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液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 2期 基于变频液压技术的起竖系统 A ME S i m建模研究 邓 飙 ， 张 磊 ， 任建华 ， 于 杰 第二炮兵工程大学， 陕西 西安7 1 0 0 2 5 摘要 液压针对起竖系统液压回路节流 、 溢流损失大的问题 ， 提 出了变频容积调速和节流调速相结合 的复合调速方法 ， 用正弦加速度 函数法规划了角速度曲线 ， 进行了角速度跟踪控制的联合仿真研究 。 结果表明 ， 相对于传统 的节流调速 ， 复合调速 ‘ 法能够有效地减小 泵源输出流量 ， 提高系统能量利用率 。 关键词 变频容积调速 ； 起竖 系统 ； 角速度跟踪 ； A ME S i m； S i mu l i n k 中图分类号 T H 1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 4 4 0 3 AMES i m M od e l i ng S t ud y o f Er e c t i n g S y s t e m Ba s e d o n Va r i a b l e F r e q ue n c y Te c h no l o g y DE NG Bi a o ， Z HANG L e i ， RE N ∞ 一 h u a ， YU．1 i e 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 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e g r e a t h y d r a u l i c r e s t ric t i o n a n d o v e r f l o w l o s s i n e r e c t i n g s y s t e m， t h e v a r i a b l e f r e q u e n c y v o l u me c o n t r o l w i t h t h e c o mb i n a t i o n o f r e s t r i c t i o n c o n t r o l me t h o d i s p u t f o r wa rd． T h e e r e c t i n g a n g l e v e l o c i t y i s ma r k e d o u t u s i n g s i n u s o i d o f a c c e l e r a t i o n ， a n d c o n d u c t t h e a n g u l a r v e l o c i t y t r a c k i n g c o n t r o l o f t h e j o i n t s i m u l a t i o n ．T h e r e s u h s s h o w t h a t ，c o mp a r e d w i t h t r a d i t i o n a l r e s t ri c t i o n c o n t r o l ， t h e c o mp o u n d me t h o d c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e p u mp s o u r c e o u t p u t fl o w， a n d i mp r o v e t h e s y s t e m e n e r g y u t i l i z a t i o n r a t i o ． Ke y wo r d s V／ F c o n t r o l ； e r e c t i n g s y s t e m ； a n gu l a r v e l o c i t y t r a c k i n g ； AME S i m ； S i mu l i n k O 引言 多级缸起竖系统是大惯量 、 低转 速 、 变负载系统 ， 传统液压回路采用节流调速方法 ， 存在节流、 溢流损失 大 ， 能量利用率不高的问题I l 2 】 。变频液压技术是一种节 能传动方式 ． 它省去复杂的变排量结构 ， 用变频器 普 通 电机 定量泵的形式 ， 通过控制变频器输入电压来改 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 0 6 作者简介 邓飙 1 9 6 9 一 ， 男 ， 湖北恩施人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为机电 控制 。 保护 ， 加强 了作业的安全可靠性 ， 提高了接触网作业车 的使用 性能 和技术 档次 。在 国 内工 程车领 域实 属首创 。 从近两年的接触网作业车招标情况看 ，也都要求 平 台具备 自调平功能 ，因而本系统具有 良好的应用前 景和广阔的市场前景 参 考 文 献 【 1 】 单亚男 ， 刘志奇 ， 武宗才 ， 侯 云辉 ． 接触 网作业 车 自动控制作 业平 台的实现『 J 1 ． 液压与气 动， 2 0 1 l ， 5 ． [ 2 】 吴艳萍． 接触 网作业车组静压走行双机联控电气控制技术【 J 】 ． 铁道机车车辆 ， 2 0 0 8 ， 5 ． 44 变泵的输 出流量 ， 以减小系统的节流和溢流损失 ， 从而 提高系统能量利用率『 3 _ 。 本文利用 A ME S i m软件和 S i m u l i n k软件建立恒压 频 比控制的起竖系统仿真模型 ，将节流调速和变频液 压技术有机的结合起来 。有效地解决了系统能量利用 率不高的问题。 1 系统介绍 起竖系统的简图如 图 1 所示。起竖系统 由机械 系 统 、 液压系统 、 控制系统三个子系统组成 。机械系统由 【 3 ] 屈子桓． T Y 2 B型接触 网作业 车立 柱设 计的研究[ J 】 ． 机 械工 程 与 自动化 ， 2 0 0 5 ， 5 ． I 4 1 郭选 庭 ， 许 治刚． 接触网作业车升降平 台的调平 装置 中国 ， 2 0 0 8 2 0 0 7 8 1 3 3 [ P ] ． 2 0 0 8 0 9 2 9 ． 『 5 】 蔡小亮 ， 罗益民 ， 等． 基 于 P L C和 Wi n C C的智能双腔测换 热 量系统l J 1 ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 0 ， 2 ． 『 6 ] Da v i d C a l c u t t 。F r e d C o w a n ， Ha s s a n P a r c h i z a d e h ． 8 0 5 1 i n s t r u c t i o n s e t [ J ] ． 8 0 5 1 Mi c r o c o n t r o l l e r s ． 2 0 0 4 ． 2 2 6 2 3 1 ． 『 7 ] D a v i d C a l c u t t ，F r e d Co wa n ， Ha s s a n P a r c h i z a d e h ． I n t r o d u c t i o n t o Mi e r o e o n t r o l l e r s [ J ] ． 8 0 5 1 M i c r o c o n t r o l l e r s ． 2 0 04． 1 2 7． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a L ／ N o ． O 2 ． 2 01 3 起竖臂和重物构成 控制系统是 由工业控制计算机、 数 字量隔离 D I 、 D O卡 ， A ／ D D ／ A卡 ， 信号调理 系统 ， 外部 指令输入系统构成 液压系统 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、 二级液压缸构成 。 l 一 重 物2 一 起 竖 臂3 一 二 级 液压 缸4 -回转 中 心5 一 双 向 平 衡 嘲 6 一 三位 四通 电磁换 向阀7 一 控制 系统8 一 比例 流量 阀9 一 变频器 1 O 一 电机l 1 一 定量泵 图 1 起竖 系统工作原理简图 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特定 电压 的正 弦 电压信号供 给异步电机 1 O ，电机 1 0带动 主液压泵 1 1旋转 ． 主泵 1 1 输 出的压力油经 比例流量 阀 8 、 换向 阀 6 、 双 向平衡 阀 3驱动起竖缸运动。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 。控制系统根据安装在系统上的压力 、角速 度 、 角度传感器采集 的信号和控制算法 ， 通过控制变频 器 和比例流量阀使系统流量适应负载流量 的变化 ， 从 而保证起竖过程快速平稳 。 2系统建模 2 ． 1 泵 源建 模【4 _ 司 变频器恒压频 比控制的公式为 _ K 1 式 中 ． 电动机电源频率 ， H z ； 。 电压频率转换系数 ， Hz Ⅳ ； 变频器的控制电压 ， V。 U 2 式 中 电动机相电压 ， V； 频率电压转换系数 ， V ／ H z 。 将 1 和 2 合并起来可得 U l K u K 1 3 电机的转矩公式为 一 一 ， n 4 2 R 40 R ‘ 电机的力矩平衡公式为 吾一d ri p 争 5 式中 折算到电机轴的转动惯量 ， k g m ‘ ； B 电机转轴阻尼系数 ， N m s ／ r a d ； p 。 泵出口压力， P a ； D 泵的排量， m ／ r a d ； 叼 机械传动效率。 令 吾 K 4 ， 争 则 上 式 可 以 改 写 成 3 n v - K s P 6 根据公式 3 、 4 、 6 ， 泵源部分在 A ME S i m建立 仿真模型如图 2所示。 液压泵都有一定的最低转速 ，当液压泵的转速低 于其最低稳定转速时， 液压泵就不能正常工作。因此变 频器输入的控制电压不能低于某一值 。 图 2起 竖 系统 AME Si m 模 型 2 ． 2系统的模型 根据系统的工作原理图， 利用 A M E S i m软件 的机械 库、 液压库 、 信号库建立了系统的仿真模型如图 2 所示。 3 系统仿真 3 ． 1 控制方案 根据系统的特点 ， 提出了角速度跟踪控制方案 ， 控 制框图如图 3所示。变频器的控制是开环控制 ， 根据变 45 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 2期 频的最小输入信号和理论流量曲线预设变频器控制信 号 。比例流量阀的控制是闭环控制 ， 根据角速度规划值 和实时采集的角度 、 角速度信号和 P I D控制算法 。 控制 比例流量阀的输入信号。系统通过控制变频器和 比例 流量阀． 实时调整系统流量实现系统平稳快速运行 。系 统根据实时采集的角度信号和预设角度切换信号的关 系， 实现节流调速和容积调速的切换。 图 3控 制 框 图 3 _ 2角速度 规划 起竖系统的性能主要由设定 的理想曲线和控制策 略决定 。为实现起竖过程的平稳性和快速性的统一 ， 采 用正弦加速度函数法规划起竖角速度曲线ts } n 图 4所 示 ． 由此计算出流量曲线如图 5所示。 1 。 O 2 0 4 O 6 O 时间／ s 图 4理想速度曲线 宝 g 删 堰 角／ d e g 图 5理想流量曲线 根据流量 曲线就可确定在节流调速和变频容积调 速的切换角度值 ， 0 0 o 和 0 ～ 9 0 ，泵输出的最低稳定流 量，系统控制 比例流量阀使系统流量与负载流量相匹 配 ； 0 o ～ 0 。 ， 比例流量 阀阀口完全打开 ， 系统调节变频器 的输入电压使系统流量与负载流量相适应 。 3 ． 3仿 真结 果 在 A ME S i m和 S i mu l i n k中根据实际系统设定好参 数后 ，进行联合仿真可得到角速度随时间变化曲线如 图 6所示 。 2 1 ． 5 话1 瑙 援0 5 O 5 O a 角速度变化曲 线 O 4 O2 0 - 0 2 - 04 b 角速度误差曲线 图 6 角速度随时间变化 曲线 图 6 a为仿真所得的角速度变化 曲线 ， 6 b为角速度 误差 曲线 。图 6 a中除了换级点以外角速度曲线在其他 点没有突变 。这就说明节流调速和容积调速之间的转 换 比较平稳。从 图 6 b可知， 系统的跟踪效果非常好 ， 换 级 冲击小 ， 最大 的误差不超过 0 ． 4 d e g ／ s ， 起 竖过程 比较 平稳 ，这就证 明了设定的理想 曲线和选用的控制策略 是适合本系统的。 图 7中曲线 l 为理论计算系统流量化曲线 。 曲线 2 为采用变频液压技术后 ， 泵的输出流量 曲线 ； 曲线 3为 未使用变频技术时泵的输出流量曲线。从图 7可知， 采 用变频容积调速和节流调速相结合 的复合调速方式 ， 可以使泵源的输出流量与负载流量相适应 ，能够有效 减小节流和溢流损失， 提高系统能量利用率。 晕 煺 图 7泵源输出流量变化 曲线 4 结论 通过仿真分析可以得出结论 ，基于变频技术的起 竖系统能够通过改变变频器 的输入 电压使得泵源的输 出流量与负载所需的能量相适应 ，可以达到节能提高 系统能量利用率的 目的 ； 采用角速度跟踪控制方案 ， 通 过设定合适 的理想 曲线和控制策略，可以取得很好 的 跟踪效果， 减小换级时的冲击。 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l临的问 题『 J 1． 煤炭机械． 2 0 0 1 ， 9 ． 【 2 】 罗治军 ， 谢建 ， 田桂 ， 等． 多级缸变负载 同步控制研究f J ] ． 流体 传动与控制 ， 2 0 0 9 ， 1 1 ． 【 3 ] 韩安 荣． 通用 变频器及 其应 用【 M] ． 北 京 机 械工业 出 版社 ， 2 00 9． f 4 ] 陈伯时． 电力拖动 自动控制系统【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 201 0． 【 5 ] 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 ， 2 ． 【 6 】 彭 天好 ， 朱刘英 ， 胡佑兰 ， 等． 基 于 A ME 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 ． 【 7 】 余守 宪 ， 赵雁． 加加速度一 冲击 、 乘 座舒适性 、 缓和 曲 线I J ] ． 物 理与工程 ， 2 0 0 1 ， 3 ．
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