中小型旋挖钻机液压系统设计（全套含CAD图纸）
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变量泵的单控制机构设计杜洪柳（音），NOAHDMANRING12（1，卡特彼勒液压研究与开发技术中心，伊利诺斯皮诺亚61565；2，密苏里哥伦比亚大学机械与航空航天工程系，密苏里哥伦比亚65211）摘要在本文中,论证表明,轴向柱塞变量泵出口压力控制回路的传统双控制机构配置本质上是一个开环不稳定系统,这增加了闭环控制系统设计的稳定性和动作性能的内在制约。并且，平衡由两个并联的控制机构产生的负载需要很大的力，反过来说，需要大号的轴承来保持旋转斜盘在恰当的位置。为了克服传统泵配置的这两个缺点，本文提出了一种新的控制结构。通过平衡压力余角产生的扭矩，这里提出的控制设计只采用一个用某种方式改装的控制机构，使开环动态是严格稳定的。对该新方案，有效的控制算法已经研究出来了。实验研究也显示出了该控制设计的一些明显优于传统双控制结构的优点。1简介在工业中，轴向柱塞变量泵广泛应用于液压系统中，给各种机械提供压力和流量。在轴转速不变的情况下，通过调节斜盘倾角，出口流量是可以改变的，而且用这种方式，泵的出口压力也可以控制。理想的情况下，泵的出口压力应该可以追踪预期的基于系统负载压力变化的压力曲线。在这方面，许多控制学科已被应用于发展电液压力控制泵系统，其中主要应用的是线性控制方法（AKERSANDLIN,1988LANTTO,ETAL,1989LINANDAKERS1990）。使用比例电磁阀提供控制流量来调节斜盘角度，一种非线性的控制方法已发展用于泵的出口压力控制，它可以即时适当的补偿压力余角的变化DUANDMANRING,2000。为了进一步深刻认识系统运动，调查个别参数对控制系统设计的影响，将系统的状态分门别类是非常有用的。这样处理后，起主导的“慢”变量可以确认，而较不重要的“快”变量则可以忽略以减少系统的复杂性，达到控制设计和实施的目的。此外，合理的降阶模型将揭示影响基本控制系统行为的最重要方面。如图1所示，液压斜盘式轴向柱塞泵通常由在圆柱缸体里的几个活塞组成。这些活塞在缸体内按环形排列均匀嵌套在轴线的周围。通过被压缩的圆柱弹簧的力和一个不太明显的缸体本身的作用力，缸体与配油盘紧紧地靠在一起。滚珠和球窝联接将每个活塞的底部连接到一个滑块。滑块本身与斜盘保持联接状态，且斜盘倾角是由基于出口压力或者出口流量要求的伺服机构控制的。就实际应用而言，任何液压控制机构上的负载都可以随时改变，这反过来要求液压泵需相应地提供不同的操作压力。特别的，对于压力控制回路，目标是在有限追踪误差条件下，控制泵的出口压力来遵循预期压力随时间的变化（这由工作负载和工作环境决定），同时还要考虑系统的不确定性以及实际局限性。在传统控制机构的结构中有两个主要的缺点。首先,出口压力反馈增加泵的排量导致了一个开环的不稳定系统，这增加了闭环控制系统设计稳定性和动作性能的内在制约。尽管这个论点可以在后面的章节中严格地论证，一些直观的分析还是可以帮助我们从物理上揭示这种不稳定性。假设泵的出口流量比不变，且反馈控制也不发生（开环），这时引入一个外部的干扰，而这将引起出口压力偏离其工作点。泵的出口压力会随着斜盘倾角的增加而增加，转而引起出口压力的进一步增加。正反馈过程会迅速地将泵出口压力升高至最大值，对应着物理上固有且最大的斜盘倾角，这也就使得安全阀，对于安全来说，是绝对必要的。同样地，出口压力的下降则会引起输出压力降低至最小值。其次，平衡由两个并联的控制机构产生的负载需要很大的力，反过来说，需要大号的轴承来保持旋转斜盘在恰当的位置。为了克服传统泵配置的这两个缺点，本文提出了一种新的控制结构。通过平衡压力余角产生的扭矩，这里提出的控制设计只采用一个用某种方式改装的控制机构，使开环动态是严格稳定的，并且作用在斜盘轴承上的力也明显地减小。本文中，为了更加本质地追踪泵的出口压力控制系统，采用单变量微扰技术，建立了一个简化了的开环模型。每个系统状态的分析以及综合系统控制器的设计细则也都提供了，还应用了实验结果来证明所提出的控制系统设计。文章组织如下。第二节描述了伺服控制系统结构及变量泵的运动，第三节研究了降阶泵控模型，动力学分析以及控制系统设计。第四节提供了实验结果和讨论来证明模型还原和控制设计。最后，第五节以结论总结了全篇工作。2系统建模变量泵的压力伺服控制系统原理图，以及传统控制机构配置如图2所示。缸体以恒定角速度转动，每个活塞周期性地经过配油盘上的出油口和进油口。斜盘以正角度倾斜，使得活塞经受着进出缸体的振荡的流量，这样驱使着液压油从低压进油口进入，并将它从高压出油口泵送出去。如图所示，斜盘倾角的控制扭矩是由两个伺服机构产生的。一个连着弹簧的小型伺服机构，提供偏扭矩来增加泵冲程，而另一方面，大一些的伺服机构则用来缩短泵冲程。泵的出口压力直接反馈到小伺服机构，当作用在大伺服机构上的压力来自受控伺服阀的出油口时。在这项研究中，购买了一个四边单极伺服阀并且应用在了控制结构当中。一个出油口与大伺服阀相通，而另一个则被阻塞以防止漏油。滑阀的位置控制着油液流进或者流出大伺服阀腔，产生控制扭矩来定位斜盘倾角。假定伺服阀有着比泵更高的带宽，那么在系统运动和控制系统设计中伺服阀的运动就可以忽略了。这样，压力伺服控制系统设计的任务就成了寻找一个合适的规则来定位伺服阀的滑阀，从而泵的出口压力就可以得到预期的压力时间关系曲线图。21斜盘式轴向柱塞泵的运动利用之前的研究（DUANDMANRING2000，MANRING1999），对于图2中的结构，可以知道斜盘运动的方程可以由下式给出其中是作用在斜盘上的非线性摩擦力，是活塞与内壁的库伦摩擦力，且FTFPSTT每一个参数的物理意义都列在了命名法里。应该注意到，在这些参数中，如图3所示，代表着所谓的压力余角（MANRING1996），随着泵的工作条件一起变化（方程（4）。泵的出口流量运动可以由下式描述其中是泵出油腔的容积，P是泵的出口压力，是负载流量比，由控制机TVLQ构决定，其它参数列在命名法里。大伺服阀腔里的控制压力由压力增加比方程控制，且方程如下其中是控制压力，是流量比，由伺服阀控制，而代表从私服活塞跟CPCQLEAKQ内壁的间隙泄露的流量。比例阀提供的控制压力比可由以下方程大概得出其中是阀的流量增益，是通过阀口的额定压力差，且QKNP。简化方程（9）得0,XPPC其中。另外，NQPK方程（1），（7）和（11）就构成了泵控制系统的开环动力学系统。这些方程就代表了一个以滑阀位置和负载流量比作输入，出口压力P作输出的一个高度XLQ非线性的四阶系统。3简化模型和控制系统设计除之前做出的假设之外，还假设了伺服阀的滑阀在它的零位置附近运动，以及斜盘倾角的操作范围很小，因而，且。1COSSIN31线性化和降阶处理在这一小节里，我们忽略了摩擦项并将方程（1）在工作点附近线性化,，和。这得到OPP0A其中应该注意到在处，偏差跳跃项的前压缩力，一个常数，被忽略掉了，但0仍不失普遍性。事实上，这个扭矩可通过加一个另外的常数项到控制压力上来补偿。进一步地，在工作角度处，恒定控制压力和泵的出口压力的关系如下0这样我们可以假设在工作点让，且输出YP。LCQUXPZXAX21321,在这些定义下，线性系统动态的状态空间形式可以表达如下其中且。在一个小的控C10V,且OPQXTQHTPGTPKCVBKVB制容积和大的体积模数下，是一个非常小的正数。通过单变量微扰法（设C定为零），可以知道这样，泵的动力学系统就可简化为其中，和YP。另外控制伺服系统的泄露相比其它参数是非PA21,常小的，因此系数也是一个很小的整数。再次运用单变量微扰法，设定1CTC，有01因此，一个进一步简化的系统模型就可写成这个模型简化的意义在于它将泵的动力学系统分到了快和慢的两个子空间里面去。在21021LCPLCCLCAACG01UCX和的条件下，状态跟，以相应的改变率和12UZXXLCCPCCP1/G，改变得非常快，以至它们迅速地收敛至方程（19）和（20）的根，这也是/CG方程（18D）和（20B）的平衡点。简化模型（方程22A22C）包括了慢状态，斜盘倾角以及泵的出口压力P，它主导着在低频状态下的系统运动。32开环稳定系统的设计方程（23A23C）代表的开环运动系统是一个开环不稳定系统。这可以由以下过程说明此系统特征方程是相比其它参数，泄露系数是非常小的，通常是。因此，对于方HLC00BAP程（23），有和，这说明,002121LCCLPCLABALCLCC它的一个根在S平面的右半部分。此结论证明图2所示的泵出口压力控制系统本质上是一个开环不稳定系统，这内在地增加了任何闭环控制系统设计的限制。为了建立一个开环稳定系统并减少作用在斜盘轴承上的控制作用力，图4中提出一种新的控制系统结构。在这项设计中，只使用了一个控制机构以减小作用力。在没有有效液压来启动时的启动阶段，引入柔性弹簧来增加泵送行程。控制伺服阀安装在上冲程的位置来平衡斜盘上压力余角诱发的扭矩，而不是在离开斜盘的位置上。对于这种结构，我们遵循之前引证的相同的步骤，得到斜盘的线性控制方程其中此外，应用单变量微扰理论，一个线性的降阶系统模型可表达为从这些方程中，可知道系统矩阵的特征值都在S平面的左半部分。因此，采用图4所示的控制结构，我们就得到了一个开环稳定的系统。33控制系统设计控制扭矩控制扭矩是通过控制压力和斜盘上压力余角诱发的扭矩而产生的，表达式为应注意到控制扭矩的大小是被物理约束参数和限制的。此外，泵的出口PAC压力也内在地限制了控制扭矩的上限和下限。考虑，可以知道C0方程（31）揭示了与泵设计的控制性能相关的重要两点。首先，更高的工作压力对应着有效控制扭矩的更宽范围，这也意味着较小的控制增益可以在短时间内产生足够的控制扭矩来推动斜盘到一个预期的位置。因此对于较低的工作压力，显然需要更长的反应时间。其次，跟的差越大有利于增加控制扭矩的最小上界，CAP而较大的压力余角则减小控制扭矩的最大下界。这也表明同时增加跟有利于PAC控制系统的性能，因为在强大的稳定性和很好的工作性能之间，较小的反馈控制增益和更快的反应时间是主要的收获。控制系统设计和控制参数的选择在确保稳定性的条件下，控制系统设计的性能目标是要调节泵的出口压力来追踪理想的压力值以防控制过头。为了满足这一要求，本文提出的控制方案是构造一个闭环系统，实际上是一个一阶误差动力系统。要达到这目标，更深层次的分析对控制器设计及其参数选择是非常有用的。设且考虑泵出口流量比作为系统扰动，如图5所示，闭环传递函数可表达如下这里需注意几点。（1）MS是一个所有非零系数都为正的二次多项式，这意味着它的两个根总会在S平面的左半部分。（2）相比MS的系数，NS是一个非常大的正常数，这说明在适当构造的控制函数CS下，传递函数TS的性质是由前环传递函数CSNS控制的。（3）如果多项式MSCSNS是二阶的，且所有的系数都完全是正的，那么只要未建模动态可以忽略，系统的稳定性就能得到保证。这也意味着从系统稳定性和实现的角度来讲，比例控制或者比例衍生控制是合适的，条件是控制增益选择合适，使高频未建模系统的不确定性未被激发。基于以上的讨论，在这项研究中，PD控制器，是给泵出口压PDKSC力作用来追踪其预期的随时间变化关系。因此，闭环传递函数，方程（34），可以写成从方程（35）能看出，在低频段，传递函数实际上是一个一阶运动系统，即阶跃输入的超调量不会出现。对于这种基本的一阶系统，系统的上升时间以及稳态追踪误差都基本由反馈增益和决定。闭环时间常数和DC稳态误差可相应地表PKD达如下4实验研究41实验装置泵出口压力控制测试原理图如图6所示。实验装置由（1）一台3357KW（450HP）速度受控的电机，提供泵轴的恒定转速；（2）一台变量轴向柱塞泵，有9个活塞，最大排量247CC/REV；（3）一个MOOGD633的直动式比例伺服控制阀，额定流量为5L/MIN，工作压力6895MP（1000PSI），用于提供控制压力；（4）一个可变孔限制泵的出口流量，并提供出口压力和流量扰动；（5）一个压力可调的安全阀（实验过程中安全阀的压力要设定得比试验压力范围更高）；（6）一台333MHZ的奔腾II计算机，带有USBDT9802数据获取系统，用于数据获取和控制；（7）两个压力传感器和一个角度感应器，测试系统变量；（8）自制信号调整器。使用10W液压油，且油液的温度控制并限制在65。其它相关的参数列在表1中。计算机的输出压力限制在10V（20MA）。截止频率50HZ的数码巴特沃斯低频滤波器用于消除高频电气噪音的影响。A/D转换器在模拟输入上有16比特的分辨率和模拟输出上12比特的分辨率。控制软件是用VC语言编写的。42实验结果对于PD控制设计，一般来说，越小越大，系统反应就越快，性能也越好，如果未建模动态没有激发且控制结构的饱和状态也被阻止的话。在试验中，两个参数设定为00和00。应用方波轨迹，它的集中在17MPA，振幅为3MPA，周期为4或8S，研究了系统的调节性能。采样频率限定在60HZ。泵的转速相应地设为2000RPM，1900RPM，1800RPM和1700RPM。大量的实验结果已统计出来，并且这些结果是非常一致的。对于所提出的方案和算法的硬件实现，图7和8就表现了典型闭环控制系统的性能。在这些图中，高频分量对应着由通常没有模型化的活塞循环运动所引起的压力波动。并且可以看出，对于PD控制器，就像之前在分析在所预测的一样，阶跃输入指令并没有出现超调，系统在追踪误差的范围内也是稳定的。相对较慢的斜盘脱离行程基本上都会引起稳态平均误差的偏移，这点可以通过增益排程计划来改良。同样也应该注意到，越高的泵转速对应着越快的系统反应，当泵的斜盘脱离程需要时。在试验过程中，还发现如果反馈增益在不同的压力工作点保持常数，追踪误差和系统反应时间会相应地增大和变长。基于不同工作点的增益排程可明显提高系统性能。5结论这篇论文中，提出了使用单控制机构的液压变量泵出口压力控制方法。文中所呈现的控制系统设计提供了一条使用单控制机构控制变量泵出口压力来追踪压力随时间变化关系的途径。已经证明，应用简化的二阶系统模型，局部线性化的开环系统是严格稳定的。比例控制（P控制）或者比例衍生控制（PD控制）可以构成一个严格稳定的闭环系统，倘若控制增益选择合适，使得高频未建模系统的不确定性不被激发的话。适当选择PD增益时，闭环传递函数本质上是一个一阶运动系统，这意味着对于阶跃响应将不会出现超调。对于这种基本的一阶系统，系统上升时间以及稳态追踪误差基本由反馈增益决定。而对高压应用情况，可以得到更好的系统性能，因为未建模系统，特别是斜盘运动，没有那么重要，并且能得到更宽的控制扭矩范围。最后给出了实验结果来证明所提出的控制方法。参考文献LAKERSAANDLIN,SJ1988,“OPTIMALCONTROLTHEORYAPPLIEDTOAPUMPWITHSINGLESTAGEELECTROHYDRAULICSERVOVALVE,”ASMEJOURNALOFDYNAMICSYSTEM,MEASUREMENT,ANDCONTROL,VOL110,NO2,PP1201252DU,HANDMANRINGND,2000,“ANADAPTIVEPRESSURESERVOCONTROLDESIGNFORVARIABLEDISPLACEMENTPUMPS,”PROCEEDINGSOFTHEASMEINTEMIONALMECHANICALENGINEERINGCONGRESSANDEXPOSITION,2000,DSCVOL961,PP3053123LMTTO,B,JANSSON,AANDPALMBERG,JO,1989,“ANEWCONCEPTOFCOMPUTERCONTROLLEDELECTROHYDRAULICSYSTEMTHEPQPUMPCOMBINEDPUMPANDVALVECONTROL,”SECONDBATHINTERNATIONALFLUIDPOWERWORKSHOPFLUIDPOWERCOMPONENTSANDSYSTEMS4LIN,SJANDAKERS,A,1990,“OPTIMALCONTROLTHEORYAPPLIEDTOPRESSURECONTROLLEDAXIALPISTO
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