基于PID的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究.pdf

2 0 1 3年 l 0月 第 4 l 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 l0 l 3 Vo 1 ． 41 No ．1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 4 3 基于 P I D的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究 王成锋 ，寻增霞 中煤科工集 团重庆研究院，重庆 4 0 0 7 0 0 摘要介绍了无极绳绞车液压张紧系统的结构和工作原理 ，在忽略某些次要因素的基础上建立液压张紧系统的数学模 型 ， 根据无极绳绞车运输系统各已知量求得该数学模型传递函数的相关参数。利用 M A T L A B软件的 S i m u l i n k 模块对其模型 进行了仿真分析，并通过 P I D控制器对张紧系统加以校正 ，最后得到具有较好动态特性的张紧系统。 关键词无极绳绞车 ；液压张紧系统； P I D控制 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 91 5 1 4 De s i g n a n d Re s e a r c h o n Hy dr a ul i c Te ns i o n Sy s t e m o f End l e s s - r o pe W i nc h Ba s e d o n PI D W ANG Ch e n g f e n g．XUN Ze n g x i a 、 C h o n g q i n g B r a n c h o f C h i n e s e C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 7 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p rin c i p l e o f h y d r a u l i c t e n s i o n s y s t e m o f e n d l e s s - r o p e w i n c h w e r e d e s c ri b e d ．T h e ma t h e ma t i ． c al mo d e l s o f h y d r a u l i c t e n s i o n s y s t e m b a s e d o n i g n o rin g s o me o f t h e mi n o r f a c t o r s w e r e b u i l t ，a n d t h e r e l a t e d p a r a me t e r s o f t r a n s f e r f u n c t i o n o f ma t h e ma ri e a l mo d e l s we r e o b t a i n e d a c c o r d i n g t o出e k n o w n p a r a me t e r s of e n d l e s s ． r o p e w i n c h t r a n s D 0 s y s t e m．T h e mo d e l wa s s i mu l a t e d a n d a n a l y s i s b y u s i n g t h e S i mu l i n k mo d u l e o f MAT L AB s o f t wa r e ．F i n a l l y t h e t e n s i o n i n g s y s t e m h a s g a i n e d b e t t e r d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s t h r o u g h c o r r e c t i o n b y t h e p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l a n d d i fi e r e n t i al P I D c o n t r o l l e r ． Ke y wo r d s E n d l e s s - r o p e wi n c h；Hy d r a u l i c t e n s i o n s y s t e m ；P I D c o n t r o l 液压张紧系统作为无极绳绞车的关键部件之一 ， 其作用是为无极绳绞车牵引钢丝绳提供一定 的初 张 力，使得钢丝绳能够在驱动滚筒上产生足够 的摩擦 力 ，从而有效地完成牵引任务。无极绳绞车在牵引过 程 中，常因为初张力不够而出现钢丝绳在摩擦滚筒上 打滑现象，特别是随着无极绳运输距离的不断加长， 运量的不断加大 ，钢丝绳在滚筒上打滑的现象尤为明 显。钢丝绳在摩擦滚筒上出现打滑 ，轻则引起牵引失 效，重则引发安全事故，因此，合理地选择和设计液 压张紧装置是非常必要的。 1 液压张紧系统结构及工作原理 1 ． 1 液压 系统 的组 成 I m油箱 2 一 粗过滤 器 3 - - 电机 4 一齿轮泵 5 一细过滤 器 一 电磁换 向阀 卜 液控单 向阀 8 _ _ 压力表 张紧油 缸 l 0 _ - 张 力平衡车 l l 一 张紧钢 丝绳 1 2 一 力传感 器 l 卜 蓄 能器 1 4 一截 止阀 l 5 _ 比例 溢流 阀 图 1 张紧系统液压原理图 液压系统的组成如图 1 所示。 1 ． 2 张紧系统的工作原理 该张紧系统在绞车起动时，电磁换向阀6右位工 作，通过电机 3带动齿轮泵 4向张紧油缸 9前腔充 油，使油缸活塞杆向后移动从而产生张紧力 ，张紧力 大小通过比例溢流阀 1 5控制。在正常运行时，用力 传感器 1 2对张紧力进行检测，当张紧力过小时，力 传感器 1 2发出增压信号，比例溢流阀 1 5减小开 口 量，液压缸前腔压力增大，从而增大张紧力。反之当 张紧力过大时，力传感器 1 2发出减压信号，比例溢 流阀 1 5增大溢流量，活塞杆前腔压力降低，从而减 小张紧力 ；其次也可以通过截止 阀 1 4进行泄压 ，从 而起到减小钢丝绳张力的作用。在此力传感器 1 2还 能对钢丝绳力跳变进行检测 ，当钢丝绳牵引力出现突 变时，相应的报警装置发出报警信号，提醒绞车司机 停机检查。蓄能器 1 3 ． 1和 1 3 ． 2的作用是补偿钢丝绳 张力的微 小波动 ；压力 表 8 ． 1 、8 ． 2的作 用是 随时 显 示供油回路和回油回路压力。 2 张紧系统的建模与仿真 无极绳绞车运输 系统 ，通 常在钢丝绳布置时先通 过电葫芦将钢丝绳拉紧，再开启张紧装置 ，等钢丝绳 松边达到应有的初张力后启动绞车，其可以有效地避 免钢丝绳在摩擦滚筒上打滑 ，减少钢丝绳的磨损。 设计的液压张紧装置的工作原理如图2 所示。无 极绳绞车正常运行时钢丝绳张紧力通过力传感器转化 为相应的电压信号 ，与给定力信号所转换的电压信号 收稿日期2 0 1 2 0 91 8 作者简介王成锋 1 9 8 6 一 ，硕士，助理工程师，研究方向为矿山机械。Em a i l w f c c u mt 1 6 3 ． C O m。 1 5 2 机床与液压 第4 1 卷 相比较并得出偏差电压信号，此偏差信号作为电液比 例溢流阀的输入量，控制电液比例溢流阀阀芯开口大 小 ，从而控制张紧油缸的油液压力 ，完成张紧力 自动 调整，保证钢丝绳张紧力恒定不变。同时力传感器所 测钢丝绳张紧力还将转换为电信号与 P L C中的给定 信号进行比较 ，如果超出了规定的变动范围，立即发 出报警信号 ，提醒绞车司机停机检修。该张紧系统的 闭环控制系统主要由张紧油缸、电磁换向阀、比例溢 流阀、力传感器和控制器等组成 ，其闭环控制原理图 如 图2所示 。 力 传感 器 一一 ⋯。 图3 比例压力控制系统简图 该液压张紧系统所采用的电液比例溢流阀为先导 式电液比例溢流阀，其组成部件主要包括主阀、先导 阀、比例电磁铁和线圈等 ，结构简图如图4所示。 胄l 图4 先导式比例阀结构简图 根 据图 3和图 4结构简 图并结合数学建模 的方法 可得电液比例溢流阀传递函数方块图如图5所示。 图5 比例溢流阀的传递函数方框图 2 ． 2 张紧液压缸数学建模 张紧油缸作为整个液压张紧系统的执行元件，其 性能好坏对系统性能起着决定性作用，因此有必要对 其做详细分析，张紧液压缸模型如图6所示 ，在此基 础上对张紧液压缸进行分析与数学建模得张紧液压缸 传递函数方块图如图 7所示 。 图 6 张紧液压缸模型 图 7 张紧液压缸传递函数方框图 在此综合以上所建张紧系统各部件数学模型得张 紧系统闭环控制传递函数方块图如图8 所示 。 图 8 张紧系统闭环控制传递函数方框图 第 1 9期 王成锋 等 基于 P I D的无极绳绞车液压张紧系统的设计与研究 。1 5 3 3 仿真模型的建立 3 ． 1 仿真参数的确定 结合张紧系统结构图和以上所建立的数学模型可 知，对张紧系统动态特性进行仿真所需的相关参数如 表 1 所示 。 表 1 比例溢流阀和液压缸相关参数 K ∞ 0 ／ r a d s ‘ 0 Ap ／c m fl e ／ P a 曰P m ／ k g t O ／ r a d s K ／ MP a c m ／ M P a 。 c m ／ MP a c m Ao ／ c m ／ r a d 8 C【 p K ／ m V N V, ／m C 将表 1 所示数据代入张紧系统闭环控制传递函数 方框图相应表达式中可得 ，各传递函数的具体表达式 如下 G 1㈤ 杰 1 ∞ O o C 2 5 1 t O 0． 4 0 1 0 8 s 。O ．3 3 9 8 s 1 G ， s 2． 7 7 8 1 0一 s 0 ． 01 7 s 1 3 ． 2 仿真模型的建立与仿真 MA T L A B作为一个通用数学软件 ，其具有强大的 数据处理能力，其下的 S i m u l i n k模块又具有强大的建 模仿真能力 ，本小节通过利用 S i m u l i n k模块对前节所 建立的无极绳绞车液压张紧系统模型的响应特性进行 仿真分析。在此根据前文所求张紧系统传递函数方框 图和相应参数搭建 S i m u l i n k 仿真模型 ，如图9所示 。 7 7 0 0 卜 仉 2 4 1 ． I 1 ． 1 0 ．2 I 0 ．4 0 1 0 8 s 1“ 0 ． 3 3 9 a s 1 ] ⋯ ] 0 ． 0 1 8 6 5 s - 0 ． 0 4 5 5 1 ‘ 二 ] 2 ．7 7 8 X 1 0 -4 S 2 0 ．0 1 7 s l 【I ， s t a nt l 。 Ga i n儿Tr a n s f e rFc n 5 。 Tr a ns f e rF e n 6 Ga i n 2 Tr a n s f e rF c n 4 s I L，al n Ga i nl 图 9 张紧系统仿真模型 图 1 0 a 为张紧系统输入恒定张紧力时，系统 有必要对其进行一定的校正，以力求达到超调量较小 的闭环响应特性曲线图，由曲线图可看出，系统超调 且响应较快 。 量较大约为4 7 ％左右 ，稳定 时间约为 1 3 S 左右，稳 图 1 0 b 为采用 P I D调节器进行校正后的张紧 定时输出张紧力能达到张紧所需大小 ，约为 3 1 k N， 系统闭环响应曲线图，由图1 0 b 可看出校正后的 由图 1 0 a 可见，虽然系统稳态值基本能达到张紧 张紧系统其超调量约为 1 8 ％，稳态时间约为 5 S 左 所需要求 ，但系统超调量较大且响应时间较慢，所以 右，稳态值同约为 3 1 k N 。由此可看出经过 P I D调整 A 十 2 m 2 p 0 瑚 2 加 一 一 加 。 一 一 一 一 一 一 一 ㈣ 1 5 4 机床与液压 第 4 l 卷 后 ，张紧系统在 张紧力不变 的情况下 ，超调量满足 了 设计要求，且缩短了系统响应时间。 图 1 1为校 正前 后 的波 德 图对 比 曲线 ，由两 曲 线对 比分析可看出，校正前系统的相位裕度达到了 基本要求但增益裕度较小 ，系统稳定性较差 ；校正 后系统不但有了较大的增益裕度 ，同时相位裕度也 有 所增加 ，从而使得 整个 系统 的稳 态 性得 到 了进 一 步提 高。 Z a 校正前 一3． 2 2 ． -R 1 ． O． 图 1 0 张紧系统阶跃响应曲线 S y s t e m u Ⅱ t ． t l e d 1 ． - Fr e que nc y 0 ． 869 ra d／ s Ma g n i t u d e 1 ． 3 d B } 1 J L H 、 校 正后 ’～_ ． 一 。 。 - ， - - 一 ． 。 - _ ． ～ ， _ -● r_ _ -_ - 。 、‘ - 图1 1 张紧系统校正前后的波德曲线图 4 结束语 在分析张紧系统性能好坏对无极绳绞车运输性能 影响的基础上，提出了将液压张紧技术应用到了无极 绳绞车张紧系统中，对其张紧系统进行了简单设计 ， 并结合 S i m u l i n k 和 P I D调控对其动态特性进行了仿真 分析；由仿真曲线图可看出，通过 P I D调控使得系统 能在满足张紧力的情况下，具有了更高的稳定性和更 快 的响应速度 。 参考文献 【 1 】 侯友夫． 带式输送机动态特性及控制策略研究[ D ] ． 徐 州 中国矿业大学， 2 0 0 1 ． 【 2 】陈轶辉 ， 赵树忠， 孟宪举， 等． 比例溢流阀特性测试与分 析系统的设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 0 5 9 6 2 ． 【 3 】 侯波 ， 汪选要． 采用插装阀的支架液压系统设计[ J ] ． 液 压与气动， 2 0 0 4 1 4 2 4 3 ． 【 4 】 刘 白雁 ， 陈新元， 傅连东． 机电系统动态仿真 一基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 5 】刘金琨． 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 6 】 杨存智， 刘文艺． 电液 比例伺服控制容积调速系统仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 3 1 7 01 7 1 ． 【 7 】 周晓君 ， 余敏超． 基于 S i m u l i n k 的偏心定量配水器动态 特性分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2， 4 0 1 1 5 4 5 6 ． 【 8 】王哗， 杨明堂． 1 5 0 t 液压机液压系统设计[ J ] ． 液压与气 动， 2 0 1 0 8 5 7 6 0 ． 上接 第 1 4 0页 【 3 】湛迪强． S o l i d Wo r k s 2 0 0 8 宝典[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 8 4 79 6 ． 【 4 】 段进， 倪栋 ， 王国业． A N S Y S 1 0 ． 0结构分析从入 门到精 通[ M] ． 北京 兵器工业出版社， 2 0 0 6 1 9 9 2 2 2 ． 【 5 】 李兵． A N S Y S Wo r k b e n c h 设计 、 仿真与优化[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 8 4 7 5 3 ． 【 6 】 吴银笑， 莫怡玉， 吴卓智． 衡量法 自 校验常用移液器的程 序与效果[ J ] ． 仪器仪表与分析监测 ， 2 0 1 1 ， 3 5 1 3 ． 【 7 】 宋冀红 ， 侯斌． 定量、 可调移液器测量结果的不确定度分 析[ J ] ． 计量与测试技术 ， 2 0 0 8 ， 3 5 7 5 6 5 8 ． 鲫 0 靳 ∞ ∞ 一 d 曲 ， a ； 目 再