機械畢業(yè)設(shè)計43二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)

目錄 前言 . 1 1 緒論 . 2 1.1 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展 . 2 1.1.1 國外二次調(diào)節(jié)技術(shù)研究發(fā)展概況 . 2 1.1.2 國內(nèi)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展概況 . 2 1.2 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的應用 . 3 2 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理與特點 . 4 2.1 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理 . 4 2.2 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點 . 5 2.3 二次調(diào)節(jié)加載實驗臺組成 . 5 2.4 二次調(diào)節(jié) 模擬加載系統(tǒng)原理 . 5 3 二次元件前置級排量控制系統(tǒng) . 7 3.1 二次元件前置級排量控制系統(tǒng)建模 . 7 3.1.1 二次元件前置級排量控制系統(tǒng)的方塊圖模型 . 7 3.1.2 前置級排量控制系統(tǒng)方塊圖的簡化 . 9 3.2 驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的方塊圖模型 . 10 3.3 加載單元轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的方塊圖模型 . 14 3.4 整個二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)的方塊圖模型的建立 . 17 3.4.1 整個二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)的物理模型 . 17 3.4.2 系統(tǒng)參數(shù) . 19 4 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)仿真 . 21 4.1 前置級排量控制系統(tǒng)的仿真 . 21 4.1.1 前置級排量控制系統(tǒng)的頻域分析 . 21 4.1.2 前置級排量控制系統(tǒng)的時域分析 . 23 4.2 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分析 . 25 4.2.1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)時域分析 . 25 4.2.2 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)頻域分析 . 26 4.3 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)分析 . 28 4.3.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時域分析 . 28 4.3.2 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)頻域分析 . 29 5 結(jié)論 . 32 致謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 33 附錄 A 譯文 . 35 附錄 B 外文文獻 . 46 1 前言 近年來， 二次調(diào)節(jié)技術(shù)得到了飛快的發(fā)展和廣泛的應用。 我國在二次調(diào)節(jié)加載技術(shù)的理論與應用研究方面，取得了一些成果和進展，但還存在許多有待進一步研究解決的問題，例如：系統(tǒng)柔性問題 ， 同時還存在如系統(tǒng)阻尼等參數(shù)隨時間 和工況而變化的問題，它們對系統(tǒng)的動態(tài)和控制性能影響很大，須對它們進行深入的分析，并從控制方法上采取有效措施，對其進行補償。加載系統(tǒng)中存在 液壓耦合和機械耦合，這兩種耦合都將對系統(tǒng)的控制性能帶來不利的影響，須采取有效的方法，對系統(tǒng)進行 校正 。 基于 以上 某 些問題，本 次設(shè)計 主要研究 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)數(shù)學模型的建立； 首先 建立方塊圖 模型， 對前置級排量，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩 控制 系統(tǒng)進行仿真 ，找出 系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。這些問題的解決，對進一步完善二次調(diào)節(jié)加載技術(shù)的理論 、控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)與應用、加載系統(tǒng)的分析與設(shè)計等，具有重要的理論意義和實際應用價值。 由于時間和本人水平有限， 難免存在缺點和錯誤， 許多深入的問題還有待進一步研究，請老師批評指正。 2 1 緒論 1.1 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展 1.1.1 國外二次調(diào)節(jié)技術(shù)研究發(fā)展概況 二次調(diào)節(jié)技術(shù)經(jīng)過 20 多年的發(fā)展已逐漸成為一項成熟的技術(shù)。在能源短缺的大背景下，在工業(yè)企業(yè)對高效益的追求下，以節(jié)能為特點的液壓二次調(diào)節(jié)技術(shù)在加載系統(tǒng)中引起了足夠的重視、得到了更多的研究和應用。 它在諸如大型加載試驗臺、車輛傳動、造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，并表現(xiàn)出許多獨特的優(yōu)點。由于這項技術(shù)的成功利用，使得液壓技術(shù)向前推進了一大步。 1993 年， W.Backe 和 Ch.Koegl 又研究了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的 二次調(diào)節(jié)問題 16，其中包括對這種系統(tǒng)中兩個參數(shù)的解耦問題的研究。 1994 年， R.Kodak 先生研究了具有高動態(tài)特性的電液轉(zhuǎn)矩控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并在四輪驅(qū)動車上進行了實物試驗 17。目前在德國，這項技術(shù)已進入實用階段，在許多與液壓相關(guān)的領(lǐng)域獲得了成功利用。以力士樂公司為代表，在二次調(diào)節(jié)技術(shù)方面，具有多項專利技術(shù)，用于二次調(diào)節(jié)的二次元件和控制器等也有多種系列產(chǎn)品。 1.1.2 國內(nèi)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展概況 在國內(nèi)，從事二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究起步較晚，直到 20 世紀 80 年代末才開始這方面的研究。 1989 年，哈爾 濱工業(yè)大學的謝卓偉博士首先對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理及其機液，電液調(diào)速特性進行了理論分析，并于 1990 年在哈爾濱工業(yè)大學機械工程系液壓傳動與氣動實驗室內(nèi)的試驗臺上，用單片機組成閉環(huán)控制系統(tǒng)進行試驗研究，提出了用變結(jié)構(gòu) PID 控制算法來控制二次元件的轉(zhuǎn)速，并取得了一定的成果。 1992 年，蔣曉夏博士對二次元件的模型進行了一定的簡化 11，同時研究了用微機控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并引入了僅需要輸入輸出信號的二次調(diào)節(jié)全數(shù)字自適應控制系統(tǒng)。浙江大學的金力民等根據(jù)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學模型，研究了低速滯環(huán)問題，并采用非線性補償算法 來克服低速滯環(huán) 18。中國農(nóng)機研究所的閆雨良等也進行過二次元件調(diào)速特性的試驗研究，并且應用到遙控裝載機行走液壓傳動系統(tǒng)中 19。同濟大學范基等進行了二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能液壓實驗系統(tǒng)研究 20。 1995 年哈爾濱工業(yè)大學姜繼海等人采用智能 PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等方法，分別對轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)角控制的二次調(diào)節(jié)進行了研究 14,21。 1997 年，哈爾濱工業(yè)大學的田聯(lián)房博士在國內(nèi)首次 3 將二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于扭矩伺服加載技術(shù)中，并建立了二次調(diào)節(jié)加載試驗臺。同時，還進行了轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制以及它們之間解耦技術(shù)方面的研究， 并將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制引入二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，形成了神經(jīng)模糊 PID 控制方案。 1.2 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的應用 二次調(diào)節(jié) 技術(shù)在許多領(lǐng)域有廣泛的應用 ，例如： 1）回收性 能 在有位能變化的機械中，例如起重機械、搬運機械、卷揚機械、礦井提升機械以及索道機械等，利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)可以回收其位能。 2）回收慣性能 對于往復運動機械，在頻繁的啟動、制動過程中會產(chǎn)生和消耗許多慣性能，利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)，不僅可以儲存慣性能還可以在啟動時釋放所儲存的能量，以利于加速啟動，提高工作效率。市內(nèi)公共汽車、印刷機械、鍛壓機械、挖掘機、礦區(qū) 的采礦車等都是很好的應用領(lǐng)域。 3）試驗設(shè)備 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了具有可回收能量和重新利用的特點外， 其最突出的優(yōu)點在于它同數(shù)字控制的完美結(jié)合，可靈活方便地實現(xiàn)各種控制，使系統(tǒng)獲得相當高的動態(tài)性能，因而可利用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)來模擬各種復雜的旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，這種系統(tǒng)特別適用于各種旋轉(zhuǎn)試件的模擬加載、性能測試等試驗。 4 2 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理與特點 2.1 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 原理 二次調(diào)節(jié)加載 系統(tǒng)原理如圖 2-1 所示 23?？赡媸奖?/馬達元件 9（或 15）與電液伺服閥8（或 17） 、 變量液壓缸 7（或 16） 、 位移傳感器 6（或 18）等組合在一起，統(tǒng)稱為二次元件。電動機 1、恒壓變量泵 2、蓄能器 3、安全閥 4 及相應的管路等元件構(gòu)成恒壓網(wǎng)絡(luò)，為整個加載系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓動力源。元件 9 和 15 以壓力耦聯(lián)方式并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡(luò)上，兩元件機械端口之間通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 10、 13 以及加載對象 12 剛性地連接在一起。元件 9 為馬達工況，為加載系統(tǒng)提供所需的驅(qū) 動轉(zhuǎn)速，它同電液伺服閥 8、 變量液壓缸 、位移傳感器 6、轉(zhuǎn)速傳感器 10 和控制器 11 構(gòu)成轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。元件 15 為泵工況，實現(xiàn)對加載對象 12 的加載，它同電液伺服閥 17、 變量液壓缸 16、 位移傳感器 18、轉(zhuǎn)矩傳感器13 和控制器 14 構(gòu)成轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 2356 789101112131415161718E14轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1電動機 2恒壓變量泵 3蓄能器 4安全閥 5油箱 6,18位移傳感器 7,16變量液壓缸 8,17電液伺服閥 9,15可逆式泵 /馬達元件 10轉(zhuǎn)速傳感器 11,14控制器 12加載對象 13轉(zhuǎn)矩傳感器 圖 2-1 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理 Fig.2-1 Principle diagram of loading system with secondary regulation 在該加載系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)為典型的電液伺服系統(tǒng)，二者相互獨立，可分別進行調(diào)節(jié)，以滿足加載系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的不同要求。系統(tǒng)工作時，由控制器11和 14分別向電液伺服閥 8和 17發(fā)出電信號，通過閥控缸機構(gòu)（前置級排量控制）改變元件 9 和 15 的斜盤擺角，從而使其排量發(fā)生 變化，以適應外負載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化。另外，當系統(tǒng)進行工作時，元件 9（馬達）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機械能來驅(qū)動加載對象 12和元件 15（泵），實現(xiàn)加載，元件 15（泵）將機械能轉(zhuǎn)換成液壓能后又直接回饋給恒壓網(wǎng)絡(luò)，重新用來驅(qū)動元件 9（馬達），在元件 9（馬達）和元件 15（泵）之間形成閉式循環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械 5 損失，而驅(qū)動元件 9（馬達）所需的大部分能量都來自元件 15（泵）。此外，在該加載系統(tǒng)中，沒有節(jié)流元件，因而避免了節(jié)流損失。由此可見，該加載系統(tǒng)在工作中不僅減少 系統(tǒng)發(fā)熱，而且還可以達到節(jié)能目的。 2.2 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 特點 同傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)相比， 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)有如下一些特點 17,24： 1) 多個二次元件可聯(lián)合工作于一個恒壓網(wǎng)絡(luò)上，每一二次元件可單獨進行調(diào)節(jié)，且既能工作于泵工況，又能工作于馬達工況，因此可方便地實現(xiàn)驅(qū)動和加載功能的互換。 2) 通過對二次元件斜盤擺角的自動調(diào)節(jié)，可靈活方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的計算 機數(shù)字控制，系統(tǒng)靜動態(tài)性能好。 3) 可實現(xiàn)能量回收、儲存和重新利用，系統(tǒng)效率高。 2.3 二次調(diào)節(jié) 加載 實驗臺組成 加載試驗臺如圖 2-2 所示 ,驅(qū) 動單元主要由兩個 Rexroth 公司的 A4VSO250 型軸向柱塞元件串聯(lián)而成的雙聯(lián)二次元件、兩個彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和 驅(qū)動 變速器組成，該單元用來 模擬車輛發(fā)動機驅(qū)動軸動力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器等構(gòu)成驅(qū)動轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；二次輸出加載單元主要由雙聯(lián)二次元件、兩個彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和三檔二 次輸出變速器組成，該單元 用來對車輛傳動橋二次輸出端進行加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式，它們同各相應的轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器構(gòu)成 加載 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 傳動橋變 速 器二 次 輸 出變 速 器驅(qū) 動二 次 元 件雙 聯(lián)二 次 元 件雙 聯(lián)1 23驅(qū) 動 模 擬 單 元 二 次 輸 出 加 載 單 元1 彈性聯(lián)軸器 2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳 感器 3 齒輪聯(lián) 圖 2-2 加載試驗臺組成 Fig. 2 -2 component of loading test 2.4 二次調(diào)節(jié) 模擬加載系統(tǒng) 原理 圖 2-3 為 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)的原理圖。由圖可見， 兩 套二次元件的液壓端口共同并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡(luò)上，機械端口通過各轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、彈性聯(lián)軸器、變速器、加載 試件 輪橋等連接在一起。二次元件 1 工作于馬達工況，用來模擬車輛發(fā)動機驅(qū)動軸動力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器 1 等構(gòu)成驅(qū)動轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；二次元件 2 工作于泵工況，分別用來對車輛傳 6 動橋二次輸出端進行加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式，它們同各相應 的轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器分別構(gòu)成 加載 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速 控制系統(tǒng)。在各轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由對應于各二次元件的電液伺服閥、變量液壓缸、位移傳感器 LVDT 構(gòu)成前置級排量控制回路，再加上相應的二次元件、轉(zhuǎn)速 傳 感器或轉(zhuǎn)矩傳感器，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速控制回路或轉(zhuǎn)矩控制回路。 當系統(tǒng)進行工作時，二次元件 1（馬達）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機械能來驅(qū)動加載對象輪橋和二次元件 2（泵），實現(xiàn)模擬加載。同時，二次元件 2（泵）將機械能轉(zhuǎn)換成液壓能后又直接回饋給恒壓網(wǎng)絡(luò)，重新用來驅(qū)動二次元件 1（馬達），在二次元件 1（馬達）和二次元件 2（泵）之間，功率流形成閉式循環(huán)。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械損失，而驅(qū)動二次元件 1（馬達）所需的大部分能量都來自二次元件 2（泵）。因此，該加載系統(tǒng)實現(xiàn)了能量回收與利用，系統(tǒng)效率高。 二次元件2驅(qū)動變速器轉(zhuǎn)速傳感器二次變速器轉(zhuǎn)矩傳感器USUS電液伺服閥2電液伺服閥1恒壓網(wǎng)絡(luò)恒壓變量泵蓄能器控制器1二次元件1控制器2變量液壓缸2變量液壓缸1LVDT1 LVDT2試件圖 2-3 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng) Fig. 2 -3 secondary regulation Loading System 7 3 二次元件前置級排量控制系統(tǒng) 3.1 二次元件前置級排量控制 系統(tǒng) 建模 3.1.1 二次 元件前置級排量控制 系統(tǒng)的方塊圖模型 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)所用核心部件為 Rexroth 公司的 A4VSO250 DS 型二次元件，其實物及原理分別如圖 3-1 a）、 b）所示。它由可逆式軸向柱塞泵 /馬達單元、電液伺服閥、變量油缸、安全保護閥、位移傳感器（ LVDT）、濾油器以及防氣蝕單向閥等組成。 如前所述， 二次元件用作馬達時，其控制方式為轉(zhuǎn)速控制；用作泵時，其控制方式為轉(zhuǎn)矩控制，但兩種控制方式的前置級排量控制（內(nèi)環(huán)）是相同的，都是由電液伺服閥、變量液壓缸、位移傳感器 LVDT 構(gòu)成的。由圖 3-1 b）可見，前置級排量控制回 路就是對稱伺服閥控制對稱液壓缸回路，下面分別列寫出該回路各元件的數(shù)學模型。 B8S54763219a) b) 1-軸向柱塞單元 2-變量液壓缸 3-電液伺服閥 4-安全保護閥 5-濾油器 6-位移傳感器 7-碼盤 8-防氣蝕單向閥 9-二位三通電磁閥 B-高壓油口 S-低壓油口 圖 3-1 A4VSO250DS 型二次元件實物及原理圖 Fig.3-1Picture and principle diagram of A4VSO250DS type secondary unit 電液伺服閥的傳遞函數(shù)通常用二階振蕩環(huán)節(jié)表示 98， 即 12)()()(22swsK v isV v isQ v isWv ivivi(3-1) 如果系統(tǒng)的頻寬較低時，伺服閥的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，即 )(sWvi=1sTKvivi(3-2) 當系統(tǒng)的頻寬遠小于伺服閥的固有頻率時，伺服閥的傳遞函數(shù)可近似為比例環(huán)節(jié)，即 )(sWvi=viK(3-3) 8 式中 )(sQvi 第 i 個二次元件電液伺服閥的輸出流量 (m3/s)； )(sVvi 第 i 個二次元件電液伺服閥的輸入電壓 (v)； vi 第 i 個二次元件電液伺服閥的固有頻率 (rad/s)； vi 第 i 個二次元件電液伺服閥的阻尼比； viK 第 i 個二次元件電液伺服閥的流量增益 (m3/s)/v)； viT 第 i 個二次元件電液伺服閥的時間常數(shù) (s)； i 二次元件序號 , i =1,2 分別對應于驅(qū)動加載二次元件。 變量液壓缸的流量連續(xù)性方程為 viq=dtdPVPCdtdyA LietiLitiigi 4(3-4) 式中 viq 變量液壓缸的流量 (m3/s)； iy 變量液壓缸活塞的位移 (m)； giA 變量液壓缸的有效作用面積 (m2)； tiC 變量液壓缸的泄漏系數(shù) (m3/s)/Pa)； tiV 變量液壓缸兩腔的總?cè)莘e (m3)； e 液壓油的體積彈性模量 (N/m2)。 變量液壓缸的力平衡方程為 LigiPA=iiiiciii FyKdtdyBdt ydm 22 (3-5) 式中 im 變量液壓缸活塞與斜盤等的等效質(zhì)量 (kg)； ciB 變量液壓缸的阻尼系數(shù) (N/(m/s)； iF 作用于變量液壓缸活 塞上的外負載力 (N)； iK 負載的彈簧 剛度 (N/m)，沒有彈性負載時，iK=0。 位移傳感器視為比例環(huán)節(jié) ,其傳遞函數(shù)為 9 yiKsG )(3-6) 對式 (3-4)、式 (3-5)進行拉氏變換得 )(sQvi = LietiLiitigi sPVPCsYA 4(3-7) LigiPA=iiiiciii FYKsYBYsm 2(3-8) 由式 (3-1)、式 (3-6)、式 (3-7)和式 (3-8)，可畫出前置級排量控制即閥控缸的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 3-2 所示。由圖可見，輸入的是電壓量，輸出的是液壓缸的位移，經(jīng)過一套連桿機構(gòu)，將液壓缸的位移轉(zhuǎn)換為可逆式泵 /馬達元件的斜盤擺角，因此將排量控制也稱為擺角控制 。 -viV viQ iYicii KsBsm 21iUtietigiCsVA4iF- 1222 ssKvivivivisA giyiK 圖 3-2 前置級 排量控制方塊圖 Fig.3-2 Block diagram of prestage displacement control 3.1.2 前置級排量控制 系統(tǒng) 方塊圖 的簡化 對于 如 圖 3-2 所示的前置級 排量控制模型方塊圖， 若 忽略 作用于變量液壓缸活塞上的外 負載力iF，則可得電液伺服閥輸出流量對活塞位移的傳遞函數(shù)為 )()()(sQsYsGiigi (3-9) 式中的參數(shù)tigi CA /2為主要由變量液壓缸泄漏產(chǎn)生的系數(shù)，其值一般都比ciB大得多，因此2/ gitici ACB 項與 1 相比可忽略不計25。另外，本前置級排量控制中的彈性負載較小，可認為iK 0。于是式 (3-1)可簡化為 )()()(sQsYsGiigi )121(/122 sssAgigigigi(3-10) 10 itigiegi mVA 24 (3-11) ietigicitiiegitigi mVABV mAC 4(3-12) 式中 gi 第 i 個變量液壓缸的固有頻率 (rad/s)； gi 第 i 個變量液壓缸的阻尼比； 若ciB小到可以忽略不計時，則gi可用下式表示 tiiegitigi VmAC (3-13) 在本系統(tǒng)中，變量液壓缸的活塞有效作 用面積giA較大，有效容積tiV和活塞質(zhì)量im都較小，由式 (3-11)可知，變量液壓缸的固有頻率很高，同固有頻率相對較低的伺服閥相比，可將其二階振蕩環(huán)節(jié)略去 ，于是變量液壓缸可簡化為一個積分環(huán)節(jié)。電液伺服閥作為二階振蕩環(huán)節(jié)來考慮，則前置級排量控制方塊圖如圖 3-3 所示 。 viVviQiYiUsAgi1-yiK12122 ssKvivivivi圖 3-3 前置級排量控制簡化方塊圖 Fig. 3-3 Simplified block diagram of prestage displacement control 3.2 驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制 系統(tǒng) 的方塊圖模型 二次 加載系統(tǒng)驅(qū)動單元的組成如 圖 3-4 a) 所示，它包括雙聯(lián)驅(qū)動二次元件、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動變速器以及齒輪聯(lián)軸器等。驅(qū)動 單元物理模型如圖 3-4 b）所示， 下面分別列出它們的有關(guān)方程。 11 S 1 輪 橋tM 111JR 1M1 1ZM1Z 1ZJ 1M 1Z 1bM 1b 1bJ 1bR 1qM1q 2qM 2q 4qM 3qM11LK 12LK輪橋彈 性 聯(lián) 軸 器11L轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 1Z 驅(qū) 動 變 速 器 1B齒 輪 聯(lián) 軸 器1C二 次 元 件雙 聯(lián) 驅(qū) 動 1S彈 性 聯(lián) 軸 器12L 二次輸出左 輪 邊 （ 一 次 輸 出 ）右 輪 邊 （ 一 次 輸 出 ）a )b )二次加載系統(tǒng)驅(qū)動單元的組成如圖 3-4 a) 驅(qū)動單元物理模型如圖 3-4 b） Fig. 3 -4 a) Second-driven loading system component modules Fig. 3 -4 b) Driver modules physical model 二次元件排量方程為 iV iiiiii VyyV m axm axm axm ax (3-14) 并有如下關(guān)系式 ii yK (3-15) 式中 iV 二次元件的排量 (m3/rad)； maxiV 二次元件的最大排量 (m3/rad)； i 二次元件變量斜盤的擺角 (deg)； maxi 二次元件變量斜盤的最大擺角 (deg)； iy 二次元件變量液壓缸活塞的位移 (m)； maxiy 二次元件變量液壓缸活塞的最大位移 (m)； K 變量液壓缸活塞位移對斜盤擺角的變換系數(shù) (deg/m)。 腳標 i 是二次元件的序號，此處指的是驅(qū)動單元二次元件，故應取 i =1。 雙聯(lián) 驅(qū)動二次元件 1S 的力矩平衡方程為 12 MdtdRdtdJVPM t 112 121111 2 (3-16) 式中 tM1 二次元件的理論輸出轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 1M 二次元件的實際輸出轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 1J 二次元件轉(zhuǎn)動件和彈性聯(lián)軸器 11L 輸入軸的等效轉(zhuǎn)動慣量 (kgm2)； 1R 二次元件的等效阻尼系數(shù) (Nm/(rad/s)； 1 二次元件的轉(zhuǎn)角 (rad)； 1P 二次元件的進出油口壓差 (N/m2)； 1V 二次元件的排量 (m3 /rad)。 彈性聯(lián)軸器 11L 的力矩平衡方程為 )( 11111 ZLKM (3-17) 式中 11LK 彈性聯(lián)軸器 11L 的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù) (Nm/rad)； 1Z 彈性聯(lián)軸器 11L 的輸出軸轉(zhuǎn)角 (rad)。 轉(zhuǎn)速傳感器 1Z 的力矩平衡方程為 12 1211 =M ZZZ MdtdJ (3-18) 式中 1ZM 轉(zhuǎn)速傳感器 1Z 的輸出軸轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 1ZJ 彈性聯(lián)軸器 11L 輸出軸、轉(zhuǎn)速傳感器和彈性聯(lián)軸器 12L 輸入軸的轉(zhuǎn)動慣量之和 (kgm2)。 轉(zhuǎn)速傳感器視為比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 1)( SKsG (3-19) 式中 1SK 轉(zhuǎn)速傳感器 1Z 的變換系數(shù) V/(rad/s)。 彈性聯(lián)軸器 12L 的力矩平衡方程為 1ZM )( 11121 bzLb KM (3-20) 13 式中 1bM 驅(qū)動變速器 1B 的輸入軸轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 12LK 彈性聯(lián)軸器 12L 的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù) (Nm/rad)； 1b 驅(qū)動變速器 1B 的輸入軸轉(zhuǎn)角 (rad)。 驅(qū)動變速器 1B 及齒輪聯(lián)軸器 1C 的力矩平衡方程為 1bM=11112 1211qbbbbb MidtdRdtdJ (3-21) 1b=11 qbi (3-22) 式中 1qM 輪 橋輸入軸轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 1q 輪橋輸入軸轉(zhuǎn)角 (rad)； 1bi 驅(qū)動變速器 1B 的總傳動比； 1bJ 彈性聯(lián)軸器 12L 輸出軸、驅(qū)動變速器 1B 、齒輪聯(lián)軸器 1C (包括輪橋輸入加載軸 )的等效轉(zhuǎn)動慣量 (向驅(qū)動變速器 1B 輸入軸等效 )(kgm2)； 1bR 變速器 1B 及齒輪聯(lián)軸器 1C 的等效阻尼系數(shù) (Nm/(rad/s)。 對式 (3-14)式 (3-18)和式 (3-20)式 (3-22)進 行拉氏變換得 iiiiVV maxmax(3-23) ii yK (3-24) 112 VP = 111121 MsRsJ (3-25) )( 1111 zLKM (3-26) 11211 ZZZ MsJM (3-27) )( 11111 bZLbZ KMM (3-28) 111112111qbbbbbb MisRsJM (3-29) 111 qbb i (3-30) 14 由式 (3-19)、式 (3-23)式 (3-30)和 前置級排量控制方塊圖，可以畫出驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（至輪橋輸入端）的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 3-5 所示。圖中的閥控缸為前置級排量控制， KL11 和 KL12 表示兩個柔性環(huán)節(jié)彈性聯(lián)軸器的影響。 11bqiMm ax1m ax112VP 211sJ Z11LK 12LK1M 1ZM1 1q1SK 11 1 RsJ sRsJ bb 121 11ZKP I D 閥 控 缸i1 s1 1b11bi圖 3-5 驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖 Fig.3-5 Block diagram of drive unit speed control system 參照圖 3-5 所示的驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖，前置級排量控制 系統(tǒng) 采用圖 3-3 所示的方塊圖模型，忽略加載系統(tǒng)中各彈性聯(lián)軸器的柔性和液壓管路的阻力損失，并將所有機械件的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼向驅(qū)動二次元件輸出軸進行等效，最后得到驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的簡化方塊圖，如圖 3-6 所示。 )( 11 bq iMm ax1m ax112 VP1SK 111RsJ1前 置 級排 量 控 制i1 o11U 1Y LM外 環(huán)控 制 器圖 3-6 驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)簡化方塊圖 Fig. 3-6 Simplified block diagram of drive unit speed control system 3.3 加載單元轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng) 的方塊圖模型 輪橋加載單元包括二次輸出加載單元 、左輪邊加載單元和右輪邊加載單元，二次輸出加載單元采用雙聯(lián)二次元件進行加載 ， 下面分別建立它們的數(shù)學模型。 （ 1）二次輸出加載單元轉(zhuǎn)矩控制的方塊圖模型 如圖 3-7 a）所示，二次輸出加載單元由雙聯(lián)加載二次元件、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩傳感器、二次輸出變速器及齒輪聯(lián)軸器等組成，其物理模型如圖 3-7 b）所示。 15 右輪邊（一次輸出）左輪邊（一次輸出）輪橋齒輪聯(lián)軸器2C彈性聯(lián)軸器21L彈性聯(lián)軸器22L功率輸入轉(zhuǎn)矩傳感器2Z二次元件雙聯(lián)加載2S2B變速器二次輸出輪橋 S 21qM1q2qM2q2bJ2bR2bM2b21LK22LK2zM2Z2ZJ2M2Z2M22J2RtM223qM 4q4qM 3qa )b )圖 3-7 二次輸出加載單元組成與物理模型 Fig.3-7 Constitution and physical model of secondary output loading unit 二次輸出變 速器 2B 和齒輪聯(lián)軸器 2C 的力矩平衡方程為 22222 2222 bbqbqbq MidtdRdtdJM (3-31) 2221bbq i (3-32) 式中 2qM 輪橋二次輸出軸轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 2bM 二次輸出變速器 2B 的輸出軸 (彈性聯(lián)軸器 21L 輸入軸 )轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 2bi 二次輸出變速器 2B 的總傳動比； 2bJ 齒輪聯(lián)軸器 2C (包括二次輸出加載軸 )、二橋變速器 2B 和彈性聯(lián)軸器 21L 輸入軸的等效轉(zhuǎn)動慣量 (向二次輸出變速器 2B 的輸入軸等效 ) (kgm2)； 2q 輪橋二次輸出軸轉(zhuǎn)角 (rad)； 2bR 齒輪聯(lián)軸器 2C 、二次輸出變速器 2B 和彈性聯(lián)軸器 21L 的等效阻尼系數(shù)(Nm/(rad/s)； 2b 二次輸出變速器 2B 的輸出軸 (彈性聯(lián)軸器 21L 的輸入軸 )轉(zhuǎn)角 (rad)。 彈性聯(lián)軸器 21L 的力矩平衡方程為 16 2bM= 2ZM = )(2221 ZbLK (3-33) 式中 21LK 彈性聯(lián)軸器 21L 的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù) (Nm/rad)； 2Z 彈性聯(lián)軸器 21L 的輸出軸轉(zhuǎn)角 (rad)； 2ZM 轉(zhuǎn)矩傳感器2Z 的輸入軸轉(zhuǎn)矩 (Nm)。 轉(zhuǎn)矩傳感器 2Z 的力矩平衡方程為 22 2222 MdtdJM zZZ (3-34) 式中 2M 轉(zhuǎn)矩傳感器 2Z 的輸出軸轉(zhuǎn)矩，也是雙聯(lián)二次元件 2S 的實際輸入轉(zhuǎn)矩(Nm)； 2ZJ 轉(zhuǎn)矩傳感器 2Z 的轉(zhuǎn)動慣量 (kgm2)。 彈性聯(lián)軸器 22L 的力矩平衡方程為 )( 22222 ZLKM (3-35) 式中 2 雙聯(lián)二次元件 2S 的輸入軸轉(zhuǎn)角 (rad)。 二次輸出單元二次元件 2S 的力矩平衡方程為 2M = dtdRdtdJVP 222 222222 (3-36) 式中 2P 二次 元件 2S 的進出油口壓差 (N/m2)； 2V 二次元件 2S 的排量 (m3/rad )； 2J 二次元件 2S 的轉(zhuǎn)動件、輸入軸及彈性聯(lián)軸器 21L 輸出軸的等效轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)； 2R 二次元件 2S 的阻尼系數(shù) (N m /(r ad/s)。 轉(zhuǎn)矩傳感器視為比例環(huán)節(jié)、其傳遞函數(shù)為 2)( MKsG (3-37) 式中 2MK 轉(zhuǎn)矩傳感器 2Z 的變換系數(shù) (V/( N m )。 17 對式 (3-31)式 (3-36)進行拉氏變換得 222 bbq iMM =22222 qbqb sRsJ (3-38) 2221bbq i (3-39) )( 22222 zbLZb KMM (3-40) 22 2222 MdtdJM zZZ (3-41) 2M = )(222 ZLK (3-42) 2M = 22222222 sRsJVP (3-43) 由式 (3-37)式 (3-43)以及前置級排量控制方塊圖，可以畫出二次輸出加載單元轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 3-8 所示。 sRsJ 22212bi2b2Z2qM2bM2M22Y2MK21LK22LKiM 2221sJZPID 閥控缸sRsJbb 22212bim a x2m a x222YVPK圖 3-8 二次輸出加載單元轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方塊圖 Fig.3-8 Block diagram of torque control system of secondary output loading unit 3.4 整個 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng) 的方塊圖模型 的建立 3.4.1 整個 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)的物理模型 整個 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)的物理模型 如圖 3-9 所示，它由前述加載對象輪橋、驅(qū)動及加載各單元的物理模型綜合而成。在建立加載對象輪橋數(shù)學模型時，沒有考慮彈性環(huán)節(jié)，而且傳動橋與各個變速器的連接也認為是剛性的，所以輪橋與各個變速器是一個不可分的整體，要建立其數(shù)學模型，需將它們的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼向驅(qū)動變速器的輸入軸等效。另外，通過對驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制方塊圖的分析可知，驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)矩由負載決定，負載轉(zhuǎn)速由驅(qū)動轉(zhuǎn)速決定，所以還應推導出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩1bM與負載轉(zhuǎn)矩2bM之間、負載轉(zhuǎn)速2b與驅(qū)動轉(zhuǎn)速1b之間的對應關(guān)系。 18 S 1 輪 橋tM 11 1JR 1M 11LK 1ZM1Z 1ZJ 1M 12LK 1bM 1b 1bJ 1bR q 2qM 2q 2bJ 2bR 2bM 2b 21LK 22LK 2ZM 2Z 2ZJ 2MZ 2M 2JR tM 221qM1Z驅(qū) 動 模 擬 單 元二 次 輸 出 加 載 單 元圖 3-9 整個二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)的物理模型 Fig. 3 -9 entire loading system with secondary regulation of the physical model 由式 (3-21)、式 (3-22)、式 (3-38)、式 (3-39) 可得 4414331321211111 bxqbbbxqbbbbbbbbbb Miii iMiii iMiiRJM (3-44) 2 422 142 322 132 122 111 xqbbxqbbbbbqbb iiiJiiiJiJiJJJ (3-45) 2 422 142 322 132 122 111 xqbbxqbbbbbqbb iiiRiiiRiRiRRR (3-46) 1122bbbb ii (3-47) 31133xqbbbb iiii (3-48) 41143xqbbbb iiii (3-49) 式中 *1bJ 各變速器、輪橋及它們之間連接件在驅(qū)動變速器輸入軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 (kgm2)； *1bR 各變速器、輪橋及它們之間連接件在驅(qū)動變速器輸入軸上的等阻尼系數(shù)(Nm/(rad/s)。 根據(jù)式 (3-47)式 (3-49)所確立的1b與2b、3b、4b之間關(guān)系和式 (3-28)、式 (3-29)、式(3-42) 所確立的1bM與1qM、2bM、3bM、4bM之間關(guān)系，可將圖 3-4、圖 3-7 所示的各單元方塊圖模型、在輸出端聯(lián)接在一起，得到整個輪橋模擬加載系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖模型，如圖 3-10 所示。 19 m a x1m a x112VP 211sJ Z11LK 12LK1M 1ZM111bqiM11SK 111RsJ sRsJ bb * 12* 11s11Z 1bi1 KP I D 閥 控 缸 sRsJ2221 2b2Z2M2bM2M22Y2MK 21LK 22LKiM 2 221 sJ ZP I D 閥 控 缸12bbiim ax2m ax222VP12bbii1YK圖 3-10 整個 二次 加載系統(tǒng)的方塊圖 Fig.3-10 Block diagram of entire simulation loading system 3.4.2 系統(tǒng)參數(shù) 1）前置級排量控制參數(shù) 輪橋加載系統(tǒng)各單元前置級排量控制所用各電液伺服閥和變量液壓缸的參數(shù)都相同，如表 3-1 所示。 表 3-1 前置級排量控制參數(shù) Table 3-1 Parameters of prestage displacement control 項目 參數(shù) 電液伺服閥固有頻率vi596.90rad/s 電液伺服閥阻尼比vi0.60 電液伺服閥流量增益viK1.23 10-4 (m3/s)/v 變量液壓缸活塞有效作用面積giA1.41 10-3 m2 變量液壓缸活塞等效質(zhì)量im4.70kg 變量液壓缸有效容積tiV1.13 10-4 m3 變量液壓缸活塞最大位移maxiY2.63 10-2 m 工作液體體積彈性模量e690.00 106 N/m2 2）二次元件參數(shù) 輪橋模擬加載系統(tǒng)各單元所用二次元件參數(shù)相同，單個二次元件參數(shù)見表 3-2。 20 表 3-2 二次元件參數(shù) Table 3-2 Parameters of secondary unit 3）加載機械系統(tǒng)參 數(shù) 輪橋加載機械系統(tǒng)參數(shù)見表 3-3。 表 3-3 加載機械系統(tǒng)參數(shù) Table 3-3 Parameters of loading mechanism system 項