天生具有传统比例阀耐用、较低成本的优点，因此， 它们将允许自控系统和比例阀之间实现最大程度的集成，从而确保高精度、高动 态特性以及最小的迟滞。 4 ) 国内外比例阀、伺服阀的生产 意大利a t o s 公司开发的伺服比例阀，既有伺服阀的高控制精度和高频响， 又有比例阀的耐污染性。 日本油研公司的l s b g 系列伺服阀，采用高强力直线马达直接驱动阀芯和阀 芯位置电反馈，有极高的频响特性和抗污染性。 美国m o o g 公司的伺服比例阀的频率响应范围为1 0 2 5 0 h z ，最高工作压力 为3 5 m p a 。有的产品采用位置位移传感器对主阀芯位置进行电反馈和监控，阀 装有内藏式放大器对主阀芯进行闭环控制。 国内的许多厂商在伺服阀比例技术方面有了新的发展，开发了许多新产品。 例如北京机床研究所的直动式电液伺服阀，杭州精工液压机电公司的低噪声比例 溢流阀，宁波华液公司的比例压力流量阀等。我国著名的流体传动与控制专家路 甬祥发明了带反馈的电液比例阀，进一步推动了电液比例技术的向前发展0 1 。 簿；l | i | 灌1 2 电液比例控制系统的构成、分类及特点 1 2 1 电液比例控制系统构成 一般地，电液比例控制系统是由电子放大及校正单元、电液比例控制单元( 比 例阀，电液比例变量泵及液动机) 、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检 测处理单元所构成。系统可通过设置液压( 压力和流量) 和机械参数中间变量检 测反馈闭环，或者通过动力执行单元输出参数( 压力，力，力矩，位移，速度和 加速度等) 检测反馈闭环改善其静态控制精度和动态品质。信号处理可以采用模 拟电子电路、数字是为处理芯片或微型计算机来实现。数字式集成电路在精读、 长安大掌硕士掌位论文 可靠性、稳定性等项均占有优势，其成本也越来越低廉，故应用日趋广泛，其结 构图如下图1 1 所示： 图1 1 电液比例控制系统的框图 1 2 2 电液比例控制系统的分类“1 电液控制系统有很多分类的方法，如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、前馈控制 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、 连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定系统和不确定系统等。几种常 见的分类描述如下： 1 开环系统和闭环系统 开环系统和闭环系统是控制系统的两种最基本的形式。开环系统就是系统的 整个输出对整个系统的输入没有影响的系统。它的控制信号与输出信号仅有前向 通道，而没有反馈通道。它的输入是事先设定的，与输出无关，系统的精度由事 先校准精度来控制。开环系统结构简单、维护和检修方便且成本低，故广泛应用 于许多控制系统中。图l 2 为开环控制系统。 闭环控制系统和开环控制系统之间的区别是多了一条从输出端到输入端的 反馈通道。系统的输出信号通过反馈系统反馈到输入端，和输入信号相比较后得 到偏差信号作为控制系统的输入，反馈系统的作用便是减少系统的输出偏差，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 系统的输出量能够自动跟踪参考输入，减少跟踪误差，提高控制系统的精度，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中 4 长安大掌硕士学位论文 元器件的性能参数的变化不灵敏，这样降低了对系统前向通道的元器件的精度要 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 就是这种闭环系统，系统中反馈元件为转速传感器，图1 3 为闭环控制系统。 输 图1 2 开环控制系统 图1 3 闭环控制系统 2 恒值系统和随动系统 按输入信号的形式可将系统分为恒值系统和随动系统。恒值系统是指参考输 入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控 量( 即系统的输出量) 保持在给定或希望的数值上。如工业控制中的电机调速系 统、温度控制系统和位置控制系统等。随动系统是指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跟踪和速度跟踪参考输入量， 跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。 3 线性系统和非线性系统 按组成系统的元件特性可将系统分为线性系统和非线性系统。线性系统是指 构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述， 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， 它只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。实际中，理想的线性系统是不 存在的，构成系统的元件中总会或多或少含有非线性特性，如果系统的这种非线 性特性在一定条件下，或在一定范围内呈线性特性，则可将它们进行线性化处理， 这类系统或元件的特性称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，只能 用非线性理论进行分析研究。 长安大掌硕士胄q 踅论文 4 。连续系统和离散系统 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 内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统，系统内某处或数处信号是以脉冲 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。 脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉 冲序列，这类控制系统又称之为采样控化子系统或脉冲控制系统。而用数字计算 机或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 节流系统和容积控制系统 按功率调节元件的不同可分为节流控制系统和容积控制系统。节流控制系统 也称为阀控系统，它是利用节流原理控制流入执行元件的流量或压力的系统。这 种系统中必有流量控制阀，同时也配有溢流阀。显然，节流控制系统是通过能量 损失来实现控制目的，所以必然效率较低。但是，这种系统结构简单，调节控制 阎很容易，系统的快速响应能力很强。 容积控制系统又可称为泵控系统，它是利用比例变量泵改变结构参数的办法 控制流入执行元件的流量或压力的系统。这种系统的特点是效率较高，发热量小， 系统刚度较好，一般用于功率较大的场合。但是，它的结构较复杂，调节惯量较 大，快速性不如节流控制系统。 1 2 3 电液比例控制系统的特点 与其它的液压控制系统相比，电液比例控制系统具有以下特点： ( 1 )能简单地实现自控、遥控和程控； ( 2 )工作平稳，灵敏度和控制精度较高，成效快； ( 3 )可简化液压系统，减少元件使用，因此结构简单，同时抗污染能力强： ( 4 )系统的节能效果好； ( 5 )可连续地、按比例地控制液压机构的力、速度，并能防止压力、速 度变化或换向时的冲击； ( 6 )能把电的快速性、灵活性及精确性等优点同液压动力传动等特点有 机地结合起来。智能化、集成化、自动化程度高。 i 薹毒 懑1 3 本论文研究的主要内容 本论文针对电液比例压力流量控制系统试验台其中一模块一泵控马达系统， 6 长安大掌硕士学位论文 主要做了以下工作： 1 ) 查阅大量的资料，了解了电液比例控制技术的发展历程以及这种新兴技 术的组成、特点等。 2 ) 对电液比例压力流量试验台做了简要的介绍，并对本论文的主要研究对 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的数学模型。 4 ) 比较目前各类控毒4 算法，并分析了系统的动态特性，设置了一种适合泵 控马达系统的控制算法。 5 ) 对泵控马达控制系统进行m a t l a b 建模，并对此系统进行仿真。 争1 4 小结 介绍了电液比例控制系统的发展概况，并给出其特点、分类及组成。 给出本文研究的主要内容。 长安大鸟瞻弧士掌位论文 第二章电液比例变量泵控马达系统原理 1 鬻 蠢2 。1 试验台简述 电液比例压力及流量控制系统试验台是集机械、电控、液压与仪表为一体的 综合性能试验台，该系统不仅可以对泵、马达及阀单独进行性能试验，而且要为 由多元件组成的液压控制单元或系统预留动力、控制、测试接口进行科研性研究。 具有教学、科研与实用多重功能，该系统采用模块化设计，通用性强，功能灵活， 自动化水平高，在国内处于领先水平。 该液压试验台主要由以下两大部分组成： 2 i 1 试验台液压系统 它主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 闭式泵一电机组 由电机、进口力士乐电液比例泵、联轴器、压力表、控制集成块等组成，安 装在公共底座上，底座由槽钢焊接而成，刚性强，采用内齿形联轴器，材质为尼 龙，运行平稳，无冲击噪声。进行泵控马达闭式回路试验时，由该泵提供动力源。 本论文主要研究以此泵来控制执行元件马达的转速问题。 ( 2 ) 开式泵一电机组 其组成、材质及特点同上闭式泵一电机组。进行阀控马达试验时，由该泵提 供动力源。 ( 3 ) 辅助泵一电机组 包括闭式系统补油泵电机组、控制泵电机组、供油泵电机组、冷却循环泵电 机组、控制集成块、压力表、管路及支架，泵一电机组均采用立式安装机械，减 小了安装空间，降低了运行噪声。管路端部安装有蝶形截止阀，泵一电机组运行 或检修时均应开启或关闭相应截止阀。 ( 4 ) 油箱 油箱有效面积约1 8 0 0 l ，冷却器、滤油器、液位控制器等安装在油箱上顶面， 打开油箱清洗盖可方便清理油箱内部，侧面安装有放油球阀，利于油箱排放油液。 ( 5 ) 泵、马达实验台架 由电液比例马达p m l 、二次元件d s i 、控制集成块、二次元件控制泵站( p 5 泵系列) 、仪表、台架等组成，泵、马达安装处留有一定冗余量，对于其它型式、 长安大学硕士掌位论文 第二章电液比例变量泵控马达系统原理 + 霪21 试验台简述 电液比例压力及流量控制系统试验台是集机械、电控、液压与仪表为一体的 综合性能试验台，该系统不仪可以对泵、马达及阀单独进行性能试验，而且要为 由多元件组成的液压控制单元或系统预留动力、控制、测试接口进行科研性研究。 只有教学、科研与实用多重功能，该系统采用模块化设计，通用性强，功能灵活， 自动化水平高，在国内处于领先水平。 该液压试验台主要由以下两大部分组成： 2 1 1 试验台液压系统 它主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 闭式泵电机组 由电机、进口力士乐电液比例泵、联轴器、压力表、控制集成块等组成，安 装在公共底座上，底座由槽钢焊接而成，刚性强。采用内齿形联轴器，材质为尼 龙，运行平稳，无冲击噪声。进行泵控马达闭式回路试验时，由该泵提供动力源。 本论文主要研究以此泵来控制执行元件马达的转速问题。 ( 2 ) 开式泵一电机组 其组成、材质及特点同上闭式泵一电机组。进行阀控马达试验时，由该泵提 供动力源。 ( 3 ) 辅助泵一电机组 包括闭式系统补油泵电机组、控制泵电机组、供油泵电机组、冷却循环泵电 机组、控制集成块、压力表、管路及支架，泵一电机组均采用立式安装机械，减 小了安装空间，降低了运行噪声。管路端部安装有蝶形截止阀，泵一电机组运行 或检修时均应开启或关闭相应截止阀。 ( 4 ) 油箱 油箱有效面积约1 8 0 0 l ，冷却器、滤油器、液位控制器等安装在油箱上顶面， 打开油箱清洗盖可方便清理油箱内部，侧面安装有放油球阀，利于油箱排放油液。 ( 5 ) 泵、马达实验台架 由电液比例马达p m l 、二次元件d s l 、控制集成块、二次元件控制泵站( p 5 泵系列) 、仪表、台架等组成，泵、马达安装处留有一定冗余量，对丁其它型式、 泵系列) 、仪表、台架等组成，泵、马达安装处留有一定冗余量，对丁其它型式、 长安大学硕士学位论文 规格的泵、马达元件可调其安装位置，采用进口快换接头连接被试件，可靠、方 便。 ( 6 ) 油源接口和比例加载试验台架 由换向控制集成块、比例加载控制集成块、台架、压力表等组成。 ( 7 ) 阀试验台架 由阀试验模块、液压控制单元安装板、压力表、台架等组成。 2 1 2 试验台电气系统 本系统主要由动力柜和操作台构成。动力柜主要安装电气系统的动力元件， 各台电机的断路器、接触器、控制变压器、直流电源等。操作台安装有系统的核 心控制元件及人机界面，系统所有试验的进行都是在操作台完成的。 电液比例试验台电气系统主要用于测试液压泵、液压马达主要性能参数，判 别液压阀机能及实现液压泵控马达和液压阀控马达动态实验的高精度控制。该系 统能够记录并存储实验中的数据，生成并打印实验报表及有关曲线。该系统主要 由下位机p l c 、上位机和一台管理机组成，三台机器通过1 0 0 m 交换机构成局域 网。p l c 主要控制常规的数字输入输出状态，通过调节电位器，可以实现手动试 验；工控机主要处理全部模拟输入输出量及编码器读数，记录所有相关数据，完 成全部试验；管理机可以查阅和备份有关试验数据，并可打印输出。该系统还包 括十一个压力传感器，八个油温传感器，五个流量传感器，一个转矩转速传感器， 八个比例控制器等重要仪表。所有传感器都有对应的仪表显示数值，同时在计算 机上显示。所有比例控制器既可通过计算机调节，也可通过电位器调节。 ，一 鬻2 2 泵控马达系统。6 1 本论文主要研究试验台中泵控马达系统，所以本节就此泵控马达系统的相关 内容介绍如下： 2 2 1 泵控马达系统组成 1 电液比例变量泵 在此系统中，变量泵p 2 选用德国力士乐原装进口件，其型号为 a 4 v s g l 2 5 e 0 2 轴向柱塞电液比例变量泵，特别适用于闭式回路，可连续改变排 量，连续工作的压力可达3 5 m p a ，噪声低，使用寿命长，功率重量比高，控制 时间短，额定排量1 2 5 m l r 。通过改变p 2 泵的排量来调节马达的转速和转矩。 9 长安大学硕士学位论文 为了满足功率调节和自动控制的要求，变量泵的控制方式近年来已得到长 足的发展。比例控制变量泵利用电一机械转换元件和控制阀来操纵变量机构，这 不仅是操纵方式的不同，更重要的是可以利用电信号来实现功率调节和自适应控 制。这对高压大功率系统的性能改进和节能都具有重要意义。 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 力调节和比例功率调节四大类。如果只利用变量机构的位置控制作用，使泵的排 量和输入信号成正比，即为排量调节。如果针对泵的输入参数，如流量、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压差与输入信号进行比较， 然后再通过变量机构的位置控制作用来确定泵的排量。所以后三种控制功能实际 上都是在排量调节基础上提出特定要求来实现的。本文研究的是比例排量调节变 量泵。 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 接反馈式、位移一力反馈式和位移一电反馈式三种，其形式如图2 一l 所示。位 移直接反馈式相当于常规变量泵的伺服变量方式，变量活塞跟踪控制阀的位移而 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，从而使变量活塞定位。位移一电反馈式把代表排量信息的斜盘 倾角或变量活塞的直线位移转换为电信号，并将此信号反馈到输入端与输入信号 进行比较处理，由二者差值为零使变量活塞定位。 嗨蕴 ( a ) 位移直接反馈式 位移一力反馈式( c 位移一电反馈式 图2 1 电液比例排量调节 1 0 长安大掌硕士掌位论文 本文所研究的对象是位移直接反馈式比例排量调节变量泵，如上图2 1 ( a ) 所 示。下图2 2 给出了此种控制形式的系统职能图。 图2 2 闭环速度控制系统职能图 变量泵变量机构的基本作用是改变泵的排量，即在任一给定的工作压力下 实现排量与输入信号成正比的控制功能剐。变量机构本质上是一个位置控制系 统，机构中变量活塞的位置与泵的排量调节参数一一对应。电液比例变量泵的控 制特性如图2 3 所示。 q p n l “ 一，l j o7 lb i l 一口。 图2 _ _ 3 变量泵的控制特性 控制电流由i o 变化至1 1 时，泵排 量由零变化至最大，对应于任一电流 值都有一个确定的排量与之对应，这 样的话就可以达到泵的无级调速。其 排量方程为： 矿怎“- i o )留一。了专u 2 电液比例马达p m l 试验台液压系统中电液比例马达p m l 为变量马达，采用德国力士乐公司的 a 6 v m l 0 7 e p 2 型弯轴结构轴向柱塞式电液比例马达，排量变化范围大、工作压力 可达4 0 m p a ，最大排量为1 0 7 m l r ，噪声低，使用寿命长。 为了保证系统正反两个方向供油，它的变排量机构采用的是一个直动式两位 三通比例换向阀控单作用缸结构，可以根据控制信号大小对马达排量进行调节， 其中比例方向阀是以电一机械转换元件直接驱动功率级阀芯运动的一种结构，调 节该阀可实现电液比例马达p m l 排量无级变化。另外，马达排量调节机构中，变 量活塞和先导阀之间的反馈方式采用位移一力反馈式，利用变量活塞的位移，通 长安大掌硕士掣啦论文 过弹簧反馈使变量活塞定位。排量调节原理如下图2 - 4 所示。本文主要研究该马 达为定量的情况，因此在整个论文过程中不涉及马达的变量问题。 3 二次控制元件d s l 选用德国力士乐原装进口件，a 4 v s g l 2 5 d s l 型轴向柱塞设计二次控制元件， 具有极高的频响特性，可正反两方向旋转，具有泵及马达双重功能。试验台上进 行泵控马达性能测试时，二次控制元件作为马达的承载元件。其液压系统原理图 如图2 - 5 所示。从图2 5 可知，二次元件变量机构是一个三位四通比例方向阀 ( b y a i o ) 控双作用缸结构，调节此比例方向阀可实现二次单元排量无级变化。 图2 4 马达p m l 排量调节原理图 b y a 8 、 一l l r 非_ o 、 c l o 上c 1 1 王 d 通 r1l j _ b b 吲到三 j 当j 图2 - 5 二次单元液压系统原理图 4 加载模块 试验台上加载模块液压原理图如 图2 - 6 所示。图中，比例压力阀b y a 7 作为压力加载方式调定加载压力，比例 流量阀b y a 8 作为节流加载方式加载， 为泵控马达系统调节加载压力。另外， 由单向阀c 9 、c 1 0 、c 1 l 、c 1 2 组成桥式 回路，c i o 、b y a 8 、c 1 2 组合成连通回 路，c l l 、b y a 8 、c 9 组合成换向连通回 路。 图2 - 6 加载模块液压系统图 5 转速传感器 选用j c z c 型智能转矩转速传感器，它是在原j c 型转矩转速传感器基础上利 苛矿 长安大掌硕士学位论文 用美国l o n w o r k s 技术研制开发的新一代智能型转矩转速传感器，在该试验台上 主要用以检测泵、马达、二次单元的转速和转矩。本文的研究对象为泵控马达系 统，此传感器在系统中起一个角速度反馈跟踪的作用，它主要完成把马达转动轴 上的角速度转化成电压信号后反馈给系统输入端口，系统通过比较输入电压和反 馈电压来判断给后面的对象施加控制的程度。 2 2 2 泵控马达系统液压原理 泵控马达系统的液压原理图如下图2 7 所示： l p 3 6 p 4 t 图2 7 泵控马达系统液压原理图 由上图可知，泵控马达液压系统由变量泵( p 2 ) 1 、定量马达( p m l ) 2 、比例阀 3 、双作用液压缸4 、单向阀5 、补油泵( p 3 ) 6 、溢流阀7 、控制泵( p 4 ) 8 、单向阀 9 和溢流阀1 0 组成。在此系统中，液压泵1 既是能源元件又是主要的控制元件， 通过比例阀3 和液压缸4 调节泵排量的大小和方向，就可以改变液压马达输出速 度的大小和方向。 系统中补油泵6 有两个作用：通过单向阀( 保证双向供油) 向系统的低压管 道补油，以补充系统的泄露量，并可在低压管道中建立一定的低压，改善泵的吸 入性能，防止气蚀，噪声和振动等危害；通过补油使系统温度下降。( 补充说明： 补油压力一般地为o 6 一o 8 m p a ，对于闭式泵系统存在以上的第一条作用即低压 补油的问题，而对于开式系统来说，则只有安全保护问题，但是当开式泵工作在 高速状态下，为了保证泵能长期可靠地工作，应避免泵吸油口产生大的真空，甚 至要求吸油口为正的相对压力，这时就需要在主泵前串联一个供油泵，为主泵供 油。) 溢流阀7 和溢流阀1 0 的作用相同。7 主要是限定补油泵6 的工作压力，9 主要是限定控制泵8 的工作压力，并同时起安全保护作用。 长安大萼明孤士掌位论文 控制泵8 主要是为泵变量机构提供控制压力，保证变量控制系统的正常工 作。 液压马达p m l 速度的检测主要靠转速传感器实现，转速传感器把马达的输 出参数转变为电压信号，与事先输入的电压信号相比较，通过控制器处理后再次 输入新的参数给被控对象一泵控马达系统，之后又通过转速传感器反馈，如此反 复后，最终达到系统期望值的稳定状态，即实现了我们预先的目标。因此，泵控 马达系统的控制原理图如下图2 8 所示，具体控制算法的选取将在第四章中详 细讨论。 输出 图2 8 泵控马达系统控制原理图 2 3 系统调速原理 液压系统中执行机构的输出速度是可调的，从变量调速这个基本特性分析， 液压系统有两种基本的调速形式，或者说有两种基本的调速系统：容积调速系统 和节流调速系统。由于本论文的研究对象为泵控马达系统，所以在此仅介绍一下 泵控系统的情况。 泵控马达调速系统，共有三种调速方式：其一是变量泵控制定量马达形式， 即为本论文所用到的形式：其二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。 容积调速回路是通过单独调节液压泵的变排量机构来改变泵的输出排量进 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，且液压泵的输 出流量与系统所需的流量相匹配，系统几乎不存在工作溢流，所以其效率大大高 于节流调速回路。但这种系统的缺点是一般采用的变量机构造价较高，结构较复 1 4 长安大掌硕士掌位论文 杂，故这种调速回路多应用于功率较大的场合n 2 3 。 对于泵一马达式调速系统，其回路的调速性能包括转速特性、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 排量) 之间的关系特性。 假设液压泵的转速、排量、流量、压力、和功率分别为n p ，d p , q p ，p p 和m ； 液压马达的转速、排量、流量、压力、功率和转矩分别为n 。，d 。，0 。，p m ，n 。，t m 。 在变量泵一定量马达调速系统中，泵的排量d 。是可以调节的参数，马达排 量d 。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： 一安；瓦q p = 每q ( 2 - - 2 ) 式( 2 - - 2 ) 中由于n 。，d 。均为常数，因此，马达的转速n 。与泵的排量 d 。成正比。 2 ) 转矩特性。液压马达输出转矩为： l 2 卸。d 。( 2 - - 3 ) 式中，p 。一马达压羞。式( 2 - - 3 ) 中，由于a p 。与q m 均为常数，所 以，马达输出转矩t 二是与泵的排量d d 无关的常数，即具有恒转矩特性，所以这 种调速回路称为恒转矩调速。 3 ) 功率特性。马达的输出功率为； 2 。去a p a p 。d m 幼老_ p m n p d p ( 2 叫) 2 m 。去md m 幼费司p m n r d p q 叫 式( 2 - - 4 ) 中，a p 。，p 均为常数，所以马达输出功率n m 与泵的排量 瑰也成正比。 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，也即变量泵一定量马达的工作特性如图2 9 所示。 实际上，液压泵和马达存在泄漏而且负载越大，油压越大，其泄漏也越大， 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。 长安大掌硕士学位沦文 m t m n 。 l 厂 变量泵一定量马达系统具有恒转 矩特性，另外，这种系统的调速范围 t m 大，因此在民用国防等工业中已被广 泛应用n 5 1 。 d d 图2 9 变量泵一定量马达t 作特性 2 4 小结 简要介绍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 统元件组成、作用等。 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 阐述。 1 6 长安大掌硕士掌位论文 第三章建立泵控马达系统数学模型嘲m 嘲n o ， 前一章中我们对泵控马达系统的组成、特点、液压原理、调速原理等已有所 介绍，那么本章主要就泵控马达系统做进一步分析，建立整个泵控马达系统的动 态数学模型。 泵控马达系统控制模式如前所述，变量泵p 2 既是能源元件又是主要的控制 元件，通过比例方向控制阀和变量机构调节泵排量的大小和方向来改变液压马达 p m i 输出速度的大小和方向。其控制原理图如下图3 1 所示： 图3 1 泵控马达控制系统原理图 3 1 初步模型 我们知道，此泵控马达系统是由多个液压元件组成，那么在建立这个系统的 数学模型前，必须先建立各个元件的数学模型，进而才能建立整个系统的模型。 为了条理清楚起见，我们在此分块进行建模。 3 1 1 电一机械转换元件 电一机械转换元件是电液控制系统中的重要单元，它将电气装置输入的电信 号转换为机械量，即力( 力矩) 和位移。作为电液控制元件的前置级，其稳态控 制精度和动态响应性能以及抗干扰能力和工作的可靠性都要求很高。传统的电一 机械转换元件大多是采用电磁作用原理设计的。最常见的有伺服电机、步进马达、 力马达、力矩马达和比例电磁铁等多种。 直流比例电磁铁是电液比例控制元件中应用最广泛的一种电一机械转换元 件。下面我们就来建立它的数学模型： 设当比例电磁铁线圈通过电流i 时，衔铁行程为x t ，在工作区域内，电磁铁 推力的近似线形表达式为： f v = k r ，i 以所( 3 一1 ) 式中，k i 一比例电磁铁的电流力增益，( n a ) ，且k ，。孕； 1 长安大掌硕士掌位论文 i ，一比例电磁铁的位移力增益和调零弹簧的刚度之和( n m ) ，且 巧：粤+ k 。 考虑外负载的衔铁组件的动态力平衡方程为： b 哪警+ 毋堕d t + r ( 3 _ 2 ) 式中，m ，一衔铁组件质量( k 曲； 日一阻尼系数- s m ) ； r 一作用于衔铁组件的外负载( n ) 。 式( 3 - - 1 ) 、( 3 - - 2 ) 反映了以电流为输入的直流比例电磁铁的动态特性。 合并式( 3 - - 1 ) 和( 3 - - 2 ) ，进行拉氏变换并整理得 i ( s ) = m x 2 x ( s ) + b r s l x r ( _ s ) + k y x r ( s 一) + t ( 3 - - 3 ) 图3 - 2 赢流比例电磁铁结构简图 3 1 2 比例方向控制阀4 w r a 6 此阀采用比例电磁铁直接驱动阀芯动作的结构。其结构原理如下图3 3 所 示。其工作原理为：当左右电磁铁都不工作时，由于两个对中弹簧的平衡力的作 用，阀芯始终处于中位。此时，p 、a 、b 、te l 互不相通；当给左边电磁铁通一 控制电流时，阀芯3 受电磁力作用右移一个位置，其位移量与输入信号成正比， 且这时电磁力与对中弹簧的回复力相平衡，( 通过与对中弹簧力平衡而实现定 位) ，于是，阀芯和阀套之间形成开口，压力油通过p 口进入b 口，回油通过a 口进入t 口，其通过阀口的流量与输入信号成比例；若给右边电磁铁通电时， 长安大学硕士掌位论文 油口导通情况正好互换，即p 口与a 口导通，b 口与t 口导通。 1 阀体：2 弹簧：3 阀芯：4 比例电磁铁 图3 - 34 w r a 6 比例方向控制阀 设在电磁铁线圈通电时，衔铁与阀芯问的相互作用力为f x ，阀芯位移量为x v 。 其中f x = t ；相应的有x v = x t 。 对阀芯列动态力平衡方程 f x = t - m , d 出2 x ：v 诅鲁城”和， ( 3 4 ) 式中，r t l ，一阀芯质量( k 曲。 西一阀芯的粘性阻尼系数，可认为是作用于阀芯上的瞬态液动力产生的 阻尼系数( n s m ) ： k 。一阀芯对中弹簧刚度( n 佃) ： k ，一作用于阀芯上的稳态液动力刚度系数( n m ) 。 合并式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 - 4 ) ，并进行拉氏变换，结合( 3 - 3 ) 整理得 g t l ( s ) - 【如r + 。) 5 2 + r + 风p + ( 岛+ k r + r ) l x v o )( 3 - - 5 ) 故 堋一瓦葡万若篙丽。一6 ) 上式可以简写为 娑：； 一( 3 - - 7 ) ，( s ) + 鱼s + 1 t o b v 。 ， 1 9 长安大掌硕士学位论文 式中，r 一液压固有频率( r a d s ) ，= 岛v _ 液压阻尼系数，岛，= 三 k 。+ k 。+ k “ 1 fm r + m 。 k b v _ 阀的增益系数( i l l ，a ) ，k b v = 趸最a 3 1 3 阀控液压缸 在此环节中，变量泵的变量机构采用的是对称四通滑阀控制对称双作用液压 缸结构，如下图3 4 所示。 图3 _ _ 4 阀控双作用液压缸结构图 对称的双作用液压缸既能使吸、排油路互换又能保证双向动作的动态特性的 一致性。其原理为把比例电磁铁输出的力或位移作为输入量加在比例方向阀 4 w r a 6 上，从而4 w r a 6 阀便产生与其成比例的压力或流量来控制双作用液压 缸。以下建立它的动态特性方程： 1 ) 阀的负载流量方程 假设：阀是零开口四边滑阀，其节流窗口是匹配和对称的；阀具有理想的 响应能力，即阀芯位移及外负载发生变化，则负载能量能瞬间发生变化。则阀 增量形式的线性化流量方程为 q l = k q a x ，一k 印 ( 3 - - 8 ) 由于此处阀的运动为微量运动，为简便起见，仍用变量本身表示其变化量。 则上式可简写为 骁= k q x ，一k 。p ( 3 - - 9 ) 式中，么一负载流量； 长安大掌硕士掌位论文 局一阀在稳态工作点附近的流量增益伽3 s ) ； 殷一阀在稳态工作点附近的压力一流量系数( m s n - s ) 工y _ 阀芯位移； 皿一负载压力，p l = p l - p 2( p l ，p 2 分别为液压缸进回油腔压力) 对上式作拉氏变换，得 纯( s ) = 局面- k c p l 2 ) 液压缸流量连续性方程 在建立该方程之前，先做以下假设： 。 管道内的摩擦损失、流体质量等忽略不计； 。液压缸内、外泄漏