工程机械负载模拟实验系统研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M 叩啪N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 巧m E I U N G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 工程机械负载模拟实验系统研究① 胡均平，李亮红 中南大学机电工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要针对整机测试的复杂性与测试条件的不可控性，设计了适合工程机械的负载模拟实验系统，并搭建了实验平台；运用 M a t l a b 系统辨识建立了精确的比例溢流阀数学模型，采用增量式P I D 控制策略，进行了负载模拟控制算法参数的在线调试，并确定 了合适的P I D 参数值。通过测试，实际负载与模拟负载误差o - 。 4 ．5 ％，表明该系统可以实现准确可靠的负载模拟。 关键词负载测试；负载模拟；比例溢流阀建模；系统辨识；P I D 控制 中图分类号0 3 4 7文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 1 5 - 0 4 R e s e a r c ho nE x p e r i m e n t a lS y s t e mf o rE n g i n e e r i n gM a c h i n e r yL o a dS i m u l a t i o n H UJ u n p i n g ，L IL i a n g - h o n g C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n w e i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t D u et oc o m p l e x i t ya n du n c o n t r o l l a b i l i t yi nt e s t i n gac o m p l e t es e to fm a c h i n e ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fl o a d s i m u l a t i o nw a sd e s i g n e dw i t ha ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o re n g i n e e r i n gm a c h i n e ．M A T L A Bw a sa d o p t e dt oe s t a b l i s ha n a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e ．T h e ni n c r e m e n t a lP I Dc o n t r o la l g o r i t h mw a su s e dt oc o n d u c t o n - l i n ea d j u s t m e n tf o rp a r a m e t e r so fl o a ds i m u l a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ，w i t hp r o p e rP I Dp a r a m e t e r so b t a i n e d ．I ti sf o u n d t h a tt h ep e r c e n t a g ee r r o rb e t w e e nt h er e a ll o a da n ds i m u l a t e dl o a di sl e s st h a n4 ．5 ％．i n d i c a t i n ga l la c c u r a t ea n dr e l i a b l e l o a ds i m u l a t i o nr e a l i z e db yt h i ss y s t e m ． K e yw o r d s l o a dt e s t ；l o a ds i m u l a t i o n ；m o d e lo fp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；P I Dc o n t r o l 由于整机测试过程十分复杂，并且常因条件变化， 负载测试重复性误差较大，降低了测试结果的可靠性。 对工程机械进行液压元件测试、控制器测试、系统改进 测试等，需要一个准确可控的实验平台来实现工程机 械实际负载的准确可靠模拟，但是目前国内外对负载 模拟系统研究较少[ 1J ，开展这方面的研究对工程机械 动力系统性能及其元件测试、加快研发进度具有重要 的实用价值。 1 负载模拟实验系统设计 1 ．1 设计要求 该系统利用稳定可重复再现的模拟负载，可有效 检验各动力部件问的匹配状况，避免了实车试验的麻 烦。该负载模拟实验系统必须具备如下基本功能 1 能够完成对工程机械任何负载的模拟，实时采 集并显示负载压力、发动机扭矩、转速等基本参数曲线。 2 能完成对泵、溢流阀等液压元件的瞬态测试。 3 能实现各种闭环控制并显示其控制效果。 1 ．2 负载模拟实验系统原理 参照工程机械动力系统设计一个三泵系统的负载 模拟实验系统，负载模拟是该实验系统的主要功能。在 实际系统中压力由负载决定，本负载模拟系统通过控制 器控制比例溢流阀电流，使其输出调定压力与实际工况 下测得的负载压力相吻合，从而实现实际负载的模拟， 流量可以通过比例减压阀来控制。考虑到实际条件及 方法的相似性，下面将选取恒流量调压加载的负载模拟 实验平台进行研究，其系统原理如图1 所示。 2 比例溢流阀数学建模 2 ．1 比例溢流阀分析 在负载模拟系统中，通过控制电液比例阀和变量 泵来实现负载的模拟加载旧‘3J 。比例溢流阀主要由先 导液阻网络、主阀、比例电磁铁组成，其在系统中完成 电一机械一液压之间的能力转换H 1 。如果忽视比例电磁 铁电性能的一阶滞后性，比例放大器和电磁铁线圈是 一个比例环节，完成电信号向机械能转变。理论上电 ①收稿日期2 0 1 3 0 5 3 0 作者简介胡均平 1 9 6 5 - ，男，湖南新宁人，教授，博士后，主要研究方向为液压机械与控制。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 图1工程机械负载模拟实验系统原理 1 发动机；2 扭矩传感器；3 转速传感器；4 变量柱塞泵； 5 上位机；6 一c A N 总线转换接口；7 压力传感器；8 电液比 例溢流阀；9 一可变节流阀；l o _ 咄全阀；1 1 齿轮泵；1 2 冷却 器；1 3 进油口过滤器；1 4 油箱 液比例阀传递函数为一个四阶模型，实际为一个非线 性时变系统，有着更高的阶”J ，因此对于比例溢流阀 动态模型的获取，将采取实验测试的手段获得比例阀 的阶跃响应。 2 ．2 比例溢流阀系统辨识建模 系统辨识是利用观测到的系统输入输出数据构造 系统数学模型的方法，内容包括模型结构的确定、参数 估计、模型验证。首先，通过后面的动力系统负载模拟 实验平台采集到包含系统特征的输入数据和输出数据， 如图2 所示。其次，确定待辨识的动态模型结构，其结 构可以归结为确定系统的阶数和输出量对于输入量的 滞后时间的问题。接下来，进行参数估计，当已知或者 假设模型结构后，模型未知部分是动态模型的参数，需 要根据输入、输出数据估计这些参数。参数估计是系统 辨识的中心内容。最后，进行模型验证，验证辨识出的 模型与实际过程的特性的一致性。最终模型应当是在 满足精度的要求下，尽可能简单的数学模型[ 6 】。 输入控制一 输出压力 0 ．0n 4n 81 ．21 ．62 02 42 8 t ，s 图2电液比例溢流阀动态响应特性实验曲线 采用M a t l a b 的系统辨识工具箱，只需要输入需要 辨识的输入数据和输出数据，选择一定的系统模型，经 过一定的数据预处理，最终得到所需要模型的参数估 计值，从而实现系统的辨识。在M a t l a b 输入i d e n t ，即 可出现如图3 所示的界面，在i m p o r td a t a 里导人数据， 在e s t i m a t e 里选择需要的模型。 皎吐璺■瞄■ ～‘‘_ ●●～V ”。’。 阿蒸品≯] 豳口吁_ 圈圈口口 日日窜日日日日 口口d 1 1 口口一L _ J 口 矿 圈因，一～乙， 互四。国宅 一 、 一一 。“。o i i ■■_ - 一l ～ H o d 目h ■■●蕾F u m m 呻 P - 删_ K n 口v 蚋v ● _ t m ■ _ t ●目o - - - 出 “ 广菥广矿几鬲i 矿 Ke - J q e l - T d 神 ”r 瓜瓣厂矿市而 c 2 0 d r w s r w r 2 ”T ∞s ，“r 阿丽广矿阿丽 T 曲广广矗爵r 广百磊一币面订矿 P № r 厂r 厂r 阿丽 同面磊丽i j’6 广F 丽r 蔬r 厂矿 t ■一G u e 抟 广Z e r o 口㈨ 疗 L t - I 目_ j 鲥 rh m e m H ∞m 厂一 广M rL b 。枷R 吲竺竺塑竺塑竺i ”””“陋 二J““№ 二J ’‘际蔷门。⋯眄忑_ ] 塑竖I ‘。。”7“””w ”’⋯“ rT m 竺竺竺堂噔i 黼厂1 矿 一墅 一l 唑E 2 墼盈l 图3辨识工具箱界面和模型选择界面 常见的辨识数学模型有A R M 模型、A R M A X 模 型、O E O u t p u t E r r o r 模型、A R X 模型、S t a t e S p a c e 模 型、B J 模型 B o x J e n k i n s 等，本文采用O E 辨识模型， 表达式为 巾 船比嘣 e ㈤ 1 其中 B q b l b 2 q 一1 b 3 q 一2 ⋯ 6 柚g 一柚 1 F q 1 f 2 q 一1 A q 一2 ⋯ ／知一矿 式中厅6 和旷分别为分子分母最高阶数。 采用6 阶函数逼近系统，设n b 1 ，可 6 。M a t l a b 进行辨识计算后，得比例溢流阀传递函数为 一0 ．0 1 s 。 日5 0 而0 0 0 7 7 击1 s 而0 面0 5 s 鬲1 2 ．2 ． 、。 参数识别结果见图4 。根据图4 ，采用6 阶O E 模 型得出的辨识模型跟实际系统数据对比，计算出相似 万方数据 第6 期胡均平等工程机械负载模拟实验系统研究 度达到9 6 ％，表明该线性系统能比较准确的反映实际 系统的传递特性。 l a 一计算模型I ～{ 兰。】d幽 1 商} 垒 蛹 l 一 横jⅨ模型I F o w 6 6 广‘ 一 一 k - - 4 ． 曼鸳叫 } 0 ．0n 4n 81 ．21 ．62 02 ．42 ．8 t | S 图4 辨识模型输出与实际模型输出 3 负载控制策略研究 3 ．1 负载加载分析 研究泵吸收转矩控制策略，通过调节变量泵的压 力和流量实现负载模拟；进行负载加载控制算法研究， 实现准确快速的负载模拟。由于方法的相似性，考虑 到试验中流量积分变送仪表具有较长的检测延迟时 间，大约为0 ．5s ，因此进行流量的闭环控制调节较难 实现J ，实验中只采取恒流量调压力的控制方式来实 现对发动机与泵负载的模拟。闭环控制系统如图5 所 示。其中K 为扭矩．压力传递系数；e 。为流量扰动干 扰；K 。为传感器测量比例系数。 图5 恒流量调压系统闭环加载控制图 3 ．2 控制策略研究 P I D 控制的价值在于它对大多数控制系统的广泛 适用性，由于其算法的鲁棒性强、可靠性好，而且算法 简单，本文采用增量式P I D 控制算法 A u k K [ e k 一e k 一1 ] K i e k 畅[ e k 一2 e k 一1 e k - 2 ] 3 P I D 控制器设计的根本任务是选择适当的3 个参 数K ，K 和％，有实验法和解析法两类方法。经验法 简单可靠，但需要有一定现场运行经验。 通过不断的在线经验调试，确定了K 。 1 2 ，K i 7 ， 屹 2 0 。图6 中曲线1 为系统经过O E 辨识后，所得到 的六阶线性系统理论输出结果；曲线2 和3 为增量式 P I D 控制取不同参数值所得实验结果。 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 8 0 三7 0 Z6 0 之5 0 ．1 0 3 0 2 0 1 0 0 图6 增量式P I D 控制试验效果 结果对比可得，采用增量式P I D 控制方法，根据 现场经验调试选取适当的P I D 参数值，控制电液比例 溢流阀效果明显，控制响应速度快、稳定性高。 4 动力系统负载模拟实验平台测试 根据上面的分析及准备，搭建的工程机械动力系 统负载模拟实验平台如图7 所示。 图7 液压挖掘机负载模拟实验平台 将增量式P I D 控制程序写入控制器，并进行测 试。将现场采集到的负载数据 如图8 导人上位机， 进行单泵加载试验，采集泵出口压力如图9 所示，根据 采集到的数据计算可知模拟负载相对于实际负载的误 差盯小于4 ．5 ％。 ，／8 图8 单泵进行负载压力实际测试 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 t ／s 图9 单泵进行负载压力模拟测试 工程机械动力系统负载模拟如图1 0 所示。实际 负载与模拟负载的误差结果表明，此实验平台可以准 确可靠地实现工程机械负载模拟，可以避免工程机械 整车测试的繁琐与人为因素、工况等不可控条件所导 致的测试误差，提高了测试的可信度。并进行三泵同 图1 0 工程机械动力系统负载模拟 时加载，测得转速、扭矩、三个泵出口压力，表明该负载 模拟实验平台可以对大多数工程机械负载进行模拟。 5 结语 根据负载模拟实验系统设计要求及其原理，通过 M a t l a b 系统辨识确定了比例溢流阀的数学模型，选取 增量式P I D 控制算法进行负载模拟控制，完成负载模 拟实验平台的搭建，在实验平台上完成了负载模拟，测 试结果显示模拟负载与实际负载误差小于4 ．5 ％，表明 该平台可以实现负载的准确可靠模拟，可进行动力匹 配、发动机性能测试、液压元器件动态性能测试、控制 器在线控制等测试，有较强的工程实用价值。 参考文献 [ 1 ] 方志宏，陈章位，傅周东．发动机台架自动测控系统的设计与实现 [ J ] ．机械工业自动化，1 9 9 7 I 4 4 4 7 ． [ 2 ]权龙，林廷圻，史维祥．比例溢流阀复合控制压力流量原理及实 现[ J ] ．机械工程学报，1 9 9 5 1 2 3 2 8 ． [ 3 ]高珊，郭勇，程敬敬，等．恒功率轴向柱塞泵建模及动态性能 优化[ J ] ．机械设计与研究，2 0 1 3 ，2 9 1 8 3 - 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