降压型开关液压源调速系统设计及控制方法的研究

发布时间：2019-08-19 13:51

【摘要】：开关液压源作为一种多执行器的压力转换装置,能够将恒压油源的压力降低或升高到负载所需要的压力而不改变油源的恒压性质,为负载提供与其消耗功率相适应的流量,达到最佳的节能效果,理想状态下其效率能达到100%,是一种新型的节能型液压系统,但由于开关液压源各元件动态损耗及瞬态损耗的影响,系统会产生较大的能耗。为了使系统能耗降到最低,实现开关液压源的实用性和产业化,有必要对系统的调控性能做进一步的研究。鉴于国内外对开关液压源调速系统应用于大流量负载工况下研究的欠缺,本文针对降压型开关液压源调速系统进行了设计与研究,并对其传统的PID控制方法进行了研究和仿真分析。本文首先根据液压元件与电子元件数学模型上的相似性原理,参照Buck开关电源的结构,建立了降压型开关液压源的结构模型,并对其降压增流原理进行了理论分析,验证了理想状态下降压型开关液压源的输出压力与高速开关阀PWM波的占空比成正比,其输出流量则与之成反比。为研究各系统参数对负载输出特性的影响,本文建立了有、无液容蓄能器滤波两种情况下负载的稳态速度波动与系统工作频率、占空比,液容、液感以及负载的工作压力及结构参数间的函数关系。为将系统运用到大流量负载中,本文将高速开关阀控二通插装阀与单向插装阀应用到开关液压源中,以增大系统的通油量,同时保持系统的高频切换特性,并针对所选高速开关阀通油量小的缺陷,设计了一种液控阀作为高速开关阀控二通插装阀的二级先导阀,以增大插装阀控制腔的通油量,提高阀的响应速度。基于恒压网络技术,建立了降压型开关液压源调速系统的结构模型,其恒压网络能够为调速系统提供恒定的压力油,并输出负载所需要的流量,其补油冲洗系统能够补充因泄露和冷却消耗的流量,同时对油液进行降温,保证了系统的可靠运行。为分析各元件参数对系统参数及能耗的影响,建立了液容蓄能器、液感马达、阀控二通插装阀及单向插装阀等液压元件的数学模型,并对其结构选型进行了分析。本文最后以马达负载为研究对象,对其调速系统进行了优化设计及负载制动或遭遇大载荷突然停机时能量的回收,并应用AMESim与Simulink软件建立了系统的联合仿真模型,对系统的调控性能及控制方法进行了仿真分析与研究。研究表明,系统工作在低频率、高占空比、小高频容腔、大负载压力及流量情况下具有较高的转换效率,能够达到70%以上。适当减小蓄能器的节流孔径并增大其充气体积能够很好的消除系统启动时的速度波动,同时适当增大系统的工作频率,可降低负载速度的稳态波动。系统的微分控制会放大速度的稳态波动,不适宜使用;系统在普通PI控制下,对于特定的转速工况具有良好的调速性能,但在不同的调速工况下易发生速度的超调或振荡,不能满足系统所有工况的需要;系统在积分分离式PI控制下,低速运行时会引起速度的振荡;系统只有在抗积分饱和式PI控制下才具有较好的调速性能,其超调量及波动小,而且系统在速度突变、冲击荷载、突变荷载及超载、失载、白噪声干扰下都能够平稳的运行。同时在系统负载输入端与高压油源之间加入一个压力反馈单向阀,可避免负载在制动或遭遇大载荷突然停机时产生的液压冲击及能量的浪费。
【图文】：

二次元件从压力网络中取得的流量，避免空载执行器的超速运行，因而也存节流损耗。由本世纪初提出的开关液压源系统成功地解决了上述三类传统液压系统无法及降压过程中无法增加流量的问题，，它是依据液压系统与电子系统的相似性于 Buck 及 Boost 开关电源原理），把开关电源理论与单泵多执行器液压系统合起来构成的一种全新原理的节能型液压系统，其结构原理如图 1.1 所示[1]。源的总线由专门的液压泵站输出，其输出压力为定值，其输出流量或功率可器的总流量或功率相匹配。各路执行器通过开关液压源并联在液压总线上，改变高速开关阀(开关液压源中的关键元件之一）的占空比来调节开关液压源力，使其降低或升高到执行器所需的压力值，同时为执行器提供与其消耗功的流量，达到最佳的节能效果。根据功能的不同，开关液压源可分为升压型和复合型开关液压源，复合型开关液压源既可以实现系统的升压，也可以实降压，使用何种类型的开关液压源可以根据系统的实际情况进行选择。

图 1.2 四类多执行器液压系统的能耗比较据开关电源理论，理论上开关液压源系统具有很高的转换效率，但是与开的是开关液压源组件中的液容、液感存在很大的附加液阻，会引起很大的同时高速开关阀在高频切换过程中也存在很大的流量损失，并且由于油液影响，系统中还会存在较大的弹性损耗。因此，开关液压源系统在实际应较大的能量损耗。同时由于开关阀频响的影响，系统的通流量受到了限制也不高，其压力的转换是一个严重的非线性过程，并且开关液压源的输出载决定，如何实现系统输出压力的自适应控制和大流量工作，以及如何降耗，提高其转化效率，是本文研究过程中需要解决的问题。国内外研究现状国内研究现状003 年，浙江大学顾临怡教授根据开关电源理论提出了开关液压源的概念[1
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH137

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本文编号：2528299