液压系统复合控制的建模和应用.pdf

总第 1 6 0期 2 0 1 6年 第2期 山西冶金 S HANXI ME TA L L URGY r 0 t a l 1 6 0 No ． 2，2 01 6 生产实践， 应用技术 DO I 1 0 ．1 6 5 2 5 0 ． c n k i ． c n 1 4 - 1 1 6 7 ／ t f ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 2 0 液压 系统复合控制的建模和应用 张强， 李向辉 ， 马 曼 中国重 型机械研究 院股份公 司 ， 陕西西安7 1 0 0 3 2 摘要 以一台大型拉伸矫直机的主液压系统为例， 对各个主要元件模型的获得方法进行了详细分析， 并给出了泵 控缸的数学模型和阀控缸的数学模型以及复合控制时采用比例泵或伺服阀进行补偿的方框图。 通过将实际数据代入 上述数学模型的计算， 为类似复合控制液压伺服系统的设计和调试提供理论依据。 关键词 复合控制泵控缸阀控缸 中图分类号 T P 2 7 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 6 0 2 0 0 5 3 0 3 在伺服液压系统 中，以变频 电机 定量泵或伺 服 比例 变量泵为控制元件的容积式控制 又称为 泵控 和以伺服 比例 阀为控制元件的节 流式控制 又称为阀控 是最主要 的两种控制形式。相 比较而 言 ， 容积式伺 服液压 系统具有效率 高 、 流量大 、 调速 范 围宽 、 速度稳定性高的特点； 节流式伺服液压系统 则具有动态响应快、 控制精度高等特点[1 ] 。随着机械 设备在大负载 、 高精度方面的发展 ， 更大的负载必然 要求更大的液压缸径和更高的工作压力，而随着系 统快速性与控制精度的不断提高 ，单纯只靠泵控或 阀控的工作方式 已经不能满足机械设备对伺服液压 系统 的性能要求 。 如何将泵控和阀控结合在一起 ， 利 用两者构成的复合控制方式实现伺服液压系统对液 压缸的高压 、 大流量 、 快速 、 高精度控制已经成为 国 内外液压行业的一大技术难题 。本文以中国重型机 械研究院为某厂设计的一 台大型铝板拉伸矫直机的 主拉伸液压系统为例 ，详细分析通过复合控制液压 缸实现主拉伸液压系统高压、 大流量、 快速、 高精度 的方法。 1 比例泵控制液压缸数学模型的获取 该大型铝板拉伸矫直机的主拉伸液压系统 以两 个单 出杆柱塞式液压缸作为主缸 ，每个主缸均 以复 合控制形式在两侧单独控制且在运动过程中保持位 置同步髓 ] 。铝板拉伸矫直机的主拉伸液压系统 中泵 控缸元件如图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 0 6 第一作者简介 张强 1 9 7 8 ～ ， 男， 工程硕士， 现从事冶金机械 设 备液压方 面的设计与研 究工作 ， 工程师。 图 1 单侧 比例泵控制主缸的原理框 图 主拉伸液压系统 中泵控缸部分是 以比例泵控制 单出杆柱塞式液压缸的。为使最终的系统模型尽可 能真实反映系统的实际性能 ，同时兼顾系统模 型的 复杂程度 ， 根据各元件对系统性能影响所 占的比重 ， 对系绕l生 能影响较大的元件采用较高级别的传递函 数表达 ，而对系统性能影响较小的元件采用相对简 单的传递函数表达。本文以一阶传递函数表示用于 控制 比例泵斜盘倾角的比例 阀，控制比例泵斜盘倾 角的比例 阀的负载流量 s 相对于 比例阀的输人 电压 s 的传递函数可近似为 Q 一 K r 1、 pi s 一 rs l’ 式 中 ， 表示负载压 降为零时比例阀的静态流量增 益 ； ， 表示 比例 阀的时间常数。 以积分传递函数表示的变量活塞 [3 ， 其 比例泵的 斜盘倾斜角度 a p S 相对于比例阀的负载流量 s 的传递函数为 烈 ． 2 Q s A ， ， 式 中 表示变量活塞 的有效作用面积 ； 表示变量 活塞的中心线到铰接轴 中心线沿液压泵轴线方 向的 距离。 山两冶 金 E - m a i l s x y j b j b 1 2 6 ． c o n 第 3 9卷 以比例泵的传递函数表示泵本体， 比例泵的实际 输出流量Q p P s 相对于斜盘倾角 s 的传递函 数为 一 ． 3 式中 G p 表示比例泵的流量增益； 仇。 表示比例泵的 容积效率。 主缸对整个系统性能 的影响最大 ，以三阶传递 函数表示的主缸的活塞位移 s 相对于比例泵的 实际输出流量 Q 坤 s 的传递函数 为 s 一 Q s 一 4 s 3 钟 式 中 A 表示主缸无杆腔活塞的有效作用面积 ； 表示主缸活塞的位移 ； 表示主缸有杆腔和无杆腔 的流量之 比； V 表示初始等效容积 ， 包括阀、 连接管m , 道； c 表示整个传动回路 从液压泵出IS I 到主缸内 的总 内、 外 泄漏系数； 肘表示液压缸的活塞与拉伸 头和负载折算到活塞 上的质量之和 ； B表示液压缸 的活塞与负载运动时 的黏性 阻尼 系数 ； 表示液压 缸的活塞与负载的弹簧刚度。若以 K 表示主缸位 移传感器的反馈电压与主缸速度的转换系数，则主 缸的活塞位移 s 相对于输入电压 ‰ s 的闭环传 递函数方框图嘲为 见 图 2 图 2 单侧比例泵控制主缸的闭环传递函数方框图 2 伺服阀控制液压缸数学模型的获取 见图 3 图 3 单侧伺服阀控制主缸原理框 图 主拉伸液压系统中阀控缸部分是以伺服 阀控制 单出杆柱塞式液压缸的。以一阶传递函数表示伺服 阀 ， 伺服阀的负载流量 Q s 相对于伺服阀的输入电 流信号百分 比 s 的传递 函数为 G s 。 。 5 式中 表示负载压降为零时比例阀的静态流量增 益； 表示比例阀的时间常数。 若以 K 表示主缸位移传感器的反馈电压与主缸 速度的转换系数 ， 则主缸的活塞位移 s 相对于伺服 阀输入电流 s 的闭环传递函数方框图为 见图4 图 4单侧 伺服 阀控 制主缸的 闭环传递 函数方框 图 3 复合控制过程 中采用比例泵或伺服 阀进行补偿 的原理 两主缸在动作过程 中主要通 过 比例泵进行 驱 动 ， 当两主缸 出现不同步现象时 ， 需要通过 比例泵或 伺服阀进行位移补偿，本次主要采用比例泵单独补 偿或伺服阀单独补偿的方式 。 假设主缸 1 的速度 为 、主缸 2的速度为 两 主缸 的速度差值 为 A v lv 。 帕 I ， 主缸 1的位移 为 小 主缸 2的位移 为 戈 、 两主缸的位移差值为 A x e Ix I ， 两主缸的起 始位移相等。 当两主缸出现位置差时， 预设置了不同 补偿工况的临界参数 戈 帕 ～ 棚。当 A x Ix o 。 时采用 伺服 阀补偿 ，两主缸 的位置差为 A x ≥ 且 A x X m 0 3 时认为无法通过补偿实现两主缸同步 ，不再进行补 偿， 则 X m 03 X rr X m 0 。 0 。比例泵和伺服阀的控制框图 如下页图 5和图 6所示 ，补偿信号均被直接叠加在 输人信号上 。采用 比例泵补偿时补偿信号为原输人 信号的 。 倍 ，即补偿后 的输入信号变为原来 的 1 K 倍； 采用伺服阀补偿时补偿信号为原输入信号的 倍， 即补偿后的输入信号变为原来的 I K 倍。 K 。 和 均取决于补偿量的大小 和补偿所用的时间。 图 6中的选项 1 或 0的原则为当仅用伺服阀驱动主 缸或者采用比例泵和伺服阀同时补偿时为 1 ，伺服 阀的补偿量为输入量的百分比；当伺服阀仅用于补 偿 时为 0 ， 输入信号为伺服阀的最大信号 ， 伺服阀的 补偿量为输入的伺服阀最大信号 的百分 比。 4 结语 将该大型铝板拉伸矫直机的主拉伸液压系统的 2 0 1 6年第 2期 张强， 等 液压系统复合控制的建模和应用 5 5 图 5比例泵控制主缸方框图 图 6 伺服 阀控制主缸方框 图 实际参数 ／ , 7 o o MP a 、 A 0 ． 6 0 7 0 r n 2 ． A 1 8 ． 1 0 e m 、 Kw 2 ． 9 9 L ／ m i n 。 V 、 r 3 o m s 、 L p 7 8 ． 6 2 mm、 G 2 1 9 9 ． 9 5 L ／ rai n 、 9 6 ． 1 4 ％ 、 ／Z m 0、 V -- 43 7． 7 4 L、 B0 N s ／ m、 K 3 ． 1 81 0 N ／ m、 C L B 2 ． 1 1 L ／ m i n MP a 、 M 3 ． 7 01 0 k g 、 K v 2 ． 8 7 V‘ s ／ t a d 、 K 0 ． 7 5 4 7 V‘ s ／ ra m、 1 4 m s 、 g s v 5 ． 3 0 L ／ m i n ‘ m A 、 K 8 5 8 ． 4 s ／ m 代入上述模型中可发现，复合控制时预设置不同补 偿 工 况 的 临 界参 数 X n ． l 0 ． 1 m m、 1 m m、 n 0 3 3 m m， 完全满足 了机械规定 的主缸拉伸位置 同步精 度 ≤1 m m、 延伸量控制精度 ≤0 ． 3 ％A的要求 。 在拉伸矫直机的主拉伸液压系统中，以泵控 阀控的复合控制方式控制两侧主缸，在实现了系统 的高压、 大流量、 快速性的同时也保证了主缸的位置 控制精度 和同步精度 ， 满足 了机械上大负载 、 快速 、 高精度的要求。 同样 ， 通过将实际数据代人上述数学 模型的计算可为类似复合控制液压伺服系统的设计 和调试提供理论依据。 参考文献 [ 1 ] 杨逢瑜． 电液伺服与电液比例控制技术[ M ] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 9 4 7 ． [ 2 ] 张莉茹， 殷文齐． 大型拉伸矫直机液压系统设计分析[ J ] 一重技 术 ， 2 0 0 7 2 2 9 3 0 ． [ 3 ] N o a h D． M a n r i n g ． F l u i d P o w e r P u m p s a n d Mo t o a n a l y s is ，d e - s i g n ．and c o n t r o l [ M ] ． N e w Y o r k m c g r a w h i l l P r o f e s s i o n a l ， 2 0 1 3 25 1 2 6 6 ． [ 4 ] 罗 小梅． 电液 比例变量泵控马达控制 系统的分析研究 [ D ] ． 西安 长安大学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 刘 光临 ， 沈全 成 ， 陈 奎生 ． 泵控 缸速 度控制 系 统动态 特性 研究 [ J ] ． 液压与气 动， 2 0 0 6 2 3 8 4 1 ． [ 6 ] 刘建忠， 吴百海， 吴小洪， 等． 泵控与阀控补偿的高精度同步系统 的探讨 [ J ] ．机 械开发 ， 1 9 9 8 4 1 5 1 7 ． [ 7 ] 曹泽生， 仲悦， 王效亮， 等． 液压作动系统阀泵联合控制技术研究 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 3 2 2 8 3 2 ． 编辑 贺焱 下转第 9 0页 9 0 山西 冶金 E - m a i l s x y j b j b 1 2 6 ．c o m 第 3 9卷 小区 ；鄂尔多斯市锦联房地产开发有 限公司在鄂托 克旗乌 兰镇开发了约 l 0万 i n z 的 C L建筑体 系商住 小 区东方聚龙湾 。截止 目前 ， 鄂尔多斯市 、 呼和 浩特市 、 乌兰察布市、 乌海市、 阿拉善盟、 锡林郭勒 盟 、 哲里木盟 、 兴安盟均获得使用权 ， 正在积极筹建 生产基地。2 0 1 2 年， 内蒙古自治区编制了 内蒙古自 治区 C L建筑体系工程预算定额 暂行 ，规定 自 2 0 1 2年 3月 1日起开始执行 。凡是 2 0 1 2年 3月 1 日之前的工程还执行原来的 C L建筑体系补充定 额 ， 2 0 1 2年 3 月 1日之后 的工程执行此定额 。 3 结语 C L建筑体系是一种全新的建筑结构体系 ， 各种 规范和标准正在不断完善中。 C L 建筑体系不用黏土 砖 ， 节约耕地 ， 减少污染 ， 自重轻 ， 抗震性好 ， 保温层 与整个工程寿命同步， 工厂化程度高。C L 建筑体系 增加了住宅的可靠性，增强了住宅的实用性及可变 性 ， 且达到 了国家的节能要求 ， 在全国范 围的应用将 会越来越广。 参 考文献 [ 1 ] 于庆荣 ， 张洪波 ， 张晶廷 ． C L建筑体系 的设计与 经济分析 [ J ] ． 施 工技术 ， 2 0 0 0 7 1 6 1 7 ． [ 2 ] 卢宁江． C L 结构体系节能技术在房屋建筑施工中的应用[ J ] ． 科 技向导 ， 2 0 1 0 1 0 2 9 5 3 0 3 ． E 3 3 王忠礼 ， 于庆荣 ， 张 同亿 ， 等 ．介 绍一种 新型抗震 节能住 宅结构 体系c L结构体系[ J ] ．基建优化， 2 0 0 1 ， 2 2 1 8 - 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