泵控马达复合调速系统控制

泵控马达复合调速系统控制
刘佳东; 彭天好; 朱刘英; 胡佑兰
【期刊名称】《《流体传动与控制》》
【年(卷),期】2010(000)004
【总页数】4页(P16-19)
【关键词】泵控马达; 调速系统; 复合调速; 控制
【作者】刘佳东; 彭天好; 朱刘英; 胡佑兰
【作者单位】安徽理工大学机械工程学院安徽淮南 232001
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
前言
节能一直是液压动力传动中的主要研究方向之一[1]。

为了使系统既节能，又能动态响应快，于是提出了在系统主回路中加装比例方向阀，实现变转速动力源和阀控相结合的复合调速方案[2]。

泵控马达变转速节流复合调速系统是一个较为复杂的非线性时变系统,所以要精确地建立其数学模型非常困难,以往在MATLAB仿真中只能建立其近似数学模型。

为了准确建模，可以利用AMESim软件作为一个完整的系统工程仿真平台,同时Simulink能够在具备强大运算能力的MATLAB下建立系统框图和仿真环境，可以作为事实上的控制系统设计的标准平台[3,4]。

在仿真实验中，利用点对点的AMES－im2Simulink接口提供了一个使用便捷和行之有
效的工具，用于AMESim的被控对象模型和控制系统模型之间的耦合分析（如图1）[5]。

把两个优秀的专业仿真工具联合起来使用就能既发挥AMESim突出的流
体机械的仿真效能，又能借助MATLAB/Simulink强大的数值处理能力。

1 仿真系统构成
图1 联合仿真接口原理图
整个系统分为主回路部分和控制部分（如图2）。

主回路部分采用典型的泵控马达变转速节流复合调速系统，控制部分采用闭环控制结构，具备较强的抗干扰能力。

系统工作时，利用控制器操纵复合调速系统，使系统的被控制量等于给定值或给定信号变化规律去变化。

图2 系统框图
1.1 实验系统
泵控马达变转速节流复合调速实验系统是由变频器、电机、泵、流量控制阀和马达组合而成的一种液压系统。

在AMEsim环境中，可以在Sketch模式下调用系统
提供的液压库、信号库、机械库建立系统原理图，然后编译进入Parameter模式
下对仿真模型中的每个元件模块设置与实验台一致的参数值，如图3所示。

其中，液压主回路部分主要包括主泵、比例方向阀、比例溢流阀和马达；加载回路由加载泵和比例溢流阀实现；主回路中的马达通过联轴器同加载泵相连。

变频器采用VVVF控制方式，即变频器的输入电压范围0V～10V，相应的变频器输出到定子
侧的电流频率为0Hz～50Hz。

依据[1]，异步电机的电磁转矩公式：
电机轴的力矩平衡公式：
图3 AMEsim环境下的复合系统模型
负载转矩公式：
在AMEsim里面建立变频器及电机的仿真模型。

1.2 系统控制方案
1.2.1 联合仿真模型
本系统有两个被控对象，即变频器和比例方向阀。

控制器的输入信号为实际速度
V1和目标速度V2，输出信号为变频器控制电压信号U1和比例方向阀控制电压信号U2，构成一个两进两出系统，以达到复合控制的目的。

AMESim与Simulink的联合仿真是通过AMESim中的界面菜单下创建输出图标
功能与Simulink中的S函数实现连接的。

如图3所示，首先在AMESim中建立Hydraulic complex controller控制器接口图标，经过系统编译、参数设置后自
动打开Simulink环境，将建好的AMESim模块当作一个普通的S函数添加到整
个系统的Simulink模型中，如图4所示。

仿真生成的数据返回到AMESim当中，从而可以在两个环境中获得相同的结果。

这一整个过程实现了AMESim与Simulink的联合建模与仿真。

图4 Matlab环境下的系统控制模型
1.2.2 复合控制器
在生产中液压马达的速度控制有着最广泛的运用，根据节流调速和变转速调速的不同特点，对于泵控马达变转速节流复合调速系统提出如下控制策略。

V1<V2系统需要加速，变频器驱动电机转速增加，电液比例方向阀保持最大开口；V1>V2系统需要减速，变频器驱动电机转速下降，电液比例方向阀开度减小，进
行节流；
V1=V2系统处于稳态，变频器驱动电机转速保持不变，电液比例方向阀用于精度
控制。

V2很小时处于低速时，变频器驱动电机转速维持稳定流量输出的最低转速，电液
比例方向阀用于精度控制。

因为泵控具有调速效率高，马达需要加大供液量时只要通过增大泵的排量即可较好地实现；而阀控的精准度和动态特性好，在速度达到基本稳定时，调节比例方向阀可以达到准确的调速。

由于电机制动速度慢导致单独依靠泵控不能实现快速减速，所以必须辅以阀控来实现。

具体的变频器和比例阀的液压系统双控制器模型如图5所示。

图5 液压系统复合控制器模型
其中变频器采用常规的PID控制，控制模型如图6所示。

比例方向阀采用PID与逻辑判断相结合的复合控制结构，如图7所示。

比例方向阀控制器的一项重要任务就是区分系统工作状态，从而选择合适的工作方式，这里采用微分器连接目标转速信号，用来判断目标转速的速度趋势，当系统需要加速时，方向阀开口信号为最大，即10V，其余情况下，差值信号经过PID控制器形成闭环结构。

图6 变频器控制器模型
图7 比例阀控制器模型
2 仿真与分析
仿真时，先设定有关元件的参数，如主泵的公称排量为63ml/r，额定转速为1500r/min等；溢流阀的压力 10MPa，PID参数经调试确定为 0.1、10、0.01。

然后进行方波信号下速度快速上升下降时的仿真分析和速度跟踪及带负载能力的仿真分析。

方波信号响应仿真中，分析在速度快速上升及下降时变转速节流复合调速的控制特性。

本文设定控制器输入信号为方波信号，加速时给定马达目标转速nm为
100r/min阶跃到200r/min；减速时，给定马达目标转速nm为200r/min突变到100r/min。

曲线1为变转速开环控制下的实际速度，见图8（a），曲线3为变转速节流复合调速在复合控制器控制下的实际速度，曲线4为变转速闭环控制
下的实际速度，见图8（b）。

由仿真结果可知，闭环控制无超调，无稳态误差，
控制效果明显优于开环控制，而复合调速的快速性要优于单一变转速调速。

图8 马达转速方波响应仿真
速度跟踪和带负载能力仿真中，在马达工作的不同阶段加上负载扰动，曲线2为
变转速节流复合调速在复合控制器控制下的实际速度，见图9（a）,仿真初始时存在小幅震荡，之后响应比较快，有一定超调量，稳定后跟踪性较好；速度上升阶段，当在1.0s时系统受到一定负载扰动时，速度下滑，但系统波动较小，动态响应较快，稳定时间小于0.1s；速度保持阶段，在2.0s处受一负载扰动，速度下滑后迅
速恢复，在3.0s时负载突然变小，速度提升后迅速返回跟踪；速度下降阶段，在4.0s时负载再次变小，速度提升后依然迅速返回跟踪，因此复合系统受负载影响
较小。

在相同负载扰动下曲线3和曲线4分别是变转速调速闭环控制和开环控制
下的实际速度，见图9（b）。

无论是闭环还是开环控制，通过仿真曲线比较可知，复合控制具有更良好的负载适应能力和控制特性。

图9 速度跟踪和带负载能力仿真
3 结束语
本文利用系统工程仿真平台AMESim搭建了一套泵控马达变转速节流复合调速系统，通过AMESim与MATLAB/Simulink联合建模与仿真对系统的控制部分进行了研究。

仿真结果与传统控制结构和方法对比，体现了泵控马达变转速节流复合调速系统的优越性，而新的控制结构和方法更进一步提高了复合调速系统的控制特性，这为下一步优化泵控马达变转速节流复合调速系统的控制结构及智能控制算法的研究奠定了基础，同时对扩展其工程应用领域有一定的指导意义。

参考文献
【相关文献】
[1]彭天好.变频泵控马达调速及补偿特性的研究[D].浙江大学博士学位论文,2003
[2]Tianhao Peng,Yajun Guo,et al,Characteristic simulation and experiment ofvariable speed throttle combination governing system,ICFP 2009,Hangzhou
[3]李谨,邓卫华.AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真技术及应用[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2004，26(5)
[4]姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安：西安电子科技出版社,2002
[5](法)IMAGINE公司.AMESim用户手册[S].AMESim8.0。