液壓傳動與自動控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析

劉 恒

(柳州職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545006)

液壓傳動與自動控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析

劉 恒

(柳州職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545006)

研究汽車液壓傳動過程中液壓缸中的壓力變化過程，對液壓系統(tǒng)中相關(guān)的液壓泵、液壓缸、管道閥門等主要工作環(huán)節(jié)進行了建模和受力分析，得到工作過程中各處受力情況，并設(shè)計了一個液壓控制系統(tǒng)的基本工作原理圖，對液壓系統(tǒng)中的主要閥門、管壁、液體流量等液壓控制中的主要參數(shù)進行了建模和抽象，得到了液壓缸中液體流量和壓縮比的相關(guān)關(guān)系式。最后對液壓傳動系統(tǒng)中的動態(tài)控制性能進行了分析，得到了其壓力、流量、容量等主要參數(shù)的性能關(guān)系。

液壓系統(tǒng);傳動;汽車;模型;動態(tài)性能

0 前言

液壓系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的機械齒輪傳動，具有控制靈活、大功率負載等特點，在傳統(tǒng)使用機械傳動的很多領(lǐng)域都逐步采用液壓系統(tǒng)進行傳動。然而，由于在一些精密機械加工、汽車傳動等領(lǐng)域，其液壓控制過程要求精度高、響應(yīng)速度快，解決這一問題的基本方法是采用液壓伺服系統(tǒng)。由于液壓伺服系統(tǒng)的控制過程要求液壓動力設(shè)備或元件按一定策略對輸入的控制信息進行響應(yīng)，響應(yīng)的速度和精度由控制算法和液壓元件的響應(yīng)速度決定。整個液壓響應(yīng)過程由于都是液壓元件在控制信息的影響下，做出相應(yīng)的跟隨動作，因此，很多時候也把液壓伺服系統(tǒng)稱為跟隨系統(tǒng)。

液壓跟隨系統(tǒng)在20世紀90年代以前，由于受液壓元件精度的影響，液壓跟隨系統(tǒng)的響應(yīng)速度和應(yīng)用場合都受到一定制約。但20世紀90年代之后，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計算機技術(shù)和液壓控制技術(shù)結(jié)合在一起，產(chǎn)生了一種新的基于計算機技術(shù)和電子技術(shù)的液壓伺服技術(shù)。通過大量研究和應(yīng)用，人們在這一領(lǐng)域中形成了很多新的理論和方法，比如基于模糊控制理論、PID算法的液壓伺服控制系統(tǒng)。最新的電子控制技術(shù)和計算機模糊控制技術(shù)的發(fā)展，使得液壓元件的動態(tài)工作狀態(tài)能夠被更快、更準確地測量。計算機模糊控制技術(shù)使人們能夠通過對液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行分析和建模后，設(shè)計出高效、準確的控制預測算法。液壓元件技術(shù)的發(fā)展，使得液壓元件具有更快的執(zhí)行速度，同時能夠支持更大的負載功率和傳動要求。因此，在現(xiàn)代艦船、火炮控制、轎車自動變速等應(yīng)用領(lǐng)域，都有了廣泛的應(yīng)用。液壓伺服系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展大大提高了液壓伺服系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度。

然而，在液壓系統(tǒng)的伺服控制與傳統(tǒng)的自動控制領(lǐng)域中的技術(shù)并非一樣。液壓系統(tǒng)中普遍存在信號延遲、強耦合和非線性等特點，這是因為液壓系統(tǒng)在工作中往往會有很大負載，并且在系統(tǒng)工作過程中，負載一直處于動態(tài)變態(tài)過程。當液壓系統(tǒng)空載和滿負荷時，液壓系統(tǒng)的參數(shù)特點完全不一樣。當系統(tǒng)滿負載時，受外部驅(qū)動設(shè)備的影響，液壓系統(tǒng)中的受力情況將會被負載所干擾和影響，此時，液壓伺服控制系統(tǒng)不僅僅需要按照正常的液壓控制策略進行控制，還需要對負載情況進行預測，并估算對液壓系統(tǒng)正常工作的影響，由此可見液壓伺服控制系統(tǒng)不能采用簡單的一個線性控制策略進行控制。因此在進行液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)計和研究時，需要對液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能進行深入和準確的分析。本文重點對液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能進行建模與分析，為設(shè)計高精度、快速的液壓伺服系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)工作過程分析

車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)是車輛動力傳送和控制的關(guān)鍵部分，其通過液壓伺服系統(tǒng)監(jiān)控車輛液壓系統(tǒng)的負載狀態(tài)，并通過液壓系統(tǒng)的負載狀態(tài)及時對伺服閥和溢流閥進行控制，以達到液壓系統(tǒng)平穩(wěn)、高效地工作。

為了研究車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，首先需要研究該系統(tǒng)的基本工作原理，分析液壓伺服系統(tǒng)中閥控馬達的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、加速度和力矩等主要參數(shù)之間的關(guān)系，研究對液壓伺服系統(tǒng)中的伺服閥、液壓缸、溢流閥、傳動馬達等主要功能模塊的性能指標和相互之間的行數(shù)關(guān)系。最后通過對溢流閥、單向橋閥和伺服閥等控制裝置對流量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)平穩(wěn)的液壓伺服控制。

整個車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。液壓伺服系統(tǒng)的工作目標是對馬達在不同負載狀況下的轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測，通過計算機的控制，進行相應(yīng)的調(diào)整，使得傳動馬達獲取一個穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速。工作過程中以電動機帶動液壓泵進行吸油，作為伺服閥工作過程中的主油源，然后由伺服閥控制馬達的轉(zhuǎn)速。傳動馬達工作過程中，有相應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器對傳動馬達的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，并將所采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供計算機處理。計算機通過一定控制策略和算法運行后，通過比例溢流閥和單向橋閥，改變閥芯的位置，調(diào)整補油泵對進油腔的油量輸入，使得進油腔中的油量保持一個穩(wěn)定的數(shù)值，從而控制傳動馬達以相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速工作。

圖1 車輛液壓伺服控制系統(tǒng)工作過程原理圖

2 車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)建模分析

根據(jù)車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)的工作原理，可以計算出液壓伺服控制系統(tǒng)的流量關(guān)系式、傳動馬達進油腔中的油量流量關(guān)系式和液壓馬達與負載的受力關(guān)系式。通過這些關(guān)系式，最終建立車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)中的傳動馬達傳遞關(guān)系式。

為此，首先分析液壓伺服控制系統(tǒng)的流量關(guān)系式。假設(shè)液壓閥的進油壓力固定為Pin，而液壓油回流出來的壓力Pout=0，△qv為液壓系統(tǒng)負載補償。此時液壓伺服控制系統(tǒng)的負載補償流量關(guān)系式為:

關(guān)系式中的各參數(shù)含義:△qv為傳動馬達負載差值，Kq為液壓油流量增益值，△xy為伺服閥芯移動位置值，Ke為液壓油流量的受壓系數(shù)值，△Pv為液壓油量進油腔偏差的壓力值。

對傳動馬達進油腔中的油量流量關(guān)系式分析時，假設(shè)液壓管道本身不會造成油壓力衰減，所有液壓油流經(jīng)的管道直徑相等，整個液壓中的動態(tài)參數(shù)都忽略不計，由此相當于在液壓油腔中各個地方受到的壓力完全相等，這大大簡化了油腔中流量關(guān)系式的分析難度，且液壓油的溫度和油本身受到壓力的變形系數(shù)均為固定參數(shù)。設(shè)定進入液壓傳動系統(tǒng)進油腔的油量為f1，從傳動馬達的回油腔流出來的油量為f2，則可分別寫出f1和f2的表達式。

關(guān)系式中的Cnin表示伺服系統(tǒng)傳動馬達內(nèi)部油量泄漏系數(shù)值，Cnout表示伺服系統(tǒng)傳動馬達外部油量泄漏系數(shù)值，Dn表示伺服系統(tǒng)傳動馬達油量排放值，θn表示伺服系統(tǒng)傳動馬達的轉(zhuǎn)角值。Vin表示伺服系統(tǒng)傳動馬達進油腔容量值，Vout表示伺服系統(tǒng)傳動馬達回油腔容量值，βe表示液壓腔中的體積彈性模量。(1)、(2)式表達了傳動馬達工作過程中，馬達傳動液壓油流量與各種油量之間的關(guān)系。進油量為內(nèi)部泄漏油量、驅(qū)動傳動馬達本身需要的油量、液壓油受到壓力變形后需補償?shù)挠土恳约巴獠啃孤┯土恐汀；赜颓涣鞒鰜淼挠土髁颗c進油量不同的地方是由于回油腔油壓比進油腔的油壓要小得多，因此，油量會因為壓力減少而膨脹，所以，回油腔油量需要減去液壓油受到壓力變形后需補償?shù)挠土亢屯獠啃孤┯土俊?/p>

結(jié)合液壓伺服控制系統(tǒng)的負載補償流量關(guān)系式，進行化簡后可得:

關(guān)系式中的βin表示油量在傳動馬達中受壓變形系數(shù)值，βout表示在回油腔中油量受壓變形系數(shù)值，V1和V2分別表示回油腔兩側(cè)的體積。

3 車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析

車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)動態(tài)性能主要分析傳動馬達在不同負載下的角速度運行情況，當負載過大，干擾了液壓系統(tǒng)馬達正常轉(zhuǎn)速，則通過伺服閥芯的位置，調(diào)整進油量，以控制傳動馬達穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。液壓伺服控制系統(tǒng)馬達角速度控制原理圖如圖2所示。系統(tǒng)工作過程前，首先根據(jù)前面對車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)工作原理的分析，分別建立馬達角速度與外力負載參數(shù)之間的關(guān)系式和馬達角速度與伺服閥芯位移參數(shù)之間的關(guān)系式。通過對傳動馬達的角速度測量，判斷角速度轉(zhuǎn)速是否正常，若傳動馬達角速度受負載影響，出現(xiàn)異常，則按前面分析的模型關(guān)系式，計算出外力實際負載參數(shù)、流量增益參數(shù)和閥芯位移參數(shù)等，并計算出需要補償?shù)牟钪担瑢鲃玉R達轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，確保其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

圖2 液壓伺服控制系統(tǒng)馬達角速度控制原理圖

在實驗中，根據(jù)本文分析的車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)模型關(guān)系式，在實驗室搭建的模擬平臺中進行了實驗測試。測試中測量得到的主要性能參數(shù)如下:外部負載量8.48×10－3kg/m2，伺服系統(tǒng)傳動馬達油量排放值:4.25×10－6m3/r，伺服閥油量對傳動馬達控制關(guān)系為0.085×10－3m3/(r/s)。油量在傳動馬達中受壓變形系數(shù)6.5×108，液壓系統(tǒng)自身的相關(guān)參數(shù)主要有液壓管直徑14.8 mm，液壓管長度為9 575 mm(假設(shè)所有液壓管各處直徑相等，不等之處做近似處理)。此外，在計算過程中，為了簡化控制的復雜度，將傳動馬達的進油腔、回油腔的容量做近似估計，作為常數(shù)值計入，實驗中該值為147 mm3。另外，伺服系統(tǒng)傳動馬達內(nèi)部油量泄漏系數(shù)實際關(guān)聯(lián)的條件很多，精確計算需要建立非常復雜的模型分析，但是該值在不同類型的液壓系統(tǒng)中一般都有一個大致的變化范圍，波動范圍很小。因此該值在實驗中根據(jù)相關(guān)資料或技術(shù)手冊，選取較為折中的一個參數(shù)8.23 ×10－14m5/N·s.

此外，液壓油流量增益值是最終用來對傳動馬達轉(zhuǎn)速調(diào)整的一個重要參數(shù)，其通過對伺服閥芯調(diào)整位置，使得進入傳動馬達的油量和油壓發(fā)生變化而實現(xiàn)對傳動馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)整。該參數(shù)在計算時事實上也是一個動態(tài)值，隨著液壓系統(tǒng)中油量的不一樣，其表現(xiàn)出來的數(shù)值也是不等的。實驗過程對該參數(shù)也采用按概率求平均計算最佳近似值。具體的實現(xiàn)方法就是對液壓系統(tǒng)的所有工作進行分析，選取最常見的工作狀態(tài)，以此作為參數(shù)估計的基礎(chǔ)，其他狀態(tài)下根據(jù)出現(xiàn)的概率進行加權(quán)，最終估計出該參數(shù)的值。實驗中該值取為3.54 ×10－14m5/N·s.

根據(jù)實驗測試結(jié)果，最終得到的車輛液壓傳動伺服控制系統(tǒng)動態(tài)關(guān)系式，即:傳動馬達轉(zhuǎn)動速度ZV與負載力矩FW之間的關(guān)系:ZV=(48x+359)FW/(2.47x2+5.2x+1 396)，式中x表示液壓進油速度與時間的微分值。

4 總結(jié)

液壓系統(tǒng)在不同的負載情況下，會受負載的影響導致液壓系統(tǒng)本身各性能參數(shù)發(fā)生變化，這導致液壓系統(tǒng)在實際工作過程中表現(xiàn)為一個動態(tài)的過程。同時，由于系統(tǒng)本身受干擾的原因是外部負載的影響，而外部負載對于一個液壓系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)工作之前是完全未知的，因此這導致對液壓系統(tǒng)的伺服控制模塊難以通過靜態(tài)分析，得到準確而有效的控制效果，為了解決這一問題，對液壓系統(tǒng)工作過程中動態(tài)性能參數(shù)進行分析是非常必要的。本文通過對液壓系統(tǒng)的建模與分析后，詳細研究和分析了液壓系統(tǒng)動態(tài)工作過程中各主要參數(shù)之間的關(guān)系和性能特點，明確了液壓系統(tǒng)在工作過程中對負載影響的補償原則，為開發(fā)和設(shè)計高精度的液壓伺服控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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An Analysis of the Dynamic Performance of Hydraulic Transmission and Automatic Control System

LIU Heng
(Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou，Guangxi 545006，China)

This paper makes a research into the pressure variation process of the hydraulic cylinder in automobile hydraulic transmission processing，carries on the modeling and the stress analysis of such prime processing cycles as the hydraulic pump，the hydraulic cylinder and the pipe－line valve which are related to the hydraulic system，and obtains the liquid head change relations as well as each work link＇s stress situation in its work process.Based on these，it designs a key working schematic diagram of hydraulic control system.Then it carries on the modeling and abstraction about some main parameters of the hydraulic system such as the main valve，pipe wall，liquid flow，including establishing the direct relationships between these main parameters，and obtains the relative relationships of the liquid flow and the compression ratio in the hydraulic cylinder.Finally，it carries on an analysis of the dynamic control performance of the hydraulic actuation system，and gets the performance relationships of such main parameters as its pressure，current flow and capacity.

hydraulic system;transmission;automobile;model;dynamic property

TP273.3，TP215

A

1672－9021(2011)02－0032－04

劉恒(1975－)，男，廣西桂林人，柳州職業(yè)技術(shù)學院講師，主要研究方向:機械設(shè)計與制造。

廣西教育廳資助項目“液壓伺服系統(tǒng)中閥控馬達模塊建模與仿真”(200911LX493)。

2010－11－18

［責任編輯 劉景平］