阀控液压马达速度伺服系统仿真分析_贾文铜

第30卷第6期2009年 6月煤　矿　机　械CoalM ine MachineryVol .30No .6Jun .2009基于MAT LAB 泵控马达变转速节流复合调速系统P ID 控制仿真刘　松1,施永强2,王　伟1(1.安徽理工大学,安徽淮南232001;2.国投新集能源股份有限公司板集煤矿,安徽淮南236700) 摘　要:运用MAT LAB 软件,建立了泵控马达变转速节流复合调速系统P I D 控制仿真框图,进行了P I D 控制仿真研究,得出了负载为阶跃信号和正弦信号时的马达速度仿真图,以及系统输入信号为方波时的马达速度仿真图。

同时对P I D 控制系统的曲线跟踪进行了仿真研究,并与开环控制时的曲线跟踪仿真及实验进行了对比,得出了相应的结论。

关键词:变转速节流复合调速;仿真;P I D 控制中图分类号:TH3;TP39　文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2009)06-043-03Pum or Var i a ble Speed Throttle Co m b i n a ti on Govern i n gSystem P I D Con trol and S i m ul a ti on on MAT LABL I U Song 1,SH IY ong -q i a ng 2,W ANG W e i1(1.Anhui Seience and Technol ogy University,Huainan 232001,China;2.Banji CoalM ine of Guot ou Xinji Energy Co .,L td .,Huainan 236700,China )Abstract:The use of MAT LAB s oft w are,the establishment of a variable s peed pump -contr ol -mot or s peed contr ol syste m P I D composite ex penditure contr ol si m ulati on bl ock diagra m ,a P I D contr ol si m ula 2ti on study,t o dra w the l oad f or the step signal and sinus oidal signal when the mot or s peed of si m ulati on p lans,as well as the syste m square wave input signal for the mot or s peed when the si m ulati on map.A t the sa me ti m e,the curve of P I D contr ol syste m f or tracking si m ulati on and open -l oop contr ol of the curve tracking si m ulati on and experi m ent were compared,t o dra w the corres ponding conclusi ons .Key words:variable s peed thr ottle combinati on governing;si m ulati on;P I D contr ol1　泵控马达变转速节流复合调速系统泵控马达变转速节流复合调速系统是由变频器、电机、泵、流量控制阀和马达组合而成的液压系统。

阀控液压马达速度伺服系统仿真分析引言阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性与很小的阻尼,其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成,并有很低的动态响应,由于负载处在系统的闭环之中,所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。

此外,系统的负载常就是可变的,系统设计只能针对一种特定负载,负载一旦改变,系统的动态品质就会变坏,有时甚至失去稳定性,严重的影响了伺服系统的跟踪性能。

本文主要针对干扰力矩对系统的影响,利用结构不变性原理,消除干扰力矩对系统的影响,同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。

1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。

液压马达的力矩方程为:fm m s l m T G s C J P +++=θ)(D (1)负载流量方程为:l em m l tm l sP Vs D P C βθ4Q +== (2)伺服阀的线性流量方程为:L p x l P K x k Q -= (3)电液伺服阀近似瞧成二阶振荡环节:122^2^)()(++=s S K s i s x svsvsv svv ωξω (4) 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比,其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示:但通常的速度控制系统采用积分放大器,对原系统加以校正才能稳定工作。

校正后的积分放大器增益Ka 表示为:测速机速度传感器(测速机)的数学模型为:在上述公式中:v x 为电液伺服阀阀芯位移;i 为电液伺服阀输入电流;v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数与固有频率;m D 为马达排量;L Q 为马达的负载流量;x K 为流量增益系数;p K 为流量一压力系数;只为供油压力;s P 为负载压力;m θ为马达转速;e β为从油液有效体积弹性模数;V 为马达的总容积;J 为折算到马达输出轴上的转动惯量;f T 为外干扰力矩;tm C 为马达泄露系数;m C 为粘性阻尼系数;G 为扭簧梯度。

泵控马达速度控制系统P I D控制器的设计与仿真综述(总52页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--石家庄铁道大学毕业设计泵控马达速度控制系统PID控制器的设计与仿真Design of PID Controller for Pump Controlled Motor Speed Control System2016 届电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化学号学生姓名武云飞指导教师郑海青完成日期 2016年6月 11 日摘要随着科学水平的发展，泵控马达系统越来越多的应用于民用以及军用领域，这是由于泵控马达具有一些其他系统不具备的优点，该系统效率高、转动惯量小同时其响应速度迅速。

然而泵控马达系统在实际的生产生活中常常会出现系统负载频繁变化的情况，这种情况会导致系统的输出速度不稳定，严重时可能导致系统的瘫痪。

本设计的目的就是为了寻找一个较为适合泵控马达系统的控制系统用以克服外负载以及模型变化对系统产生的影响。

通过对泵控马达系统的组成的学习和研究以及对液压回路的工作原理的分析，建立起泵控马达速度控制系统的数学模型，借此来实现对泵控马达速度控制系统的仿真模拟。

在该数学模型的基础上，采用PID控制器作为系统的控制环节，分别对传统PID控制器、位置式PID控制器、增量式PID控制器以及抗积分饱和PID控制器进行系统的仿真模拟，通过对系统进行仿真，比较在外负载干扰的情况下马达转速的响应曲线，从而得出哪种PID控制器更适合泵控马达调速系统。

经过仿真分析对比，可以看出，抗积分饱和PID控制器较其他三种PID控制器有着更短的调节时间以及平滑的曲线，能更符合系统对于马达转速控制的要求。

所以最终选择抗积分饱和PID控制器作为系统的控制环节。

关键词：泵控马达；PID控制器；仿真AbstractWith the development of technology, pump controlled motor system more and more applied in civil and military fields, this is because the pump controlled motor system has some advantages that other systems do not have, this system is highly efficient, low mom -ent of inertia, and fast response. However, pump controlled motor system often appears system load change in actually, the load change can cause the system output speed not stable, severe cases may lead to paralysis of the system. The purpose of this design is to find a suitable control system that can solve to the impact of load changes.Through to the study of pump controlled motor system and the analysis of the hydraulic circuit, we establish the mathematical model of pump controlled motor system, with the system, we can realize the simulation of the pump controlled motor control system. On the basis of the mathematical model, we simulate the traditional PID controller, posi -tional PID controller, incremental PID controller and anti-windup PID controller for respectively. By compare the motor speed response curve which in the case of external load disturbance, which PID controller we can draw is more suitable for pump controlled motor speed control system. Through simulation comparison, we can get that anti-windup PID controller has a more smooth curve and a shorter adjusting time. So we finally choose anti-windup PID controller as the control link of the system.Key words:pump motor control;t he PID controller;simulation目录第1章绪论 0课题研究的背景意义 0PID控制器简介 (2)主要内容 (4)第2章泵控马达调速系统模型的建立 (5)泵控马达调速系统基本原理 (5)时域数学模型 (6)电-机械转换元件的模型建立 (6)比例方向控制阀4WRA6的模型建立 (7)变量泵的阀控液压缸模型的建立 (8)活塞-斜盘倾角环节模型的建立 (10)建立泵控马达的回路模型 (11)速度传感器以及比例放大器的模型建立 (13)建立系统的开环传递函数 (14)系统中各环节参数的整定 (16)求解比例放大器的增益系数 (16)比例方向控制阀的增益系数 (16)系统的流量增益系数 (16)活塞斜盘倾角传递函数 (16)泵-马达环节的参数整定 (17)对系统稳定性的检测 (18)控制系统的基本要求 (18)系统稳定性检测 (18)本章小结 (19)第3章泵控马达PID控制器设计与仿真 (20)PID控制器的基本原理 (20)四种PID控制器简介 (20)位置式PID控制算法 (20)增量式PID控制算法 (22)抗积分饱和PID控制算法 (23)PID控制器设计 (24)PID控制器参数的整定 (25)PID控制器仿真 (25)关于Simulink的简介 (25)PID控制器的仿真分析 (25)泵控马达速度控制系统的仿真模拟 (27)本章小结 (32)第4章结论与展望 (33)结论 (33)展望 (33)参考文献 (35)致谢 (37)附录 (39)附录A 外文资料翻译 (39)英文 (39)译文 (44)附录B 泵控马达速度控制系统仿真图 (47)第1章绪论课题研究的背景意义随着时代的发展，各种科技也在飞快的发展着，工业自动化水平的高低早已经成为了衡量各个部门现代化水平的标志，而工业自动化必然离不开动力的源泉——马达。

阀控液压马达速度伺服系统仿真分析引言阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性和很小的阻尼，其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成，并有很低的动态响应，由于负载处在系统的闭环之中，所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。

此外，系统的负载常是可变的，系统设计只能针对一种特定负载，负载一旦改变，系统的动态品质就会变坏，有时甚至失去稳定性，严重的影响了伺服系统的跟踪性能。

本文主要针对干扰力矩对系统的影响，利用结构不变性原理，消除干扰力矩对系统的影响，同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。

1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。

液压马达的力矩方程为：fm m s l m T G s C J P +++=θ)(D （1）负载流量方程为：l em m l tm l sP Vs D P C βθ4Q +== （2）伺服阀的线性流量方程为： L p x lP K x k Q -= （3）电液伺服阀近似看成二阶振荡环节：122^2^)()(++=s S K s i s x svsvsv svv ωξω （4） 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示：但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。

校正后的积分放大器增益Ka 表示为：测速机速度传感器（测速机）的数学模型为：在上述公式中：v x 为电液伺服阀阀芯位移；i 为电液伺服阀输入电流；v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数和固有频率；m D 为马达排量；L Q 为马达的负载流量；x K 为流量增益系数；p K 为流量一压力系数；只为供油压力；s P 为负载压力；m θ为马达转速；e β为从油液有效体积弹性模数；V 为马达的总容积；J 为折算到马达输出轴上的转动惯量；f T 为外干扰力矩；tm C 为马达泄露系数；m C 为粘性阻尼系数；G 为扭簧梯度。

气动阀控制系统的建模与仿真分析气动技术已经成为了大多数工业生产过程中不可或缺的一部分，而气动阀控制系统则是这项技术中十分重要的一环。

气动阀是一种通过气体压缩使机械运动的阀门，其主要应用于流体控制领域，例如调节气压、流量、温度等。

而气动阀控制系统则是将气动阀和其他控制元件集成在一起，以实现对气动阀的精确控制。

因此，建模与仿真分析是实现气动阀控制系统的关键步骤之一。

一、建模建模是气动阀控制系统的基础，能够快速准确地将物理过程抽象出来并代码化，以便进行进一步的仿真，模拟，优化和部署。

建模过程通常可以通过以下几个步骤实现：1. 识别系统要素：首先需要明确需要控制的气动阀，以及系统中可能影响其运行的因素，例如传感器，执行器，压力计等。

2. 确定系统输入和输出：系统输入可以是气动阀控制系统中的输入信号，例如开关状态或气压信号，而系统输出则是气动阀的控制信号。

3. 建立数学模型：基于系统要素和输入、输出参数，可以建立系统的数学模型，通常是基于传统的控制理论和微积分方法。

4. 确认参数：建立模型后，需要确认系统参数。

这些参数将决定系统的行为，包括系统的稳定性和响应时间等因素。

二、仿真分析当建模完成后，就可以进行仿真分析。

仿真分析是一种虚拟的试验方法，可以在不同的任务和环境中快速验证气动阀控制系统的表现，并评估其可行性。

1. 仿真环境和工业应用：仿真环境是实现仿真分析的核心，可以使用各种仿真软件来模拟气动阀控制系统的运行状态，并测试其在不同情况下的表现，例如稳定性，响应时间，效率，安全性等。

依靠仿真分析可以更快捷地将气动阀控制系统应用于各种工业过程。

2. 辅助决策：仿真分析不仅可以用于评估系统性能，还可以用于辅助决策。

例如，物流公司可以使用仿真分析来确定哪种气动阀控制系统更适合其工业用途，以及如何优化其供应链和货运流程。

3. 优化：基于仿真分析，可以进行气动阀控制系统的优化。

例如改进系统参数，减少响应时间和提高系统稳定性。

阀控液压马达速度伺服系统仿真分析引言阀控液压马达速度伺服系统的负载具有较大的惯性和很小的阻尼，其传递函数常可近似由一对实部为零的极点组成，并有很低的动态响应，由于负载处在系统的闭环之中，所以它对阀控液压马达的动态品质有很大的影响。

此外，系统的负载常是可变的，系统设计只能针对一种特定负载，负载一旦改变，系统的动态品质就会变坏，有时甚至失去稳定性，严重的影响了伺服系统的跟踪性能。

本文主要针对干扰力矩对系统的影响，利用结构不变性原理，消除干扰力矩对系统的影响，同时利用PID 控制理论来提高系统的动态性能。

1 阀控液压马达速度伺服系统模型建立阀控液压马达速度伺服系统的结构如图1所示。

液压马达的力矩方程为：fm m s l m T G s C J P +++=θ)(D （1）负载流量方程为：l em m l tm l sP Vs D P C βθ4Q +== （2）伺服阀的线性流量方程为：L p x l P K x k Q -= （3）电液伺服阀近似看成二阶振荡环节：122^2^)()(++=s S K s i s x svsvsv svv ωξω （4） 伺服放大器输出电流ΔI 与输入电压Ue 近似成正比，其传递函数可用伺服放大器增益Ka 表示：错误!未找到引用源。

但通常的速度控制系统采用积分放大器，对原系统加以校正才能稳定工作。

校正后的积分放大器增益Ka 表示为：测速机速度传感器（测速机）的数学模型为：错误!未找到引用源。

在上述公式中：v x 为电液伺服阀阀芯位移；i 为电液伺服阀输入电流；v sv k s sv ωξ、、分别为电液伺服阀的增益、阻尼系数和固有频率；m D 为马达排量；L Q 为马达的负载流量；x K 为流量增益系数；p K 为流量一压力系数；只为供油压力；s P 为负载压力；m θ为马达转速；e β为从油液有效体积弹性模数；V 为马达的总容积；J 为折算到马达输出轴上的转动惯量；f T 为外干扰力矩；tm C 为马达泄露系数；m C 为粘性阻尼系数；G 为扭簧梯度。

阀控马达轮边驱动系统仿真分析杨霞;白雪银;张伟【摘要】以单泵双马达阀控速度闭环控制系统作为工程车辆的轮边驱动单元为研究背景,分析了车辆调速与转向控制原理,提出了应用负反馈闭环控制技术调整发动机转速的节能思路,并进行了AMESim仿真分析.结果表明:该系统能够实现两个驱动轮转速的独立控制,对复杂路面工况具有较强的自适应性,能够实时调整发动机转速,减少溢流,具有显著的节能效果.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P62-65)【关键词】轮边驱动;阀控马达;调速;节能;AMESim【作者】杨霞;白雪银;张伟【作者单位】内蒙古化工职业学院测控与机电工程系,内蒙古呼和浩特010070;内蒙古化工职业学院测控与机电工程系,内蒙古呼和浩特010070;秦皇岛港股份有限公司,河北秦皇岛066002【正文语种】中文【中图分类】TH137引言目前，随着液压技术的不断创新发展，以液压马达为驱动单元的轮边驱动形式在工程车辆领域得到了广泛应用[1-3]。

其基本形式为发动机-量泵-变量马达-驱动轮，它通过改变泵的排量实现车速控制，改变马达排量以调节驱动轮输出转矩，应用液压缸转向机构改变车辆行进方向。

该传动形式有效利用了恒压系统下各并联元件可以互不干涉独立工作的特性，实现了驱动轮转速、转矩和转向的独立控制，而且采用泵控马达闭式系统，节能效果显著[4-6]，但存在动态调节响应慢、系统成本高等缺陷。

本研究提出了一种发动机-定量泵-比例阀-定量马达-驱动轮的传动形式，该系统充分发挥了阀控系统响应快的特点，有效地改善了车辆操作性能，而且降低了成本。

1 原理分析和仿真模型搭建工程车辆阀控马达行走系统基本原理如图1所示。

用两套独立的比例阀控定量马达速度闭环控制系统分别驱动左右两个车轮，通过调节比例阀开口大小来改变进入定量马达的流量，进而改变驱动轮的转速，以实现车辆的速度控制。

引入转向控制系数，将其与速度控制信号作乘除运算后，分别作为两套阀控马达系统的输入信号，进而使得两个驱动轮的输出转速成比例关系，当左轮转速大于右轮转速，车辆即实现右转，当左轮转速小于右轮转速，车辆即实现左转。

力反馈两级伺服阀特性仿真指导书哈尔滨工业大学2012年10月仿真一压力流量特性测试一、仿真目的1了解伺服阀压力流量特性测试实验原理；2了解伺服阀压力流量特性曲线的测试方法和步骤；3 学习使用AMESim软件对伺服阀进行仿真分析。

二、仿真内容1伺服阀压力流量特性测试；三、压力流量特性测试伺服阀的负载流量曲线表示在稳定状态下，输入电流、负载流量和负载压降三者之间的函数关系，如图1所示。

负载流量特性是指在输入电流I和供油压力Ps为常数的情况下，输出流量Q随负载压力差ΔPL的变化关系。

改变输入电流I可以得到一簇曲线，即为负载流量特性曲线。

负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性，要测量出这簇曲线比较困难，特别是在零位附近很难测出精确的数值，而伺服阀却正好是在零位工作，因此这簇曲线主要用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。

图1 伺服阀的压力——流量特性曲线1伺服阀压力流量特性测试实验原理图图2 伺服阀压力流量特性测试原理图压力-流量特性测试的原理图如图2所示。

测试中，在不同的控制电流下，利用节流阀调节伺服阀控制边两侧的压差，记录不同压差下伺服阀的流量，利用相关的试验数据，即可绘制不同控制电流下，伺服阀的压力-流量特性曲线。

2伺服阀压力流量特性测试仿真模型伺服阀图3 伺服阀压力流量特性测试仿真模型力反馈两级伺服阀压力流量特性测试系统的AMESim仿真模型如图3所示。

3仿真测试步骤和方法压力流量特性仿真测试步骤如下:1)打开AMESim安装目录\v800\demo\Solutions\GL_FC\Servovalve 目录下的Servovalve_completeModel.ame仿真模型；2) 设定工作压力（ 1.Power Supply）210bar（21MPa）；3)利用信号发生器依次产生不同的电流值给电液伺服阀线圈（ 2.Input4) 节流阀开度控制信号参数设置为：5）进入Parameter mode参数模式，菜单Settings——>Global Parameters…添加参数i。