基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究.pdf

2 0 1 3年 7月 第 4 l 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J u 1 ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ．1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 3 ． 0 4 2 基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究 邓飙 ，张磊 ，任建华 ，于杰 1 ．第二炮兵工程大学，陕西西安 7 1 0 0 2 5 ；2 ． 6 3 8 1 7部队，陕西西昌 6 1 5 0 0 0 摘要 针对多级缸起竖系统换级冲击大、能量利用率不高的问题 ，提出了恒压频比变频容积调速和节流调速相结合的 复合调速方法 ，采用角度信号作为跟踪参考轨迹，将模糊控制器作为系统控制环节，在 A ME S i m和 S i mu l i n k中进行了联合 仿真。仿真结果表明，模糊控制可以减小换级时的冲击，采用变频液压技术能够有效减小节流、溢流损失，提高了系统的 能量利用率。 关键词 恒压频 比控制；模糊控制 ；多级缸模型；A M E S i m；S i m u l i n k 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 31 4 7 4 S i mul a t i o n St ud y． o f Er e c t i ng Hy dr a u l i c S y s t e m o f Te l e s c o pi c M ult i s t ag e Cy l i nd e r Ba s e d o n Va r i a bl e Fr e q ue nc y Te c hno l o g y DE NG B i a o ，Z HANG L e i ，RE N J i a n h u a 1 ． ，YU J i e 1 ． S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a ； 2 ． T r o o p s N o ． 6 3 8 1 7， P L A， X i c h a n g S h a a n x i 6 1 5 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t 、， c o n t r o l e r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m c o mb i n a t i o n me t h o d o f a T h r o t t l e a n d V a r i a b l e Di s p l a c e me n t S p e e d C o n t r o l b a s e d o n v a r i ab l e f r e q u e n c y t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d b y a i mi n g a t t h e p r o b l e m o f l o w e ffic i e n c y o f e n e r gy u t i l i z a t i o n an d l a r g e i mp a c t wh e n c h an - g i n g l e v e l i n g o f t h e e r e c t i n g h y dra uli c s y s t e m o f T e l e s c o p i c m ult i s t a g e c y l i n d e r ．I n A ME S i m and M a t l ab， t h e m ode l w a s s i m ula t e d j o i n t l y ， b y u s i n g t h e a n g u l ar s i g n a l a s t h e f o l l o w i n g r e f e r e n c e d t r a j e c t o r y and p u t t i n g F u z z y c o n t ro l p l a n f o r s y s t e m c o n t r o 1 ．T h e s i m ula t i o n r e s u l t s i n d i c a t e tha t t h e F uzzy c o n t r o l c a l l r e d u c e i mp a c t wh e n c h a n g i n g l e v e l i n g ．B y u s i n g v a r i abl e f r e q u e n c y h y dra u l i c t e c h n o l o gy ，t h e l o s s e s o f Th rot tl e an d o v e r f l o w c an b e e f f e c t i v e l y r e d u c e d，a n d e ffi c i e n c y o f e n e r gy u t i l i z a t i o n i n t h e s y s t e m i s i mp r o v e d ． Ke y wo r d s V ／ F c o n t r o l ； F u z z y c o n t r o l ； T e l e s c o p i c mult i s t a g e c y l i n d e r mo d e l ； A MES i m ； S i mu l i n k 大型设备的多级缸起竖系统大多采用液压驱动方 式 ，但在工程实际中起竖系统存在换级冲击大、能量 利用率不高的问题 。换级时，液压缸活塞的横截 面积发生突变会产生很大液压冲击，传统的 P I D算法 难以取得满意的控制效果，采用鲁棒性很强的模糊控 制可以有效减小换级时的冲击。能量利用率不高是因 为传统起竖液压回路的泵源是定量泵 ，泵的输出流量 不能随着负载流量的变化而改变，采用节流调速时， 存在较大的节流和溢流损失。将变频液压技术应用到 起竖系统中，用变频器 普通电机 定量泵的结构形 式代替了传统的普通电机 定量泵的结构形式 ，通过 改变变频器输入电压调节泵的输出流量以适应负载流 量 的变化 ，从 而能够减小系统 的节流 和溢流损失 ，提 高能量利用率 。 作者在 A ME S i m和 S i m u l i n k环境中建立了起竖系 统仿真模型，将节流调速和变频液压技术有机地结合 起来，采用模糊控制算法，有效地解决了系统换级冲 击大、能量利用率不高的问题。 1 起竖系统介绍和建模 1 ． 1 系统介绍 起竖系统的工作原理图如图 1 所示。 图 1 起竖系统工作原理图 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 4 作者简介邓飙 1 9 6 9 一 ，男 ，副教授，博士，研究方向为机电控制。Em a i l w u t o n g x i y u 2 1 6 3 ． t o m。 4 l 重物 2 起竖臂 3 二级液压缸 4 m回转中心 5 双向平衡阔 6 三位 四通 电 磁换 向阀 7 控制系统 8 一 比例流量 阀 ．9 变频器 1 0 ---电机 1 1 一定量泵 1 4 8 机床与液压 第4 1 卷 起竖 系统 由机 械 系统 、控 制 系统 和液 压 回路组 成。机械系统由起竖臂和重物组成；控制系统由工业 控制计算机、数字量隔离 D I 、D O卡 ，A ／ DD ／ A 卡，信号调理系统，外部指令输入系统组成；液压 回 路由变频器、变频调速三相异步电机、定量泵、溢流 阀、比例流量阀，三位四通电磁换向阀、二级液压缸 组成 。 三相电源接人变频器9的输入侧 ，变频器 9将 3 8 0 V ／ 5 0 H z的工频电源转换成特定频率和特定 电 压的正弦电压信号驱动异步电机 1 0转动 ，电机 1 0 带动液压泵 1 1 旋转 ，泵 1 1输出的压力油经 比例流 量 阀 8 、换 向 阀 6 、双 向平 衡 阀 5驱 动 起 竖 缸 3运 动。起竖油缸在液压力 的作用下驱动起竖臂 ，实现 重物由水平状态向起竖状态转变。控制系统将采集 压力 、角度传感器信号处理后得到变频器和 比例流 量阀的控制信号。改变变频器和比例流量阀的输入 信号调节系统流量适应负载流量的变化，从而实现 快速平稳起竖。 1 ． 2 系统建模 根据系统工作原理图，在 A ME S i m中建立的系统 模型如图 2所示 。 二级 液 压缸 ．I I ⋯一⋯-⋯一 图 2 起竖系统 A ME S i m模型 2控制方案 图3为控制方案框图，以规划的角度信号为参考 跟踪轨迹 ，控制系统通过控制变频器和比例流量阀的 输入信号调节系统流量 ，从而改变起竖速度实现角度 跟踪。变频器采用开环控制，控制信号根据理论计算 结果预先设定；比例流量阀采用闭环控制，控制信号 由反馈角度信号和规划角度信号的偏差信号经过控制 算法处理后得到。 液压泵存在最低稳定转速，因此变频器的控制电 压不能过低。对该系统来说，变频器的最小输入电压 为6 V，此时泵的输出流量 6 2 L ／ m i n 。当负载流量小 于泵的最小稳定流量时，泵输出最小稳定流量，系统 控制比例流量阀使系统流量适应负载流量；当负载流 量大于泵的最小稳定流量时，系统将比例流量阀完全 打开，系统改变变频器输入电压使系统流量适应负载 流量 。 系统仿真模型 比例流量阀广 N L 1 _ _ _ J 角度 规 划 曲线 角 度 图3 控制方案框图 第 1 3期 邓飙 等基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究 1 4 9 3 模糊控制算法研究 模糊控制 是建立在模糊逻辑推理基础上的一种 非线性控制策略，具有很强的鲁棒性，适合于液压系 统这种具有非线性和时变特征的系统。 理论上，模糊控制 的维数越高 ，控制的精度越 高，但是控制规则越复杂，控制算法越难实现 ，根据 实际需要采用二维模糊控制。设定误差 E、误差变化 率 E C作为输入 ，控制量 为输 出，其论域为[一 6 ， 6 ] 。二级缸在换级时，误差 E和误差变化率会发生 突变 ，因此将误差 E的论域扩大到[一1 0 ， 1 0 ] ，误差 变化率的论域扩大到[ 一 3 0 ， 3 0 ] 。 模糊子集均采用 7条 词汇来描述，即 N B 负 大 ，N M 负 中 ，N S 负小 ，0 ，P S 正小 ， P M 正中 ，P B 正大 。隶属度 函数采用三角 函 数 ，隶属度函数的重叠系数为0 ． 5 。 根据经验 ，设计模糊控制规则表如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表 NB NM Ns o Ps P M NB P B P B P B PB P M Q Q NM PB P B P B PB P M o Q Ns p M P M P M PM o N s Ns o P M P M P s o Ns NM NM Ps P s Ps Q NM N M NM N M p M o Q NM NB NB NB NB P B Q Q NM NB NB NB NB 在 S i m u l i n k 环境 中建立模糊控制器 ，与 A ME S i m 进行联合仿真，联合仿真控制模块如图4所示。 ． - ．． ．．]o n v a u v ． ． ． ． ． Co n t r o l l e r 一 橱 图4 联合仿真控制模块 4系统仿真 4 ． 1 控制算法仿真研 究 角度跟踪控制策略的关键是设定合理的角度规划 曲线，为满足大型设备起竖过程平稳性和快速性的要 求，设定起竖时间为 6 0 ． 5 s ，起竖角度为 9 0 。 。采用 正弦加速度函数法 规划理想角度曲线、角速度 曲 线、角加速度曲线如图5所示。 在 A ME S i m和 S i m u l i n k 设定好仿真参数 ，分别采 用 P I D控制器和模糊控制器，得到的仿真结果如图 6 所示 。 1 寇 0 ． 5 0 0． 4 l叻0 ． 2 。 罂 - o ． 图5 角度规划信号 0 2 0 4 0 6 O 时 间， s a 『、 J、 、 -v一 ]Jn ＼ 20 40 60 时 间， s c - -。 _ ／ 、 ， _ _ _ - ‘ ‘ 一 0 2 0 4 0 6 O 时间， s e 图6 P I D控制器和模糊控制器仿真结果 图6 a 、 c 、 e 分别为采用 P I D控制器仿 真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线 、角加速度 误差曲线 ；图6 b 、 d 、 f 分别为采用模糊控 制器仿真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线 、角 加速度误差 曲线 。 从图6可知，采用 P I D控制器，最大的角度、角 速度、角加速度误差分别为 0 ． 9 。 ，0 ． 3 8 。 ／ s ，3 ． 8 ／ s ； 采用模糊控制器 ，最大的角度 、角速度 、角加速度误 差分别为 0 ． 7 5 。 ，0 ． 3 8 7 。 ／ s ，2 ． 1 5 。 ／ s 。从角度误差曲 线的对比可知，采用模糊控制器，系统的跟踪性能更 1 5 0 机床与液压 第4 1 卷 好；从角速度误差曲线和角加速度误差曲线的对比可 知，采用模糊控制器可以有效减小换级时的冲击。从 图6 还可知 ，除了换级点以外曲线没有突变，说明节 流调速和容积调速间的转换 比较平稳 。 4 ． 2节能效果仿真研 究 变频液压技术通 过改变 变频器 的输入 电压调节泵 的输出流量，实现系统流量和负载流量的匹配，从而 达到节能的 目的。分别设定起竖时间为 4 0 ，6 0 ． 5 ， 8 0 S ，可得到泵源的输 出流量如 图 7所示 。 1 一 当t 4 0 s 时，泵 的输 出流 量 2 一 当扣6 O ． 5 s 时 ，泵 的输 出流 量 3 一 当t - 8 0 s 时，泵 的输 出流量 图7 泵源输出流量变化曲线 曲线 1 、2 、3 分别为 4 0 、6 0 ． 5 、8 0 S 起竖时，泵 源的输出流量随角度变化曲线；曲线4为泵的最大输 出流量。从图7可知，采用变频液压技术可以使泵源 的输 出流量与负载所需流量匹配 ，减小 了节流和溢流 损失 ，提高系统能量利用率。另外，起竖时间越长， 泵源的输出流量越小，节能效果越明显。 4结论 1 采用变频容积调速和节流调速相结合 的复 合调速方案，可以有效减小泵源的输出流量，明显减 小节流和溢流损失，系统能量利用率有了很大的提 高 。 2 采用模糊控制，可以有效地减小换级时的 冲击 ，提高系统的稳定性和鲁棒性。 参考文献 【 1 】彭估多， 张永忠， 刘得顺， 等． 液压防爆提升机发展面临 的问题[ J ] ． 煤炭机械， 2 0 0 1 9 1 4 ． 【 2 】罗治军 ， 谢建 ， 田桂 ， 等． 多级缸变负载 同步控制研究 [ J ] ． 流体传动控制， 2 0 0 9 1 1 1 61 7 ． 【 3 】彭天好， 徐兵， 杨华勇， 等． 变频液压技术的发展及研究 综述[ J ] ． 浙江大学学报 ， 2 0 0 4， 3 8 2 2 1 52 2 1 ． 【 4 】陈伯时． 电力拖动 自 动控制系统[ M] ． 北京 机械工业出 版社， 2 0 1 0 3 0 3 5 ． 【 5 】彭天好， 朱刘英 ， 胡佑兰， 等． 基于 A M E S i m的泵控马达 变转速系统仿真分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 9 3 3 3 5 ． 【 6 】郭晓松， 祁帅 ， 于传强， 等． 工程机械节流调速液压回路 仿真分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 6 2 0 62 1 0 ． 【 7 】丛爽． 神经网络、 模糊系统及其在运动控制中的应用 [ M] ． 北京 中国科学技术大学出版社， 2 0 0 1 ． 【 8 】 姚晓光， 郭晓松 ， 冯永保 ， 等． 导弹起竖过程的载荷研究 [ J ] ． 兵工学报， 2 0 0 8 6 1 5 ． 上接第 1 3 8页 数大于在圆管内传热。入 口速度大于 1 ． 5 m ／ s ，水在 椭圆管中传热的N u 数大于在圆管中的传热。流体工 质在管内传热 ，在椭圆管内传热压降远大于在圆管内 传热，说明在椭圆管中传热能量损失大于圆管。随着 入口速度增大，对流传热性能增强 ，出口摩擦系数减 小，管道压降减小。 3 总结 对液态金属金属稼和水在椭圆管和圆管内的流动 传热数值模拟结果表明椭圆管 比圆管散热性能好 ， 但压降大、阻力特性明显；液态金属比水传热性能好 得多且液态金属的分子导热不可忽略；总体分析，液 态金属镓在椭圆管内的传热性能较佳。传热工质在管 内流动 ，从进入管开始压力逐渐减小，减小到一定程 度又逐渐增大，最后维持在一个稳定的状态 ，且由于 存在沿程损失 ，出口出现负压 ；液体在管内湍流传 热 ，随传热工质的入 口速度增大，对流传热性能增 强 ，出口平均温度增大，管道压降降低。 参考文献 【 1 】 连红奎， 李艳 ， 束光阳子， 等． 我国工业余热回收利用技 术综述[ J ] ． 节能技术， 2 0 1 1 3 1 2 31 3 3 ． 【 2 】 宋思洪， 廖强， 沈卫东． 采用低熔点液态金属工质散热的 热沉传热数值模拟[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 1 7 1 4 6 1 4 9 ． 【 3 】 杨世铭． 传热学 [ M] ． 北京 人民出版社 ， 1 9 8 0 1 9 7 2 0 6 ． 【 4 】 朱冬生 ， 郭新超， 刘庆亮． 扭曲管管内传热及流动特性数 值模拟[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 2 6 3 6 7 ． 【 5 】 张一帆， 李会雄， 张煜乾， 等． 内螺纹管管型结构对管内 流动阻力特性的影响[ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 1 1 7 1 1 6 11 1 6 4． 【 6 】门玉宾 ， 马军军， 王书福， 等． 液态金属镓 自然对流换热 数值模拟[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 1 1 1 1 1 4一 l 1 8． 【 7 】 F U L L E R T O N T L ， A N A N D， N K ． P e r i o d i c a l l y F u l l y - D e v e l - o p e d F l o w a n d He a t T r a n s f e r O v e r F l a t a n d O v a l T u b e s U s i n g a C o n t r o l V o l u m e F i n i t e E l e me n t Me t h o d [ J ] ． N u - me r i e a l He a t T r a n s f e r ， 2 0 1 0 9 6 4 2 6 6 5 ． 【 8 】 李军， 王晨， 桑芝宫， 等． 强化传热管管内传热及阻力性 能的数值研究[ J ] ． 石油机械， 2 0 0 9 2 3 7 4 0 ．