比例变量泵控马达系统的建模与仿真
基于Simulink的比例阀控液压缸的建模与仿真
基于Simulink的比例阀控液压缸的建模与仿真张兵;邓子龙【摘要】By improving the hydraulic system of the clamp experiment table to make it a closed-loop control system, and taking the system as the research object, the mathematical model and simulink simulation model are established. The dynamic performance in time and frequency domains is analyzed. Aiming at the improvement of the dynamic performance ofthe system, the damping ratioδh , the hydraulic cylinder frequency wh ,and the open loop gain Kc , of the close-loop control ing system, and their effect on the dy-namic performance of the system are analyzed by using MATLAB so as to provide reference for the design, calibration and optimiza-tion of the hydraulic system.%通过对夹具实验台液压系统进行改进，使其成为闭环控制系统并以此系统为研究对象，建立数学模型和Simulink仿真模型，分析了系统在时域和频域的动态性能。
从提高系统动态特性的角度出发，应用MATLAB分析了液压缸频率wh、阻尼比δh 和闭环控制系统开环增益Kc 对系统动态性能的影响，从而为液压系统的设计、校正、优化提供借鉴。
研究有关电液比例阀控液压调平系统设计与仿真
高技术的现代战争要求地面雷达具有良好的机动性能。
雷达天线车的快速架设、调平和撤收系统是雷达的重要系统之一，直接影响到雷达的机动性能。
电液比例控制技术填补了开关液压控制技术与伺服控制技术之间的空白，已成为液压技术中最富活力的分支。
把电液比例阀控技术成功地应用雷达车调平系统中，对于提升雷达机动性能具有重要的意义。
本文所介绍的电液比例阀控液压自动调平系统，采用了比例多路阀控制，多个调平支腿执行元件可以实现不受负载约束的无级调速控制，这是实现高效调平性能的关键。
1 调平系统特点某雷达天线车自重45 t，要求工作状态时天线水平基准小于3’，整车展开并完成调平的时间控制在2 min以内。
雷达车采用四点支撑实现系统调平的方式。
系统设计采用液压作为动力源，由电机一液压泵驱动，通过液压控制阀控制四条液压支腿的升降运动，将天线车由运输状态转架为正常工作状态，并保持水平状态的稳定。
要实现本系统的功能有两个关键技术需要解决：一是调平支腿的性能问题；二是驱动控制方式和控制策略问题。
本系统方案摒弃了常规的开关阀控设计，采用性能更为先进的电液比例控制技术，提升液压系统执行机构的控制性能，实现多个执行元件同时相互独立地在不同的速度和压力下工作，使得调平控制更为灵活，实现柔性的控制策略；功能上解决了落地检测的问题，实现了一键式调平的全自动功能，有效地保证了调平时间指标的实现。
调平支腿采用带抱闸制动功能的液压马达驱动滚珠丝杆的结构设计，机械效率高，承载能力强，满足了大吨位雷达车的使用要求；通过专门研制的液压马达制动控制阀集成模块对调平支腿实施驱动和控制。
该设计方案在满足系统要求的前提下，具备了技术的先进性，同时具有很好的通用性和可扩展性。
2 系统设计2．1液压系统工作原理及工作过程液压调平系统原理图如图1所示，液压泵采用负载敏感恒功率变量泵，泵源额定压力为180 bar，最大流量为90 L／min，电机功率11 kW。
图1液压系统原理图液压比例控制阀为负载敏感式换向阀，从执行元件通路引出的控制油信号经过换向滑阀中的信号孔引出，然后合成一个公共的信号通路，并且保证只是从某一侧获得的控制压差作用于流量调节装置。
电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计 (2)
电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计姓名：李保琳学号：101201210班级：机械1002班专业：机械设计与制造及其自动化学院：机械工程学院目录第一章、设计任务和要求 (2)1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理 (2)1.2设计并仿真分析电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统 (3)第二章、元器件选用 (3)2.1液压油源 (3)2.2电液比例方向阀 (3)2.3比例放大器 (4)第三章、电液比例阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统数学模型 (5)3.1系统数学模型的建立 (5)3.2负载的等效处理 (9)3.3系统传递函数参数确定 (10)3.4系统特性分析 (14)3.5系统响应模拟仿真 (17)第四章、电液比例阀控马达速度控制系统PID控制 (19)4.1PID控制器基本原理 (19)4.2液压系统PID校正步骤 (21)4.2校正后系统特性分析 (24)4.3系统响应模拟仿真 (25)第五章、调整后系统的稳态误差分析 (27)5.1指令输入引起的稳态误差 (27)5.2负载干扰力矩引起的稳态误差 (28)第六章、结论与展望 (29)6.1结论 (29)6.2问题与展望 (29)参考文献 (30)第一章、设计任务和要求1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理活塞式液压摆动马达是将直线运动转换为旋转摆动的液压—机械复合传动机构，其结构原理如图所示。
它由滚珠螺旋副、滚珠花键副、滚珠卸荷副、螺旋旋转输出套、导向套、传动轴、以及液压油缸组件等组成。
摆动马达的工作原理为：液压油进入油缸驱动滚珠螺旋丝杆轴往复直线运动，滚珠螺旋丝杆轴驱动螺旋旋转输出套做往复摆动运动，滚珠花键导轨副防止螺旋丝杆轴转动。
液压摆动马达有以下结构特点：1）采用滚珠螺旋副将活塞及传动轴的直线运动转换为螺旋套的旋转摆动；2）采用滚珠花键副为传动轴导向，平衡负载力矩，以防传动轴转动；3）采用滚珠卸荷副使直旋驱动关节轴向力封闭卸荷，保证滚珠旋摆新型液压摆动马达有良好的受力特性；4）采用多头滚道、大螺旋升角的螺旋机构，增大新型液压摆动马达的承载能力；5）回珠方式采用同圆柱面回珠结构，减小新型液压摆动马达的径向尺寸，以适应飞机的机翼内特殊空间要求。
卷扬升降机电液比例阀控马达系统PID控制及仿真
２ 积分分离 Ｐ Ｉ Ｄ控 制
阀控马达系统在控制过程的启动 、结束 或大幅度增减设定时 ． 短 时 间内系统输 出有 很大的偏差 ． 会 造成 Ｐ Ｉ Ｄ运算 的积分累加 ， 致 使控 制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极 限控制量 ， 引起 系统较大 的超调 ， 甚至引起系统较大的振 荡。 采用积分 Ｐ Ｉ Ｄ控制算法 ， 当被 控量 与设 定值偏差较大 时 ． 取消积分作用 ． 以免 由于积分 作用使 系统 的稳定性降低 ． 超调量增大 ： 当被控量接近给定 值时 ， 引入积分控 制， 以便 消除静差 ， 提高控制精度 。其基本思想是 ： 根 据系统情况设置 分离用 的门限值 电称 阀值） Ａ 。 当偏差大 于规定 的门限值 Ａ时 ， 删除积 分作用 。当偏差值 比较小时 。 采用 Ｐ Ｉ Ｄ控制 ． 可保证 系统的控 制精度 。 控制算法可表示如下 ：
基于SIMULINK泵控马达调速系统建模仿真
基于SIMULINK 泵控马达调速系统建模仿真摘要：依据泵控马达工作原理，建立了变量泵控马达数学模型，利用MATLAB/simulink 并对其进行仿真分析，分别考察系统有无PID 控制，负载的不同输入时刻，负载的输入大小对系统响应的影响，并且在MATLAB 命令窗口绘出了以上不同参数的对比图。
关键词：泵控马达; MATLAB/simulink; PID 控制;负载引 言泵控马达容积调速系统主要由电液比例变量泵和定量液压马达组成，其采用改变液压泵的排量来实现速度调节的，从原理上讲没有节流，溢流和压力损失，并且具有效率高、产生的热量少、调速范围大、输出转矩恒定的优点，因而被广泛应用到大功率或对发热有严格限制的液压系统中。
本文从建立泵控容积调速系统的数学模型出发，利用MATLAB/SIMULINK 对其进行仿真，来研究泵控马达的动态特性和影响因素，进而制定更好的控制策略，以达到较好控制液压马达输出转速的目的。
图1 变量泵定量马达原理图1 变量泵定量马达容积调速系统建模变量泵一定量马达液压容积调速系统的原理如图所示。
变量泵的输入转速pn 、马达的排量m D 一定的情况下，通过改变变量泵的排量pD ，达到调节马达输出转速m n 的目的。
为简化分析，参考文献等作如下假设：(1)泵和马达的泄漏为层流，忽略低压腔壳体的外泄漏，泵和马达的壳体回油压力为大气压； (2)泵和马达组成的两个腔室的总容积相等，每个腔室内油液的温度和体积弹性模量均为常数，且压力均匀相等；(3)液压泵和液压马达之间的连接管道很短，可以1忽略管道中的压力损失、流体质量效应和管道动态忽略不计；2(4)补油系统的压力、流量没有滞后，忽略负载瞬变的影响，认为补油压力为常数，为工作时低压油腔的压力，仅高压腔压力发生变化；(5)马达和负载之间的连接结构刚度很大，忽略结构柔度的影响；(6)输入信号较小，不发生压力饱和现象。
管道中不产生压力冲击，压力超过安全阀压力。
泵控液压马达系统模型建立及试验验证
泵控液压马达系统模型建立及试验验证康晶晶;郭姗姗;闫诚诚;李鲜花;肖茂华【摘要】泵控液压马达系统对实现液压机械无级变速箱性能的控制非常重要,文章建立了泵控液压马达系统的模型,基于已搭建的泵控液压马达系统,研究泵控液压马达系统的传动比和比例电磁铁通电电压的关系,检验仿真模型的正确性,更好的了解系统性能,对实际变速箱的设计起到非常重要的作用.【期刊名称】《南方农机》【年(卷),期】2018(049)002【总页数】1页(P30)【关键词】泵控液压马达系统;建模试验;变速箱性能【作者】康晶晶;郭姗姗;闫诚诚;李鲜花;肖茂华【作者单位】南京农业大学工学院,江苏南京 210031;南京农业大学工学院,江苏南京 210031;南京农业大学工学院,江苏南京 210031;南京农业大学工学院,江苏南京 210031;南京农业大学工学院,江苏南京 210031【正文语种】中文【中图分类】TH137.51泵控液压马达系统是液压机械无级变速箱液压传动环节的重要组成部分，主要由马达和泵组成，液压马达的输出转速受液压泵的溢流阀的工作点变化的影响[1]，通过控制变量泵排量来控制液压功率流速率，使变速箱实现段位无级调速。
本试验基于MATLAB自主开发控制程序，与单片机接口连接控制变量泵比例电磁通电情况，进而控制变速箱，验证建立的泵控液压马达系统调速特性的正确性。
1 泵控液压马达系统模型建立在signal，control库中选取信号源signal模块，采用连续信号代替比例电磁铁控制变量泵斜盘旋转，实现供油方向和排量变化[2]。
再添加相应的辅助元件，最终得到如下的泵控液压马达系统仿真模型如图1所示。
图1 变泵控液压马达系统仿真模型2 泵控液压马达系统实验验证2.1 泵控液压马达调速试验根据油路实物图，进行泵-马达液压系统调速试验。
主要试验步骤如下：①从发动机仪表盘的控制钥匙启动发动机，使其处于空挡怠速状态（750r/min）下空转15min；②通过控制系统显示屏幕打开程序控制系统，将变速箱切换至HM1段，观察变速箱的运转稳定情况；③将发动机的转速稳定控制在750r/min。
基于SimulationX的泵控马达调速系统建模仿真
基于SimulationX的泵控马达调速系统建模仿真高翔;胡亚男【摘要】为了深入研究液压机械无级变速器中液压系统的特性,利用SimulationX 建立了液压泵控马达系统及其排量伺服机构的物理模型,对整个系统的动态特性和效率进行了仿真研究,并应用PID控制.仿真结果表明系统的控制性能有了明显的改善,能够使系统的抗负载干扰能力提高,实现马达恒转速控制;另外,研究了排量比、输入转速和外负载这三个参数对马达输出效率的影响.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】5页(P56-60)【关键词】泵控马达;SimulationX;PID控制;效率【作者】高翔;胡亚男【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH137引言国外农用大功率拖拉机为了提高作业效率，降低劳动强度，适应工作负载频繁变化，多采用液压机械无级变速器(HMCVT)。
液压机械无级变速器采用的是液压功率流与机械功率流组合传递的双功率流无级变速传动形式，既能实现较高的传动效率，又能实现无级变速，同时兼顾了液压系统良好的控制性[1]。
HMCVT的传动效率是由机械效率和液压效率共同决定的，一般认为机械效率变化不大，则液压传动系统的效率变化影响整个传动系统的效率，研究液压系统的调速特性和效率对液压机械无级变速传动系统的性能研究有重要意义[2]。
目前已有的一些研究针对变量泵-定量马达容积调速回路的特性，也有针对伺服变量机构的动态特性[3-6]，但是对变量泵-马达系统与伺服变量机构结合进行的分析和研究很少见。
由于变量泵输出流量的调节是由液压伺服机构来完成的，研究由液压伺服机构控制的变量泵-定量马达容积调速系统。
1 液压泵控马达调速系统的工作原理液压泵控马达调速系统主要是由由变量泵-定量马达系统和伺服变量机构组成的，如图1所示。
利用MATLAB实现变量泵定量马达调速系统的动态仿真_张红俊
利用M AT LAB 实现变量泵定量马达调速系统的动态仿真张红俊1,李增玲2(1.山西煤炭职业技术学院,山西太原030031;2.山东省东营市东营区试验中学,山东东营257000)摘 要:通过对变量泵定量马达容积调速系统的数学建模和利用M AT L AB 进行动态仿真,直观地分析了系统的动态特性以及影响特性的因素和影响规律,仿真结果与系统的理论分析相符合。
关键词:容积调速系统;动态特性;动态仿真中图分类号:T P393 文献标识码:A 文章编号:1008-8881(2004)01-0082-02工程实际中广泛利用变量泵定量马达调速系统,尤其是大型工业机械。
系统回路的动态分析是系统设计及生产实际的需要,利用M AT L AB 这一强大的工程工具进行计算机动态特性的分析是十分有效和有实际意义的。
一、液压调速系统原理变量泵定量马达的调速系统如图1。
图1 容积调速液压系统原理通过改变泵的每转排量q p 来调节马达的转速n m 。
n m =q p n p q m(1)式中:n p )))变量泵的转速;q m )))定量马达的每转排量。
二、系统数学模型的建立为了分析方便,作如下假设:液压泵的吸油口和液压马达的回油口油压力为零;油液的粘性不变;液压泵和液压马达的泄漏油流为层流;不考虑油液的液阻和液感及管路中的动态过程,仅考虑液容;不考虑液压泵的脉动性。
1.流量连续性方程n p q p -(c p +c m )p-n m q m =v k dpdt(2)式中:n p ,n m )))泵和马达的转速;v )))压力油腔总容积;q p ,q m )))泵和马达的排量;p )))压力油腔压力;k )))油液体积弹性模量;c p ,c m )))泵和马达的泄漏系数。
2.液压马达转矩平衡方程q m p=Jdn mdt+Bn m +T l (3)式中:J )))马达及负载折算到马达轴上的等效转动惯量;B )))粘性阻尼系数;T 1)))负载力矩。
电液比例马达速度同步控制系统建模与仿真
统 稳 定 性 同时 减 小 速 度 同 步 误差 ， 引入 Ｐ Ｉ Ｄ控制环节． 仿真结 果表 明， 控 制系统引入 Ｐ Ｉ Ｄ整定环节后 ， 其 稳 态 性 能
明显 提 高 ， 马达 输 出速 度 稳 定 性 与 同步 性 均 有 满 意 的 设 计 效 果 ． 在 同步 精 度 要 求 不 高 的情 况 下 ， 基于 Ｐ Ｌ Ｃ 的 主从
第 ２ ２卷 第 ４期
２ ０ １ ５年 ８月
＂ １ － 程 设 计 学 报 Ｃｈｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
Ｖ０ １ ． ２２ Ｎｏ ． ４ Ａｕｇ ．２ ０ １ ５
ＤＯＩ ： ｌ Ｏ ． ３ ７ ８ ５ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ．１ ０ ０ ６ — ７ ５ ４ Ｘ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ０ ５
电液 比例马达速度同步控制 系统建模 与仿真
杨前 明 ， 孔 令 奇 ， 李 健 ， 王 世 刚。 ， 郭 建伟
（ １ ． 山东 科 技 大 学 机 械 电 子 工 程 学 院 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ５ ９ ０ ； ２ ． 青 岛华 海 环 保 工 业 有 限公 司 ， 山东 青 岛 ２ ６ ６ ４ ０ ０ ）
泵控马达速度控制系统PID控制器的设计与仿真
石家庄铁道大学毕业设计泵控马达速度控制系统PID控制器的设计与仿真Design of PID Controller for Pump Controlled Motor Speed Control System2016 届电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化学号20122629学生姓名武云飞指导教师郑海青完成日期2016年6月11 日摘要随着科学水平的发展，泵控马达系统越来越多的应用于民用以及军用领域，这是由于泵控马达具有一些其他系统不具备的优点，该系统效率高、转动惯量小同时其响应速度迅速。
然而泵控马达系统在实际的生产生活中常常会出现系统负载频繁变化的情况，这种情况会导致系统的输出速度不稳定，严重时可能导致系统的瘫痪。
本设计的目的就是为了寻找一个较为适合泵控马达系统的控制系统用以克服外负载以及模型变化对系统产生的影响。
通过对泵控马达系统的组成的学习和研究以及对液压回路的工作原理的分析，建立起泵控马达速度控制系统的数学模型，借此来实现对泵控马达速度控制系统的仿真模拟。
在该数学模型的基础上，采用PID控制器作为系统的控制环节，分别对传统PID 控制器、位置式PID控制器、增量式PID控制器以及抗积分饱和PID控制器进行系统的仿真模拟，通过对系统进行仿真，比较在外负载干扰的情况下马达转速的响应曲线，从而得出哪种PID控制器更适合泵控马达调速系统。
经过仿真分析对比，可以看出，抗积分饱和PID控制器较其他三种PID控制器有着更短的调节时间以及平滑的曲线，能更符合系统对于马达转速控制的要求。
所以最终选择抗积分饱和PID控制器作为系统的控制环节。
关键词：泵控马达；PID控制器；仿真AbstractWith the development of technology, pump controlled motor system more and more applied in civil and military fields, this is because the pump controlled motor system has some advantages that other systems do not have, this system is highly efficient, low mom -ent of inertia, and fast response. However, pump controlled motor system often appears system load change in actually, the load change can cause the system output speed not stable, severe cases may lead to paralysis of the system. The purpose of this design is to find a suitable control system that can solve to the impact of load changes.Through to the study of pump controlled motor system and the analysis of the hydraulic circuit, we establish the mathematical model of pump controlled motor system, with the system, we can realize the simulation of the pump controlled motor control system. On the basis of the mathematical model, we simulate the traditional PID controller, posi -tional PID controller, incremental PID controller and anti-windup PID controller for respectively. By compare the motor speed response curve which in the case of external load disturbance, which PID controller we can draw is more suitable for pump controlled motor speed control system. Through simulation comparison, we can get that anti-windup PID controller has a more smooth curve and a shorter adjusting time. So we finally choose anti-windup PID controller as the control link of the system.Key words:pump motor control;t he PID controller;simulation目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究的背景意义 (1)1.2 PID控制器简介 (3)1.3 主要内容 (5)第2章泵控马达调速系统模型的建立 (6)2.1 泵控马达调速系统基本原理 (6)2.2 时域数学模型 (7)2.2.1 电-机械转换元件的模型建立 (7)2.2.2 比例方向控制阀4WRA6的模型建立 (8)2.2.3 变量泵的阀控液压缸模型的建立 (9)2.2.4 活塞-斜盘倾角环节模型的建立 (11)2.2.5 建立泵控马达的回路模型 (12)2.2.6 速度传感器以及比例放大器的模型建立 (14)2.2.7 建立系统的开环传递函数 (15)2.3 系统中各环节参数的整定 (17)2.3.1 求解比例放大器的增益系数 (17)2.3.2 比例方向控制阀的增益系数 (17)2.3.3 系统的流量增益系数 (17)2.3.4 活塞斜盘倾角传递函数 (17)2.3.5 泵-马达环节的参数整定 (18)2.4 对系统稳定性的检测 (19)2.4.1 控制系统的基本要求 (19)2.4.2 系统稳定性检测 (19)2.5 本章小结 (20)第3章泵控马达PID控制器设计与仿真 (21)3.1 PID控制器的基本原理 (21)3.2 四种PID控制器简介 (21)3.2.1 位置式PID控制算法 (21)3.2.2 增量式PID控制算法 (23)3.2.3 抗积分饱和PID控制算法 (24)3.2 PID控制器设计 (25)3.3 PID控制器参数的整定 (26)3.4 PID控制器仿真 (26)3.4.1 关于Simulink的简介 (26)3.4.2 PID控制器的仿真分析 (26)3.5 泵控马达速度控制系统的仿真模拟 (28)3.6 本章小结 (33)第4章结论与展望 (34)4.1 结论 (34)4.2 展望 (34)参考文献 (36)致谢 (37)附录 (38)附录A 外文资料翻译 (38)A.1 英文 (38)A.2 译文 (43)附录B 泵控马达速度控制系统仿真图 (47)第1章绪论1.1 课题研究的背景意义随着时代的发展，各种科技也在飞快的发展着，工业自动化水平的高低早已经成为了衡量各个部门现代化水平的标志，而工业自动化必然离不开动力的源泉——马达。
基于AMESim的泵控马达变转速系统仿真分析
2010年第9期液压与气动基于A MESi m的泵控马达变转速系统仿真分析彭天好,朱刘英,胡佑兰Sm i ulati on analysis of pu mp contro l motor varia b le speedsyste m based on AMES m iPE NG T ian hao,Z HU L i u y ing,HU You lan(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001)摘 要:介绍了泵控马达变转速调速实验系统的组成,推导了变频器及电机的数学模型,根据数学模型在AMES i m中构建了变频器及电机的仿真模型,并与液压系统回路仿真模型相结合,从而在AMES i m中建立了泵控马达变转速调速系统的仿真模型,并对系统的开环及闭环PI D特性进行了仿真分析,通过仿真分析,得到了有益的结论。
关键词:AM ESi m;泵控马达;变转速;PI D控制;仿真分析中图分类号:TP137 文献标识码:B 文章编号:1000 4858(2010)09 0033 030 引言变量泵控马达的容积调速回路常用于大功率液压系统中,在工程领域也有较广泛的应用,如采煤机、液压提升机等。
但是这种泵控马达容积调速方式存在系统复杂、自动化程度低、对油液要求较高等缺点,其控制精度、工作效率没有得到很大的提高。
交流变频电机与定量泵构成的电液控制系统不仅同样可以避免节流和溢流损耗,而且在轻载时还可提高异步电动机的运行效率和功率因数,泵控马达变转速调速系统在不同的控制参量时具有不同的性能特点和控制方法[1-2],本文主要是通过在AMES i m中建立系统的仿真模型,分析马达的转速特性,并通过PI D控制,改善系统的性能。
1 泵控马达变转速系统的原理泵控马达变转速系统的原理图如图1所示,系统主要有由变频器、变频调速三相异步电机、变量泵、溢流阀、比例方向阀、比例溢流阀、马达和加载泵组成。
改变变频器1接收的控制信号,可以改变变频器供给异步电机2的电压,从而调节电机的转速,电机带动主液压泵3旋转使其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8做回转运动,通过改变主泵的转速和方向来控制马达8的转速和旋转方向,马达出油口的低压油经比例方向阀再流回油箱。
比例控制的直流调速系统的仿真参数
比例控制的直流调速系统的仿真参数一、电机特性参数：1.电机额定电流（I_N）：直流电机的额定电流，可以根据电机的额定功率和电压通过功率公式计算得到。
2.电机内阻（R）：电机内部电阻，决定了电机的电流分布和阻尼特性。
可以通过实际测量或者从电机的技术手册中获取。
3.电机电感（L）：电机的电感，反映了电机的自感特性，也会对电机的动态响应产生影响。
可以通过实际测量或者从电机的技术手册中获取。
4.电机转动惯量（J）：电机的转动惯量，决定了电机的惯性和动态响应。
可以通过实际测量或者从电机的技术手册中获取。
5.电机反电动势常数（Ke）：电机反电动势常数，反映了电机的输出电压与转速之间的关系。
可以通过实际测量或者从电机的技术手册中获取。
二、控制回路参数：1.比例增益（Kp）：比例速度调节器的增益，决定了控制输出与误差之间的线性关系。
可以根据系统的要求进行选择。
2.采样周期（T）：控制系统的采样周期，决定了控制器的调节速度和控制精度。
通常根据系统的性能指标进行选择，如超调量、调节时间等。
3.控制器类型：可以选择不同类型的控制器，如比例控制器、积分控制器、微分控制器或者PID控制器等。
4.控制器输出限制：对控制器的输出做限制，可以避免电机超调或者过负荷运行。
5.反馈方式：可以选择转速反馈或者位置反馈，一般采用转速反馈。
三、仿真环境参数：1.仿真时间：仿真的总时间长度，可以根据系统的稳态要求进行选择。
2.仿真步长：仿真器的时间步长，决定了仿真器的计算精度。
可以根据系统的要求进行选择。
3.仿真误差容限：控制系统的输出与设定值之间的允许误差范围。
可以根据系统的控制精度要求进行选择。
4.扰动信号：可以在仿真中添加加性或者乘性噪声，模拟实际工作环境中的扰动。
综上所述，比例控制的直流调速系统的仿真参数包括电机的特性参数、控制回路参数和仿真环境参数等。
根据具体的系统要求和性能指标，可以选择适当的参数值来进行仿真建模和分析，以评估系统的控制性能和稳定性。
变量泵控制变量马达系统建模及控制
变量泵控制变量马达系统建模及控制王岩【摘要】The variablepump controlling variablemotor （VPCVM） is an essential nonlinear system with dualinput, singleoutput and coupling, for which regular control algorithms are ineffective to achieve the required control performances. Based on linearization theory for VPCVM, we propose an improved BangBang control algorithm for tackling the nonlinearity and the unsolvable coupling. First we develop a mathematical model of VPCVM involving the multiplication nonlinearity with the output variable; and then, we linearize the model by using the feedback linearization theory. Based on the linearized model, we develop the improved BangBang control algorithm to achieve the rapid control for VPCVM. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm realizes the desired rapid control on VPCVM with performances higher than that of conventional control methods. Furthermore, this algorithm exhibits a strong robustness against the variations of rotational speed and load.%变量泵控制变量马达系统是一个双输入单输出耦合本质非线性系统，常规控制方法很难取得满意的控制效果．针对变量泵控制变量马达系统非线性和不可解耦的特点，提出基于线性化理论的变量泵变量马达Bang-Bang控制算法．首先建立变量泵控制变量马达系统数学模型，模型存在包括输出变量在内的相乘非线性，然后运用反馈线性化理论将非线性数学模型线性化，最后提出新的Bang-Bang控制算法实现变量马达的快速控制．仿真研究表明该算法可以实现系统快速控制，效果优于目前常规控制方法，而且算法对马达转速和负载变化都具有较强的鲁棒性．【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2012(029)001【总页数】6页(P41-46)【关键词】反馈线性化;Bang-Bang控制;鲁棒性【作者】王岩【作者单位】北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TP271.31 引言(Introduction)变量泵控制变量马达系统因具有效率高、调速范围宽等优点在大型采掘机械和部分工程机械中广泛应用,在不考虑系统泄漏时,马达转速为式中:ωm为马达转速,ωp为变量泵转速,qp为变量泵排量,qm为变量马达排量. 由式(1)可以看出,变量泵控制变量马达系统是一个双输入(变量泵排量和变量马达排量)单输出(变量马达转速)的双变量耦合本质非线性液压系统.当ωp一定时,对于期望转速ωm有无穷多组输入(qp,qm)满足要求,控制量存在不确定性,常规控制方法很难取得满意控制效果[1].目前变量泵控制变量马达系统有两种控制方法,一是将变量泵控制变量马达系统分解为变量泵控制定量马达和定量泵控制变量马达[2−3],这种控制方法降低了系统调速性能;二是变量泵和变量马达转速同时控制,文献[4−5]采用Takagi-Sugeno模糊算法实现变量泵变量马达系统控制,但响应速度比较低.近年来,微分几何理论的发展推动了非线性系统的研究,它在非线性系统的线性化与解耦控制中起到了重要作用[6−7].文献[8]采用微分几何方法解耦,运用反馈线性化方法对解耦后的系统进行线性化实现了磁浮列车搭接结构的非线性解耦控制;文献[9]运用微分几何理论和状态反馈控制律实现了交流异步电动机运行控制模型的完全线性化和解耦控制.变量泵控制变量马达系统是双输入、单输出非线性系统,无法实现解耦,但可以运用反馈线性化理论将其线性化,为其他控制算法的引入提供可能. 针对本文控制系统存在包括输出变量在内的相乘非线性,首先运用反馈线性化理论将马达转速表达成变量泵控制电压和变量马达控制电压的线性组合;其次在不解耦情况下,根据Bang-Bang[10−11]控制时间最优特点,提出新的Bang-Bang控制算法实现变量马达的快速控制.传统Bang-Bang控制器的输出仅取决于切换函数的正、负,新Bang-Bang控制器的输出不仅取决于切换函数的符号,而且还取决于控制量系数的正、负;最后通过仿真验证了控制算法的正确性和鲁棒性.2 变量泵控制变量马达系统建模及线性化(VPCVM model and linearization)变量泵控制变量马达系统如图1所示.图1 变量泵控制变量马达原理Fig.1 The principle of VPCVM2.1 变量泵控制变量马达系统建模(VPCVM model)变量泵排量控制:式中:Tp为变量泵的时间常数,kp为变量泵的比例系数,up为变量泵控制电压.变量马达排量控制:为了确保系统安全,马达的初始排量为全排量,最小排量为全排量的0.3倍,随着控制电压增加马达排量减小,因此马达实际排量为式中:qmmax为变量马达全排量,qmk为变量马达控制排量.式中:Tm为变量马达的时间常数,km为变量马达的比例系数,um为变量马达控制电压.变量泵流量方程:式中:Qp为变量泵的输出流量,Ctp为变量泵的总泄漏系数,P为变量泵高压腔压力. 液压马达的流量连续方程:式中:Ctm为变量马达的总泄漏系数,V0为变量泵高压腔一侧的总容积,βe为液压油弹性模量.马达的负载力矩平衡方程:式中:Jt为负载转动惯量,Bt为阻尼系数,TL为负载力矩.联立式(2)−(7)得令x1=qp,x2=qmk,x3=P,x4= ωm,则式(8)可以写为式中:由式(9)可以看出,式(9c)(9d)中存在包括输出量x4在内的相乘非线性,变量泵控制变量马达是一个双输入up和um、单输出ωm的本质非线性系统.将式(9)改写为式中:x=[x1x2x3x4]T为系统的状态,u=[upum]T为系统输入,系统输出:应用反馈线性化方法式(12)将式(10)进行线性化:式(12)中,符号Lfh(x)表示h关于f的Lyapunov导数,其定义为Lfh(x)= f(x).由由式(12)得式中:由式(13)可以看出,变量泵控制变量马达系统是一个双输入up和um、单输出ωm 的系统,使用反馈线性化将其转化为线性关系,通过控制up和um使系统的输出y 满足要求.3 变量泵控制变量马达Bang-Bang控制算法(Bang-Bang control for VPCVM) 线性化以后变量泵控制变量马达系统是一个双输入单输出不可解耦模型,为了实现系统时间最优控制,在不解耦情况下将Bang-Bang控制理论引入系统控制.3.1 Bang-Bang控制的原理(Principle of Bang-Bang control)Bang-Bang控制又称时间最优控制,设非线性时变系统的状态方程由下列微分方程描述[12]:初始条件为x(t0)=x0.目标集条件为S(t),x(t)∈S(t).性能指标为J(t)=1dt=tf−t0.控制u(t)是受限的,即|u(t)|≤M.现在的问题是要求最优控制函数,使系统从x0最快转移到终值状态xj:J()≤J(u),u∈Ω.对象的状态方程(12)满足一定条件时,受限控制uj(t)的最优解为其中:(t)为开关函数,∆表示不确定.3.2 变量泵变量马达系统Bang-Bang控制算法(Bang-Bang control for VPCVM) 根据式(13)和第3.1节Bang-Bang控制原理,采用式(15)可以实现变量泵控制变量马达的时间最优控制,也就是使系统响应最快[10−11].变量泵控制电压up∈[−M,+M],变量马达控制电压um∈[−N,+N].定义马达转速误差e:式中:e为马达转速误差;yd为马达期望转速.取切换函数式中c1,c2满足hurwitz条件.根据Bang-Bang控制原理和式(13),变量泵变量马达系统Bang-Bang控制算法思想如下:1)如果切换函数q＞0,则可以解释为系统输出y小于期望yd,必须使y增大.2)要快速增大y,则必须快速增大y(1);要快速增大y(1),则必须快速增大y(2);要快速增大y(2),则必须快速增大y(3);要快速增大y(3),则必须使式(13)中的G1(x)up＞0和G2(x)um＞0.3)要使G1(x)up＞0,有两种情况:如果G1(x)＞0,则up=+M;如果G1(x)＜0,则up=−M.同理可以推导出其他情况,如图2所示.图2 变量泵控制变量马达Bang-Bang控制律Fig.2 Bang-Bang control law for VPCVM根据图2得基于线性化理论的变量泵变量马达Bang-Bang控制律如表1所示.表1 变量泵控制变量马达Bang-Bang控制律Table 1 Bang-Bang control law for VPCVM注:“+”表示大于零,“−”表示小于零,“x”表示不论何值,“不变”表示控制信号保持不变.q G1(x) up G2(x) um+ + +M + +N+ − −M − −N− + −M + −N−−+M−+N 0 x 不变 x 不变由表1可以看出,在基于线性化理论的变量泵变量马达Bang-Bang控制算法中,只需根据切换函数q,G1(x)和G2(x)的正负就可确定变量泵up和变量马达控制量um,避免出现引言中提到对于期望ωm有无穷多组(up,um)问题,且大大减少了算法的计算量.传统Bang-Bang控制器的输出仅取决于切换函数q的正、负,而新Bang-Bang控制器的输出不仅取决于切换函数的符号,而且还取决于控制量系数G1(x)和G2(x)的正、负,这是两者之间的不同,也是本文解决多输入单输出系统快速性的创新点. 3.3 零动态分析(Analyse of zero-dynamics)系统输出的李导数为:根据相对阶定义,公式(9)描述的系统相对阶γ=3,小于系统的相对维数n=4.由伏柔贝尼斯定理可知:存在n−γ =1个函数ξ(x),使其满足Lgξ(x)≤dξ(x),g≥0,且满足秩条件:求得一个解为则当y===0时,系统零动态方程为由式(9a)可以看出,x1是一个惯性环节,根据第3.2节控制算法可知输入up有界,则x1有界.由式(20)可以看出,ξ也是一个惯性环节,当x1有界时,ξ有界.由此可以看出,系统零动态稳定.4 传统控制算法仿真研究(Traditional control law simulation)变量泵控制变量马达系统,采用上海柴油机股份有限公司的D6114ZG9B型柴油机,Linde公司型号为HPV75--02变量泵和型号为HMV105--02变量马达(注:马达最大排量为全排量,最小排量为0.3倍全排量).系统参数:工程机械中将变量泵控制变量马达系统分解为变量泵控制定量马达和定量泵控制变量马达两个阶段来控制,为此传统控制算法分为3种形式,即变量泵控制定量马达系统、定量泵控制变量马达系统和变量泵变量马达独立PID控制,下面分别加以研究.4.1 变量泵控制定量马达(Variable displacement pump control fixed displacement motor)图1中马达为定量马达,排量为60cc/rev,负载TL=50N·m,变量泵采用PID控制,控制参数为kp=0.0015,ki=0.0015,kd=0.0002,马达转速响应如图3所示,在马达期望转速ωmp=150rad/s时,系统超调量0.7%,调节时间tp=0.75s.4.2 定量泵控制变量马达(Fixed displacement pump control variable displacement motor)图1中泵采为全排量,马达采用PID控制,控制参数为kp=0.0002,ki=0.0008,kd=0.0001,负载TL=50N·m,马达转速如图3所示,在马达期望转速ωmp=150rad/s时,系统超调量1.9%,调节时间tp=0.82s.图3 传统算法下变量泵变量马达系统响应Fig.3 Motor speed of VPCVM controlled by traditional control law4.3 变量泵变量马达独立PID控制(PID control for variable displacement pump and variable displacement motor)图1中变量泵和变量马达控制,采用PID控制算法,负载TL=50N·m,变量泵变量马达独立控制马达信号速度响应如图3所示,系统超调量0.5%,调节时间为0.631s.在马达期望转速ωmp=150rad/s时,超调量0.5%,调节时间tmp=0.631s,此时变量泵和变量马达排量如图4所示.图4 变量泵变量马达独立控制排量百分比Fig.4 Pump and motor displacement percent由图3可以看出tmp＜tp＜tm,也就是说变量泵控制变量马达系统比变量泵控制定量马达系统或者定量泵控制变量马达系统响应速度快.由图4可以看出,变量泵和变量马达各自独立控制时在t∈[0.2,0.5]区间内存在排量耦合现象,影响系统的响应速度.5 基于新的Bang-Bang算法仿真(Simulation based on the new Bang-Bang) 根据第3部分新的Bang-Bang算法原理,取式(17)中的参数c1=0.04,c2=0.0001进行仿真研究,仿真分为两种情况,即相同负载不同转速和相同转速不同负载.5.1 相同负载不同转速仿真(Simulation under the same load and different speed)当负载TL=50N·m,马达期望转速为ωm1=50rad/s,ωm2=100rad/s,ωm3=150rad/s时,在新Bang-Bang控制算法作用下系统响应如图5所示,在ωm3=150rad/s时变量泵和变量马达排量百分比如图6所示.图5 相同负载不同转速仿真Fig.5 Simulation under the same load and different speed图6 转速150rad/s时泵和马达排量百分比Fig.6 Pump and motor displacement percent at motor speed 150 rad/s由图5可以看出,采用新Bang-Bang控制器可以实现变量泵变量马达系统的控制,在马达期望转速ωm3=150rad/s时,系统调节时间t1s=0.275s,系统无超调量、无溢流.同时,可以实现马达期望转速ωm1=50rad/s, ωm2=100rad/s和ωm3=150rad/s的控制,且性能基本相同,验证了基于反馈线性化Bang-Bang控制器具有较强的鲁棒性.对比第4部分变量泵控制变量马达系统传统控制算法可以看出,基于反馈线性化Bang-Bang控制器提高了系统响应速度,减小了超调量,算法具有明显优势.由图6可以看出,变量泵排量要么是全排量,要么是零;变量马达要么是0.3倍全排量,要么是全排量.系统压力建立起来后,当泵是全排量时,马达为0.3倍全排量;当泵为零排量时,马达为全排量,根据式(1)可以看出,此时系统响应速度最快.根据式(1)马达转速原理,对比图4和图6变量泵和变量马达控制信号,可以看出基于新的Bang-Bang算法变量泵变量马达控制较变量泵和变量马达独立控制具有明显优势,也揭示了新的Bang-Bang算法可以加快系统响应速度的原因.5.2 相同转速不同负载仿真(Simulation under the same speed and different load)采用新Bang-Bang控制器进行马达转速控制,马达期望转速ωm=100rad/s,外部负载分别为TL1=50N·m,TL2=100N·m和TL3=150N ·m,系统响应如图7所示. 图7 相同转速不同负载仿真Fig.7 Simulation under the same speed anddifferent load由图7可以看出,对于马达期望转速ωm=100 rad/s,当外部负载TL1=50N·m时,系统调节时间t1s=0.2s,超调量σ1=0.01%;当外部负载TL2=100N·m时,系统调节时间t2s=0.213s,超调量σ2=0.05%;当外部负载TL3=150N·m时,系统调节时间t3s=0.228s,超调量σ3=0.5%,仿真结果表明在负载大范围内变化时系统性能基本不变,说明基于线性化理论变量泵控制变量马达Bang-Bang控制算法具有较强鲁棒性.6 结论(Conclusion)通过对变量泵控制变量马达系统的研究,得出以下3点结论:1)变量泵控制变量马达系统是一个双输入单输出的本质非线性系统,可以运用反馈线性化理论进行线性化,但由于其是单输出系统所以不能解耦;2)基于反馈线性化理论的变量泵变量马达Bang-Bang控制算法可以实现系统快速控制,对转速及负载变化的有较强鲁棒性,而且算法简单、计算量小;3)传统Bang-Bang控制器的输出仅取决于切换函数q 的正、负,而新Bang-Bang控制器的输出不仅取决于切换函数的符号,而且还取决于控制量系数G1(x)和G2(x)的正、负,该算法对多输入单输出系统控制具有借鉴作用.参考文献(References):【相关文献】[1]王岩,付永领,牛建军.变量泵－变量马达自适应控制算法研究[J].中国机械工程,2009,20(10):1173–1179.(WANG Yan,FU Yongling,NIU Jianjun.Adaptive control algorithm for variable pump-variable motor system[J].China Mechanical Engineering,2009,20(10):1173–1179.)[2]SANELIUS M.On complex hydrostatic transmissions[D].Link ping,Sweden:Link PingStudies and Technology,1999.[3]万丽荣,赵胜刚,沈潇,等.基于MATLAB/SIMULINK的变量泵变量马达调速系统动态仿真[J].煤矿机械,2007,8(2):26–28(WAN Lirong,ZHAO Shenggang,SHEN Xiao,et al.Dynamic simulation ofvariable displacementpump variable displacement motor volume speed-modulating system based on MATLAB/SIMULINK[J].Coal Mine Machinery,2007,8(2):26–28.)[4]SCHULTE H.LMI-based observer design on a power-split continuously variable transmission for off-road vehicles[C]//2010 IEEE International Conference on Control Applications.Yokohama,Japan:IEEE Control Systems Society,2010:713–718.[5]SCHULTE H,GERLAND P.Observer design using T-S fuzzy systems for pressure estimation in hydrostatic transmissions[C]//Proceedings of 2009 the 9th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications.Washington:IEEE Computer Society,2009:779–784.[6]KAZMIERKOWSKIM P,SOBCZUK D L.High performance induction motor control via feedback linearization[C]//Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 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比例调速阀控马达液压回路仿真分析
DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.06.033中国农机化学报Journal of Chinese Agricultural Mechanization 第35卷第6期2014年11月Vol .35No .6Nov.2014比例调速阀控马达液压回路仿真分析陈鹏伟，解宁，郭津津摘要：从比例调速阀的工作机能出发，分析了比例调速阀中的起压力补偿作用的定差减压阀对流量的影响，其始终保持节流阀阀口前后的压差基本恒定不变，减弱了负载变化对系统流量的影响，然后扩展到液压系统，从系统整体分析了比例调速阀控马达系统的稳定性及其压力和流量的动态特性，最终达到马达的运动速度均匀平稳，从而为节流调速系统的设计改进提供技术上的支持。
关键词：比例调速阀；AMESim ；动态特性；仿真分析中图分类号：TH137.5文献标识码：A文章编号：2095-5553(2014)06-0131-04陈鹏伟,解宁,郭津津.比例调速阀控马达液压回路仿真分析[J].中国农机化学报,2014,35(6):131~134Chen Pengwei,Xie Ning,Guo Jinjin.Simulative analysis of motor hydraulic circuit by proportional speed valve control [J].Journal of Chinese A -gricultural Mechanization,2014,35(6):131~134(天津理工大学复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津市，300384)收稿日期：2013年9月12日修回日期：2013年10月12日第一作者：陈鹏伟，男，1986年生，河北石家庄人，硕士研究生；研究方向为液压系统动态特性。
E-mail:chenpw8612@0引言液压系统的动静态特性受元件参数等多种因素的影响，当参数调整不当时，调速系统的作用无法发挥，甚至会影响整个液压系统的稳定性。
电液比例阀控缸速度控制系统的建模与仿真
Q 来达到调速的目的 ， 通常采用回路流量 Q 作为闭环
反馈信号 ， 但是这种控制系统受液压缸泄漏 、 油温和黏 度变化的影响很大 ， 在需要精确控制负载运行速度的 场合精度要求得不到保证 。 因此本文针对位置控制系 统 ， 利用速度与位移的关系 ， 提出了将活塞的速度控制 通过离散的精确位移来实现 。
图 1 中 ， 液压系统采用定量泵和溢流阀组成的定 压供油单元 ， 用电液比例方向阀在液压缸的进油回路
23
液压气动与密封/2011 年第 8 期
上组成进油节流调速回路 ， 控制活赛的运行速度 。 位移 传感器检测出液压缸活塞杆当前的位移值 ， 经 A/D 转 换器转换为电压信号 ， 将该电压信号与给定的预期位 移电压信号比较得出偏差量 ， 计算机控制系统根据偏 差量计算得出控制电压值 ， 再通过比例放大器转换成 相应的电流信号 ， 由其控制电液比例方向阀阀芯的运 动 , 调节回路流量 ， 从而通过离散的精确位移实现对负 载速度的精确调节 。 系为 ：
Abstract ： Based on the electro -hydraulic proportional control technology, this paper proposes a methods of controlling the speed of hydraulic cylinder contraposing the position servo system ， it is that using discrete precise displacement realizes the piston speed control, establishing the mathematic model of the valve controlled asymmetrical hydraulic speed servo system ． the system were simulated by the use of Simulink Toolbox of Matlab with the approach of integral separation PID controller ， The simulation results demonstrate the dynamic response of the model is satisfied in lower frequency and verify the validity of the method. Key Words ： speed servo system ； valve-controlled asymmetrical hydraulic cylinder ； modeling ； simulation
电液比例泵控马达系统动态特性分析
摘 要：建立了电液比例泵控马达系统数学模型，包括电液比例伺服机构，泵控马达机构和传感器。电液比例伺服机构主 要由 PWM 放大器、电液比例控制阀和阀控液压缸组成，泵控马达机构主要由斜盘式轴向柱塞变量泵和定量马达组成。对 该闭式系统运用 Matlab/Simulink 进行仿真分析，并进行试验验证。仿真分析和试验验证都表明：排量比主要由电压信号 控制，马达转速主要由泵转速和电压信号共同控制。正常工作时，外负载对系统几乎没有影响；当系统所受外负载力过大 时，导致系统在恶劣工况下运行。 关键词：泵控马达；动态特性；仿真分析；试验验证 中图分类号：TH16；U461.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2016）02-0029-05
3
s+
4βe Ap
Bp VT
2
+
Ctc
Mt
2
4βe Ap Ap
2
s+
（10）
≈ ≈ VTkt
2
+
BP
Ctc
2
+1
4βe Ap Ap
s+
Ctc
Kt
2
Ap
由于很小，近似认为。较小，一般认为是常数，即，故以电磁
铁通电时阀芯的位移量为输入，以活塞位移为输出的动态特性传
递函数：
Kq
≈ ≈ Wp（s）=
Xp（s）= Xv（s）
1 组成与工作原理
由变量泵-定量马达组合而成的容积调速回路是静液压传 动的核心，也是液压机械传动的重要组成部分，其转速是通过伺 服机构的控制实现的。伺服机构采用电液比例控制技术，能够根 据输入电信号的大小连续成比例的对液压系统实现控制，其性能 对于泵控马达系统的性能具有很大影响[1-2]。
电液比例变量泵液压测试系统设计及3D建模 开题报告
毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译）题目电液比例变量泵液压测试系统设计及3D建模姓名学号专业班级机电090X所在学院工程学院指导教师（职称）二○一三年三月五日毕业设计（论文）开题报告（包括选题的意义、可行性分析、设计的内容、设计方法、拟解决的关键问题、预期成果、设计进度计划等）电液比例变量泵液压测试系统设计及3D建模1. 选题的背景和意义1.1选题背景在液压传动及控制技术的发展过程中，电液伺服控制和电液比例控制是相继出现的两大重要分支。
但电液伺服阀对环境的要求十分苛刻，因此自六十年代末期开发了各类电液比例控制阀，可靠的电—机械转换器及专用的控制放大器。
利用这些元件，首先是构成一些开环控制的电液比例控制系统，其次采用相应的检测元件构成闭环控制系统[3]。
七十年代以来，容积式泵控系统以其工作效率高的技术优势在机床、工程机械、轻工机械、船舶、航空、航天等领域得到了较为广泛的应用。
电液比例变量泵以其较好的动态特性和较高的稳态精度以及较低的成本已逐步发展成新一代变量泵并得到了不断扩大的应用。
而且因其较好的节能性能及比例控制功能而愈发广泛地应用于机电领域[5]。
随着工业控制的精度和自动化程度的不断提高，特别是近年来传感和检测技术的不断发展以及大规模集成电路功能的不断完善，电反馈电液比例变量泵应运而生，使电液比例变量泵调节能存了大幅度的提高，随着电液比例技术的发展以及各类电液比例变量泵的开发成功，国内对电液比例变量泵据出了更高的要求。
这不仅要求它们具有较高的动态响应恃性和稳态控制精度以实现模拟或计算机控制，而且要求它们能够在较为苛刻的条件下安全可靠地工作。
通常泵本体部分经长期工程应用的实际考核，基本上能够满足可靠性要求。
而比例控制器件虽然经多年开发研究，在技术上也比较成熟，但仍然未在大量工程应用中经过各种复杂工况的考核，因此在应用安全及可靠性程度的要求下还需进行电液比例变量泵液压测试系统设计及3D建模，以解除系统正常运行的后顾之忧。
直动式比例阀控液压马达数学建模及研究
虑比例阀的非线性因素 ,关注比例阀内反馈及负载效 应 ,建立较精确的数学模型 , 有较大理论及实用价值 。 本文以直动式比例方向阀控制液压马达为对象 ,考虑比 例阀内部反馈、 稳态液动力和外干扰力矩对阀芯输出等 诸多因素的影响 ,建立了较精确的数学模型 ,与实际的 系统更接近 ,为研究阀控马达提供了借鉴。
设备设计 /诊断维修 /再制造
现代制造工程 2008 年第 6 期
直动式比例阀控液压马达数学建模及研究
胡建军 ,杨尚平 ,赵光波 (昆明理工大学 ,昆明 650093 )
摘要 : 考虑阀芯受稳态液动力干扰的情况 ,建立阀控液压马达传递函数及其状态空间表达式 ,得出较为精确的数学模型 。 关键词 : 直动式 ; 比例阀 ; 数学模型 ; 液压马达 中图分类号 : TH13711 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 —3133 ( 2008 ) 06 —0099 —04
ps - p10 ) 为流量 2 压力系数 。
di dx + ( R c + rp ) i + ke dt dt
……………… ( 3 )
式中 : uc 为感应电动势 ; L 为线圈电感 ; R c 、 rp 分别为线 圈和放大器内阻 ; ke 为线圈感应反电动势系数 。 对式 ( 3 ) 取增量式并进行拉普拉斯变换可得 :
β e
对式 ( 17 ) 进行拉普拉斯变换可得 : θ Q 1 = cim P1 ( s) + cem P1 ( s) + Dm S m ( s) +
V1
β e
S P1 ( s)
………………………………………… ( 18 ) 由式 ( 14 ) 、 式 ( 18 ) 可得 :
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值 为 ０ 值 为 ００Ｏ７ ， ．０２ 。ＭＡ Ｌ Ｂ仿 真结 果 如 图 ５ ＴＡ
所 示
６ 结
论
［］ ７ 李婷婷． 电液 比例变量泵一马达恒速控 制系统 的研究［］ Ｄ．
西安 ： 安 大学 ，０ ４ 长 ２ ０
本 文使 用传递 函数 法建 立 了电液 比例变 量泵 控
） ） ０） ］ （ ： ＋ ｄ ㈤ １ 『（ ＋ ｅＴ Ｔ ０ ）
式 中 ， ｉ Ｋ 。 ＝ ；
盟 ：
Ｅｓ （）
（ ７ ）
１ ２
４ Ｉ Ｐ Ｄ参数的整定［ ８ 】
赢体传动与 控副
２ ９ 第３ ０年 期 ０
由于 系统 的开环 传递 函数 己知 ，所 以利用 临界 增益 法来 整定 ＰＤ参数 。 Ｉ 首先使 用 ＭＡ Ｌ Ｂ软件所 ＴＡ 提供 的 ｍ ｒｉ（ ａｇ ） 求得 系统 的幅值裕 度 Ｋ 和剪切 ｎ 函数 。 频率 ，然 后根据 ｚ Ｎ调 整法 计算 出 ＰＤ参 数 ， — Ｉ 最 后 求 得 Ｋ。 为 ０Ｏ６ ， ｉ 为 ０６ ２ ，ｄ值 为 值 ． ８Ｋ 值 ２ ．８５Ｋ
（） ４
—¨ ＋ — ｓ Ⅲ ， ＿＋— ＋ｌ ＋１
式 中 ， 和 分 别为 液压 阻尼（． ） 固有频 率 ０４ 和 ５
（０ａ ） 为 油 液 有 效 体 积 弹 性 模 量 （． ９ １ ８ｒ ； ６９ ｘ ０ ９
Ｐ） 。 ａ； 为泵 的流量 增益 （．２ ７ｍ ・ ｄ； 马达 Ｏ０ １ ｒ ）Ｄ 为 ａ 的弧度 排量 ｆ．× ０ ‰ ｄ。 １ ｌ ｍ ７ ）
硕士研 究生 ， 主要研究对象为液压传动与控制。
２０ 年 ５月 ０９
高翔宇等 ： 比例变量泵控马达系统 的建模与仿真
为积 分环 节和 比例 环节 的积 。 ２３泵的 活塞 一斜盘 倾 角模 型【 ． ５ Ｊ 液压 缸 １ ０的活 塞 位 移 ｘ（ 与 变量 泵 １的斜 盘 ） ｓ 倾 角 ｓ 比为变 量泵 斜盘倾 角 系数 ： ） 之
０ｏ ０ ６ ｌ ． ２ ３ 。其程 序如 下 ： ０
ｓｓｔ １ ３ ２ ０ ， １ ２６ ０ ， ） ｙ＝ ０ ３ ８ ０ ［， ，４ ０ ］ ７ ０； ［ｃ ，ｃ 】ｍ ｒｉ（ ｓ ｋ ， ｗ ， ＝ ＿ｇｎｓ ） ｂ ｄ ａ ｙ
Ｔ＝ ｉ ｃ ｃ２Ｄ／ ｗ ｋ＝． ｃ ｐ０６ ｋ Ｔ＿ ． ｃ ｉ０ Ｔ ５ Ｔ ＝ ．２Ｔ ｄ ０１５ ｃ
版 社 ，９ ８ １８
［ 王 春 行 ． 压 控制 系统 【 】 京 ： 械 工 业 出 版社 ，９ ５ ３ 】 液 Ｍ． 北 机 １９
［ 卢长庚． ４ ］ 液压控制 系统 的分析与设计 ［ ． Ｍ］ 北京 ： 煤炭Ｔ业
出版 社 ，９ １ １９ 【 王 占林 ， 代 液 压 控 制【 ． 京 ： 械工 业 出版 社 ，９７ ５ ］ 近 Ｍ］ 北 机 １９ ［ 路 甫 祥 ． 压 气 动 系统 设 计 手 册 【 ． 京 ： 械 Ｔ业 出版 ６ 】 液 Ｍ］ 北 机
Ｔ掣＼ Ｌ Ｄ Ｊ／ （ ２Ｂ ｓ ｍ。 ） ｃ
：
交 界频 率 ，所 以系统 不稳 定 ，需要 校 正 ，本 文使 用
ＰＤ校 正 。 Ｉ
堕 ｌ ＋ ＋
式 中 ， Ｃ 为总泄 漏 系数 （．× ０ ｍ ・）； 为 ５０ １ ｓ
泵 和 马 达 工 作 腔 以及 连 接 管道 的 总容 积 ｆ．× Ｏ ５ １ ９
号 。仿真 时 间为 １ ， 精度 为 １ １ ｓ ×０ 。 参 照 已整定 出 的 Ｐ Ｄ参 数进 行仿 真 ，并对 ＰＤ Ｉ Ｉ 参数 进行 调整 。 最后 得到 较理 想 的 Ｋ 值 为 ００ ９ 。 ．２ ，
［ 李寿刚． １ ］ 液压传动【 】 Ｍ． 北京 ： 北京理工大学出版社 ，９ ４ １９ ［ 路甬祥 ， ２ ］ 胡大宏 ． 电液比例控制技术【 ． Ｍ】 北京 ： 机械工业 出
统 达到令 人 满意 的控制 性能 。
参 考 文 献
Ｋｄ＝ Ｔｄ Ｋｐ
５ 控 制 系统 仿 真
用 ＭＡ Ｌ Ｂ软件 的 ｓｍ ｌ ｋ 系 统仿 真 ， 型 ＴＡ ｉｕｉ 对 ｎ 仿 如 图 ５所示 。 真开始 ， 人 １０ａ 的转 速控 制 阶 仿 输 ４ ｒ 跃 信 号 ，． 后 输 入 ６ ０Ｎ・ 的转 矩 干 扰 阶 跃 信 ０６ ｓ ｏ ｍ
娠
式中， ｋ和 缸 分 别 为 液 压 固有 频 率 和 阻 尼 系 数 ， 为 阀的增益 系数 （ 为 ０２ Ⅱ 。 Ｋ 值 ．５ ） １ 由于 比例 阀的谐 振频 率 远大 于 变量 泵一 定量 马
图 １系统 液 压原 理 图
达 环节 的谐振 频率 ， 以 比例 阀的动态 可 以忽 略 ， 所 其
２６比例放 大器的 建模 分析 ．
式 中 ，。 比例 增 益 ； 为可 调 积 分 系数 ； 为 Ｋ为 Ｋ 可调 微分 系数 。式 （） 一等 价形 式 为 ： ９另
此 比例放 大器 频 宽远 大 于 比例 阀的频 宽 ，与液
压系统相 比有着很高 的响应频率 ， 因此可将 比例放 大器 增 益 （ 值 为 ０２Ａ ） 为 比例 放 大器 输 出 取 ． 视 电流 Ｉ ） （ 与系统 偏差 电压 Ｅｓ 比： ｓ （之 ）
：
图 ４ 系统 Ｂ ｄ ０ ｅ图
（） ６
在 ＰＤ控 制 算 法 中 ， 在 着 比例 、 分 、 分 三 Ｉ 存 积 微 种 控制 作用 。Ｐ Ｄ控 制 的传递 函数 为 ： Ｉ
Ｇ Ｄ ＋ ｒ ＋ ｄ Ｈ＝ ｓ ｓ ／ （） ９
ｍｓ （ ）
式 中， 反馈系数 瞄 的取值为 ０ ２ Ｖ ａ 。 ． ５ ・ ｄ ０
Ｋｉ －Ｋｐ Ｔｉ ／
％计 算振 荡周 期 值 ％计 算 Ｋ 值 ％计 算 值 ％计 算 值 ％计算 值 ％计算 值
图 ５ 系统 的 时域 响 应 曲线
校 正并利 用 临界增 益法来 整定 ＰＤ参 数 。最 后使用 Ｉ ＭＡ Ｌ Ｂ软 件 对 系统 进 行 了仿 真 ，通 过 仿 真 发 现 ＴＡ ＰＤ控 制算 法使 系统 的性 能 得到很 大 改善 ，并 使 系 Ｉ
高 翔宇 苏 东海
（沈 阳工 业 大 学机 械工 程 学 院 辽 宁 沈 阳 ｌ０ ７ １１ ８）
摘要 ： 立了电液 比例 变量泵控 马达 系统 的数学模 型 ， 建 并使用 ＭＡ Ｌ Ｂ软件进行 了控制系统 的设计与性能仿真 ； ＴＡ 应 用 了 ＰＤ控制算法 ， 系统得到 了令 人满 意的控制性能。 Ｉ 使 关键词 ： 电液 比例控制 ； 泵控马达 ；Ｉ ＰＤ控制 ； 建模与仿真
阀 ５控 制 泵 ６ 溢 流 阀 ７ 单 向 阀 ８ 比例 阀 ９力 士 、 、 、 、 ｆ 乐 ４ Ａ） ＷＲ ６和对称 双作 用液 压缸 ｌ 成 。 ０组 在此 系统 中 ， 压泵 １ 液 既是 动 力元 件 又是 主 要 控制 元 件 。通 过 阀 ９和 液 压 缸 ｌ 节 泵 １ 量 的大 小 和方 向 ， ０调 排 就 可改 变马达 ２输 出速 度 的大 小 和方 向。马达 ２驱 动 的负 载为力 士乐 Ａ Ｖ Ｇ ２Ｄ １ 次控 制元件 。 ４ Ｓ ｌ５ Ｓ 二
第 ３期 憩 第 ３ ４期 ） ２０ Ｏ ９年 ５月
流体秸动与 控副
ｎｕ ｄ Ｐ０ ｒ Ｔｒ ｎ ｍｉｓ ｎ ａ ｄ Ｃ０ ｔ ｉ ｗｅ ａ ｓ ｓ ｉ ｎ ｎ ｎ ｍｌ
Ｎｏ ３ Ｓ ｒａ ３４ ． ｆ ｅ ｉ ｌ Ｎｏ １ Ｍａ ．０ ９ ｙ２ Ｏ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
比例 变 量泵 控 马达 系统 的建模 与仿真
ｍ 。 １
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２５速 度传 感 器的 建模 分 析［ ． 刀
１ ｅ ８
童 ２ｌＳ ２
２ ０ ７ １
速度传感器将系统输出信号 （转变成电压信 ｓ ） 号 ｕ（反馈 给控 制器 ， 动态 响应很 高 ， ｆ） ｓ 其 可视 为一 阶 比例环 节 ：
图 ３ 系 统 数 学 模 型 方 框 图
马 达 ２角速 度 （对 作用 在 马 达轴 上 的外 负 载 ｓ ） 转 矩 Ｔ． 的传递 函数 为 ： Ｉ） （ ｓ
３ 控 制 系统 设 计
用 ＭＡ Ｌ Ｂ软 件绘 制 该 系统 的 Ｂ ｄ ， 图 ４ ＴＡ ｏ ｅ图 如
所示 。从 图 中可 以看 出系统 的剪切 频 率小 于相 位 的
中图 分 类 号 ：Ｈ１７３ Ｔ ３＿ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１７ — ９ ４（０ ９ Ｏ — ０ ０ ｏ ３ ６ ２ ８０ ２ ０ ）３ ０ １一 ０
本 文 研究 的 是 电 液 比例 变 量泵 控定 量 马 达 调 速 系 统 。该 系统 属 于容 积调 速 ， 过 单 独调 节 液压 通 泵 的变 排 量 机 构 来 改 变 泵 的输 出排 量 进 行 调 速 系 统 ， 效 率 远 高 于 节 流 调速 回路 ， 该 系 统 的 变量 其 但 机 构 造 价 较 高 、 构 复 杂 ， 多 用 于 功 率 较 大 的 场 结 故 合 【 由于采 用 电液 比例控 制 ， 件通 用 性 强 ， 不 ｌ ＿ 。 硬 对 同工 况 只需 改 写控 制 目标 函数 即可 ， 控制 比较 精 且 确 ， 于计算 机控 制 。 便
２ 系统 的数 学模 型 ． ７
由 以上各 部 分 的模 ，可 以得 到泵 控 马 达 系统 的
数学模 型 方框 图如 图 ３所示 。
系统 的闭环 传递 函数 为 ：
Ｘ ÷ （ ｓ ）
＝
（ ‘ ３ ）
ｕ ：— — （
∞
ｓ ） 一乓 ＋ ｓ 堕 ：＋ ＋Ｋ
（｜ ｔｌ Ｊ
Ａ为液压缸活塞有效面积 （． ２ ｌ ２ 为阀稳 １ ６ ×０ ｍ） ７ ； 态工作 点 附近流 量增 益（． ８ ） ０１ ３ ｍ 。 ７ 因比例阀和液压缸的谐振频率都在 ｌ ０ ｚ ｏＨ 以 上， 而变量泵一定量马达环节的谐振频率约 ０ ８ ｚ ． ， ７Ｈ 所 以 前 两者 的动 态 可 以忽 略 ［ 阀控缸 环 节 可 简化 １ Ｊ ，