多级液压缸同步控制精度研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 8期 多级液压缸同步控制精度研究 贾善斌， 刘志奇， 侯云辉， 卢菡涵 太原科技大学 机械工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 文章的主要研究对象是液压支架试验台调高控制 系统 。 通过对升降液压 系统 的分析 ， 找 出影响同步性能 的因素 ， 进而对系统 的 同步性 能进行研究。多级液压缸同步起竖系统受力复杂 ， 利用 A ME S i m软件构建了二级液压缸 4缸同步控 制系统模 型， 并对其液压系 统 的性能进行分析。 采用 A M E S i m与 s i m u l i n k联合仿真的方法 ， 对 P I D控制 、 模糊控制在多级液压缸同步控制中的应用进行 了研究 ， 经 分 析最后使用模糊一 P I D控制算法 的方法。仿 真结果表 明， 该控制算法能较好地满 足升降系统对同步精度与稳定性的要求。 关键词 多级液压缸 ； 同步控制 ； 模糊控制 ； 仿真 中图分 类号 T HI 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 8 0 0 6 4 0 5 M u l t i s t a g e Hy d r a u l i c Cy li n de r S y nc h r o n i z a t i o n Co n t r o l Ac c u r a c y o f t h e S t u d y J I A S h a n - b i n， L I U Z h i - q i ， HOU Yu n - h u i ， L U Ha n - h a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e ma i n o b j e c t o f s t u d y o f t h e a r t i c l e i s t o i n c r e a s e t h e h y d r a u l i c s u p p o r t t e s t b e n c h c o n t r o l s y s t e m．L i ft i n g h y d r a u l i c s y s t e m a n a l y s i s t o i d e n t i f y f a c t o r s t h a t a ffe c t t h e s y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r ma n c e ， a n d t h u s t h e s y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m． Mu l t i - s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y n c h ron o u s e r e c t i o n s y s t e m a r e c o mp l e x ， u s i n g AMES i m s o f t w a r e t o b u i l d t wo h y d r a u l i c c y l i n d e r f o u r c y l i n d e r s y n c h ron o u s c o n t r o l s y s t e m mo d e l a n d a n aly z e t h e p e rfo rm a n c e o f i t s h y d r a u l i c s y s t e m．AME S i m a n d s i mu l i n k s i mu l a t i o n me t h o d ， t h e P I D c o n t r o l ， f u z z y c o n t rol h a s b e e n s t u d i e d i n mu l t i - s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y n c h r o n o u s c o n t r o l ， t h e l a s t t o u s e t h e me t h o d o f f u z z y - P I D c o n t r o l a l g o r i thm a n aly s i s ．Th 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 e c o n t rol a l g o rit h m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e l i f t s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y a n d s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s mu l t i - s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r ； s y n c h ron i z a t i o n c o n t r o l ； f u z z y c o n t r o l ； s i mu l a t i o n O 引言 重型工程机械 中机 、 电 、 液一体化对多缸 同步控制 系统控制策略与仿真技术 的研究非常重要。许多重型 机械 ，控制 系统部件的加工精度 以及外部干扰作用等 因素 ，使得多缸同步控制 系统的精确同步遇到 了极大 的困难。研究如何在现有的生产条件 ， 以确保多缸同步 控制 ， 并提高同步精度是非常有研究意义的课题。 关于液压缸同步控制 。在该领域提出的问题和这 项研究 的文献很多 ， 并取得了 良好的效果 ， 但大部分文 献是有限的单级液压缸的研究 ，而多级液压缸 比单级 液压缸的受力是更复杂 。根据多级液压缸同步控制中 出现的同步精度 问题 ，本文用 A ME S i m软件建立二级 液压缸 4缸同步控制系统模型 ，利用 S i m u l i n k设计控 基金项 目 山西省专利推广实施资助项 目 1 2 1 0 0 5 ； 晋城 市科技 项 目攻关 项 目 2 0 1 0 1 0 1 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简介 贾善斌 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 硕 士， 研究方 向为流体传 动与 控制 。 6 4 制算法 ， 利用 A ME S i m软件与 S i mu l i n k联合仿 真 ， 并对 模糊控制【 lJ 、 P I D控制在二级液压缸 4缸同步起竖系统的 应用进行了研究 。 1 系统的数学建模 通过对系统的受力分析以及建立电液 比例位置控 制系统 的数学模型 ，为下一步系统的仿真建立奠定了 基 础 。 1 ． 1 系统的受力分析 如 图 1 所示 ， 系统 中 4个缸和平 台的受力分析。 图 中的 4个液压缸 同时提升支架试验 台的升降平 台， 平 台各个点 的受力如图所示 ，受力点正好是 4个缸与平 台的铰接处 ，铰接处 的各液压缸活塞杆与平台的受力 点分布如 图 2中所示 。由于实际应用中垂直于地面方 向上的运动同步是整个问题 的重点 。而二级液压缸之 间的各个安装距离又比实际的各个二级液压缸升降过 程中的同步偏差要大 的很多。并且还可以假设 每个二 级液压缸只有竖直方 向上的升降 自由度 ，升降平 台具 有 2个转动 自由度 ， P轴 的转动 自由度和 r 轴 的转动 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N O ． 8 ． 2 0 1 2 自由度和 1 个竖直方 向上的 自由度也就是升 降 自由 度[ 2 1 。 图 1 系 统 受 力分 析 这里我们还要结合 图 2 液压缸活塞杆与负载的接 触点分布图 ， 图中可以看出翻滚轴线 r 是经过负载平台 质心的直线 ， 且 r 轴还垂直于液压缸 l 、 2的活塞杆与升 降平台之间接触点 的连线 ；而俯仰轴线 尸也经过负载 质心 ，且垂直 于液压缸 2 、 4的活塞杆与升降平 台之问 接触点的连线； 图中的负载升降轴线为 Z 轴垂直于平台 表面。从而可 以看出对于 4个液压缸同时提升平 台的 运 动 ，存在 3个 自由度可 以控制 ，一个是绕翻滚 轴 r 轴 的 自由度 ， 另一个是绕俯仰轴 P轴 的旋转 自由度 ， 还有一个就是沿负载重心方 向 轴 的升降 自由度。 翻滚轴 f 1_f 厂 、 厂 、 ＼ ／ 液压缸 1 液压缸 2 丽 ～ 『 、、 ／ l 暮 ～ 液压缸 3 液压缸 4 ， 一 、 ／ ＼ 一 ， 『 r 3 ， r 4 俯仰轴P 一 负载的质量 ； G 重 力加 速度 ； F 接触点处液压 缸活塞杆与负载间的竖直作 用力 ； 接触点处液压缸活塞杆和负载之间沿 r 轴 的摩擦力 接触点处液压缸活塞杆和负载之间沿P轴 的摩擦力 产生力矩 的符号因子 ，当 在 r 轴左侧 时取 0 ， 否 则取 1 ； O p i 产生力矩的符号 因子 ， 当 i 在 P轴左侧 时取 0 ， 否则取 1 ； 对应 r 转轴的力臂长度 ； 对应 P转轴的力臂长度 ； 负载对 r 转轴的转动惯量 ； 负载对 P转轴的转动惯量 ； 负载平面绕 r 转轴的转角 负载平面绕 P转轴的转角。 如 图 3所示为双作用二级液压缸受力分析 。各活 塞的面积几何关系保证各活塞依次伸缩 。 图中分为整 体 、 第一级和第二级 ， 分别给出了各处的受力。为 了简 化二级缸 的受力分析过程 ，我们 以相同原理的双作用 二级液压缸为例进行分析 。 P 分别表示二级缸正 、 反 腔的压力 ， S 、 S 分别表示液压缸一 、 二级活塞无杆腔有 效面积 ， 5 5 ， 分别表示液压缸一 、 二级活塞有杆腔有 效面 积 。 图 2液压缸活塞杆与平台接触点分布 根据 图 1中所示的受力分析 ，在 4个液压缸同时 提升平 台的运动 中， 根据 3自由度方向， 运用刚体定轴 转动定律与牛顿第二定律， 可以得 出 一 Zr i ∑ s i n O r - ZF p i s i n O p m x i 1 i l j 1 4 o- a s i n 0 一 1 J r 0 i l 4 ∑ s i n 0 p 一 1 l p , J p 0 式 中X s 负载 Js质心的位置 取各液压缸活塞都未 伸 出时的负载 Js 位置为 K s O位置 ； 第一级 第二级 图 3液 压 缸 受 力 分 析 二级液压缸伸缩顺序为 伸出时 ， 各级活塞受到液 压力作用依次伸 出， 直径 大的活塞先伸 出； 缩 回时 ， 各 级活塞反腔受力依次缩 回， 直径小的活塞先缩 回。为简 化分析过程 ， 下 面是对双作用二级液压缸进行分析l3 ] 。 由受力平衡 ， 可以得到方程 P1 S l 印 2 S 2 2 S 1 f P1 S2 - p2 S2 f F 6 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 8期 式中Js ， s 2 为一 、 二级活塞无杆腔有效面积 ； ．s ． s f 为一、 二级活塞有杆腔有效面积 ； P 。 ， P 2 为正 、 反腔压力 。 1 ． 2数 学模型 的建 立 电液 比例换向阀的好坏对系统 的使用影响很大 ． 在控制系统中也起到决定性 的作用 ，通过输入信号的 大小或者正负来改变输出信号的方 向，输 出流量 的大 小是通过输入信号的大小 比例控制。 假如设定液压缸 的连接管道短而粗 ，可 以简化管 道 内的计算 ，并且可以认 为管道中管道动态能量损失 和压力 的损失非常的少 ， 可以忽略不计 ； 其中液压缸 内 各个工作腔内每一处的压力都相等 ，液压油 的油液温 度和体积弹性模量设定为常数。 简化了液压缸模型。 液 压缸内、 外泄漏均为层流流动 。可以得出电液比例换 向阀传递函数为 X p 幸 1 ee s P L 1 蜂 A A A 。 A 式 中K 总流量 一 压力 系数 。 在系统工作频率范围内起主导作用的是动力机构 环节 ，电液 比例换 向阀的转折频率由比例阀本身的特 性决定 ， 起转折频率远远高于阀控液压缸 的转折频率 ， 简 化 为 s 一 式中 在建立模型时 ， 考虑 了惯性 负载 、 粘性负载 、 弹性 负载 、 油液的压缩性和液压缸泄漏等影响因素。而在本 系统中， 弹性负载很小 ， 以惯性负载为主 ， 故 K 0 。此 外 ， 粘性 阻尼系数一般很小 ， 从而由粘性摩擦力引起 的 泄漏流量也较小 ，进而 由其产生的活塞速度和活塞的 运 动 速 度 相 比 要 小 的 多 ， 即 1 ， 故 阜 可 忽 略 A p A p 不计 _5 1 。 故 ， 换向阀传递函数简化为 ． K o o 1 兰 V i s F c s s 1 ￡ ， h 式中0 3 液压固有频率 ； 液压 阻尼 比。 2 运用联合仿真分析系统的同步误差 采用 A MES i m 同 与 S i m u l i n k的联 合仿 真 技术 ， A ME S i m 对 系统 中机械 液 压部 分建 立 模 型 ． S i m u l i n k对 系统中控制部分建立模型 ，利用 A ME S i m在机械液压 部分建模 的优 势 S i mu l i n k在数学 运算分析 方 面的优 势 ， 从而使仿真更加精确和稳定[7 1 。 2 ． 1 联合仿真的建立 运用联合仿真分析建立系统的仿真模型 ，对液压 支架试验台调高控制系统进行动态分析 ，如 图 4所示 为系统的仿真模型。 系统使用 电液 比例阀嘲 进行控制 ， 采用主从方式 的 控制策略。 液压系统为 3 1 ． 5 MP a的稳定压力油源。 系统 包括 4套 阀控缸子系统 。最右 面的阀控缸系统为主令 系统 ， 其他 3套为从动系统 。 图 4系统 仿 真 模 型 表 1为 AME S i m系统模型的主要参数 ，其 中包括 阀、 泵 、 马达等主要模型的参数设置。 2 ． 2 控 制算 法的研 究 多级液压缸同步起竖系统属于非线性 、 时变性 、 大 干扰系统 ，本文通过 AME S i m与 S i mu l i n k的联合仿 真 接 口，对模糊控制 、 P I D控制在二级液压缸 4缸同步起 竖 系统 中的应用进行 了对 比研究 ，提 出了一种模糊一 P I D加权求和控制算法 。 与 AM E S i m进行联合仿真 ，在 S i m u l i n k中构建模 糊一 P I D控制器 ， 控制器如 图 5所示。模糊一 P I D控制平 均误差小于 P I D控制 ，换级后的稳定性 明显优于模糊 不小的位移差 ， 最大差值可以达到 1 0 ram左右 ， 各缸产 生 的偏差会影 响到系统的同步升降。加入了模糊一 P I D 控制器之后 ， 系统各缸的位移差 曲线的变化 ， 如图 7所 示 ． 为加人模糊一 P I D控制器 的之后 ， 系统各缸受力不 同 时各个从动缸与主动缸的位移差值 曲线。 控制 ， 震荡很小， 满足系统控制要求。 表 1 A ME S i m 系统模型的主要参数 图 5模糊一 P I D控制器 2 ． 3 分析 系统 的 同步误 差 如 图 6所示是加入模糊一 P I D控制器 的之前 ， 3个 从动缸都与主动缸在受力不 同的情况下 ，各缸产生了 图 6主动缸与从动缸的位移差与时间的关系曲线 加入控制器之前 图 7主 动 缸 与 从 动 缸 的 位 移 差 与 时 间 的 关 系 曲线 加入控制器之后 曲线 1 、 2和 3分别是主动缸与从动缸 的位移差值 与时间的关系曲线 。仿真显示 ， 从动缸与主动缸位移最 大差值是- 5 ． 1 0 1 4 m m。和未加控制器 的曲线相比， 可以 看出其位移差值明显减少 ．系统的同步控制性能得到 了有效提高。 3 结 论 AME S i m与 S i m u l i n k的联合仿真对系统中机械液 压部分和控制部分分别进行建模 ，充分利用这两个软 件分别在液压系统建模和数据处理方面的优势对液压 系统进行仿真 。本文建立了支架试验 台液压调高升降 系统仿真模型 ， 利用 A ME S i m软件建立 了二级液压缸 4 缸同步升降系统模型 ，利用 S i m u l i n k设计 了模糊一 P I D 控制器 ，采用 A ME S i m软件与 S i mu l i n k联合仿真的方 法 ， 得到了位移及位移差值 ， 还考查到各环节对 同步控 制的影响。仿真结果表明 ， 该控制算法能较好地满足起 竖系统对 同步精度与稳定性的要求。 67 Ⅲ ／ 榭 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 8期 轴向柱塞泵配流副动态压力分布建模与仿真 胡 骁， 王少萍， 韩 磊 北京航空航天大学， 北京 1 0 0 1 9 1 摘要 为了获得轴向柱塞泵平面配流副的动态压力分布 ， 基于雷诺 R e y n o l d s 方程推导了柱坐标下封油带 内任一点的压力计算模型 ， 根据转子转动角度动态更新边界条件 ， 利用有 限差分法求解配流副油膜 的动态压力分布。结果表明 ． 配流副油膜压力在封油带内呈非 线性 ， 并且会产生使转 子偏转的 固有偏心力矩 以及周期性偏心力矩 ， 从而导致 配流 副油膜的动态变化 。 关键词 轴 向柱塞泵 ； 配流副 ； 动态压力 ； 密封带 ； 有 限差分法 中图分类号 T H1 3 7 ．5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 8 0 0 6 8 0 4 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o n Pr e s s ur e Di s t r i bu t i o n o f Ha n e Po r t P a i r i n Ax i a l Pi s t o n P u mp HU Xi oo ， WANG S h o o - p i n g ， HAN L e i B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o g e t t h e d y n a mi c p r e s s u r e d i s t ri b u t i o n o f p l a i n p o r t i n g me c h a n i s m i n a x i a l p i s t o n p u mp ， a c a l c u l a t i n g mo d e l f o r o p t i o n al l o c a t i o n p r e s s u r e a t e v e r y s e ali n g a r e a w a s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o u n i v e r s a l R e y n o l d s e q u a t i o n i n c y l i n d ri c al c o o r d i n a t e ． Up d a t i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a c c o r d i n g t o t h e r o t o r r o t a t i o n a n g l e ， u s i n g fi n i t e d i f f e r e n c e me t h o d d u rin g t h e c alc u l a t i o n ． Re s u l t s r e v e a l e d t h a t t h e p r e s s u r e a t e v e ry s e a l i n g a r e a s h o w e d n o n- l i n e a r c h a n g e s a n d g e n e r a t e d t h e p e ri o d i c t i l t i n g mo me n t o n t h e c y l i n d e r b l o c k ． w h i c h c h a n g e s f o l l o we d t h e r o t a t i o n o f t h e c y l i n d e r b l o c k ． Ke y wo r d s a x i al p i s t o n p u mp； p o r t p a i r ； d y n a mi c p r e s s u r e； s e ali n g a r e a； fi n i t e d i ff e r e n c e me t h o d O 引言 转子一 配流盘摩擦 副是轴 向柱塞泵关键摩擦 副之 一 。柱塞泵工作过程中， 吸油区和排油区存在 固有的偏 心力矩 ， 并且柱塞在吸、 排油切换时会产生压力脉动， 这 些均导致转子一 配流盘摩擦副间油膜不稳定 ， 使它的润 滑状态容易劣化 ． 造成泵的摩擦磨损加剧。 基金项 目 国家 自然基金资助项 目 5 1 1 7 5 0 1 4 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者 简介 胡骁 1 9 9 0 一 ， 男 ， 湖北仙桃人 ， 本科 ， 主要研究方 向为 加速寿 命试验 早期对配流副油膜的研究主要基于平行油膜 的假 设 ， 计算密封带环形区域的压力分 布【 。因为没有考虑 配流盘吸 、 排油区不同工作压力 的影响， 所 以其结论无 法反映配流盘的偏磨特性 。 与配流副的实际工况并不相 符[3 ] 。 为了更真实反映其真实的配流副压力场特性 ， 可 以 在原有环形封油带区域的基础上 ， 引入吸 、 排油腰形槽 两组边界条件 ， 利用数值方法进行解算[4 ．5 1 。 然而． 在柱塞 泵工作过程 中，转子柱塞腔的压力对油膜形态影响很 大 ， 且转子与配流盘 的位置关系是一个 动态过程 ， 无法 采用静态的数值解算模型描述。 因此必须采用动态压力 分布才能准确描述该摩擦副的摩擦磨损关系。 参 考 文 献 [ 1 ] C h e n g - Yi C h e n ， L i - Q i a n g L i u ， F u z z y C o n t r o l l e r D e s i g n f o r S y n c h r o n o u s Mo t i o n i n a Du a l c y l i n d e r E l e c t r o - h y d r a u l i c S y s t e m [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 0 8 ， 1 6 ． [ 2 】 倪敬 ， 项 占琴 ， 潘 晓弘． 多缸 同步提升电液系统建模和控制[ J 】 ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 1 1 8 1 8 7 ． 【 3 】 谢建 ， 罗治军． 基于 A M E S i m的多级液压缸建模 与仿 真[ J 】 ． 机 床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 f 7 1 2 6 1 2 9 ． [ 4 ] 王春行． 液压控制系统【 M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 6 8 【 5 】 宋志安． 基 于 MA T L A B的液压伺服控制系统分析 与设 计【 M] ． 北京 国防工业 出版 ． 2 0 0 7 ． 【 6 】 付永领 ， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真 从入门到精通 【 M1 ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 7 】 陈宏 亮 ， 李华聪 ． A M E S i m与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k联 合仿真 接 口 技术应用研究[ J 】 ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 6 ， 1 1 4 ～ 1 6 ． 【 8 J 苏东海 ， 任 大林 ， 杨 京兰． 电液 比例阀与电液伺服阀性能 比较 及前 景展望[ J ] ． 液压气动 与密封 ， 2 0 0 8 ， 4 1 - 4 ．