一種補(bǔ)償液壓過(guò)濾裝置壓力損失的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭凱

(西安交通工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

液壓系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備、機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛，而在特定環(huán)境中，為了降低外部雜質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，通常安裝有相應(yīng)的過(guò)濾裝置[1-2]，而過(guò)濾裝置的安裝雖然起到了凈化液壓油的目的，但也造成了一定的系統(tǒng)壓力損失[3-4]。因此，應(yīng)在保證過(guò)濾裝置原有性能的同時(shí)，進(jìn)一步降低壓力損失對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。本文設(shè)計(jì)了一種具有比例反饋環(huán)節(jié)的智能補(bǔ)償系統(tǒng)，在對(duì)過(guò)濾裝置輸入與輸出端口進(jìn)行壓力分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)比例反饋環(huán)節(jié)使補(bǔ)償回路工作，進(jìn)而達(dá)到壓力補(bǔ)償?shù)哪康模栽鰪?qiáng)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)在保證過(guò)濾裝置正常工作的同時(shí)，降低壓力損失對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。

2)能夠?qū)毫M(jìn)行有效檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)比例反饋環(huán)節(jié)工作，使補(bǔ)償系統(tǒng)成比例釋放壓力，降低壓力損失。

2 帶有過(guò)濾裝置的液壓系統(tǒng)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

帶有過(guò)濾裝置的液壓系統(tǒng)[5-6]，如圖1所示。

1—液壓馬達(dá)；2—手動(dòng)二位四通換向閥；3—過(guò)濾裝置；4—油箱；5—液壓源；6、7—壓力表。

2.2 工作原理

液壓系統(tǒng)的仿真如圖2所示。液壓源5向液壓系統(tǒng)提供一定的系統(tǒng)壓力；當(dāng)手動(dòng)二位四通換向閥2工作時(shí)，液壓系統(tǒng)工作中的液壓馬達(dá)1以一定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖2 有過(guò)濾裝置液壓系統(tǒng)的仿真

在FLuidSIM的仿真環(huán)境下[7-8]，若液壓源5的工作壓力為6.00MPa，液壓泵流量為10L/min；則過(guò)濾裝置輸入端口的壓力為5.19MPa；輸出端口的壓力為4.69MPa。通過(guò)FLuidSIM仿真發(fā)現(xiàn)過(guò)濾裝置的輸入端口與輸出端口相比具有明顯的壓力損失。

2.3 系統(tǒng)壓力的偏差分析

結(jié)合圖2中的仿真模型，分別在不同工作壓力下，得到了過(guò)濾裝置輸入與輸出端口處的壓力值，如表1所示。

表1 過(guò)濾裝置輸入與輸出端口的壓力值 單位：MPa

設(shè)液壓系統(tǒng)工作壓力P與過(guò)濾裝置輸入、輸出端口壓力增量ΔP之間的比例關(guān)系為

P=kΔP

(1)

式中k為比例系數(shù)。

在表1的基礎(chǔ)上，結(jié)合式(1)構(gòu)建了比例系數(shù)k的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB分析且得到了比例系數(shù)。

(2)

可得k=11.789

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以PID算法中的比例環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，選用某公司具有較高響應(yīng)速度的DSPIC30F2010數(shù)字信號(hào)處理器[9]為控制核心進(jìn)行控制，控制流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)的主要功能是，通過(guò)壓力傳感器對(duì)過(guò)濾裝置輸入端口與輸出端口壓力進(jìn)行處理，得到兩端口壓力間的增量ΔP，同時(shí)通過(guò)比例反饋環(huán)節(jié)，按照比例系數(shù)k向補(bǔ)償系統(tǒng)中的比例換向閥輸入適當(dāng)強(qiáng)度的電流，使補(bǔ)償系統(tǒng)成比例釋放壓力，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

本文運(yùn)用AMEsim軟件[10]，通過(guò)繪制系統(tǒng)草圖、建立子模型、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行仿真4個(gè)環(huán)節(jié)，分別建立無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)與智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了相應(yīng)的特性曲線。

4.1 系統(tǒng)模型的建立

繪制系統(tǒng)草圖。分別從Signal、Control電子器件庫(kù)、Hydraulic液壓庫(kù)選取相應(yīng)的元件進(jìn)行系統(tǒng)草圖的繪制；建立子模型[11]，本系統(tǒng)所用元件均來(lái)自于AMEsim軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。為各個(gè)子模型設(shè)置參數(shù)，就是為子模型中的系數(shù)賦予具體的值[12]。運(yùn)行仿真，查看相應(yīng)元件仿真結(jié)果，繪制動(dòng)態(tài)曲線。

a)無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型

1)建立仿真模型，如圖4所示。

1—液壓馬達(dá)；2—電磁換向閥；3—過(guò)濾裝置；4—油箱；5—恒壓源；6—溢流閥；7—控制源；8—介質(zhì)屬性。

2)設(shè)定子模型參數(shù)，如表2所示。

表2 無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

3)工作過(guò)程

控制源7產(chǎn)生控制電流，電磁換向閥2換向，液壓系統(tǒng)工作，液壓馬達(dá)1轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)過(guò)濾裝置3工作，過(guò)濾液壓油，造成了一定的系統(tǒng)壓力損失。

b)智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型

1)建立仿真模型，如圖5所示。

1—液壓馬達(dá)；2—電磁換向閥；3、5—傳感器；4、11—過(guò)濾裝置；6—溢流閥；7、9—油箱；8、10—恒壓源；12—比例環(huán)節(jié)；13—比例換向閥；14—控制源；15—介質(zhì)屬性。

2)設(shè)定子模型參數(shù)，如表3所示。

表3 智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

3)工作過(guò)程

控制源14產(chǎn)生控制電流，電磁換向閥2換向，液壓系統(tǒng)工作，液壓馬達(dá)1轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)系統(tǒng)中的過(guò)濾裝置4過(guò)濾液壓油，同時(shí)過(guò)濾裝置11、輸入端口的傳感器5與輸出端口的傳感器3同時(shí)工作，完成壓力信號(hào)的采集與處理，在得到壓力變化的增量ΔP后，比例環(huán)節(jié)12工作，并按照預(yù)定算法向補(bǔ)償回路中的比例換向閥13輸入相應(yīng)比例的控制電流，使補(bǔ)償回路向系統(tǒng)成比例輸入壓力，進(jìn)而降低過(guò)濾裝置4造成的壓力損失。

4.2 系統(tǒng)仿真與分析

本文對(duì)無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)與智能補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

a)無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真

依據(jù)圖4中的仿真模型，按照表2中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的特性曲線，如圖6所示。

圖6 無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)的特性曲線

b)智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真

依據(jù)圖5中的仿真模型，按照表3中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的特性曲線，如圖7所示。

c)結(jié)果分析

依據(jù)a)與b)中的運(yùn)行結(jié)果，分別對(duì)無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)與智能補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。如圖6、圖7所示。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)際供給壓力0.528 1MPa低于系統(tǒng)所需的工作壓力0.6MPa。

圖7 智能補(bǔ)償系統(tǒng)的特性曲線

當(dāng)采用智能補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際供給壓力約為0.59MPa與系統(tǒng)所需的工作壓力0.6MPa基本相同。通過(guò)分析證明智能補(bǔ)償系統(tǒng)起到了較好的壓力補(bǔ)償效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了帶有過(guò)濾裝置液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，通過(guò)分析與仿真發(fā)現(xiàn)過(guò)濾裝置造成了一定的系統(tǒng)壓力損失。其次，針對(duì)壓力損失這一問(wèn)題，文中以比例換向閥、傳感器為硬件核心設(shè)計(jì)了一種具有比例反饋環(huán)節(jié)的智能補(bǔ)償回路，通過(guò)補(bǔ)償回路向工作系統(tǒng)成比例進(jìn)行壓力輸入，進(jìn)而達(dá)到壓力補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｗ詈螅訟MESim為手段搭建了無(wú)補(bǔ)償系統(tǒng)與智能補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真運(yùn)算，通過(guò)結(jié)果的對(duì)比分析，表明智能補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)過(guò)濾裝置所造成的壓力損失進(jìn)行了有效補(bǔ)償，保持了液壓系統(tǒng)所需壓力的穩(wěn)定供給，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。