基于MATLAB泵控马达变转速节流复合调速系统PID控制仿真

第30卷第6期2009年 6月
煤　矿　机　械
CoalM ine Machinery
Vol .30No .6Jun .2009
基于MAT LAB 泵控马达变转速节流复合调速系统P ID 控制仿真
刘　松1,施永强2,王　伟1
(1.安徽理工大学,安徽淮南232001;2.国投新集能源股份有限公司板集煤矿,安徽淮南236700)
摘　要:运用MAT LAB 软件,建立了泵控马达变转速节流复合调速系统P I D 控制仿真框图,进行了P I D 控制仿真研究,得出了负载为阶跃信号和正弦信号时的马达速度仿真图,以及系统输入信号为方波时的马达速度仿真图。

同时对P I D 控制系统的曲线跟踪进行了仿真研究,并与开环控制时的曲线跟踪仿真及实验进行了对比,得出了相应的结论。

关键词:变转速节流复合调速;仿真;P I D 控制
中图分类号:TH3;TP39　文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2009)06-043-03
Pum or Var i a ble Speed Throttle Co m b i n a ti on Govern i n g
System P I D Con trol and S i m ul a ti on on MAT LAB
L I U Song 1
,SH IY ong -q i a ng 2,W ANG W e i
1
(1.Anhui Seience and Technol ogy University,Huainan 232001,China;2.Banji CoalM ine of Guot ou Xinji Energy Co .,L td .,Huainan 236700,China )
Abstract:The use of MAT LAB s oft w are,the establishment of a variable s peed pump -contr ol -mot or s peed contr ol syste m P I D composite ex penditure contr ol si m ulati on bl ock diagra m ,a P I D contr ol si m ula 2ti on study,t o dra w the l oad f or the step signal and sinus oidal signal when the mot or s peed of si m ulati on p lans,as well as the syste m square wave input signal for the mot or s peed when the si m ulati on map.A t the sa me ti m e,the curve of P I D contr ol syste m f or tracking si m ulati on and open -l oop contr ol of the curve tracking si m ulati on and experi m ent were compared,t o dra w the corres ponding conclusi ons .Key words:variable s peed thr ottle combinati on governing;si m ulati on;P I D contr ol
1　泵控马达变转速节流复合调速系统
泵控马达变转速节流复合调速系统是由变频器、电机、泵、流量控制阀和马达组合而成的液压系统。

如图1所示。

图1　泵控马达变转速节流复合调速系统原理图
11变频器　21电机　31主泵　4、131单向阀　51截止阀61压力传感器　71比例方向阀　81摆线马达　91惯性轮101转矩转速传感器　111柱塞泵　121倒装阀　141补油泵151电机　16、201比例溢流阀　171A /D 转换器　181计算机控
制系统　191D /A 转换器　211扭矩转速测量仪
三相电源接入变频器1的输入侧,经过变频器的控制信号,变频器将380V /50Hz 的工频电源变换成特定电压信号供给异步电机2,电机带动主液压泵3旋转,主泵输出一定流量的压力油,压力油经单向阀4、截止阀5和比例方向阀7驱动双向定量马达做回转运动,马达8出油口的低压油经比例方向阀再流回油箱。

马达输出轴用联轴节同转子轴相连,在转子轴上装有惯性轮9和转矩转速传感器10,转子轴的另一端用联轴节同加载泵11的输出轴相连,所以马达的回转又带动加载泵回转。

加载泵从低压侧吸入液压油,出油口排出高压油。

同时电机15带动补油泵14,补油泵起到补油作用,以免加载泵吸空,引起系统振荡。

调节溢流阀16阀口开度的大小,可以改变加载回路高压侧的压力。

当马达的转速在加速和恒速时,它依靠改变变频器的控制电压来调节,主回路无溢流,这时比例溢流图20起安全阀的作用。

当马达的转速在减速时,由于比例方向阀—
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的节流作用,马达的转速是依靠调节流量控制阀的阀口开度而实现,同时变频器根据输入的电压值,降低泵的转速,减小液压源的输出流量,此时阀20起溢流阀的作用,主回路有较小的溢流量。

转矩转速传感器的输出信号进入扭矩转速测量仪21,扭矩转速测量仪可以显示马达转矩和速度的大小,也有模拟信号输出口,将模拟信号输出口与A /D 转换器相连,接入A /D 转换器17的信号通过工控机18,可以对这些信号进行采集和处理,工控机也可以输出控制信号,它所输出信号经D /A 转换器19变为模拟信号,再经处理为变频器和比例方向阀的控制电压用以控制马达转速的大小。

2　泵控马达变转速节流复合调速系统PI D 控制仿真
(1)P I D 控制阶跃响应仿真
当输入负载为阶跃信号时,搭接的仿真系统如图2所示,变频器的P I D 控制器参数值是采用试凑法进行设置的(K P =8、K I =28、K D =0.15),同理比例方向阀的P I D 控制器参数值也是采用试凑法进行设置的(K P =7、K I =25、K D =0.1),比例方向阀的电压设为7V ,变频器的输入电压值设为6.4V,马达负载在1s 时由0阶跃为4MPa,其他参数同上,然后对系统进行仿真,从系统仿真结果可以看出马达速度的变化曲线。

图2　负载阶跃变化P I D 控制系统结构框图
图3为负载阶跃变化P I D 控制速度仿真曲线由图可知,P I D 控制时的系统动态响应快,几乎没有超调量,平稳性好。

在1s 受到外界干扰时,系统响应比较快,速度没有减小,超调量小,说明系统能够补偿因负载变化而引起的速度降落。

(2)P I D 控制正弦响应仿真
当输入扭矩负载为阶跃信号时,P I D 控制系统与图3相同,只是负载输入信号是正弦信号,输入的正弦控制信号振幅为4MPa,为了得到速度方向为正,输入信号取绝对值,其他参数不变,对马达转速进行仿真,得到仿真图4。

图3　负载阶跃变化P I D 控制速度仿真曲线图
1.P I D 控制马达转速仿真曲线
2.开环控制马达转速
仿真曲线　3.
负载阶跃信号
图4　负载正弦变化P I D 控制速度仿真曲线图
1.P I D 控制马达转速仿真曲线
2.开环控制马达转速仿真曲线
3.负载正弦信号
从速度变化曲线可以看出,当负载以正弦信号不断变化时,P I D 控制系统中马达速度仿真曲线相对开环控制很稳定。

说明该液压系统在所受负载不断波动时,马达速度是稳定的,该系统相对于开环控制性能要好。

(3)方波信号P I D 控制系统仿真
加速时给定马达目标转速n m =150r/m in 阶跃到270r/m in,相对应的变频器输入电压为6.4V 阶跃到9V,比例方向阀输入电压为7V 阶跃到10V (当输入电压为10V 时,相当于比例方向阀通道开
口面积为最大值);减速时给定马达目标转速n m =
270r/m in 突变到150r/m in,相对应的变频器输入
电压为6.4V 突变到9V,比例方向阀输入电压为10V 突变到7V,加载为4MPa,P I D 参数设置同上。

图5　方波信号闭环控制系统速度仿真曲线图
1.变频器控制信号
2.方向比例控制信号
3.马达转速仿真曲线
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第30卷第6期2009年 6月
煤　矿　机　械
CoalM ine Machinery
Vol .30No .6Jun .2009
跳汰机供风系统低压全启安全阀的研究
杨　虎,李文英
(太原理工大学机械电子研究所,太原030024)
摘　要:研究开发了一种在跳汰机供风系统中使用的低压先导式全启安全阀,介绍了安全阀
的结构特点及工作原理,并用AMESi m 对该阀进行了仿真研究,结果表明安全阀动态性能能够满足低压系统稳定供风的要求。

关键词:跳汰机;先导阀;安全阀;AMESi m 中图分类号:T D455　文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2009)06-0045-03
Research on Full -open Safety Va lve of J i g
for L ow Pressure A i r Powered System
YANG Hu,L IW en -y i n g
(Research I nstitute of Mechano -electr onic Engineering of Taiyuan Technol ogy University,Taiyuan,030024,China )
Abstract:It researches a ne w type p il ot -operated full -open safety valve on the l ow p ressure air syste m f or jig and the structure characteristics and the working p rinci p le of the valve are intr oduced .The valve was taken a si m ulati on study with AMESi m .The results shown that the valve has a superi or dyna m ic per 2f or mance and can meet l ow p ressure air syste m require ments on stable p ressure .
Key words:jig;p il ot -operated valve;safety valve;AME Si m
0　概述
跳汰机选煤是我国主要的选煤方式,而跳汰机的供风系统中风压的稳定与否更是影响选煤效果
的重要因素。

出口风压随负载变化而变化,风机运
从图5可以看出,当系统要求快速减速时,P I D 控制下的马达速度响应快,没有超调量,仿真能够在0.3s 内达到指定速度,可见系统稳定时间短,该系统相对于开环控制系统而言,明显在减速时性能比较好,符合闭环控制下的复合系统实际情况。

(4)P I D 控制速度曲线跟踪仿真
P I D 参数设置同上,从图6中可以看出,P I D 控
制器不论在加速段、恒速段还是减速段,都具有较好的曲线跟踪效果,在加速段和减速段没有较大的滞后误差,在加速初始时,没有较大的速度波动,进一步说明了闭环控制特性要优于开环控制特性。

图6　P I D 闭环跟踪控制仿真曲线图
1.马达转速
2.目标转速
3　结语
运用MAT LAB 软件,建立了变转速节流复合调速系统P I D 控制仿真框图,对系统进行了P I D 控制仿真研究,由仿真得出:P I D 控制时的系统动态响应快,超调量小,系统能够补偿因负载扰动而引起的速度降落。

在快速减速时,系统稳定时间短,马达转速能够快速达到指定速度。

参考文献:
[1]刘金琨.先进P I D 控制MAT LAB 仿真[M ],北京:电子工业出版
社.2004.
[2]周恩涛,廖生行,牟丹.电液比例阀控系统模糊-P I D 控制的研
究[J ].机床与液压.2003(6):225-227.
[3]李旭,张殿华,何立平,等.基于模糊自适应整定P I D 的活套高度
控制系统[J ].控制与决策.2006,21(1):97-99.
[4]马林,李玉华.变频调速过程P I D 闭环控制的分析[J ].电气开
关.2007(1):4-8.
[5]邹俊,傅新,杨华勇.自适应交互P I D 在液压伺服系统中的应用
[J ].机械工程学报.2006,42(11):179-183.
作者简介:刘　松(1982-),安徽泗县人,安徽理工大学机械工程学院在读硕士研究生,机械设计专业,研究方向为机械设计及理论,电子信箱:wang wei12201@.
收稿日期:2009-01-13
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