阀泵联合控制压机主液压缸系统建模与仿真.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0l 1 V o 1 ． 3 9 No ．1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 3 0 阀泵联合控制压机主液压缸系统建模与仿真 彭根运 ，袁银 男 ， 1 ．南通大学机械 工程学院，江苏南通 2 2 6 0 1 9 ；2 ． 陶建峰。 ，喜冠南 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 2 0 0 2 4 0 摘要为了研究阀泵联合控制的液压机主液压缸动态性能和稳态定位精度问题 ，利用流量连续性方程、力平衡方程建 立了液压机非对称主液压缸的数学模型；采用 S i m u l i n k工具建立了系统的数值仿真模型 ，开展了比例控制与比例积分控制 下系统动态与稳态特性的研究。仿真结果表明 采用该阀泵联合控制方案可以有效地对液压机主液压缸实施控制，运用 P I 控制可有效提高主液压缸定位精度，但也带来了小幅度振动。 关键词液压机；建模仿真；联合控制；P I 控制方法 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 3 1 0 03 M o d e l i n g a nd S i mul a t i o n o f Pu mp- v a l v e Co mb i n e d Co n t r o l S c he me f o r Up pe r Hy d r a u l i c Cy l i nd e r o f Pr e s s P E NG G e n y u n ，YU AN Yi n n a n ，T AO J i a n f e n g ，XI G u a n n a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n t o n g U n i v e r s i t y ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 1 9 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e p u r p o s e o f t h e p r e s e n t s t u d y w a s t o r e s e a r c h t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n d s t e a d ys t a t e p o s i t i o n i n g a c c u r a c y o f p u mpv a l v e c o mb i n e d c o n t r o l l i n g u p p e r h y d r a u l i c c y l i n d e r o f p r e s s ． A s s t e p s t o t h i s fi n a l g o a l ，ma t l 1 e ma t i c a l mo d e l s w e r e b u i l t u s i n g fl o w c o n t i n u i t y a n d f o r c e e q u i l i b r i u m e q u a t i o n s ．A n u me ri c a l 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 b a s e d o n S i mu l i n k t o c a r r y o u t r e s e a r c h o n d y n a mi c a n d s t a t i c c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e u p p e r h y d r a u l i c c y l i n d e r o f p r e s s c o n t r o l l e d b y P a n d P I c o n t r o l me t h o d ．T h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n s h o w t h a t t h i s p u mpv a l v e c o mb i n e d c o n t r o l s c h e me i s v a l i d a t e d i n c o n t r o l l i n g t h e u p p e r h y d r a u l i c c y l i n d e r o f p r e s s ．I t i s a l s o s h o w n t h a t t h e p o s i t i o n i n g a c c u r a c y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r c a n b e e f f e c t i v e l y i mp r o v e d b y P I c o n t r o l me t h o d ， h o w e v e r ， wi t h a b i t o f o s c i l l a t i o n． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p r e s s ； Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n； C o mb i n e d c o n t r o l ；P I c o n t r o l me t h o d 当前国产液压机位置控制普遍采用阀控技术 ，系 统动态性能好但其突出的问题是能源利用率低 ，通常 很大一部分液压能以节流或溢流的形式损失掉，而泵 控系统能量利用率高 ，但对泵的动静态性能有较高的 要求 。目前，电控比例液压泵性能取得 了长足进 步，如大金公司提供的 S U T变频驱动电控比例液压 泵压力／ 流量响应时间仅 0 ． 0 8 S ，稳态压力／ 流量控制 精度为 0 ． 5 ％，上述变化为泵控液压机提供很好的基 础。将单向电控比例液压泵与高速换向阀结合实现液 压机的主缸定位控制 ，对提高液压机能源利用效率具 有积极意义，目前 已经引起 国内外压机制造商的重 视 。 文献 [ 3 ]论述了单向泵与阀串联控制方案 ，针 对的是伺服阀 电液 比例泵控制对称缸压力。文献 [ 4 ]给出了泵与 3种阀 电液伺服阀、直接驱动阀 和总压力控制阀联合控制的方案，并基于 A M E S i m 建模分析。以上研究都是针对航空领域电液作动器 主缸为对 称 缸 展 开 的 ，无 补油 回路 和 平衡 阀系 统 ，且其控制系统所 用 的阀皆为专 用 阀，成 本 昂贵 。 针对上述 问题 ，作者根据液压机的特点 ，采取 单向泵 与换向阀串联 方案 实现非对 称主液压 缸 的位 置控 制 ， 具有实际指导意义。 1 数学模型 1 ． 1 系统 工作原 理 压机 主液压缸 系统组成如 图 l 所示 ，动力源 为变 频驱动的单 向电液 比例泵 ，高速 方 向阀作 为换 向元 件 ，执行元件 为上下往 复运动 的非对称缸 ，单 向平衡 阀用于产生背压以平衡负载重力。 工作原理针对活塞的位置控制设定预期值 ，当 电液比例泵输出流量通过换向阀的上位进入非对称缸 的上腔，活塞下行 ，同时因为上腔形成负压致使液控 单向阀打开 ，补油箱对上腔补油。当下腔压力大于平 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 9 基金项目江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目 Y K C 1 0 0 1 9 ；南通大学产学研合作项目 1 0 C 0 0 3 作者简介彭根运 1 9 8 4 一 ，男 ，硕士研究生，主要研究方向为电液伺服控制。Em a i l p g e n y u n 1 6 3 ． c o rn。通信作者 袁银男 ，Em a i l y u a n y n n t u ． e d u ． C B 。 第 l 3期 彭根运 等阀泵联合控制压机主液压缸系统建模与仿真 1 0 1 衡阀设定值时 ，油液经平衡阀通过换向阀回到油箱。 当光栅尺检测到活塞杆位移超调时，换向阀的下位导 通，电液比例泵输出的压力油通过单向阀进入非对称 缸下腔 ，活塞杆 回调 。 图 1 阀泵联合控制的系统图 缸内泄漏系数 ， P 。 为上腔无杆腔压力，P 为下腔有 杆腔压力。并有 { ‰ 。 其中q 一k P ，q R 为换 向阀反向导通时，上腔 回油箱的流量，k 为换向阀流量系数 ；q 为补油回 路对上腔的补油流量 ，K为液控单向阀流量系数；上 腔容积 V o 1 A l 。 3 下腔流量平衡方程 忽略外部泄漏 A 2 K c i p 2 Q 3 式中Q 为下腔流量，A 为下腔有杆腔活塞面积， 为下腔有杆腔体积。并有 p ， v 却 一 【 一Q 0 其中q R 【 0 K 。 P p 2 P, o , p 图 2 基于 S i m u l i n k的阀泵联合控制非对称上缸的系统框图 第 1 3期 李军 等基于 A ME S i m的液压系统压力脉冲模拟器仿真 1 0 9 和 4 0 m P a S的脉冲波形。表 明黏度越小，压力升 率 、压力峰值和震荡幅度越大。这是 由于黏度越小 ， 管路的沿程损失越小 ，从而导致上述结果 ，在系统设 计重要需考虑黏度对波形的影响；图4 C 显示 了 蓄能器容积分别为 5 0和 5 L的脉冲波形 ，蓄能器容 积越小压力升率和压力峰值下降越明显。这是由于脉 冲波形的瞬时流量主要是靠蓄能器提供的，如果蓄能 器的容积太小 ，不能够提供充足的流量补给的话 ，就 不能形成脉冲波形 ；图4 d 显示 了换 向阀额定流 量分别为6 0 0和 2 0 0 L ／ m i n 0 ． 5 MP a 的脉冲波形， 显然阀的通流能力越低 ，压力升率和压力峰值就越 小。产生这一结果的主要原因与蓄能器容腔的影响类 似，换向阀的额定流量太小 ，瞬间不能够让足够的流 量通过 ，从而严重影响水锤波的升率和峰值。 皇 2 0 0 3 3 ． 2 3 ． 4 3 ． 6 t l s a 弹性模量 t ／ s b 黏度 l 一换 向阀流量压力比 d 换 向阀额定流量 图4 其他因素对波形的影响 3 结束语 以上的研究表明液压系统压力脉冲模拟器产生 脉冲的过程与很多因素有关 ，包括蓄能器大小、流体 的体积弹性模量、流体的黏度、阀的特性以及管路的 布置等等。在设计中应充分依据试验件特性和脉冲波 形的特征参数进行详尽的综合考虑。仿真和 分析结论 包括 1 蓄能器的容积需足够大，能够提供充足 的瞬时流量； 2 鉴于黏度对波形 的影响，可 以通 过对油液温度的控制 ，间接保证油液黏度的相对稳 定； 3 油液的含气量对综合体积弹性模量影响较 大，需尽量控制油液的含气量 ，保证系统的综合体积 弹性模量相对较大； 4 被试件的容积和综合体积 弹性模量决定了产生压力脉冲所需的瞬时流量 ，针对 不同的试验件应分别进行系统设计 ； 5 被控波形 参数的选取应科学合理 ，不应与被试件的物理特性相 矛盾； 6 A ME S i m以其简便的操作和强大的仿真分 析能力，为液压系统的设计提供了一条效果 良好且方 法简单的仿真途径。 参考文献 【 1 】 李军， 陈明． 飞机液压系统的压力脉冲试验仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 2 3 5 3 8 0 5 3 8 2 ． 【 2 】I Z Q U I E R D O J ， I G L E S I A S P L ． M a t h e m a t i c a l M o d e l i n g o f H y d r a u l i c T r a n s i e n t s i n S i m p l e S y s t e m s [ J ] ． M a t h e m a t i c a n d C o m p u t e r Mo d e l i n g ， 2 0 0 4 ， 3 5 7 8 0 1 8 1 2 ． 【 3 】S T R E E T E R V L ． W a t e r H a m m e r A n a l y s i s[ J ] ． J o u r H y d D i v ， A S C E， H Y 3 S 1 0 8 4 - 0 6 9 9 ， 1 9 6 9 ， 8 8 5 7 91 1 3 ． 【 4 】 李成功， 和彦森． 液压系统建模与仿真分析[ M] ． 北京 航空工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 5 】 付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模与仿真[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 5 ． 上接 第 1 0 2页 ② 通过对比可以发现 ，加入积分环节达到 目标 位移后，上下腔的压力出现一定的波动 ，这是由积分 环节的控制机理造成的，反映了控制器反复调节的过 程，且未出现太大的液压冲击。 4结论 1 仿真数据表明，P I 控制可以达到良好的位 置控制效果，但当加入积分控制、系统达稳态后 ，系 统存在小幅度的振动。 2 仿真数据表 明，换向阀换向瞬间，对各种 信号的影响很明显。因此 ，在设计阀泵联合控制非对 称缸控制系统时，应尽量避免滑块逼近 目标位置过程 中突然的换向。 参考文献 【 1 】 徐绳武． 恒压泵控系统取代溢流阀控系统的发展动向 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 2 71 1 ． 【 2 】 大金工业株 式会社． 注塑机用超 级单元使用说 明书 [ M] ． 日本 日本大金株式会社油机事业部， 2 0 0 8 ． 【 3 】 纪友哲 ， 裘丽华， 王占 林． 阀泵联合电动静液作动器的变 压力控制研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 9 8 1 0 3 ． 【 4 】 齐海涛 ， 付永领， 王占 林． 泵阀协调控制电动静液作动器 方案分析[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 2 1 3 11 3 4． 【 5 】王占林． 近代电气液压伺服控制[ M] ． 北京 北京航空航 天大学出版社 ， 2 0 0 5 1 6 51 9 3 ． 【 6 】Z H A N G J u n ， J I A O S h e n g j i e ， L I A O X i a o m i n g ， e t a 1 ． D e s i g n o f I n t e l l i g e n t Hy d r a u l i c E x c a v a t o r C o n t r o l S y s t e m Ba s e d o n P I D Me t h o d [ J ] ． I F I P A d v a n c e s i n I n f o r m a t i o n a n d C o m- mu n i c a t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0， 3 1 7 2 0 72 1 5． 【 7 】葛哲学． 精通 M a t l a b [ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 8 2 5】一39 9．