基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究.pdf

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2 0 1 3年 7月 第 4 l 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J u 1 . 2 0 1 3 Vo 1 . 41 No .1 3 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 3 . 1 3 . 0 4 2 基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究 邓飙 ,张磊 ,任建华 ,于杰 1 .第二炮兵工程大学,陕西西安 7 1 0 0 2 5 ;2 . 6 3 8 1 7部队,陕西西昌 6 1 5 0 0 0 摘要 针对多级缸起竖系统换级冲击大、能量利用率不高的问题 ,提出了恒压频比变频容积调速和节流调速相结合的 复合调速方法 ,采用角度信号作为跟踪参考轨迹,将模糊控制器作为系统控制环节,在 A ME S i m和 S i mu l i n k中进行了联合 仿真。仿真结果表明,模糊控制可以减小换级时的冲击,采用变频液压技术能够有效减小节流、溢流损失,提高了系统的 能量利用率。 关键词 恒压频 比控制;模糊控制 ;多级缸模型;A M E S i m;S i m u l i n k 中图分类号 T H1 3 7 . 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 31 4 7 4 S i mul a t i o n St ud y. o f Er e c t i ng Hy dr a u l i c S y s t e m o f Te l e s c o pi c M ult i s t ag e Cy l i nd e r Ba s e d o n Va r i a bl e Fr e q ue nc y Te c hno l o g y DE NG B i a o ,Z HANG L e i ,RE N J i a n h u a 1 . ,YU J i e 1 . 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 S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 , C h i n a ; 2 . T r o o p s N o . 6 3 8 1 7, P L A, X i c h a n g S h a a n x i 6 1 5 0 0 0, C h i n a Ab s t r a c t 、, c o n t r o l e r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m c o mb i n a t i o n me t h o d o f a T h r o t t l e a n d V a r i a b l e Di s p l a c e me n t S p e e d C o n t r o l b a s e d o n v a r i ab l e f r e q u e n c y t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d b y a i mi n g a t t h e p r o b l e m o f l o w e ffic i e n c y o f e n e r gy u t i l i z a t i o n an d l a r g e i mp a c t wh e n c h an - g i n g l e v e l i n g o f t h e e r e c t i n g h y dra uli c s y s t e m o f T e l e s c o p i c m ult i s t a g e c y l i n d e r .I n A ME S i m and M a t l ab, t h e m ode l w a s s i m ula t e d j o i n t l y , b y u s i n g t h e a n g u l ar s i g n a l a s t h e f o l l o w i n g r e f e r e n c e d t r a j e c t o r y and p u t t i n g F u z z y c o n t ro l p l a n f o r s y s t e m c o n t r o 1 .T h e s i m ula t i o n r e s u l t s i n d i c a t e tha t t h e F uzzy c o n t r o l c a l l r e d u c e i mp a c t wh e n c h a n g i n g l e v e l i n g .B y u s i n g v a r i abl e f r e q u e n c y h y dra u l i c t e c h n o l o gy ,t h e l o s s e s o f Th rot tl e an d o v e r f l o w c an b e e f f e c t i v e l y r e d u c e d,a n d e ffi c i e n c y o f e n e r gy u t i l i z a t i o n i n t h e s y s t e m i s i mp r o v e d . Ke y wo r d s V / F c o n t r o l ; F u z z y c o n t r o l ; T e l e s c o p i c mult i s t a g e c y l i n d e r mo d e l ; A MES i m ; S i mu l i n k 大型设备的多级缸起竖系统大多采用液压驱动方 式 ,但在工程实际中起竖系统存在换级冲击大、能量 利用率不高的问题 。换级时,液压缸活塞的横截 面积发生突变会产生很大液压冲击,传统的 P I D算法 难以取得满意的控制效果,采用鲁棒性很强的模糊控 制可以有效减小换级时的冲击。能量利用率不高是因 为传统起竖液压回路的泵源是定量泵 ,泵的输出流量 不能随着负载流量的变化而改变,采用节流调速时, 存在较大的节流和溢流损失。将变频液压技术应用到 起竖系统中,用变频器 普通电机 定量泵的结构形 式代替了传统的普通电机 定量泵的结构形式 ,通过 改变变频器输入电压调节泵的输出流量以适应负载流 量 的变化 ,从 而能够减小系统 的节流 和溢流损失 ,提 高能量利用率 。 作者在 A ME S i m和 S i m u l i n k环境中建立了起竖系 统仿真模型,将节流调速和变频液压技术有机地结合 起来,采用模糊控制算法,有效地解决了系统换级冲 击大、能量利用率不高的问题。 1 起竖系统介绍和建模 1 . 1 系统介绍 起竖系统的工作原理图如图 1 所示。 图 1 起竖系统工作原理图 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 4 作者简介邓飙 1 9 6 9 一 ,男 ,副教授,博士,研究方向为机电控制。Em a i l w u t o n g x i y u 2 1 6 3 . t o m。 4 l 重物 2 起竖臂 3 二级液压缸 4 m回转中心 5 双向平衡阔 6 三位 四通 电 磁换 向阀 7 控制系统 8 一 比例流量 阀 .9 变频器 1 0 ---电机 1 1 一定量泵 1 4 8 机床与液压 第4 1 卷 起竖 系统 由机 械 系统 、控 制 系统 和液 压 回路组 成。机械系统由起竖臂和重物组成;控制系统由工业 控制计算机、数字量隔离 D I 、D O卡 ,A / DD / A 卡,信号调理系统,外部指令输入系统组成;液压 回 路由变频器、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 组成 。 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和特定 电 压的正弦电压信号驱动异步电机 1 0转动 ,电机 1 0 带动液压泵 1 1 旋转 ,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 5驱 动 起 竖 缸 3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。控制系统将采集 压力 、角度传感器信号处理后得到变频器和 比例流 量阀的控制信号。改变变频器和比例流量阀的输入 信号调节系统流量适应负载流量的变化,从而实现 快速平稳起竖。 1 . 2 系统建模 根据系统工作原理图,在 A ME S i m中建立的系统 模型如图 2所示 。 二级 液 压缸 .I I ⋯一⋯-⋯一 图 2 起竖系统 A ME S i m模型 2控制方案 图3为控制方案框图,以规划的角度信号为参考 跟踪轨迹 ,控制系统通过控制变频器和比例流量阀的 输入信号调节系统流量 ,从而改变起竖速度实现角度 跟踪。变频器采用开环控制,控制信号根据理论计算 结果预先设定;比例流量阀采用闭环控制,控制信号 由反馈角度信号和规划角度信号的偏差信号经过控制 算法处理后得到。 液压泵存在最低稳定转速,因此变频器的控制电 压不能过低。对该系统来说,变频器的最小输入电压 为6 V,此时泵的输出流量 6 2 L / m i n 。当负载流量小 于泵的最小稳定流量时,泵输出最小稳定流量,系统 控制比例流量阀使系统流量适应负载流量;当负载流 量大于泵的最小稳定流量时,系统将比例流量阀完全 打开,系统改变变频器输入电压使系统流量适应负载 流量 。 系统仿真模型 比例流量阀广 N L 1 _ _ _ J 角度 规 划 曲线 角 度 图3 控制方案框图 第 1 3期 邓飙 等基于变频液压技术的多级缸起竖系统仿真研究 1 4 9 3 模糊控制算法研究 模糊控制 是建立在模糊逻辑推理基础上的一种 非线性控制策略,具有很强的鲁棒性,适合于液压系 统这种具有非线性和时变特征的系统。 理论上,模糊控制 的维数越高 ,控制的精度越 高,但是控制规则越复杂,控制算法越难实现 ,根据 实际需要采用二维模糊控制。设定误差 E、误差变化 率 E C作为输入 ,控制量 为输 出,其论域为[一 6 , 6 ] 。二级缸在换级时,误差 E和误差变化率会发生 突变 ,因此将误差 E的论域扩大到[一1 0 , 1 0 ] ,误差 变化率的论域扩大到[ 一 3 0 , 3 0 ] 。 模糊子集均采用 7条 词汇来描述,即 N B 负 大 ,N M 负 中 ,N S 负小 ,0 ,P S 正小 , P M 正中 ,P B 正大 。隶属度 函数采用三角 函 数 ,隶属度函数的重叠系数为0 . 5 。 根据经验 ,设计模糊控制规则表如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表 NB NM Ns o Ps P M NB P B P B P B PB P M Q Q NM PB P B P B PB P M o Q Ns p M P M P M PM o N s Ns o P M P M P s o Ns NM NM Ps P s Ps Q NM N M NM N M p M o Q NM NB NB NB NB P B Q Q NM NB NB NB NB 在 S i m u l i n k 环境 中建立模糊控制器 ,与 A ME S i m 进行联合仿真,联合仿真控制模块如图4所示。 . - .. ..]o n v a u v . . . . . Co n t r o l l e r 一 橱 图4 联合仿真控制模块 4系统仿真 4 . 1 控制算法仿真研 究 角度跟踪控制策略的关键是设定合理的角度规划 曲线,为满足大型设备起竖过程平稳性和快速性的要 求,设定起竖时间为 6 0 . 5 s ,起竖角度为 9 0 。 。采用 正弦加速度函数法 规划理想角度曲线、角速度 曲 线、角加速度曲线如图5所示。 在 A ME S i m和 S i m u l i n k 设定好仿真参数 ,分别采 用 P I D控制器和模糊控制器,得到的仿真结果如图 6 所示 。 1 寇 0 . 5 0 0. 4 l叻0 . 2 。 罂 - o . 图5 角度规划信号 0 2 0 4 0 6 O 时 间, s a 『、 J、 、 -v一 ]Jn \ 20 40 60 时 间, s c - -。 _ / 、 , _ _ _ - ‘ ‘ 一 0 2 0 4 0 6 O 时间, s e 图6 P I D控制器和模糊控制器仿真结果 图6 a 、 c 、 e 分别为采用 P I D控制器仿 真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线 、角加速度 误差曲线 ;图6 b 、 d 、 f 分别为采用模糊控 制器仿真所得的角度误差曲线、角速度误差曲线 、角 加速度误差 曲线 。 从图6可知,采用 P I D控制器,最大的角度、角 速度、角加速度误差分别为 0 . 9 。 ,0 . 3 8 。 / s ,3 . 8 / s ; 采用模糊控制器 ,最大的角度 、角速度 、角加速度误 差分别为 0 . 7 5 。 ,0 . 3 8 7 。 / s ,2 . 1 5 。 / s 。从角度误差曲 线的对比可知,采用模糊控制器,系统的跟踪性能更 1 5 0 机床与液压 第4 1 卷 好;从角速度误差曲线和角加速度误差曲线的对比可 知,采用模糊控制器可以有效减小换级时的冲击。从 图6 还可知 ,除了换级点以外曲线没有突变,说明节 流调速和容积调速间的转换 比较平稳 。 4 . 2节能效果仿真研 究 变频液压技术通 过改变 变频器 的输入 电压调节泵 的输出流量,实现系统流量和负载流量的匹配,从而 达到节能的 目的。分别设定起竖时间为 4 0 ,6 0 . 5 , 8 0 S ,可得到泵源的输 出流量如 图 7所示 。 1 一 当t 4 0 s 时,泵 的输 出流 量 2 一 当扣6 O . 5 s 时 ,泵 的输 出流 量 3 一 当t - 8 0 s 时,泵 的输 出流量 图7 泵源输出流量变化曲线 曲线 1 、2 、3 分别为 4 0 、6 0 . 5 、8 0 S 起竖时,泵 源的输出流量随角度变化曲线;曲线4为泵的最大输 出流量。从图7可知,采用变频液压技术可以使泵源 的输 出流量与负载所需流量匹配 ,减小 了节流和溢流 损失 ,提高系统能量利用率。另外,起竖时间越长, 泵源的输出流量越小,节能效果越明显。 4结论 1 采用变频容积调速和节流调速相结合 的复 合调速方案,可以有效减小泵源的输出流量,明显减 小节流和溢流损失,系统能量利用率有了很大的提 高 。 2 采用模糊控制,可以有效地减小换级时的 冲击 ,提高系统的稳定性和鲁棒性。 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临 的问题[ J ] . 煤炭机械, 2 0 0 1 9 1 4 . 【 2 】罗治军 , 谢建 , 田桂 , 等. 多级缸变负载 同步控制研究 [ J ] . 流体传动控制, 2 0 0 9 1 1 1 61 7 . 【 3 】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, 3 8 2 2 1 52 2 1 . 【 4 】陈伯时. 电力拖动 自 动控制系统[ M] . 北京 机械工业出 版社, 2 0 1 0 3 0 3 5 . 【 5 】彭天好, 朱刘英 , 胡佑兰, 等. 基于 A M E 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 3 3 3 5 . 【 6 】郭晓松, 祁帅 , 于传强, 等. 工程机械节流调速液压回路 仿真分析[ J ] . 机床与液压 , 2 0 0 9 6 2 0 62 1 0 . 【 7 】丛爽. 神经网络、 模糊系统及其在运动控制中的应用 [ M] . 北京 中国科学技术大学出版社, 2 0 0 1 . 【 8 】 姚晓光, 郭晓松 , 冯永保 , 等. 导弹起竖过程的载荷研究 [ J ] . 兵工学报, 2 0 0 8 6 1 5 . 上接第 1 3 8页 数大于在圆管内传热。入 口速度大于 1 . 5 m / s ,水在 椭圆管中传热的N u 数大于在圆管中的传热。流体工 质在管内传热 ,在椭圆管内传热压降远大于在圆管内 传热,说明在椭圆管中传热能量损失大于圆管。随着 入口速度增大,对流传热性能增强 ,出口摩擦系数减 小,管道压降减小。 3 总结 对液态金属金属稼和水在椭圆管和圆管内的流动 传热数值模拟结果表明椭圆管 比圆管散热性能好 , 但压降大、阻力特性明显;液态金属比水传热性能好 得多且液态金属的分子导热不可忽略;总体分析,液 态金属镓在椭圆管内的传热性能较佳。传热工质在管 内流动 ,从进入管开始压力逐渐减小,减小到一定程 度又逐渐增大,最后维持在一个稳定的状态 ,且由于 存在沿程损失 ,出口出现负压 ;液体在管内湍流传 热 ,随传热工质的入 口速度增大,对流传热性能增 强 ,出口平均温度增大,管道压降降低。 参考文献 【 1 】 连红奎, 李艳 , 束光阳子, 等. 我国工业余热回收利用技 术综述[ J ] . 节能技术, 2 0 1 1 3 1 2 31 3 3 . 【 2 】 宋思洪, 廖强, 沈卫东. 采用低熔点液态金属工质散热的 热沉传热数值模拟[ J ] . 机械工程学报, 2 0 1 1 7 1 4 6 1 4 9 . 【 3 】 杨世铭. 传热学 [ M] . 北京 人民出版社 , 1 9 8 0 1 9 7 2 0 6 . 【 4 】 朱冬生 , 郭新超, 刘庆亮. 扭曲管管内传热及流动特性数 值模拟[ J ] . 流体机械, 2 0 1 2 2 6 3 6 7 . 【 5 】 张一帆, 李会雄, 张煜乾, 等. 内螺纹管管型结构对管内 流动阻力特性的影响[ J ] . 工程热物理学报, 2 0 1 1 7 1 1 6 11 1 6 4. 【 6 】门玉宾 , 马军军, 王书福, 等. 液态金属镓 自然对流换热 数值模拟[ J ] . 哈尔滨工业大学学报, 2 0 1 1 1 1 1 4一 l 1 8. 【 7 】 F U L L E R T O N T L , A N A N D, N K . P e r i o d i c a l l y F u l l y - D e v e l - o p e d F l o w a n d He a t T r a n s f e r O v e r F l a t a n d O v a l T u b e s U s i n g a C o n t r o l V o l u m e F i n i t e E l e me n t Me t h o d [ J ] . N u - me r i e a l He a t T r a n s f e r , 2 0 1 0 9 6 4 2 6 6 5 . 【 8 】 李军, 王晨, 桑芝宫, 等. 强化传热管管内传热及阻力性 能的数值研究[ J ] . 石油机械, 2 0 0 9 2 3 7 4 0 .
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