经典控制理论在液压传动系统设计中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 l 0年 第 1 2期 经典控制理论在液压传动 系统设计 中的应用 程荣俊 黎瑞平 王俊蛟 中国地质大学机械与电子信息学院 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 以液压传动系统中的基本液压 回路为例 ， 对其进行建模 、 动态分析及利用 S i m u l i n k软件包进行可视化仿 真 ， 介绍 了经典控 制理 论在液压系统设计中的应用 。 通过动态特性仿真 ， 检验所设计 的系统性能是否满足预期要求 ， 以寻求最优参数提高其动态特性 ， 为一些 昂贵的液压产品设计 提供一种较好 的方法。 关键词 液压传动系统 ； 建模 ； 动态分析 ； 仿真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 7 文献标示码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 1 2 0 0 3 8 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Cl a s s i c a l Co n t r o l Th e o r y i n t he Hy d r a u l i c S y s t e m De s i g n C HE NG R o n l z n L 1 R u i - p i n g W A NG J u n - j i a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n ， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Ab s t r a c t B y t a k i n g t h e B a s i c h y d r a u l i c c i r c u i t o f h y d r a u l i c d riv e s y s t e m a s a n e x a mp l e ， t h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e u s e o f c l a s s i c a l c o n t r o l t h e o r y i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n w h i c h b y mo d e l i n g ， t a k i n g d y n a mi c a n a l y s i s a n d v i s u a l s i mu l a t i o n t h r o u g h t h e u s e o f a s o f t wa r e p a c k a g e o f S i mu l i n k ． T h r o u g h d y n a mi c s i mu l a t i o n ， i t c a n t e s t t h e s y s t e m d e s i g n e d w h e the r me e t t h e e x p e c t e d d e ma n d o r n o t ， a n d the n t o fi n d t h e o p t i ma l p a r a me t e r s t o i mp r o v e t h e d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ， w h i c h c a n p rov i d e a b e t t e r wa y f o r d e s i g n i n g a n u mb e r o f e x p e n s i v e h y d r a u l i c p r o d u c t s ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c d riv e s y s t e m；mo d e l i n g ；d y n a mi c a n a l y s i s ； s i mu l a t i o n O 提 出问题 常用的液压系统可以分为两类 以传递功率为主 的液压传动系统和以传递控制信息为主的液压伺服控 制系统。液压伺服控制 系统是在液压传动和控制理论 收稿 日期 2 0 1 0 4 1 8 作者简介 程荣 俊 1 9 8 8 一 ， 男 ， 汉族 ， 湖北 黄冈人 ， 中 国地质大学 武汉 本科在读 ， 专业方向机电一体化 。 的基础上建立起来的 自动控制系统 ， 具有反馈装置 ， 具 有较 强 的抗 干扰 能力 ， 故 系统动态 特性 较好 。而对 于一 般的液压传动系统， 其设计步骤如下 确定设计任务一液压系统参数设计计算一拟定液 压系统原理图 液压元件的计算与选择一性能验算一 编写技术 文件 从设计步骤中可以看 出传统的设计方法只是要求 液 压 系统 完成 规定 的 动作 循环 和 满足 静态 特性 ，而对 型双刨分双锁固油封 它的温度范围 一 4 0 ～ 1 2 0 o C； 线速 度 ≤1 2 m ／ s ； 压力 ≤0 ． 0 5 MP a 大于此压力可用压板 ； 跳 动 范 围 ／ 一 0 ． 3 mm 取代 普 通 油封 用 在偶 合 器 上 ， 效 果 非 常明显 。 通 过统 计 ， 原来 的密封 平均 寿命 为 3个 月 ， 使 用 双 剖 分双 锁 固油封 后 ， 密 封 的平 均 寿命 为 1 8个 月 。更换 密 封 的时间 ， 由原 来 的平均 3 6 h缩短 为现 在的 3 h 。 人 工 由原来的 1 O到 1 2人减少到现在的 3人。偶合器更是 常年不用更换了， 经济效益是显而易见的。 4 结束语 双剖 分 双 锁 固油 封 在 液 力偶 合 器 的密 封 的应 用 ． 3 8 可以降低备件费用 ， 减少检修时间和劳动强度 ， 充分证 明我们的设备管理水平还是可以有很大的提升空间。 参考文献 【 1 】 郑 国伟． 液压与气 动设备维 修问答【 M 】 ． 北 京 机械工 业出版 社 ． 2 0 0 7 ． 【 2 】 杨 乃乔． 液力偶合 器应用 于节能[ M 】 ． 北 京 机械 电子 工业部 北京起重运输机械研究所 ． 2 0 0 5 ． 【 3 】 谷士强 ， 郑重一． 冶金机 械维护检修与安装【 M】 ． 北京 冶金工 业出版社 ． 1 9 8 1 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 1 2 ． 2 01 0 于动态特性则基本没考虑 ， 这对于较精密的 、 较贵重的 或对动态特性要求较高 的传动系统是远远不够 的 ， 液 压系统 中的震动冲击噪声等现象均是 由于系统动态特 性不 良所致 。因此对要求较高的液压传动系统应用经 典控 制 理论进 行 动态 特性 分析 设计 具 有重 要意 义 。 下面 以液压传动系统 中的一基本调压 回路 为例 ， 通过建立系统 的数学模型 ．对液压控制系统进行动态 分析仿真来阐述控制理论在设 的应用。设计 的单级调 压 回路 如 图 1 所 示 ， 泵 出 的油 液 经 调 速 阀 5 、 二 位 四通 换 向阀 6进人 工作 缸 7 ， 并通 过 溢 流 阀 4控 制 系 统 的压 力 ． 通 过换 向阀 6控 制 液压 缸 的活塞 杆 的往 复运 动 。 1 一液 压 泵2 一 压 力 表3 一截 止 删4- 溢 流 删 5 一 调速阀6 - 二位四通换 向阀7 - 液压缸 图 1 阀控缸单级调 压回路 原理 图 1 液压 系统数学模 型 的建立 用经典控制理论分析液压系统 的动态特性 时 ， 常 需要考虑液阻 、 液感 、 液容等因素 ， 由于该调压 系统 经 调 速 阀后 的流 量 恒定 ， 故不 考 虑 液感 的影 响 ， 对 研究 对 象 为液 压 缸 而言 ， 液 阻 也不 需 考 虑 ， 液 容 反 映 出液体 的 可压缩性 ， 因此在分析工作缸时需考虑其影响 ， 对液压 缸 的进 、 出油 腔分 别用 流 量连 续性 方程 有 g 。 c 。 1 q 2 A 2 V C 2 2 式 中q 。 、 q 2 进 、 出油 液压 缸 的流 量 ； A 、 A， 液压 缸进 、 出油活 塞 的面积 ； P 。 、 P 液压缸进 、 出油腔的压力 ； C 、 C ， 管路及 缸 进 、 出油 腔 的液容 ； 活 塞杆运 动 速度 。 对 活塞杆 受力 分析 有 P lA - p A m 誓 F 3 式 中m 活塞 杆等 的质 量 曰 黏 性 阻尼 系数 一一 工作 负载 。 对 1 2 3 式 进行 拉普 拉斯 变换 得 Q l s l s C i s p 】 s 4 Q 2 s A 2 s 一 C 2 s p 2 s 5 A lp l s 4 z s ms s B s s 6 由拉 氏 变 换 后 的 4 5 6 三 式 可 作 出 液 压 控 制 系统 的传 递 函数 方框 图如 图 2所示 。 一／ 2 l 一 负载开环传递函数2 一 液压反馈 系统传递 函数 图 2控制系统传递函数方框图 由于流体经调速 阀后 ， 流量基本保持不变 调速阀 前 后 有 一 定 以 上 的 压 差 ， 由 流 量 方 程 q C 胛A V 2 K x o ／ p A C d T 为 节 流 阀 口流 量 系数 ， AT 为 节流 阀 口过 流面积 ， K为弹簧刚度 ， 查阅资料知 Q一 s s 一 C d T 。 由 于 回油管接油箱 ， 故 p z O ， 且 p 2 s ／ Q s 0 。因而对该系 统传递 函数进行化简后结果如下图 3所示。 图 3系 统 传 递 函 数 化 简 方 框 图 2 液压 系统 的动态特性 分析及仿真 当液 压 系统 依 据静 态 设计初 步 完 成 时 ，得 到相 关 工作参数 ，通过用 MA T L A B中的工具箱 S i mu l i n k对液 压系统 的动态特性进行仿真 ， 实现仿真结果的可视化 ， 可 以检 验 系 统 的动 态 特性 是 否 满足 预 期要 求 ，进 而寻 求最优参数 。 提高其动态特性 。 由 图 2可 以看 出 系统 可 以分 为 由负 载 组成 的开 环 系统 和 由液压 缸 及液 压 控 制 回路 构成 的反 馈 系统 两 部分 ． 可构 成 一 简单 的闭 环 系统 ． 因而 具有 一 定 的稳 定 性 。对 系统 分析 知 ， 若负 载 F变 化 ， 则 相应 变 化 ， 而速 度 变化导致反馈 回路中 P ． 、 p ， 相应变化来适应负载 3 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 0年 第 1 2期 变化 ， 因而具有 较好 的动态性 能 。 将所 设 计 的该液 压 系统 的相 关参 数代 入 到系 统传 递 函数 中并 用 MA T L A B中的 S i m u l i n k创 建模 型 如 图 4 所示 。 t i l * I “t ⋯ n 。 l | d l D Ⅱ 0一 l 『 e- c 峁 i i o ． i 毋 础 D 母 籍 雹 饵 举 ‰ 一 R- ⋯ 图 4系统仿 真模 型 方 块 图 活塞杆速度 s p e e d 随系统输入的随机负载 1 o a d 的变化 而变化 ， 仿 真结果 如 图 5所示 。从仿 真结果 可 以 看出， 当负载有较大的波动时， 活塞杆速度速度波动较 小 ． 动态 特 征性较 好 ， 基本 符 合调速 阀进 口节 流调速 原 理 ， 该系 统基 本满 足设 计要 求 若想 进 一步 改善 系统 动 态特性 ， 需修改设计 的工作参数 ． 再次进行仿真 ， 直到 达到预期要求时为止 。 图 5 仿真结果 一 “ w 一 一 。 一 - - 一 - - 一 一 - 一 一 - - - ” 。 一一 上 接 第 2 4页 3 ％～ 5 ％的节约 ， 达 到注塑机 1 级 能耗 标准 ， 马来 西亚 一 家客户使用东华机械有限公 司合模力 6 0 0 t 的 6 0 0 S e注 塑机加工 7 4 0 g 重的油漆桶 ． 同比日本某 品牌的合模力 6 5 0吨的 变量泵驱 动 的注塑 机 ， 每天 的电费 由 7 1 0马来 西亚元下降为 2 5 0 ． 6马来西亚元 ， 下降幅度达 6 4 ． 7 ％I6 J 。 7 结语 交流伺服电动机驱动液压泵系统具备节能高效 的 特性 ， 越来越广泛使用于注塑机。伺服电动机与负载敏 感泵组成的伺服控制系统是真正的高性能超节能的伺 服控 制系统 ， 也是努 力研 发的方 向 。交 流伺服 电动机 驱 动液 压 泵 系统 是 一个 多 变 量 、 强 耦合 、 非 线性 、 变 参 数 的系 统 ，开发 现代 非线 性控 制 方法 应用 于 注塑 机上 的 研 究 ，是提 高 注射 成型 控制 性能 的迫切需 要 解决 的课 题。提高注射成形性能， 节能技术才有生命力。 交 流伺 服 电动机 的 特有性 能 特别 吻合 注 塑机 的成 形 特点 ， 促进 了注塑机 节 能 的深入 发展 ． 同时 达到 了 现 结 诊 I -4 ， u 通过对静态分析设计出的液压传动系统进一步进 行动态性能分析设计 ，可以了解系统中压力瞬态峰值 波动时系统执行机构的响应情况 ，进而对系统相关参 数进行修改优化 ， 使动态特性趋于满意 ， 因此 ， 这种基 于控制理论的动态设计方法具有较大的应用价值 ， 能 在军 事 、 航 天等重 要领域 发挥 其作用 。 参 考 文 献 【 1 ] 杨 曙东， 何存兴 主编． 液压与气压传动 第 三版 [ M】 ． 武汉 华中 科技大学出版社， 2 0 0 8 ． 【 2 】 李永堂， 等编著． 液压系统建模 与仿 真【 M】 ． 北京 冶金工业 出 版 社。 2 0 0 3 ． 【 3 】 刘忠主编． 液压传动与控制实用技术【 M】 ． 北京 北京大学 出版 社。 2 0 0 9 ． [ 4 】 杨叔子， 等编著． 机械工程控制基础 第五版 [ M I ． 武汉 华 中科 技 大学 出版社。 2 0 0 5 ． [ 5 】 董林福， 等编著． 液压元件 与系统视 q [ n1 ． 北京 化学工业 出 版 社 。 2 0 0 9 ． 『 6 】 高钦 和， 黄先祥． 基 于 S i mu l i n k的重物举升 液压控制 系统建 模与仿真【 J 1 ． 机床与液压， 2 0 0 1 1 ． [ 7 】 韩 虎， 等． 基 于 M A T L A B液压系统的仿真技术研究与应用[ J 】 ． 液压气 动与密封， 2 o o 7 3 ． 有其它驱动形式无 法达到的节能性能及注射成形性 能。交流伺服电动机驱动液压泵系统应用说 明， 创新是 推动注塑机科技进步的根本理念。 参考文 献 『 1 ] 齐文春 ， 黄莺 ， 沈 娟娟 ． 节能型高效注塑机设计[ J ] ． 塑料工业 ， 2 0 0 6 ， 3 4 5 ． 『 2 1 张友根． 大型注塑机液压动力驱动系统节能技术 的分析研究 及展望『 J 1 ． 液压气 动与密封， 2 9 2 ． [ 3 】 张友根． 注塑机节能液压系统的应用分析与研究[ J ] ． 液压气动 与密封。 2 8 3 ． 『 4 1 李军红 ， 陈潮填 ， 唐忠平． 交流永磁 同步电动机的变结构控制 『 J 1 ． 中小型电动机 ， 2 0 0 5 ， 3 2 5 ． 【 5 】 陆南 ， 刘维亭． 永磁 同步电动机交流伺服系统动 态性 能研究 [ J ] ． 华东船舶工业学院学报 ， 2 0 0 5 ， 1 9 4 ． 『 6 1 东华机械有 限公 司． S e系列伺服驱动注塑机通过 国家节能 1 级 认 证 I J 1． 聚 风 ， 2 01 0 4 ． [ 7 ] 张友根． 关于 中国注塑设备科 学发展 的探讨[ J ] ． 现代塑料 工 业 ． 2 0 1 0 2 ．