一种阀控液压马达控制系统的优化设计_郑黎明.pdf

机械制造郑黎明，等一种阀控液压马达控制系统的优化设计第一作者简介:郑黎明(1987)，女，讲师，本科，研究方向为自动控制与信号处理教学与研究。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301015一种阀控液压马达控制系统的优化设计郑黎明1，鲁鹏涛2(1 西安交通工程学院，陕西 西安 710300;2 西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西 西安 710300)摘要:为提高液压马达输出功率的稳定性，以保持其良好的负载能力为目标，设计一种恒定功率自动控制系统。介绍阀控液压马达控制系统的基本结构与工作原理，搭建了系统模型并进行仿真分析。以比例换向阀、传感器、PID 控制环节为设计核心，完成阀控液压马达 PID 控制系统的优化设计，利用 AMESim 绘制具有 PID 控制环节的阀控液压马达控制系统仿真模型。进行 PID 控制系统的仿真实验，分析在负载不断变化情况下一般控制系统与 PID 控制系统的负载变化特征。结果证明:PID 控制系统具有较好的系统压力调节作用，增强了阀控液压马达控制系统的精度和负载能力。关键词:液压马达;PID;优化;仿真中图分类号:TH13751文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0065-04Optimal Design of Valvecontrolled Hydraulic Motor Control SystemZHENG Liming1，LU Pengtao2(1 Xian Traffic Engineering Institute，Xian 710300，China;2 Xian Aerospace Huawei Chemical and Biological Engineering Co，Ltd，Xian 710300，China)Abstract:In order to improve the stability of output power of hydraulic motor and keep its good load capacity，a constant powerautomatic control system is designed With the introduction of the basic structure and working principle of the valvecontrolledhydraulic motor control system，the system model is built and the system simulation is conducted With the proportional directionalvalve，sensor and PID control as the design core，the optimization design of the PID control system of the valvecontrolled hydraulicmotor is completed，and the simulation model of the valvecontrolled hydraulic motor control system with PID control link is drawn byAMESim The simulation experiment of PID control system is carried out to analyze the load variation characteristics of general controlsystem and PID control system under the condition of constant load change The results show that the PID control system has a goodpressure regulation function and enhances the accuracy and load capacity of the valve controlled hydraulic motor control systemKeywords:hydraulic motor;PID;optimization;simulation0引言在液压系统中，液压马达是常见的驱动装置，它将液压油压力能转化为机械能驱动负载工作，具有功率密度高、动作灵敏、易于实现无级变速控制等优点12。当负载产生变化时，输出转矩也随之改变。为适应负载变化，则需要液压马达适时改变自身排量来控制其转速，进而保证功率恒定和负载能力。由此可见，面对外部负载的连续变化(突变载荷、交变载荷)，液压马达能否根据外部负载变化及时做出调整，成为实现其稳定运转的关键。因此，如何在保证液压马达原有性能的同时，提高其工作的稳定性及可靠性，成为值得研究的课题。本文以常见的阀控液压马达控制系统为背景，设计了一种提高液压马达负载能力的自动控制系统。通过 PID 反馈环节对阀控液压马达的自适应控制，提高液压马达在负载不断变化等特殊条件下运行的可靠性，扩大了液压马达的使用范围与效率。1阀控液压马达控制系统11基本结构如图 1 所示，阀控液压马达控制系统由伺服放大器、电液伺服阀、液压马达、测速电动机等组成3。1液压马达;2测速电动机;3放大器;4电磁比例换向阀。图 1阀控液压马达控制系统56机械制造郑黎明，等一种阀控液压马达控制系统的优化设计12工作原理阀控液压马达控制系统工作原理如下:先将测速电动机的机轴与负载机轴通过联轴器进行连接;测速电动机在完成负载机轴速度检测后将检测到的速度信号与指令信号经比较器进行比较，其产生的差值信号经伺服放大器放大，产生相应比例的电流控制电磁比例换向阀的阀芯位置，同时液压系统输出压力油驱动液压马达及负载旋转，进而实现自适应控制，提高液压驱动装置的可靠性。13仿真模型及参数1)仿真模型运用 AMESim46 建立了对应的仿真模型，如图2 所示。1控制信号;2放大器 3液压马达;4传感器;5测速电机;6电磁比例换向阀;7液压泵。图 2阀控液压马达控制系统模型2)元件参数根据图 2 建立的仿真模型进行相应元件的参数设置，如表 1 所示。表 1模型元件参数技术指标参数/单位数值排量Vp1/(mL/r)120位移速度np(r/min)1 000从 P 到 A 的最大流量l(L/min)500最大流量时压降(从 P 到 A)p/MPa8额定电流I/mA30液压马达默认值传感器默认值测速电机位移Vm/(mL/r)105控制信号默认值放大比例系数k40/1 142表 1 中阀控液压马达控制系统的放大比例系数 k 的计算公式可以表示为k=40npVp1Vm(1)根据表 1 阀控液压马达控制系统参数，带入式(1)得到控制系统的放大比例系数 k=40/1 14214模型仿真分析根据图 2 的仿真模型及表 1 的参数进行仿真，其结果如图 3 所示。图 3模型的状态曲线从图 3 的无负载时液压马达状态曲线可以证明文中所设计的阀控液压马达控制系统仿真模型具有较好的控制性能，控制系统在无负载时能快速达到恒定功率并输出。2液压马达控制系统实际模型与仿真在实际的控制过程中，阀控液压马达控制系统应该驱动负载进行工作，因此本文结合已有的仿真模型进行了带载荷设计，其仿真模型如图 4 所示。图 4带载荷阀控液压马达控制系统图 4 中的液压泵 8、控制信号 9、液压泵 10 组成了模拟负载系统，其参数如表 2 所示。图中液压泵 8 通过机械轴与测速电机联接进行加载。表 2模拟负载系统参数技术指标参数/单位数值负载泵Vp2/(mL/r)125控制信号1 s 时控制信号衰减到 01，衰减时间 2 s液压泵Vp3/(mL/r)120结合负载系统的仿真模型及表 2 中的元件参数，负载系统的工作过程如图 5 所示。如图 5 所示，负载系统在控制信号的作用下，在运行1 s3s 之间有一次短暂且急剧的压力变化过程。仿真过程中模拟了突变载荷，并作用于测速系统。结合图 4、表 1、表 2，进行了仿真实验，得到了阀控液压马达的负载变化状态，如图 6 所示。66机械制造郑黎明，等一种阀控液压马达控制系统的优化设计图 5负载系统的工作过程图 6阀控液压马达的负载变化曲线图 6 与图 3 无负载时液压马达状态变化曲线相比较，由于受到负载变化的影响，在前 4s 的时间内负载变化较为明显，延迟了所需时间。3控制系统的优化设计与仿真31PID 控制环节为了减少负载对阀控液压马达控制系统的影响，提高其稳定性，结合 PID 控制环节，进行控制系统的优化设计78。PID 控制器的最终输出是对比较器误差进行比例、积分和差分处理后的线性组合。PID 控制器有 3 个参数决定系统的最终输出和控制性能。本文结合图 6 在 AMESim 仿真环境中得到了不同时刻负载变化参数及相对差值，如表 3 所示。表 3负载变化参数及相对差值系统工作时间/s负载力/MPa相对差值/MPa03144P0=17008215P1=15310269P2=11915388P3=07420463P4=04125505P5=03830543P6=01335557P7=00840565P8=007本文利用 Matlab 的 PID 模块，结合表 3 通过设置相应的参数，创建 S 函数，并在 Matlab 中建立 PID 仿真模型。通过调试及验证，文中 PID 控制器9 的参数为 P=03，I=5 和 D=001。将该组参数代入 PID 仿真模型，得到了其特征曲线，如图 7 所示。图 7PID 仿真模型特征曲线由图 7 可以看出，PID 控制器有较好的系统调节能力，提高了控制系统的响应速度及抗干扰能力10。32控制系统的 PID 优化与仿真1)控制系统的 PID 优化本文将图 3 中的 PID 控制环节，引入到图 4 液压马达控制系统的实际模型，如图 8 所示。1控制信号;2放大器;3PID 环节;4液压马达;5传感器;6测速电机;7电磁比例换向阀;8、11液压泵;9负载液压泵;10负载控制信号。图 8液压马达 PID 控制系统2)优化系统仿真结合表1、表2 及表3 中的 PID 参数(P=03，I=5，D=001)进行了仿真实验，其优化后的阀控液压马达控制系统的仿真结果如图 9 所示。图 9PID 控制的负载变化曲线4仿真结果对比分析41一般控制系统图 10 为一般控制系统负载变化曲线。76机械制造郑黎明，等一种阀控液压马达控制系统的优化设计图 10一般控制系统的负载变化曲线42PID 控制系统图 11 为 PID 控制系统的负载变化曲线。图 11PID 控制系统的负载变化曲线43结果分析结合 41 与 42，通过多次仿真实验得到相应的实验数据如表 4 所示。表 4仿真实验数据运行时间/s一般控制系统负载力/MPaPID 控制系统负载力/MPa101975931530365020475698255277033054675140565751455657511)由表 4 可知，一般控制系统运行 4s 后达到稳定状态，其系统负载力为 565MPa。PID 控制系统运行 3s 后达到稳定状态，其系统负载力为 751MPa。证明 PID 控制系统使液压马达更早达到了稳定状态。2)一般控制系统在面对突变载荷影响时，系统有明显抖动且需要较长时间达到稳定状态。而 PID 控制系统在面对突变载荷影响时，虽然系统在 1s3s 时间段内有一定的压力波动，但波动变化较为平稳。3)采用 PID 环节进行控制系统优化后，PID 控制系统的压力当前值高于一般控制系统，有效地补偿了工作油路，提高了工作油路(液压马达油路)的负载能力与稳定性。5结语本文首先介绍了阀控液压马达控制系统的结构与工作原理，通过模型的建立与仿真发现:当阀控液压马达工作系统的负载连续或突然改变时，造成一定的系统压力损失;其次，针对压力损失这一问题，文中以比例换向阀、传感器、PID 控制环节为设计核心，阐述了一种具有 PID 控制环节的阀控液压马达控制系统，通过 PID 调节向工作系统成比例进行压力输入，进而达到稳定系统压力，提高负载能力的作用;最后，以 AMESim 为手段搭建了一般控制系统与 PID 控制系统的仿真模型，并进行了仿真实验。通过结果的对比分析，表明 PID 控制系统起到了较好的系统压力调节作用，增强了阀控液压马达工作系统的负载能力，保持了工作系统的可靠性与稳定性，具有一定的应用价值。参考文献:1林文城 基于 PLC 的恒功率液压马达自动控制系统设计J武汉船舶职业技术学院学报，2021，20(4):128-131 2王浏洁 带式输送机液压驱动系统的设计J 机械管理开发，2021，36(1):35-37 3王野牧，杨智超，何松 电液伺服比例综合实验台阀控液压马达控制系统研究J 机械制造与自动化，2011，40(3):161-163 4雷亚军，杨建辉，韩春福，等 基于 AMESim 的综采工作面远距离供液系统仿真分析J 煤矿机械，2021，42(12):172-175 5杨国来，张国强，郭霁贤，等 基于 AMESim 和 ADAMS 的内曲线液压马达联合仿真研究J 液压气动与密封，2022，42(4):11-13，18 6张于贤，李昭，林静 基于 AMESimSimulink 的深海加压系统PID 控制仿真分析 J 机床与液压，2022，50(3):167-170 7吴翠红，郝芯 多缸液压机的模糊自整定积分分离 PID 同步控制 J 锻压技术，2022，47(3):146-153 8汪志能，刘衡，董楚峰 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