劉　波

摘要:通過對建立進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行穩(wěn)定性判斷、仿真分析。同時(shí),通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與研究,并進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線和仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線比較分析,解決進(jìn)口節(jié)流調(diào)速在應(yīng)用中存在的問題,為教學(xué)科研提供平臺(tái)。

關(guān)鍵詞:進(jìn)口節(jié)流調(diào)速數(shù)學(xué)模型仿真實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著教育改革的逐步深入,如何培育具有創(chuàng)新精神的職業(yè)技術(shù)人才已經(jīng)成為職業(yè)技術(shù)院校面臨的熱點(diǎn)問題之一。專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)肩負(fù)著如何培育學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)造性思維的最直接、最重要的責(zé)任。于是,教育改革也就對專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高和更新的要求。因此本次畢業(yè)論文是根據(jù)自己的教學(xué)需要和所學(xué)專業(yè)的要求,對液壓進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)與研究。

1 建立進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的數(shù)學(xué)模型

1.1 進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的工作原理圖 這種調(diào)速回路將節(jié)流閥裝在液壓缸的進(jìn)油路上,即串聯(lián)在液壓泵和液壓缸之間,如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為了分析方便,作如下假設(shè):

系統(tǒng)供油壓力由溢流閥調(diào)節(jié)為恒定值,回油壓力為零,不考慮液流在管道中的損失和動(dòng)態(tài)特性,油的溫度和密度均為常數(shù)[18]。

1.2.1 液壓缸活塞的受力平衡方程

式中:P1(t)——液壓缸進(jìn)口壓力;

A1——液壓缸無桿腔活塞的有效面積;

m——運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量;

B——粘性摩擦阻尼系數(shù);

u(t)——活塞的運(yùn)動(dòng)速度;

F(t)——負(fù)載力。

1.2.2 系統(tǒng)的流量方程

式中:Q1(t)——液壓缸的進(jìn)口流量;

V——回路高壓腔總?cè)莘e;

K——油液體積彈性模量;

KL——液壓缸的泄漏系數(shù)。

1.2.3 節(jié)流閥的流量方程

QT(t)=Q1(t)=cAT[Pp-P1(t)]φ

式中:QT(t)——節(jié)流閥的流量;

c——節(jié)流系數(shù);

AT——節(jié)流閥的通流面積;

Pp、P1——節(jié)流閥進(jìn)、出口壓力;

φ——節(jié)流指數(shù),φ=。

將上式線性化并寫成增量表達(dá)式

式中:KQ=c(pp-p10)流量放大系數(shù);

Kp= cAT0(pp+p10)-壓力流量系數(shù);

p10——液壓缸進(jìn)口壓力穩(wěn)態(tài)值;

AT0——節(jié)流閥通流面積穩(wěn)態(tài)值。

1.2.4 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方塊圖

A1P1(s)=msU(s)+BU(s)+F(s)

Q1(s)=A1U(s)+sP1(s)+KLP1(s)

Q1(s)=KQAT(s)-KPP1(s)

即由上述三式畫出方塊圖,如圖2所示。

1.2.5 系統(tǒng)傳遞函數(shù)

①以AT(s)為輸入,U(s)為輸出,認(rèn)為F(s)=0的傳遞函數(shù)

KQAT(s)=A1U(s)+(s+KL+KP)P1(s)

由于F(s)=0,則: 帶入上式。

②以F(s)為輸入,U(s)為輸出,認(rèn)為AT(s)=0的傳遞函數(shù)

其中負(fù)號(hào)表示外負(fù)載力F增加時(shí),液壓缸的速度要降低。

2 進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路仿真

根據(jù)進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路的動(dòng)態(tài)方塊圖,在MATLAB的仿真狀態(tài)下建立Simulink模型,其模型如圖4所示。

2.1 以AT(s)為輸入,U(s)為輸出,認(rèn)為F(s)=0的仿真分析

2.1.1 階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)負(fù)載力F不變,節(jié)流閥的通流面積AT以階躍信號(hào)輸入時(shí),其階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

當(dāng)節(jié)流閥的通流面積AT突然增大時(shí),節(jié)流閥的流量QT逐漸增加,一直到達(dá)穩(wěn)定后,節(jié)流閥的流量QT才保持不變,因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加,而達(dá)穩(wěn)定后保持不變。

2.1.2 斜波響應(yīng)曲線 當(dāng)負(fù)載力F不變,節(jié)流閥的通流面積AT以斜波信號(hào)輸入時(shí),其斜波響應(yīng)曲線如圖6所示

當(dāng)節(jié)流閥的通流面積AT逐漸增大時(shí),節(jié)流閥的流量QT逐漸增加,進(jìn)入液壓缸的流量QT也逐漸增加,因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加。

2.2 以F(s)為輸入,U(s)為輸出,認(rèn)為AT(s)的仿真分析

2.2.1 階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)節(jié)流閥的通流面積AT不變,負(fù)載力F以階躍信號(hào)輸入時(shí),其階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

當(dāng)負(fù)載力F突然增大時(shí),節(jié)流閥的流量QT也突然減小,液壓缸活塞的速度u急劇下降,負(fù)載力F增加到穩(wěn)定時(shí),節(jié)流閥的流量QT也達(dá)到穩(wěn)定,液壓缸活塞的速度u也趨于穩(wěn)定。

2.2.2 斜波響應(yīng)曲線 當(dāng)節(jié)流閥的通流面積AT不變,負(fù)載力 F以斜波信號(hào)輸入時(shí),其斜波響應(yīng)曲線如圖8所示。

當(dāng)負(fù)載力F逐漸增大時(shí),節(jié)流閥的流量QT成反比例的減小。壓缸活塞的速度u成線性的、反比例的下降。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

4 液壓控制系統(tǒng)的組成及原理

4.1 控制檢測系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)控制檢測部分的組成為:計(jì)算機(jī)、A/D 和D/A數(shù)據(jù)采集集成板PCL-812PG、32路隔離數(shù)字量I/O卡PCL-730、壓力傳感器、速度傳感器。其組成及原理如圖10所示。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)的控制過程 在進(jìn)行進(jìn)口節(jié)流調(diào)速實(shí)驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和液壓泵的電動(dòng)機(jī),使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和液壓泵運(yùn)行,此時(shí)泵處于卸載狀態(tài);使三位四通換向閥的電磁鐵1DT通電、2DT斷電;二位二通換向閥的電磁鐵3DT通電、4DT斷電。液壓泵輸出的油液經(jīng)過進(jìn)口節(jié)流閥調(diào)節(jié)后,進(jìn)入工作液壓缸的左腔,右腔回油,液壓缸的活塞桿外伸,當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出加載指令控制信號(hào)時(shí),通過D/A轉(zhuǎn)換,經(jīng)放大,驅(qū)動(dòng)比例溢流閥加載,使加載液壓缸的右腔回油,左腔通過二位二通吸液閥進(jìn)油。通過速度傳感器測得工作液壓缸的活塞桿外伸速度(速度差)和壓力傳感器檢測工作液壓缸兩腔的壓力(壓力差),其輸出的速度(速度差)和壓力(壓力差)值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、放大后輸入到計(jì)算機(jī)中。從而檢測出進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路的動(dòng)態(tài)特性。使三位四通換向閥的電磁鐵1DT斷電、2DT通電;二位二通換向閥的電磁鐵4DT通電、3DT斷電。工作液壓缸的活塞桿快速縮回,此時(shí)比例溢流閥不加載。在停止實(shí)驗(yàn)時(shí),液壓泵又不停止工作,電磁鐵1DT和2DT斷電,使液壓泵卸荷。

4.3 系統(tǒng)的硬件框圖 根據(jù)液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和實(shí)驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件框圖如圖11所示。

4.4 系統(tǒng)軟件 液壓節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心,它包括系統(tǒng)人機(jī)界面模塊和數(shù)據(jù)處理模塊?？刂茖ο笥?個(gè)參數(shù),兩個(gè)檢測參數(shù)和一個(gè)控制參數(shù),并且系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高,同時(shí)為了方便試驗(yàn)人員操作,軟件設(shè)計(jì)采用Windows下可視化編程技術(shù)。

開發(fā)工具為National Instrument公司的虛擬儀器測控開發(fā)軟件:LabWindows/CVI。這個(gè)軟件是以C語言和Windows API為基礎(chǔ)建立起來的軟件開發(fā)工具。它繼承了Windows下多窗口、多任務(wù)和消息事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制等特點(diǎn),同時(shí)又具有自己開發(fā)的信號(hào)處理、圖形動(dòng)態(tài)顯示軟件包,是一個(gè)很好的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件開發(fā)平臺(tái)。此軟件完備的數(shù)字信號(hào)處理功能和多線程功能大大提高了工作效率,而且具有諸如PCL、GPIB、VXI、PXI等接口板卡的驅(qū)動(dòng)程序庫,這對于測控系統(tǒng)的硬件接口模塊的開發(fā)提供了很大幫助

4.5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 控制軟件主要由人機(jī)界面模塊和數(shù)據(jù)處理模塊這兩部分組成,軟件整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測量儀器可測得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在階躍信號(hào)和斜波信號(hào)的輸入情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。通過比例溢流閥加載可獲得進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖13、14所示;

6 結(jié)論

6.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線和仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線比較可知,兩種響應(yīng)曲線基本相符,但還存在區(qū)別。油液的有效容積彈性模量按常值進(jìn)行的仿真曲線要比實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線高一點(diǎn),這是由于液壓缸的調(diào)速系統(tǒng)可以等效為彈簧質(zhì)量系統(tǒng),油液的有效容積彈性模量愈大,系統(tǒng)的液壓彈簧剛度愈大,固有頻率也愈大,而實(shí)際上,在液壓力較低時(shí),油液的有效容積彈性模量較小的緣故。對于進(jìn)口節(jié)流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),當(dāng)外加負(fù)載突然改變時(shí),實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液壓缸活塞受力平衡狀態(tài)被破壞,速度急劇增加,產(chǎn)生“前沖”現(xiàn)象,同時(shí)進(jìn)油腔的壓力迅速下降,此時(shí)會(huì)引起一定的流量超調(diào),經(jīng)過一個(gè)短暫的過渡過程時(shí)間,速度經(jīng)幾次振蕩后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值。

6.2 構(gòu)建了完整的液壓進(jìn)口節(jié)流調(diào)速教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)快速方便的操作和控制。

6.3 控制軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW的監(jiān)控軟件,該系統(tǒng)具有界面友好,操作簡單,實(shí)時(shí)性好,可靠性高,結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。在液壓節(jié)流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性和可靠性。

6.4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相吻合,說明了理論分析的正確性,同時(shí)也表明本文所設(shè)計(jì)的液壓節(jié)流調(diào)速教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較重要的應(yīng)用價(jià)值。

6.5 在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)的教學(xué)和科研。

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