基于模糊PID控制的非线性液压系统仿真分析

2018-12-21 02:52钱虹凌
关键词:油器框图传递函数

钱虹凌

(山西大同大学教学实验与实训中心,山西大同037003)

1 系统设计

设计了一种新型鼓式撇油器的液压系统,然后结合功率键合图理论对设计的液压系统建立模型仿真分析[1]。根据实际情况,系统中设置两个液压马达,分别带动撇油器转动及抽油螺杆泵抽油[2-3]。

对双面鼓式撇油器液压系统进行设计时,必须确定所设计系统满足的基本要求,这样才能使设计的系统具有良好的可靠性[4-5],这是开展一项设计工作的基础,见图1。设计的液压系统基本要求如下:

(1)速度稳定,运行平稳,工作时无抖动;

(2)较好可靠性,建立安全联锁装置。

图1 原理图

本系统马达选择型号GM-F32-FL排量25.36mL/r,转速120-2400 r/min。

2 液压系统建模

2.1 液压系统功率键合图

2.1.1 键合图系统组成

1.电动机;

2.液压泵;

3.输油口处的元件;

4.液压马达。

2.1.2 模型假设

1.液压泵的驱动速度Sw不变;

2.液压管路流量连续,无气穴;

3.不计滤器压降。

2.1.3 功率键合图

具体见图2。

图2 双面鼓式撇油器功率键合图

2.2 液压系统的仿真与分析

液压系统的仿真图,见图3。

图3 液压系统的仿真框图

对液压系统仿真采用的软件是Smulink[6],模型中以两个负载及阀的开度输入信号,以系统工作压力为输出信号搭建,阀芯开度0.006 m的压力曲线见图4。

图4 阀芯开度为0.006m压力曲线

由曲线图分析可知,该系统有较好的稳定性,达到了预期的效果。

3 模糊PID控制分析

3.1 阀控马达数学模型

3.1.1 比例阀的传递函数

电液比例阀传递函数可表示为(可将其简化为二阶振荡环节):

式中:Ksv——阀的流量增益,6.8×10-3,(m3/s)/m;ωsv——阀的自然频率,20 rad/s;——阀的阻尼比,0.6。

其中:

Ksv——阀的流量,60l/min;

I——额定电流,0.8A;

P——系统压力,6Mpa;

ΔP——阀前后压差,0.2Mpa。

则最终计算为:

3.1.2 液压马达角速度对外在负载传递函数

ωh——液压固有频率,

ξh——阻尼比,无量纲,

Dm——液压马达的排量,m3/rad;

βe——液压油的有效体积弹性模量,Pa;

Vt——总压缩容积,m3;

Kce——阀的流量压力系数,m2/(s⋅Pa);

Kq——阀的流量增益,(m3/s)/m。

对于本论文所选系统,滚筒液压马达Dm=54×10-6m3/rad,βe=8×108Pa,Jt=50Kg⋅m2,Kce=3.5×10-12m5/(N⋅S),Vt=2.74×10-4m3,代入上面的式中可得到系统的传递函数为:

本系统的控制原理框图,如图5:

图5 撇油器控制框图

3.2 液压马达速度控制仿真分析

设计的模糊控制系统是二维常规模糊自整定PID控制,仿真框图如图6~7所示,公式3和公式6为传递函数。

图6 控制仿真图

图7模糊PID控制器仿真图

图8 为控制系统在上述控制下的阶跃响应曲线。

图8 模糊PID控制阶跃响应曲线

4 结语

基于常规PID控制和模糊自整定PID控制的仿真曲线图,可以得到结论:模糊自整定PID控制器对电液阀控马达这个控制对象有较理想的控制效果,其超调量几乎没有,稳定时间更短且稳定性和平稳性更好。通过上述方针分析,为我们开展后续的实物设计提供较好的先验基础,具有较大的借鉴价值。

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