棉花打顶机液压系统优化设计与MATLAB仿真

杨斌，胡斌，李彬，张敏

(1.肇庆科技职业技术学院，广东肇庆 526100;2.新疆石河子大学，新疆石河子 832000)

棉花打顶机液压系统优化设计与MATLAB仿真

杨斌1，胡斌2，李彬1，张敏1

(1.肇庆科技职业技术学院，广东肇庆 526100;2.新疆石河子大学，新疆石河子 832000)

以棉花打顶机液压系统为研究对象，通过详细分析，建立数学模型并仿真分析，仿真结果表明系统响应快，控制精度高，可用于工程实际。

液压;优化设计;仿真

为实现棉花打顶机打顶作业高度对棉顶高度的仿形，设计了棉花打顶机整体式液压升降机构和浮动机架。该升降机构由驾驶员通过控制液压开关调整浮动机架高低位置，实现打顶机对棉顶高度的整体仿形。升降机构上的方钢滑轨焊接在下悬架固定梁上，滑道架通过U型螺栓固定在浮动机架上。左右V型滑道一边焊接在滑道架上，另一边则通过螺丝固装在滑道架上，可进行左右间隙的调节。液压油缸分置在滑道两端，油缸上端铰接在滑道架上，下端铰接在滑轨上。工作时，滑道架和浮动机架在液压油缸的作用下，沿方钢滑轨相对悬架上下移动，从而实现打顶机对棉顶高度的整体仿形，仿形量为300 mm。

作者从优化设计的角度研究了棉花打顶机液压控制系统，并重新设计液压系统，建立了液压控制系统的数学模型。利用Matlab/Simulink模块对系统进行了仿真，验证了这种方法的可行性，从而使棉花打顶机液压系统比原系统运行更稳定。

1 棉花打顶机液压系统的组成

液压马达:选择GM5-5型液压马达。

液压缸:选择B-FD132C-21N100-A型液压缸。

液压控制阀:选择FF101-6L型电液伺服换向阀。

液压泵:选择CB-FD31.5型齿轮泵。

2 系统数学模型的建立

系统方块图和开环传递函数(1)光电控制器传递函数

光电传感器和放大器响应很快，可以看作比例环节。

(2)执行元件—负载传递函数因无弹性负载，由下面公式可得

系统方框图见图1。

图1 系统方框图

系统开环传递函数

3 Simulink建模及仿真分析

3.1 Simulink建模

从Simulink元件库浏览窗口的“Continuous”子元件库中点击“Transfer Fcn”成员块，并拖到模型窗口，同样方法把“Math”子元件库中的“Sum Gain”成员块拖到模型窗口。把“Sourges/Discrete Pulse Generator Signal Route/Switch”子元件库中的成员拖到模型窗口中，按顺序排列好，并把线布好。

双击每个成员块 (Block)，均能在弹出的对话框中对该块的参数进行编辑。双击Transfer fcn成员块，把Numerator值 ［1］ 改为 ［1.68e－4］，“Denominator”值 ［1 1］ 改为 ［1/157^2 2*0.7/157 1］，用同样方法修改其他元件的参数。单击每个成员后，用鼠标拖动成员块的任意一角点，可以改变成员块尺寸大小。建立的模型如图2所示。

图2 系统方块图

3.2 仿真分析

由图3可以看出:当Ka=15.11时，液压系统的稳定时间为t=0.97 s。可见此时的系统调整时间很长，并不能满足设计的需要。重新选择比例环节系数，K=300、K=200、K=165、K=130，进行仿真。

图3 液压系统仿真

图4中分别为K=300、200、165、130时的系统响应曲线。可见，放大系数越小，输出的位移曲线越平滑，稳定性越好，但是，调整时间越长。因此，确定放大系数为K=165。

图4 液压系统仿真

3.3 确定液压系统的时域特征值

在LTIViewer窗口的绘图区，单击右键，将弹出一快捷键菜单。选择快捷键菜单中的Characteristics选项，将对绘出的曲线标记特征值:如过渡时间(Rise Time)、进入稳态时间 (Settle Time)、峰值时间 (Peak)等，鼠标点击并按住标记点，将显示该点的特征值。

从图5可以得到液压系统的上升时间为t1=0.026 5，峰值时间为t2=0.054 6，进入稳态时间为t3=0.056 8。从Nyquist图可以看到:Nyquist图并没有包围点 (－1，0)，说明系统是稳定的，如图6所示。

图5 液压系统仿真特征值图

图6 液压系统仿真Nyquist图

4 结束语

利用MATLAB软件建立了棉花打顶机液压系统数学模型，用Simulink画出液压系统闭环控制系统的仿真模型，进行了仿真。仿真结果表明:系统能够实现较高精度的同步控制，能够满足棉花打顶机实际应用的要求。为液压控制系统中较难解决的高精度同步控制问题提供了一种有效途径。

［1］张德丰.Matlab/Simulink建模与仿真实例精讲［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］成大先.机械设计手册(液压控制)［M］.北京:化学工业出版社，2010.

［3］王科社，马驰，孙江宏.基于Matlab/Simulink的液压挖掘机液压系统仿真分析［J］.北京信息科技大学学报，2012(1):27－30.

［4］于宗振.基于AMESim/Simulink的电液伺服比例控制的同步回路建模与仿真研究［J］.机械研究与应用，2012(3):43－45.

［5］童伟，刘树道.全液压垃圾破碎机液压系统的设计［J］.机床与液压，2003(5):113－114.

［6］徐志扬.基于Matlab的液压伺服系统的仿真研究［J］.液压与气动，2011(9):1－2.

Optimal Design and MATLAB Simulation for Hydraulic System of Cotton's Top Cutter

YANG Bin1，HU Bin2，LIBin1，ZHANG Min1
(1.Zhaoqing Science and Tecnology Polytechnic，Zhaoqing Guangdong 526100，China;2.Xinjiang Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832000，China)

Taking hydraulic system of cotton's top cutter as the research object，through detailed analysis，amathematicmodel of the hydraulic system was established then itwas simulated.The simulation results show that hydraulic system has perfect performance and high control precision.Thismethod is of high economical efficiency and can be applied in engineering practice.

Hydraulic system;Optimization design;Simulation

S232

A

1001－3881(2014)10－134－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.041

2013－04－23

中科院科技支持项目 (xbxj-2010-005)

杨斌 (1970—)，硕士，讲师，从事自动化方面的研究。E－mail:yangbin0921@126.com。通信作者:胡斌，E －mail:hb_mac@shzu.edu.cn。