舞台升降液压泵控缸同步控制系统研究.pdf

2 0 1 0年 l O月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I C S 0c t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 D OI l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 1 9 舞台升降液压泵控缸同步控制系统研究 王 野 牧 ，张 旭 明 沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 1 1 0 1 7 8 摘要研究重型升降舞台同步控制系统，该闭环同步控制系统以比例变量泵作为控制元件 ，以非对称液压缸为输出元 件，以位移传感器作为反馈元件，实现对输出位移的同步控制。建立该泵控缸系统的数学模型，以MA T L A B ／ s I M u L I N K为 开发工具，建立仿真模型并进行仿真分析。结果表明该控制系统能满足重型舞台同步升降控制的要求 ，系统简单且节能。 关键词 泵控缸；同步控制；仿真研究；S I MU L I N K软件包 中图分类号T H 3 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 5 2 3 S t u dy o n S t ag e Li f t i n g Hy dr a u l i c Pu mp- c o nt r o l - c y l i n de r Sy n c hr o n i z a t i o n S y s t e m W ANG Ye mH．ZHANG Xu mi n g S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 7 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h e a v y l i f t i n g s t a g e s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m w a s s t u d i e d ． I n t h i s c l o s e d s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m ， t h e p r o p o r t i o n a l v a ria b l e p u mp wa s u s e d a s c o n t r o l u n i t ， w h i l e t h e a s y mme t r i c a l h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s u s e d a s o u t p u t u n i t a n d t h e d i s p l a c e me n t t r a n s d u c e r wa s u s e d a s f e e d b a c k u n i t ， t o a c h i e v e s y n c h r o n o u s c o n t r o l t h e o u t p u t d i s p l a c e me n t ． T h i s p u mp - c o n t r o l c y l i n d e r s y s t e m’ S ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s e s t a b l i s h e d ． B a s e d o n MAT L AB ／ S I MU L I NK． a d y n a mi c s i mu l a t i o n mo d e l w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e s i mu l a t i o n w a s ma d e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s c o n t r o l s y s t e m s a t i s f i e s t h e r e q u i r e me n t s o f t h e h e a v y l i ft i n g s t a g e s y n c h r o D o n s c o n t r o 1 ． T h e s y s t e m i S s i mp l e a n d e n e r g y s a v i n g ． Ke y wo r ds P u mp c o n t r o l c y l i nd e r ； S y n c hr o no us c o n t r o l ； S i mu l a t i o n； S I MULI NK 重型升降舞 台有很多种传动方式来实现升降动 作 ，作者采用液压同步系统来实现舞台升降，能以一 定的指定速度同步升降，实现连续 自动控制。需要实 现的主要技术指标如下 1 舞台直径为 9 I n ，高 7 ． 5 m，总负载质量 4 5 0 t ，升降距离为 6 1T I ，在 2 m i n内完成升降。 2 由 6个油缸实 现舞 台的升 降 ，两缸 间距 为 1 ． 2 m 。 3 升降过程中6个液压缸的同步误差≤2 0 m m。 常规同步控制是 由伺服 阀或 比例阀等构成闭环系 统实现，阀控方式响应性能较好 、结构简单、控制精 度高，但是其存在效率低、发热量大的缺点。该系统 总计功率在 3 5 0 k W 左右 ，采用 阀控系统将会有近 1 5 0 k W 的功率用 于发热 消耗掉 ，不但 浪费大量 能源 而且还需要加功率很大的制冷机 ，使得能量消耗进一 步加大 ，而且将使系统变得比较复杂。泵控缸系统的 优点是电动机拖动变量泵所消耗的功率能较好地和负 载所要求的功率相匹配，系统功率损失小、效率高， 广泛用于大功率重载设备中，泵控机构基本上可视作 为线性元件 ，因而在常值负载或负载变化量很小的工 况下， 泵控同步系统也能保证较高的同步精度，但是 泵控系统动态响应性能较慢 。 。该重型舞台升降速 度较慢，也不要求太高的动态响应速度 ，采用泵控方 式是一个较合理的控制策略。针对重型升降舞台技术 要求 ，作者完成了泵控液压系统的设计，借助 M A T L A B下的 S I M U L I N K工具包进行仿真建模 ，对泵控液 压缸液压系统的动态特性进行研究 ，得出较合理的控 制参数，使系统的控制性能得到改善。 1 控制系统物理模型及工作原理 位移传感 器l 位移传感器2 H } ● H I _●’ 2 J ] l _ _ 一 I n 卜__ __1 l r _ 1 r - 1 L’ 广 ． - J f 川 l ⋯ I X L uP。 _ p， J 口 。 ⋯ ’ ， 『L k，D ] t ； } 、 珂 I ／ 大器H 计 算朝 e 图 1 液压系统原理图 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 6 作者简介王野牧 1 9 6 5 ～ ， 男。硕士，副教授，主要从事液压、 机电方面的研究。通信作者 张旭明，C a i n “1 5 9 9 8 3 0 8 5 7 3 ， Ema i l z h a n g x u mi n g 8 3 1 2 6 ． c o m。 第2 0期 王野牧 等舞台升降液压泵控缸同步控制系统研究 5 3 图 1 是一个 由比例变量泵和手动变量泵控制非对 称液压缸所构成的闭环位置同步控制系统原理图，图 中只列出了与同步有关的液压控制部分，其他如液压 锁和平衡阀等元器件未给出。正常工 作时手 动变量 泵 调定到固定的排量后 ，相当于定量泵 ，位移传感器 1 检测油缸 1的位置 ，与 比例变量泵通过计算机构成 闭 环位置及 速度控 制系统 。同时 ，通过位移传感器 2检 测油缸 2位置 ，将检测到 的两缸位置信 号 与 相 比较 ，经处理后作为控制信号再输出到泵放大器 中， 改变比例泵的排量来实现舞台同步升降。 2 控制系统 的数学模型 2 ． 1 变量泵 的基本 方程 由于变量柱塞与液压缸相 比较响应较快 ，可以按 一 阶环节处理。 变量柱塞位移带动的变量机构摆角相对于输入电 信号的传递函数为 G s 1 式 中 为变量机构时间常数 。 变量泵 的排量为 D y 2 式 中 为变量泵排量梯度 ； 为变量机构摆角 。 变量泵的流量方 程为 q p D p ／ 7 , 一 K i P l P 一 K o 1 3 式 中 n 为变量泵 的转速 ；P 为低 压 管道压 力 ；K i。 为内泄漏 系数 ；K 为外 泄漏系数。 将式 1 代入式 2 ，其增量 方程 的拉式 变换 式为 Q S q 一 K 4 式 中 为变量泵的流量增益 ， K p n ； 为变量泵总泄漏系数 ， K i 。 2 ． 2液压缸 的基 本 方程 液压缸流量连续性方程 流入液压缸油腔 的流量 q 为 A Ci p P 2 c 5 从液压 缸 回油腔流出的流量 q ， 为 C p 2 一 6 式中 A 为液压缸活塞有效面积； 为活塞位移； b 。 为有效体 积弹性模 量 ；C i 。 为 内泄漏 系数 ；C o p 为外 泄漏系数； 为进油腔容积 ； 为回油腔容积。 液压缸工作腔的容积为 V o 1 A p x 7 一 A 8 式中 。 为进油腔的初始容积； 为回油腔的初始容积。 A ， 一0 ，可得流量连续性方 程为 g 一 誓 c c 9 ， g 一 若 9 ’ Ap PLm, d d 2 _ x 2 _ x Bp d x p 十 1 0 Q 一 s X C tp P L 若 P lJ 1 2 不 考 虑 弹 性 负 载 0 ， 当 争 l 时 ， 可 简 Ko p K c e[ 告V , F 4 “ 一 s 十 ＼ ∞ h ／ 8 ． l v , 式中 为液压固有频率； 为液压阻尼 比； 总流量 一压力系数 ， C 。 对指令输入 的传递函数为 1 5 1 6 K 为 1 7 由于文中是多缸同步系统的研究，系统仿真时以 其中两个支路为例 一路为手动变量泵控油缸 ，另一 路为比例泵控油缸 ，其余几路仿真过程基本相同。如 图2 所示，X p ， 为手动变量泵控油缸的活塞杆位移， 厝 5 4 机床与液压 第 3 8卷 为 比例变量泵控油缸 的活塞杆 位移，将两油缸位移 差 值通过计算机再发送给比例变量泵，从而实现同步控 制。同步升降既要保证 速度 同步 还要保 证位 置 同步 ， 系统中采用 P 2 D算法来实现位置同步和速度 同步 的闭 环控制。由式 2 、 2 7 及控制原理，以其中两个 支路为例，其传递函数方框图如图2 所示。 图2 同步控制系统方框图 3 控制系统的 S I MU L I N K模型 M A T L A B中的 S 2 MU L 2 N K为系统仿真提供了强大 的软件工具，根据数学模型可以直接建立系统的仿真 模 型 [ 6 ] 。根据 数学 模型 ，将 上面 系统输 入输 出关 系关联起来得到系统 的仿真模 型。 系统参数为泵最大排量 D 2 0 0 c m ／ r ；变量 泵转速 n 2 4 5 0 r ／ m i n ；变 量泵 泄漏 系数 C 3 x 1 0 。 m ／ k g ；变量泵摆角 0 。 ～ 3 0 。 ；液压缸泄漏系 数 C ， 3 X 1 0 m ／ k g ；负 载质 量 m， 7 ． 52 0 k g ； 液压缸尺寸 6 2 5 0 m m , ／, 2 8 0 m m X 6 0 0 0 m m；输入 电 压 U0～2 0 V。 图3 手动变量泵控油 缸位移仿真图形 1 0 8 6 爱2 0 图4 比例变量泵控油 缸位移仿真图形 当输入同一阶跃信号 时，两油缸及两缸位移差 值 的仿真 图形如 图 3 5所 示 。 从上 边 的计 算 结 果 可 以看 出同步控制精度可 以满足设计要求；动态调 整时间在 6 S 左右 ，满 足此 大型舞 台的工作要求 。 4结论 0 1 2 3 4 S 6 7 8 9 1 0 时间， s 图5 两缸位移差 值仿真图形 2 此种液压同步控制原理及控制策略能够满 足舞台升降的具体要求。 2 仿真结果表明，此泵控同步控制系统在控 制精度及响应时间上均可满足重型升降舞台同步控制 要求 。 3 此同步 控制 系统相 对 阀控 同步系统 基 本上 不产生热量 ，将节省 大量的能源 ，而且控制 系统结构 较简单，给具体工程实现带来了便利。 参考文献 【 1 】王春行． 液压伺服控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． 【 2 】 顾瑞龙． 控制理论与电液控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． 【 3 】 路甬祥 ， 胡大 ． 电液比例控制技术 [ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 8 ． 【 4 】 刘长年． 液压伺服系统优化设计理论[ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 【 5 】王 占林． 近代液压控制[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 97． 【 6 】施阳． M A T L A B语言精要及动态仿真工具 S I M U L I N K [ M] ． 西安 西北工业大学出版社， 1 9 9 7 ． 上接第5 1页 液压集成 阀块 的设计一直是液压系统设计的一个 难题，合理利用三维软件可以提高设计效率，缩短设 计周期 ，提高 阀块的设计水平和质量 ，改善 阀块 的可 靠性和精度。 4 结束语 作者介绍的 3 M N液压热剪二通插装 阀控制 回路 ， 采用差动 回路 和顺 序阀来 控制剪切速度 ，符合 钢坯剪 切工艺，剪切过程动作平稳 ，效率较高。使用 I n v e n t o r 三维软件设计集成阀块 ，让设计任务更加轻松 。 参考文献 【 1 】费珉． 铸坯切割装置[ J ] ． 冶金设备， 1 9 9 4 1 3 5 3 9 ． 【 2 】李诗京． 6 2 0 0 K N液压剪液压控制系统 [ J ] ． 冶金设备， 1 9 9 2 6 4 6 4 8 ． 【 3 】张利平． 液压站设计与使用[ M] ． 北京 海洋出版社， 2 0 04． 【 4 】 张瑞虹． 液压系统发热的原因及预防措施[ J ] ． 有色金 属加工， 2 0 0 7 1 5 85 9 ． 【 5 】侯波， 武俊锋 ， 汪选要． 采用插装阀的液压支架泵站液压 系统的设计[ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 4 3 1 61 7 ．