二次调节控制系统设计及仿真研究.docx
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二次调节控制系统设计及仿真研究
第一章绪论
1.1课题背景
随着近年来能源价格的上涨和能源危机的出现，液压传动系统不仅要完成人们所需的功能，还要考虑到能源的最有效利用。
液压传动与机械传动、电气传动和气压传动相比，虽然具有运动平稳、无极调速、传递大推力和大扭矩、容易实现自动控制等优点，但其效率低的缺点大大诋毁了上述优点。
对于液压元件设计而言，主要是提高马达等执行元件的效率，降低元件的机械损失和容积损失。
经过几十年的努力，常用液压元件的优化设计已经到达了极限。
而在系统设计及其运行方式方面的节能潜力却很大。
传统的液压系统的特征是以“流量耦合”为标志，即泵与马达之间流量相等，外部负荷变化的主要反应是系统压力的波动。
传统系统马达输出转速受到泵流量的限制，负荷较高的机构则可能无法输出足够的转矩；小负荷元件上节流损失很大，系统的动态性能和稳定性收到影响。
鉴于传统“流量耦合”方式的缺点，在上世纪80年代兴起了二次调节的传动方式。
由于工作压力被保持在近似恒定的数值，从原级边通过并联回路输送给各个执行元件，原次级压力恒定，因而被称为“压力耦合”系统。
二次调节元件能工作在四个象限，调节方式为负载端排量调节，不仅能回收制动或者下降中的能量，而且还具有很好的动态特性。
二次调节惯性负载系统在工程机械以及工业领域都将会有很广阔的应用前景。
二次调节静液传动技术由于提供了能量回收和从新利用的可能性，在能源日益紧缺的今天，该系统的开发无疑具有巨大的社会价值和商业价值。
1.2二次调节技术发展现状
德国人H.W.Nikolaus教授与1977年在德国注册了静液传动二次调节控制的专利，并在1980年与Kordak在MannesmannRexroth公司建立了第一个试验台。
在此之后，许多研究机构都先后进行了很多卓有成效的研究，较为突出的是德国汉堡国防大学静液传动及控制实验室（LHAS）和德国亚深工业大学流体传动及控制研究所（RWTH）等。
专家们的不屑努力推动了二次调节技术的飞速发展，使得理论分析和实际研究不断深入，并生产出一系列产品，在造船、冶金、大型试验台、车辆传动等领域得到应用。
近几年来，国外二次调节技术在向产业化方向发展，德国汉堡大学与力士乐公司合作进行了实用性研究，把二次调节静液传动技术应用到多种机械设备的液压系统中，取得了显著的成果。
二次调节技术由于其特有节能方式被汽车混合动力系统采用，例如Eaton公司的并联液压混合动力系统，Parker公司的高级系列液压混合动力系统和Rexroth公司的混合动力系统等都在车辆上得到了广泛的应用并取得了很好的节能效果
目前，国内对二次调节静液传动技术进行了一定的研究，但是，将此技术应用到实际工程的研究方面与国外相比尚具有较大的距离。
1.3二次调节技术的应用
由于二次调节技术具有许多优点，别且伴随着理论分析和实际研究的不断深入，目前已经在大型试验台、车辆传动、造船工业、钢铁工业、工程机械等领域得到了成功应用。
第一套配有二次调节闭环控制的产品是鹿特丹欧洲联运装卸码头的无人驾驶集装箱转运车CT4；德国的科纳西山号海上浮油及化学品清污船的液压传动设备配备有二次调节反馈控制系统，这一系统可以使预选的撇沫泵和传输设备的转速保持恒定，而且不受传递介质年度变化引起的转矩负载变化的影响;日本东京工业大学开发出了采用二次调节技术的四轮驱动地貌勘探车辆的驱动系统；此外，二次调节技术也广泛应用于近海起重机的驱动、公共汽车的驱动装置和多种试验台中，来实现能量的回收利用，实现节能、加载及控制上的要求。
第二章系统原理图设计及计算选型
2.1系统原理图的设计
2.1.1二次调节的定义、特点及转速调节原理
（1）二次调节的定义
二次调节是区别于传统的一次元件（液压泵）的调节，直接对二次元件进行调节。
二次调节的基本原理是改变二次元件的排量来适应负载的变化，基本控制规律有三种，即转速控制、扭矩控制和恒功率控制。
本次课程设计我们主要研究的是转速控制。
（2）二次调节的特点
二次调节系统是由恒压网络组成的，是压力耦联系统，因此可在开式回路中驱动多个互不相关的负载，并且只需用按负载的平均功率之和设计安装泵站，这种回路功率损失小，负载间压力不会相互影响。
二次调节系统是以调节一个接在恒压网络中的变量马达的排量来调节马达轴上的动力扭矩，从而控制整个系统的功率，达到调速和调节扭矩的目的，因此二次调节系统可实现转速控制、扭矩控制和功率控制三种控制方式。
二次元件可工作在四个象限中，因此可在泵工况下利用蓄能器回收能量，以达到节能的目的。
（3）二次调节转速调节原理
如图2-1系统主要由二次元件，变量液压缸，电液伺服阀组成。
通过调节柱塞元件的斜盘倾角来适应外负载的转速的变化，直到变量缸两端达到平衡为止，通过二次元件自身的闭环反馈控制来实现。
2.1.2系统原理图
（1）初始原理图：
如图2-2为保证控制回路压力稳定，控制回路单独设置一个泵站供油，此外这样也可保证控制回路的油液清洁，防止伺服阀被堵塞。
主回路的油液回油箱前接一个背压阀，以减轻二次元件启动时产生的冲击。
主回路中的储能器用于回收制动过程中二次元件在泵工况工作时产生的能量，控制回路中的储能器主要用于吸收压力脉动，保证控制回路的压力稳定。
图2-1二次调节系统转速调节工作原理图
（2）中期原理图
如图2-3由于对力士乐二次元件的控制模块尚未开发，二次元件选用的是力源的A4VS0V/1.0R，采用主回路和控制回路共用一个泵供油，伺服阀要求回油压力为零，因此回油管路中不再接背压阀。
（3）最终原理图
如图2-4二次元件选用的是力士乐的A4VSO40DS1/1XW–PZB13N001Z，相比于国产二次元件，力士乐的产品中有一个作限速用的插装阀和电磁换向阀的组合，当负载转速过高时，电磁换向阀动作，切断二次元件的进油通道，防止过高转速对于二次元件的损坏，此外由于进油通道的堵塞，二次元件因为惯性会继续转动，此时便会产生吸空现象，因此在进油口与油箱之间加装了一个单向阀，使得电磁换向阀处于常位时压力油不直接回油箱，而当电磁换向阀得电进油口关闭时，二次元件可从油箱中补充油液，防止吸空。
此外，力士乐的二次元件内部在伺服阀前加装一个过滤器使得油液的清洁度得到了更好的保证。
图2-2系统初始原理图
图2-3系统中期原理图
图2-4系统最终原理图
2.2系统元件的选择
2.2.1已知元件参数
一、力士乐二次元件
1.二次调节元件（液压泵/马达）
型号：
A4VSO40DS1/1XW–PZB13N001Z，排量V=40mL/r
额定压力31.5MPa，控制油压范围：
15~31.5MPa。
2.电液伺服阀
型号：
4WS2EM10-5X/20B11ET在
ｐ＝70bar时的流量为Q=20L/min
则由
得
，即
伺服阀在工作压力为15MPa时的额定流量Qsv=30L/min。
3.过滤器
型号：
DFZBH/HC60QC10Y1X/V
4.插装阀
型号：
LC16B40D-7X
二、力源二次元件的组成：
1.二次调节元件
型号：
A4VS0V/1.0R，排量V=40mL/r
最高转速2600r/min，额定压力31.5MPa。
2.电液伺服阀
型号：
FF102-30，通径10mm，额定流量30L/min。
由以上参数可计算出各回路的流量：
；
（控制回路按照刹车系统要求需驱动三个二次元件来设计）；
2.2.2计算选型
一、主回路
1.泵
型号：
PCY63（启东市恒宇液压设备有限公司）
该泵为柱塞泵，排量63mL/r，额定压力31.5MPa，额定转速2600r/min。
2.电动机
型号：
Y3250M—4（佳木斯电动机样本P4）
实验要求转速达到1000r/min，因此选择额定转速为1500r/min；
因此额定功率为55kW的电动机足够。
3.过滤器
型号：
DFZBN/HC60QC10A1.0/－V（贺德克过滤器样本P196）
通流能力Q=2~3
=
=80L/min（高压油路取2倍）；
压力油路过滤器选择过滤精度为10μ,过滤器重5.9kg。
对从恒压泵输出油液进行过滤，防止伺服阀的堵塞。
4.管路
⑴低压油路
设流速v=1.5m/s；
内径
，取d=32mm；
壁厚δ
mm，取δ=4mm；
其中
式中
为钢的抗拉强度，n为安全系数，由于p=15Mp
，n=6；
则d=32mm，D=d+2δ=40mm，联接螺纹取M40。
⑵高压管路
设流速v=7m/s；
内径
，取d=15mm；
壁厚δ
，取δ=3.5mm；
则d=15mm，D=d+2δ=22mm，联接螺纹取M22
1.5。
5.截止阀
型号:
QJH－20NL（上海一控阀门有限公司）,公称压力315bar；
截止阀安装在主泵进入实验系统之前，为常开截止阀，当需对实验系统内部管路进行改接时将截止阀关闭，以防止管路中的油液喷出。
6.电磁溢流阀
型号：
DBW20B1-30B/315G24（华德样本）
此阀为板式安装的直流式电磁溢流阀，通径为20mm，最高调定压力为315bar。
其中的电磁换向阀为常开式，正常工作时，电磁铁得电，溢流阀起溢流作用，出现故障时，电磁铁失电，溢流阀变为卸荷阀，泵卸荷。
选用常开式电磁溢流阀可保证出现断电等故障时泵立即卸荷，以保证系统的安全。
7.单向阀
型号：
S30P0－10B（华德样本P9）
此阀为板式安装的无弹簧的单向阀，重量为2kg。
单向阀安装在恒压泵出口处，作用是防止二次元件在泵工况工作时油液回流至恒压泵。
8.背压阀
型号：
DZ6DP3－5X/75（力士乐样本P511）
此阀为内控内卸式顺序阀，最大调定压力为75bar，重量为1.2kg。
背压阀安装在二次元件的出口处，作用是减轻二次元件启动时产生的冲击。
9.蓄能器
型号：
NXQ1－25/315－L－A（四平）
选用皮囊式蓄能器，此蓄能器安装在二次元件之前，起到蓄能的作用。
蓄能器最低工作压力
=15MPa，由系统工作压力确定；
蓄能器最高工作压力
由α=
确定
目的是保证蓄能器工作期间变形不致很大造成皮囊的损坏
计算知
=16.7～18.75MPa，取
=17MPa。
皮囊充分时皮囊内有油液余量但又不应太大，为此应有
=（0.8～0.9）
计算知
=12～13.5MPa，取
=12MPa。
由气体状态方程有：
，由于系统工作压力低且流量不大，因此可按等温过程计算，此时n=1；
蓄能器吸收能量：
E=
①
负载的动能：
E=
②
两式联立得，
由气体状态方程得，
最后查样本选取公称容积为25L的高压蓄能器，其最高工作压力为315bar。
10.安全与截止阀块
型号：
SAF10M12N170C（贺德克蓄能器样本P90）
此处为改进意见，实验设备中此处实际为一截止阀，型号为AQF-L40H3-A。
安全阀的最高调定压力为170bar。
安全阀用来设定蓄能器的最高工作压力，常开截止阀用于保证拆装蓄能器时管路中的油液不会喷出，常闭截止阀用于蓄能器的卸荷，此安全与截止阀块使得蓄能器的卸荷可独立与系统单独进行，更加方便。
11.单向阀（最终实验用）
型号：
DIF-H10L（双峰）
此阀为管式安装的无弹簧的单向阀，通径为10mm。
安装在二次元件的进油口与油箱之间，但泵停止对二次元件供油时，由于惯性作用，二次元件继续转动，为防止二次元件吸空，在此处加上单向阀不仅可保证插装阀关闭时，二次元件可从回油管路中吸油，而且可以保证插装阀开启时二次元件从恒压泵正常吸油。
12.压力传感器
型号：
ZQ-BZ（湖南宇航）
输出电压0—10V，量程0—40MPa。
13.转速转矩仪
型号：
JN338—A（北京三晶）
转速量程5000r/min，转矩量程300Nm，输出电压0—3V。
二、控制回路（现有实验设备中没有，为以后进行的HRB系统研究设计）
1.泵
型号：
A7V.107.DR.1.R.Z.F.O.O华德样本P48）
由
得
该泵为斜轴式柱塞泵，排量107mL/r，额定压力35MPa，安全压力40MPa，控制方式为压力控制以确保系统压力恒定，作为恒压泵。
2.电动机
型号：
Y3200L—4（佳木斯电动机样本P4）
，因此选择额定功率为30kW。
3.过滤器
型号：
DFBN/HC160G10D1.0/－V（贺德克过滤器样本P95）
通流能力Q=2~3
=
=180L/min；
压力油路过滤器选择过滤精度为10μ；
为检测过滤器是否堵塞选择带有目视和电气污染发讯器的过滤器，以便在过滤器堵塞之时发出警报，停机后更换滤芯，报警压力设为5bar；
过滤器重14.5kg
4.管路
⑴低压油路
设流速v=1.5m/s；
内径
，取d=40mm；
壁厚δ
mm，取δ=5mm；
其中
，式中
为钢的抗拉强度，n为安全系数
由于p=15MPa
，n=6；
则d=40mm，D=d+2δ=50mm，联接螺纹取M50。
⑵高压管路
设流速v=7m/s；
内径
，取d=20mm；
壁厚δ
，取δ=4mm；
则d=20mm，D=d+2δ=28mm，联接螺纹取M27
2。
5.截止阀
型号：
Q11F－16P－
（黎明样本）
公称压力16bar，阀体为不锈钢，由低压油路的管径选择公称直径为
的螺纹；
截止阀安装在油箱与泵的入口之间，为常开截止阀，当需更换泵时将截止阀关闭，以防止管路中的油液喷出。
6.电磁溢流阀
型号：
DBW20B1-30B/315G24（华德样本）
7.单向阀
型号：
S30P0－10B（华德样本P9）（同主回路）
8.蓄能器
型号：
NXQ1－25/315－L－A（四平）
选用皮囊式蓄能器，此蓄能器安装在伺服阀之前，起到消除脉动的作用
由经验公式
得
其中q=30L/min，管路长度l=7m，阀由开到闭的时间t=0.03s，
=
=15MPa，充气压力
=
=15MPa
最后查样本选取公称容积为6.3L的高压蓄能器。
9.安全与截止阀块
型号：
SAF10M12N170C（贺德克蓄能器样本P90）
10.位移传感器
型号：
Fxg—BV71（福传）
输出电压0—10V，量程0—30mm。
三、冷却回路（现有实验设备中没有）
1.泵
型号：
A7V.40.MA.1.R.Z.F.O.O（华德样本P48）
由
得
该泵为斜轴式柱塞泵，排量40mL/r，额定压力35MPa，安全压力40MPa，控制方式为手动变量控制。
2.电动机
型号：
Y390L－4（佳木斯电动机样本P4）
P
=
1480W=1.48kW，选择额定功率为1.5kW；
n=
r/min，选择额定转速为1500r/min；
3.过滤器
型号：
LPFBN/NC280GE10D1X（贺德克过滤器样本P69）
滤芯型号：
O280G010BN3HC/—V
此过滤器的工作压力为5Mp，精度为10μ,带有目视和电气污染发讯器，报警压力为2bar，重量为3.4kg。
4.管路
由于冷却回路压力不高，因此全部管路按照低压回路计算
取v=3m/s，
内径
，取d=20mm；
壁厚δ
mm，取δ=4mm；
则d=20mm，D=d+2δ=28mm，联接螺纹取M27
2。
5.截止阀
型号：
Q11F－64P－
（黎明样本）
公称压力64bar，阀体为不锈钢，由低压油路的管径选择公称直径
为的螺纹；
两个截止阀安装在冷却器进出口分别与泵及油箱之间，为常开截止阀，当需更换冷却器时将截止阀关闭，以防止管路中的油液喷出。
6.溢流阀
型号：
DBDS10P1X/25（力士乐样本P315）
此阀为底板式的直动式溢流阀，通径为10mm，最大调定压力为25bar。
7.单向阀
型号：
S20A5（华德样本P5）
此阀为直接管路安装的带弹簧的单向阀，重量为1kg。
单向阀安装在冷却器出口与油箱之间，起背压阀的作用，防止泵起动时的冲击。
8.冷却器
型号：
四、其它附件
1.空气滤清器
型号：
QUQ1—10×0.4（黎明样本）
过滤精度为10μ，空气流量为0.4m2/min，安装在油箱上，防止空气中的杂质油液。
2.液位计
型号：
NYWX—30（黎明样本）
安装在油箱上，用于观测油液高度。
3.压力表
⑴高压回路（主回路及控制回路）：
YN—63—125（黎明样本）
表盘直径为63mm的径向压力表，量程为25Mp。
⑵低压回路（冷却回路）：
YN—63—110（黎明样本）
表盘直径为63mm的径向压力表，量程为10Mp。
4.测压装置
型号：
CY1—25—M14×1.5（黎明样本）
5.测压接头
型号：
KF—1/M14×1.5
2.3系统元件选型结果（如表2-5）
名称
型号
厂家
主回路柱塞泵
PCY63
恒宇
冷却回柱塞泵
A7V.40.MA.1.R.Z.F.O
黎明
主回路截止阀
Q11F-16P-1”½”
黎明
冷却回路截止阀
Q11F-16P-1”
黎明
主回路电机
Y3250M-4
佳木斯
冷却回路电机
Y390L-4
佳木斯
空气滤清器
QUQ1-10x0.4
黎明
温度计
WSSX-320
黎明
液位计
NYWX-30
黎明
主回路过滤器
ZUH250x10DFP
贺德克
截止阀
QJH-20NL
黎明
冷却回路溢流阀
DBDS10P1X/25
力士乐
冷却回路单向阀
S20A5
华德
冷却回路过滤器
LPFBN/NC280GE10C
贺德克
主回路过滤器
DFBN/HC160G5C1.1
贺德克
主回路先导式电磁溢流阀
DBW20B1-30B/315G24
华德
单向阀
S30P0-10B
华德
冷却器
2LQF6W
奉化
单向阀
AQF-L40H3-A
上海
一控
压力表
YN-63-125
黎明
主回路蓄能器
NXQ1-25/315-L-A
四平
过滤器
DFZBH/HC60QC10Y1X/V
贺德克
伺服阀
4WS2EM10-5X/20B11ET
力士乐
插装阀
LC16B40D-7X
力士乐
二次元件
A4VS0180DS1/1XW-PZB13
力士乐
转速转矩传感器
JN338-A
北京
三品
压力传感器
ZQ-BZ
湖南
宇航
测压装置
CY-1-2-M14X1.5
黎明
测压接头
KF-1/M14X1.5
华德
表2-5选型结果
第三章阀块、泵站的设计及图纸绘制
3.1阀块的设计
3.1.1阀块原理图
图3-1阀块设计原理图
3.1.2阀块二维图
图3-2阀块二维图
3.1.3阀块三维图
图3-3阀块三维图
3.2泵站的设计
3.2.1泵站原理图
图3-4泵站原理图
3.2.2泵站三维图
图3-5泵站三维图
第四章系统特性仿真及实验分析
4.1引言
仿真技术是以相似原理，系统技术信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型系统进行研究的一门多学科的综合性的技术。
系统仿真是根据被研究的实际系统的数学模型的方法，分析研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型的方法。
计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示，分析与验证等环节。
MATLAB仿真软件的出现使数值分析与应用进入了一个崭新的阶段，也为系统仿真技术提供了更实用、更方便的解决方法。
MATLAB/Simulink是一个强大的软件包，它的问世给液压系统的动态仿真计算提供了强大的工具，在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作进行仿真，就可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供参考。
其仿真结果是否可用，取决于数学模型正确与否，因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要符合实际。
仿真技术在本文的应用主要包括：
（1）通过机理建模方法建立二次调节惯性负载系统的数学模型。
Matlab7.0及其仿真软件包Simulink为工具，基于燕山大学二次调节实验平台确定仿真参数；建立Simulink仿真模型，对系统性能进行仿真分析，并与实验结果进行比较，验证数学模型的准确度。
（2）通过仿真实验研究，分析在二次调解负载系统中的伺服阀控制流量、变量液压缸位移、设定转速、系统压力等因素对系统控制精度的影响。
为二次调节惯性负载系统在实际的应用提供一定的理论基础。
4.2系统仿真参数及公式计算
4.2.1电液比例伺服阀
计算过程：
阶跃响应时间Tsv=
I=
由公式
给定参数
得
当t=0时，
4.2.2变量液压缸
（1）变量液压缸流量方程
计算过程：
给定参数活塞腔有效面积
缸内泄漏系数
活塞左右运动最大有效位移
缸总压缩容积
有效体积弹性模量
参数
（2）变量液压缸力平衡方程
给定参数活塞及负载折算到活塞活塞上的总质量
活塞及负载的粘性阻尼系数
负载弹簧刚度
作用在活塞上的任意外负载力
4.2.3二次元件
（1）二次元件排量方程
给定参数二次元件最大排量
活塞左右运动最大有效位移
（2）二次元件力矩平衡方程
给定参数马达工况到二次元件的总转动惯量
）
粘性阻尼系数
负载转矩
4.3系统仿真模型
本系统采用了PID控制器控制二次调节转速控制系统，建立了图4-1所示的控制转速系统仿真模型。
4.4仿真响应曲线
在已建立的数学模型和仿真模型的基础上，对二次调节惯性负载系统进行仿真分析，得到了图4-2负载转速曲线。
仿真条件：
系统压力Ps=15MPa,平稳运行转速n=500r/min
负载转速n（r/min）/响应时间t（s）
4.5实验分析
（1）实验目的
使学生们对所学过的液压传动系统和控制系统的相关知识进行必要的复习，并在实践中检验学生综合掌握，灵活运用的程度和效果，为毕业设计奠定基础。
图4-1系统仿真模型
图4-2负载转速仿真曲线
（2）实验设备
液压泵及其电机，二次元件，蓄能器，油箱及其附件，PC机，DSPACE数据采集器以及其它常用液压系统辅件。
（3）实验内容
①搭建二次元件转速控制液压系统，并连接电器控制部分；
②在PC机中搭建伺服阀控液压缸的模型，对二次元件中的控制油缸响应做实验研究；
③在PC机中搭建二次元件转速控制系统模型，对二次元件转速控制特性做实验研究。
（4）遇到问题及解决方法
初期：
为保证控制回路压力稳定，控制回路单独设置一个泵站供油，此外这样也可保证控制回路的油液清洁，防止伺服阀被堵塞。
主回路的油液回油箱前接一个背压阀，以减轻二次元件启动时产生的冲击。
主回路中的储能器用于回收制动过程中二次元件在泵工况工作时产生的能量，控制回路中的储能器主要用于吸收压力脉动，保证控制回路的压力稳定。
遇到问题：
实验室没有多余的泵可供使用，此外开始
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