江门蓬江杜阮吊车出租，蓬江棠下吊车出租，蓬江荷塘吊车出租     ♑  船无水难行，鸟无翅难飞   ♑      对吊车的分腔容积直驱系统回路原理和总压力控制原理的运行特性和可行性进行分析，在多学科联合仿真软件SimulationX中搭建液压系统，并根据设计的控制策略建立控制系统对变转速泵进行控制，进而对其位置回路特性、总压力回路特性及速度位置复合控制特性进行仿真分析。

        1仿真模型对于变转速泵控系统，伺服电机是其中重要的动力元件，而且控制信号是直接传递给电机的，故其响应特性对整个系统的特性有很大的影响。软件中自带的电机模型很多参数都为常数，具有一定的局限性，为使仿真更接近试验工况，根据伺服电机的工作原理重新搭建了伺服电机仿真模型。 为验证所搭建的伺服电机模型的可行性和动态响应特性，对电机模型做转速阶跃响应测试。给电机模型输入不同的转速阶跃信号，得到的电机响应曲线。  模型的阶跃响应时间约为100ms左右，在1600rpm信号下的响应时间设定速度小于100ms，最高转速2000rpm的响应时间约为115ms，转速输出稳态误差小于1rpm。因此所搭建的伺服电机模型的动态响应特性接近实际伺服电机的特性，表明所建模型的可行性，可用于建立分腔容积直驱系统仿真模型。 液压系统和控制系统的建立过程与前文所述类似，此处不再赘述，搭建完成的分腔容积直驱系统仿真模型。为使仿真结果更接近实际情况，各液压元件的主要参数都按照实验室现有的试验设备进行设置。 电机1伺服电机，最大转速2000rpm电机2伺服电机，最大转速2000rpm定量泵1定量泵，双向旋转，排量45cm3，泄漏设0.02(L/min)/bar定量泵2定量泵，双向旋转，排量28cm3，泄漏设0.01(L/min)/bar液压缸活塞直径63mm，活塞杆直径45mm，行程400mm，初始位置0mm溢流阀2个，设定压力20MPa仿真模型完成后，根据设计的控制策略，对该系统的总压力回路和位置回路的动态响应特性、抗干扰特性和速度位置复合控制特性进行仿真。

         2总压力回路特性,   为了能够对该伺服系统实现预压紧并使其具有与比例阀类似的功能，在位置环之外增加了总压力控制回路，保证两腔压力之和始终为定值。在实际的工作过程中，只有两腔总压力达到给定值以后，位置回路才能够正常工作。其工作过程的原理为，两腔压力和保持不变，当有位置运动指令或负载发生变化时，两腔的压力朝着相反的方向变化，一腔压力增加，另一腔压力减小，根据两腔压力的变化迅速建立压力差值以克服外负载或驱动液压缸运动。因此总压力控制回路可看做与位置回路互相独立的回路来分析。为得到总压力控制回路的动态响应特性，仿真得到总压力控制回路的压力阶跃响应特性。 当总压力控制回路收到总压力阶跃输入信号时，两泵的转速都朝着正向增加，泵刚起动时压力偏差较大，由于比例调节的作用，泵的转速较高，液压缸两腔压力迅速建立。在达到压力稳态后，由于积分调节的存在，使得两泵都存在一定较低的转速以补偿系统的泄漏流量，保证总压力控制的精度，且稳态时两泵的转速值与系统的泄漏量大小有关。如果泵的泄漏量较小，则只采用比例调节也能够使用，若泵的泄漏较大，则只采用比例调节会存在较大的稳态误差，为了增加控制精度，本文中采用的是比例积分调节器以控制总压力回路。

         3位置控制回路特性，根据前文分析，由于系统的阻尼比较小，故在本系统的位置控制回路中引入加速度反馈增加系统阻尼比以提高系统的稳定性。同时考虑其他一些非线性因素如温度等的影响，在位置控制回路中增加积分调节以提高控制精度。若积分调节始终起作用，则会导致运行过程中误差积分累积较大，从而使得稳态调节过程变得缓慢，故设定该积分调节器只有在位置误差在一定范围内是才开始工作，使其只在稳态调节过程中工作以消除静态误差，提高控制精度。系统位置控制回路在不同控制方法下位置阶跃响应特性，为便于比较，图中给出仅采用比例控制和加入加速度反馈两种控制方法的仿真结果。不同控制方法下位移和速度响应曲线，不同控制方法下两腔压力和总压力响应曲线。仅采用比例控制方法，通过调节合理的参数，能够使系统较快的到达稳态位置，系统的位置特性较好，但速度和压力曲线在接近稳态位置时产生了多次小幅度的波动，使得调节过程稳定性较差且调节时间加长。加入加速度反馈后，对系统的位置特性影响较小，但系统的速度特性有所改善，接近稳态时速度的波动次数及幅值都有所减小，且液压缸两腔压力都有较为明显的改善，系统的压力值都变化平稳，无明显波动。这证实了前面的理论分析，加入加速度反馈能增加系统阻尼比，提高系统运行稳定性。

       4位置回路抗干扰特性，对于位置控制回路，对负载力干扰的抵抗特性能够反应其系统刚度和稳定性，对负载力的干扰特性的研究通常是在系统稳定之后，通过加载系统给予一阶跃变化的负载力，分析其能否通过压力调节重新达到稳定并得到其稳态误差的变化值。首先通过位置回路控制液压缸运行至100mm的位置，达到稳态后，在6s时外负载力F发生一次阶跃变化，变化幅值为5MPa。根据液压缸两腔的压力响应曲线，系统按照总压力控制原理进行调节，在保持两腔压力和不变的前提下，无杆腔压力快速增加，有杆腔压力快速减小，迅速建立压力差以克服外负载力的变化，重新建立稳态，该过程与阀控缸系统的调节过程完全相同。其原因是在阀控缸系统中，伺服阀的两个节流口通过机械结构实现耦合，而此处分腔容积直驱系统中两泵的转速是通过总压力回路的控制信号实现耦合，但其工作原理与阀控缸系统工作原理相同。因此，液压缸两腔相当于液压弹簧，系统具有较高的负载刚度，能够抵抗外负载力的变化。由图可知，重新达到稳态后其静态值的变化约为0.8mm，影响这一变化值大小的因素为系统回路的压力增益和控制回路的比例增益。虽然增大比例增益能够提高系统的负载刚度和控制精度，但是却会降低系统的稳定性。系统的压力增益如前文分析，由系统的泄漏特性决定，一旦系统确定之后即无法改变，若希望通过增加压力增益来提高系统负载刚度，可以采用泄漏更小的泵来实现。

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         5速度位置复合控制特性，根据仿真结果及分析，所提出的总压力控制策略能够使分腔容积直驱系统实现如阀控缸系统一样的控制特性，且具有较高的负载刚度。给出的总压力回路之外的位置控制回路，能够使系统运行到给定的阶跃位置，响应速度较快且具有较高的定位精度，但是在位置控制系统中，只能对系统的位置进行控制，液压缸的运行速度是不可控的，这就使得系统在刚起动时产生很大的速度冲击，随着误差的减小，速度值又迅速减小，产生如图5-8（a）中所示的速度尖峰值，而两腔压力也同时会有很大的波动和振荡，系统的运行过程不平稳且可控性较差。为此采用速度和位置复合控制的方法，在总压力控制回路和位置回路的基础上，增加速度前馈控制方法。总压力控制回路保证系统的可运行性，对于运行特性，速度前馈回路起主要作用，位置反馈回路起补偿和调整的作用。为了使速度输入信号和位置输入信号具有同时性，因此首先根据运行目标设计期望运行速度曲线，对速度曲线进行积分得到期望位置曲线，则速度输入信号和位置输入信号进行耦合，同时控制液压缸按照期望轨迹运行。  根据以上设计的控制策略，对搭建的分腔容积直驱系统进行速度位置复合控制的响应特性仿真。设定期望的目标位置为200mm，最大运行速度为100mm/s，则课据此设计期望的运行轨迹，具体的曲线计算过程与期望运行轨迹的设计相同，此处不再赘述。根据得到的期望运行轨迹进行仿真，得到的位移和速度曲线。 运行中实际位移曲线与期望位移曲线基本重合，整个运行过程中位置误差最大时为1.5mm，定位时稳态误差约为0.7mm，由于此处位置回路仅采用了比例调节，若在定位过程中加入积分调节过程，则该稳态误差可更小。图中实际运行曲线与期望运行曲线的误差也较小，整个运行过程速度误差最大值为2.2mm/s，且在起动和减速时速度变化平稳，基本无波动和冲击，可以实现液压缸的平稳运行。为了对仅位置控制回路和速度位置复合控制回路的运行特性进行对比，给出两种控制方法下速度位移和两腔压力动态响应特性。

  

          采用仅位置闭环控制方式时，响应时间较快，运行至目标位置200mm的时间约为0.8s，通过调节合理的控制参数可平稳运行至稳态位置且无超调，但由于采用的是位置误差的比例控制，故启动时速度曲线有较大的尖峰值，正向速度最大值可达到690mm/s，反向速度最大值可达750mm/s，速度冲击较大且有可能超出系统的限值。从两腔压力曲线来看，启动时有杆腔压力迅速减小至0，接近目标位置时又迅速升高至接近20MPa，此时两腔压力和已超过设定的20MPa，已超出总压力控制回路的能力范围。经过约1.5s后两腔压力才逐渐平稳，两腔总压力稳定于设定的总压力值20MPa，总压力控制回路正常工作。由此可知，仅采用位置控制方法时，除位移曲线外，速度和压力曲线都处于难以控制的状态，速度和压力都有很大的冲击，经过约2s的时间系统才趋于稳态。而对于速度位置复合控制方法，根据期望的速度和位移目标，设计期望的速度曲线和位移曲线同时进行控制。由图可知，该方法下速度曲线和位移曲线都平稳变化，基本无速度冲击，从压力曲线来看，两腔压力基本保持稳定，无明显变化，总压力值保持设定值不变，表明系统时刻处于总压力回路的控制之下，并平稳实现运行目标，较仅采用位置控制方法的运行特性有了较大的改善。曲线中液压缸位移3s到达给定位置，是因为此处设计的目标为最大运行速度100mm/s，最大加速度为100mm/s2，故液压缸1s内加速至100mm/s，运行1s后再用1s减速至0mm/s，总运行时间为3s。但在实际应用中，可根据实际的运行速度要求和系统的最大加速度能力设计响应时间更快的目标曲线，以满足工作的响应时间要求，两腔压力的变化幅值会随着设定最大加速度值的增大而增加，但只要设定的最大加速度不超过系统所能提供的加速度限值，系统就仍处于总压力回路的控制之下，不会产生如前者方法中的压力冲击和波动。

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