機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guó)外二次調(diào)節(jié)技術(shù)研究發(fā)展概況 . 2 1.1.2 國(guó)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(yīng)用 . 3 2 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理與特點(diǎn) . 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(diǎn) . 5 2.3 二次調(diào)節(jié)加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jí)排量控制系統(tǒng) . 7 3.1 二次元件前置級(jí)排量控制系統(tǒng)建模 . 7 3.1.1 二次元件前置級(jí)排量控制系統(tǒng)的方塊圖模型 . 7 3.1.2 前置級(jí)排量控制系統(tǒng)方塊圖的簡(jiǎn)化 . 9 3.2 驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)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(jí)排量控制系統(tǒng)的仿真 . 21 4.1.1 前置級(jí)排量控制系統(tǒng)的頻域分析 . 21 4.1.2 前置級(jí)排量控制系統(tǒng)的時(shí)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(shí)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(shí)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(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) . 33 附錄 A 譯文 . 35 附錄 B 外文文獻(xiàn) . 46 1 前言 近年來(lái)， 二次調(diào)節(jié)技術(shù)得到了飛快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 我國(guó)在二次調(diào)節(jié)加載技術(shù)的理論與應(yīng)用研究方面，取得了一些成果和進(jìn)展，但還存在許多有待進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題，例如：系統(tǒng)柔性問(wèn)題 ， 同時(shí)還存在如系統(tǒng)阻尼等參數(shù)隨時(shí)間 和工況而變化的問(wèn)題，它們對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和控制性能影響很大，須對(duì)它們進(jìn)行深入的分析，并從控制方法上采取有效措施，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。加載系統(tǒng)中存在 液壓耦合和機(jī)械耦合，這兩種耦合都將對(duì)系統(tǒng)的控制性能帶來(lái)不利的影響，須采取有效的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 校正 。 基于 以上 某 些問(wèn)題，本 次設(shè)計(jì) 主要研究 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立； 首先 建立方塊圖 模型， 對(duì)前置級(jí)排量，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩 控制 系統(tǒng)進(jìn)行仿真 ，找出 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。這些問(wèn)題的解決，對(duì)進(jìn)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用、加載系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 由于時(shí)間和本人水平有限， 難免存在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤， 許多深入的問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究，請(qǐng)老師批評(píng)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(guó)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(guò) 20 多年的發(fā)展已逐漸成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)。在能源短缺的大背景下，在工業(yè)企業(yè)對(duì)高效益的追求下，以節(jié)能為特點(diǎn)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(yīng)用。 它在諸如大型加載試驗(yàn)臺(tái)、車輛傳動(dòng)、造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由于這項(xiàng)技術(shù)的成功利用，使得液壓技術(shù)向前推進(jìn)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(wèn)題 16，其中包括對(duì)這種系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)的解耦問(wèn)題的研究。 1994 年， R.Kodak 先生研究了具有高動(dòng)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(dòng)車上進(jìn)行了實(shí)物試驗(yàn) 17。目前在德國(guó)，這項(xiàng)技術(shù)已進(jìn)入實(shí)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(lè)公司為代表，在二次調(diào)節(jié)技術(shù)方面，具有多項(xiàng)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(guó)內(nèi)二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展概況 在國(guó)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(jì) 80 年代末才開(kāi)始這方面的研究。 1989 年，哈爾 濱工業(yè)大學(xué)的謝卓偉博士首先對(duì)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理及其機(jī)液，電液調(diào)速特性進(jìn)行了理論分析，并于 1990 年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)上，用單片機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了用變結(jié)構(gòu) PID 控制算法來(lái)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(duì)二次元件的模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化 11，同時(shí)研究了用微機(jī)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(hào)的二次調(diào)節(jié)全數(shù)字自適應(yīng)控制系統(tǒng)。浙江大學(xué)的金力民等根據(jù)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了低速滯環(huán)問(wèn)題，并采用非線性補(bǔ)償算法 來(lái)克服低速滯環(huán) 18。中國(guó)農(nóng)機(jī)研究所的閆雨良等也進(jìn)行過(guò)二次元件調(diào)速特性的試驗(yàn)研究，并且應(yīng)用到遙控裝載機(jī)行走液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中 19。同濟(jì)大學(xué)范基等進(jìn)行了二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究 20。 1995 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(duì)轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)角控制的二次調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究 14,21。 1997 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的田聯(lián)房博士在國(guó)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(yàn)臺(tái)。同時(shí)，還進(jìn)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(yīng)用 二次調(diào)節(jié) 技術(shù)在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 ，例如： 1）回收性 能 在有位能變化的機(jī)械中，例如起重機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、卷?yè)P(yáng)機(jī)械、礦井提升機(jī)械以及索道機(jī)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(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械，在頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(chǔ)存慣性能還可以在啟動(dòng)時(shí)釋放所儲(chǔ)存的能量，以利于加速啟動(dòng)，提高工作效率。市內(nèi)公共汽車、印刷機(jī)械、鍛壓機(jī)械、挖掘機(jī)、礦區(qū) 的采礦車等都是很好的應(yīng)用領(lǐng)域。 3）試驗(yàn)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(diǎn)外， 其最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它同數(shù)字控制的完美結(jié)合，可靈活方便地實(shí)現(xiàn)各種控制，使系統(tǒng)獲得相當(dāng)高的動(dòng)態(tài)性能，因而可利用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)模擬各種復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(cè)試等試驗(yàn)。 4 2 二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)原理與特點(diǎn) 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(dá)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(dòng)機(jī) 1、恒壓變量泵 2、蓄能器 3、安全閥 4 及相應(yīng)的管路等元件構(gòu)成恒壓網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)加載系統(tǒng)提供穩(wěn)定的恒壓動(dòng)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(jī)械端口之間通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 10、 13 以及加載對(duì)象 12 剛性地連接在一起。元件 9 為馬達(dá)工況，為加載系統(tǒng)提供所需的驅(qū) 動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)加載對(duì)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(dòng)機(jī) 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(dá)元件 10轉(zhuǎn)速傳感器 11,14控制器 12加載對(duì)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(dú)立，可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足加載系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的不同要求。系統(tǒng)工作時(shí)，由控制器11和 14分別向電液伺服閥 8和 17發(fā)出電信號(hào)，通過(guò)閥控缸機(jī)構(gòu)（前置級(jí)排量控制）改變?cè)?9 和 15 的斜盤(pán)擺角，從而使其排量發(fā)生 變化，以適應(yīng)外負(fù)載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化。另外，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，元件 9（馬達(dá)）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)加載對(duì)象 12和元件 15（泵），實(shí)現(xiàn)加載，元件 15（泵）將機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)元件 9（馬達(dá)），在元件 9（馬達(dá)）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(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械 5 損失，而驅(qū)動(dòng)元件 9（馬達(dá)）所需的大部分能量都來(lái)自元件 15（泵）。此外，在該加載系統(tǒng)中，沒(méi)有節(jié)流元件，因而避免了節(jié)流損失。由此可見(jiàn)，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(dá)到節(jié)能目的。 2.2 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng) 特點(diǎn) 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(diǎn) 17,24： 1) 多個(gè)二次元件可聯(lián)合工作于一個(gè)恒壓網(wǎng)絡(luò)上，每一二次元件可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且既能工作于泵工況，又能工作于馬達(dá)工況，因此可方便地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和加載功能的互換。 2) 通過(guò)對(duì)二次元件斜盤(pán)擺角的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可靈活方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的計(jì)算 機(jī)數(shù)字控制，系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)性能好。 3) 可實(shí)現(xiàn)能量回收、儲(chǔ)存和重新利用，系統(tǒng)效率高。 2.3 二次調(diào)節(jié) 加載 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成 加載試驗(yàn)臺(tái)如圖 2-2 所示 ,驅(qū) 動(dòng)單元主要由兩個(gè) 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(gè)彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和 驅(qū)動(dòng) 變速器組成，該單元用來(lái) 模擬車輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)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(gè)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(lái)對(duì)車輛傳動(dòng)橋二次輸出端進(jìn)行加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式，它們同各相應(yīng)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(dòng)橋變 速 器二 次 輸 出變 速 器驅(qū) 動(dòng)二 次 元 件雙 聯(lián)二 次 元 件雙 聯(lián)1 23驅(qū) 動(dòng) 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(yàn)臺(tái)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(jiàn)， 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(jī)械端口通過(guò)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(dá)工況，用來(lái)模擬車輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器 1 等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；二次元件 2 工作于泵工況，分別用來(lái)對(duì)車輛傳 6 動(dòng)橋二次輸出端進(jìn)行加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式，它們同各相應(yīng) 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(duì)應(yīng)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(jí)排量控制回路，再加上相應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，二次元件 1（馬達(dá)）由恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)加載對(duì)象輪橋和二次元件 2（泵），實(shí)現(xiàn)模擬加載。同時(shí)，二次元件 2（泵）將機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)二次元件 1（馬達(dá)），在二次元件 1（馬達(dá)）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(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械損失，而驅(qū)動(dòng)二次元件 1（馬達(dá)）所需的大部分能量都來(lái)自二次元件 2（泵）。因此，該加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量回收與利用，系統(tǒng)效率高。 二次元件2驅(qū)動(dòng)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(jí)排量控制系統(tǒng) 3.1 二次元件前置級(jí)排量控制 系統(tǒng) 建模 3.1.1 二次 元件前置級(jí)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(shí)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(dá)單元、電液伺服閥、變量油缸、安全保護(hù)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(dá)時(shí)，其控制方式為轉(zhuǎn)速控制；用作泵時(shí)，其控制方式為轉(zhuǎn)矩控制，但兩種控制方式的前置級(jí)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(jiàn)，前置級(jí)排量控制回 路就是對(duì)稱伺服閥控制對(duì)稱液壓缸回路，下面分別列寫(xiě)出該回路各元件的數(shù)學(xué)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(hù)閥 5-濾油器 6-位移傳感器 7-碼盤(pán) 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(shí)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(shí)，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(dāng)系統(tǒng)的頻寬遠(yuǎn)小于伺服閥的固有頻率時(shí)，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(gè)二次元件電液伺服閥的輸出流量 (m3/s)； )(sVvi 第 i 個(gè)二次元件電液伺服閥的輸入電壓 (v)； vi 第 i 個(gè)二次元件電液伺服閥的固有頻率 (rad/s)； vi 第 i 個(gè)二次元件電液伺服閥的阻尼比； viK 第 i 個(gè)二次元件電液伺服閥的流量增益 (m3/s)/v)； viT 第 i 個(gè)二次元件電液伺服閥的時(shí)間常數(shù) (s)； i 二次元件序號(hào) , i =1,2 分別對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)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(pán)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(fù)載力 (N)； iK 負(fù)載的彈簧 剛度 (N/m)，沒(méi)有彈性負(fù)載時(shí)，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(duì)式 (3-4)、式 (3-5)進(jìn)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(huà)出前置級(jí)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(jiàn)，輸入的是電壓量，輸出的是液壓缸的位移，經(jīng)過(guò)一套連桿機(jī)構(gòu)，將液壓缸的位移轉(zhuǎn)換為可逆式泵 /馬達(dá)元件的斜盤(pán)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(jí) 排量控制方塊圖 Fig.3-2 Block diagram of prestage displacement control 3.1.2 前置級(jí)排量控制 系統(tǒng) 方塊圖 的簡(jiǎn)化 對(duì)于 如 圖 3-2 所示的前置級(jí) 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(fù)載力iF，則可得電液伺服閥輸出流量對(duì)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(xiàng)與 1 相比可忽略不計(jì)25。另外，本前置級(jí)排量控制中的彈性負(fù)載較小，可認(rèn)為iK 0。于是式 (3-1)可簡(jiǎn)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(gè)變量液壓缸的固有頻率 (rad/s)； gi 第 i 個(gè)變量液壓缸的阻尼比； 若ciB小到可以忽略不計(jì)時(shí)，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(duì)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(jiǎn)化為一個(gè)積分環(huán)節(jié)。電液伺服閥作為二階振蕩環(huán)節(jié)來(lái)考慮，則前置級(jí)排量控制方塊圖如圖 3-3 所示 。 viVviQiYiUsAgi1-yiK12122 ssKvivivivi圖 3-3 前置級(jí)排量控制簡(jiǎn)化方塊圖 Fig. 3-3 Simplified block diagram of prestage displacement control 3.2 驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元的組成如 圖 3-4 a) 所示，它包括雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)二次元件、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)變速器以及齒輪聯(lián)軸器等。驅(qū)動(dòng) 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(dòng) 變 速 器 1B齒 輪 聯(lián) 軸 器1C二 次 元 件雙 聯(lián) 驅(qū) 動(dòng) 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(dòng)單元的組成如圖 3-4 a) 驅(qū)動(dòng)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(pán)的擺角 (deg)； maxi 二次元件變量斜盤(pán)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(duì)斜盤(pán)擺角的變換系數(shù) (deg/m)。 腳標(biāo) i 是二次元件的序號(hào)，此處指的是驅(qū)動(dòng)單元二次元件，故應(yīng)取 i =1。 雙聯(lián) 驅(qū)動(dòng)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(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩 (Nm)； 1J 二次元件轉(zhuǎn)動(dòng)件和彈性聯(lián)軸器 11L 輸入軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)變速器 1B 的輸入軸轉(zhuǎn)角 (rad)。 驅(qū)動(dòng)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(dòng)變速器 1B 的總傳動(dòng)比； 1bJ 彈性聯(lián)軸器 12L 輸出軸、驅(qū)動(dòng)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(dòng)慣量 (向驅(qū)動(dòng)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(duì)式 (3-14)式 (3-18)和式 (3-20)式 (3-22)進(jìn) 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(jí)排量控制方塊圖，可以畫(huà)出驅(qū)動(dòng)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(jí)排量控制， KL11 和 KL12 表示兩個(gè)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(dòng)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?qǐng)D 3-5 所示的驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖，前置級(jí)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(jī)械件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼向驅(qū)動(dòng)二次元件輸出軸進(jìn)行等效，最后得到驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方塊圖，如圖 3-6 所示。 )( 11 bq iMm ax1m ax112 VP1SK 111RsJ1前 置 級(jí)排 量 控 制i1 o11U 1Y LM外 環(huán)控 制 器圖 3-6 驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jìn)行加載 ， 下面分別建立它們的數(shù)學(xué)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(dòng)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(dòng)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(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩(Nm)； 2ZJ 轉(zhuǎn)矩傳感器 2Z 的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)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(dòng)件、輸入軸及彈性聯(lián)軸器 21L 輸出軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)式 (3-31)式 (3-36)進(jìn)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(jí)排量控制方塊圖，可以畫(huà)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(gè) 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(gè) 二次調(diào)節(jié) 加載系統(tǒng)的物理模型 整個(gè) 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(duì)象輪橋、驅(qū)動(dòng)及加載各單元的物理模型綜合而成。在建立加載對(duì)象輪橋數(shù)學(xué)模型時(shí)，沒(méi)有考慮彈性環(huán)節(jié)，而且傳動(dòng)橋與各個(gè)變速器的連接也認(rèn)為是剛性的，所以輪橋與各個(gè)變速器是一個(gè)不可分的整體，要建立其數(shù)學(xué)模型，需將它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼向驅(qū)動(dòng)變速器的輸入軸等效。另外，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元轉(zhuǎn)速控制方塊圖的分析可知，驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)矩由負(fù)載決定，負(fù)載轉(zhuǎn)速由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，所以還應(yīng)推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩1bM與負(fù)載轉(zhuǎn)矩2bM之間、負(fù)載轉(zhuǎn)速2b與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速1b之間的對(duì)應(yīng)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(dòng) 模 擬 單 元二 次 輸 出 加 載 單 元圖 3-9 整個(gè)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(dòng)變速器輸入軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kgm2)； *1bR 各變速器、輪橋及它們之間連接件在驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè) 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(jí)排量控制參數(shù) 輪橋加載系統(tǒng)各單元前置級(jí)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(jí)排量控制參數(shù) Table 3-1 Parameters of prestage displacement control 項(xiàng)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(gè)二次元件參數(shù)見(jiàn)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(jī)械系統(tǒng)參 數(shù) 輪橋加載機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表 3-3。 表 3-3 加載機(jī)械系統(tǒng)參數(shù) Table 3-3 Parameters of loading mechanism system 項(xiàng)