摘要:通過對建立進口節(jié)流調(diào)速的數(shù)學模型，進行穩(wěn)定性判斷、仿真分析。同時，通過教學實驗系統(tǒng)的開發(fā)與研究，并進行液壓控制系統(tǒng)實驗。實驗動態(tài)響應(yīng)曲線和仿真動態(tài)響應(yīng)曲線比較分析，解決進口節(jié)流調(diào)速在應(yīng)用中存在的問題，為教學科研提供平臺。

關(guān)鍵詞:進口節(jié)流調(diào)速數(shù)學模型仿真實驗

0 引言

隨著教育改革的逐步深入，如何培育具有創(chuàng)新精神的職業(yè)技術(shù)人才已經(jīng)成為職業(yè)技術(shù)院校面臨的熱點問題之一。專業(yè)實驗教學肩負著如何培育學生的動手能力及創(chuàng)造性思維的最直接、最重要的責任。于是，教育改革也就對專業(yè)實驗教學提出了更高和更新的要求。因此本次畢業(yè)論文是根據(jù)自己的教學需要和所學專業(yè)的要求，對液壓進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的教學實驗開發(fā)與研究。

1 建立進口節(jié)流調(diào)速的數(shù)學模型

1.1 進口節(jié)流調(diào)速的工作原理圖 這種調(diào)速回路將節(jié)流閥裝在液壓缸的進油路上，即串聯(lián)在液壓泵和液壓缸之間，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的數(shù)學模型 為了分析方便，作如下假設(shè):

系統(tǒng)供油壓力由溢流閥調(diào)節(jié)為恒定值，回油壓力為零，不考慮液流在管道中的損失和動態(tài)特性，油的溫度和密度均為常數(shù)[18]。

1.2.1 液壓缸活塞的受力平衡方程

式中:P1(t)——液壓缸進口壓力;

A1——液壓缸無桿腔活塞的有效面積;

m——運動部件質(zhì)量;

B——粘性摩擦阻尼系數(shù);

u(t)——活塞的運動速度;

F(t)——負載力。

1.2.2 系統(tǒng)的流量方程

式中:Q1(t)——液壓缸的進口流量;

V——回路高壓腔總?cè)莘e;

K——油液體積彈性模量;

KL——液壓缸的泄漏系數(shù)。

1.2.3 節(jié)流閥的流量方程

QT(t)=Q1(t)=cAT[Pp-P1(t)]φ

式中:QT(t)——節(jié)流閥的流量;

c——節(jié)流系數(shù);

AT——節(jié)流閥的通流面積;

Pp、P1——節(jié)流閥進、出口壓力;

φ——節(jié)流指數(shù)，φ=。

將上式線性化并寫成增量表達式

式中:KQ=c(pp-p10)流量放大系數(shù);

Kp= cAT0(pp+p10)-壓力流量系數(shù);

p10——液壓缸進口壓力穩(wěn)態(tài)值;

AT0——節(jié)流閥通流面積穩(wěn)態(tài)值。

1.2.4 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)方塊圖

A1P1(s)=msU(s)+BU(s)+F(s)

Q1(s)=A1U(s)+sP1(s)+KLP1(s)

Q1(s)=KQAT(s)-KPP1(s)

即由上述三式畫出方塊圖，如圖2所示。

1.2.5 系統(tǒng)傳遞函數(shù)

①以AT(s)為輸入，U(s)為輸出，認為F(s)=0的傳遞函數(shù)

KQAT(s)=A1U(s)+(s+KL+KP)P1(s)

由于F(s)=0，則: 帶入上式。

②以F(s)為輸入，U(s)為輸出，認為AT(s)=0的傳遞函數(shù)

其中負號表示外負載力F增加時，液壓缸的速度要降低。

2 進口節(jié)流調(diào)速回路仿真

根據(jù)進口節(jié)流調(diào)速回路的動態(tài)方塊圖，在MATLAB的仿真狀態(tài)下建立Simulink模型，其模型如圖4所示。

2.1 以AT(s)為輸入，U(s)為輸出，認為F(s)=0的仿真分析

2.1.1 階躍響應(yīng)曲線 當負載力F不變，節(jié)流閥的通流面積AT以階躍信號輸入時，其階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

當節(jié)流閥的通流面積AT突然增大時，節(jié)流閥的流量QT逐漸增加，一直到達穩(wěn)定后，節(jié)流閥的流量QT才保持不變，因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加，而達穩(wěn)定后保持不變。

2.1.2 斜波響應(yīng)曲線 當負載力F不變，節(jié)流閥的通流面積AT以斜波信號輸入時，其斜波響應(yīng)曲線如圖6所示

當節(jié)流閥的通流面積AT逐漸增大時，節(jié)流閥的流量QT逐漸增加，進入液壓缸的流量QT也逐漸增加，因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加。

2.2 以F(s)為輸入，U(s)為輸出，認為AT(s)的仿真分析

2.2.1 階躍響應(yīng)曲線 當節(jié)流閥的通流面積AT不變，負載力F以階躍信號輸入時，其階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

當負載力F突然增大時，節(jié)流閥的流量QT也突然減小，液壓缸活塞的速度u急劇下降，負載力F增加到穩(wěn)定時，節(jié)流閥的流量QT也達到穩(wěn)定，液壓缸活塞的速度u也趨于穩(wěn)定。

2.2.2 斜波響應(yīng)曲線 當節(jié)流閥的通流面積AT不變，負載力 F以斜波信號輸入時，其斜波響應(yīng)曲線如圖8所示。

當負載力F逐漸增大時，節(jié)流閥的流量QT成反比例的減小。壓缸活塞的速度u成線性的、反比例的下降。

3 教學實驗系統(tǒng)的組成

液壓實驗系統(tǒng)如圖9所示。

4 液壓控制系統(tǒng)的組成及原理

4.1 控制檢測系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)控制檢測部分的組成為:計算機、A/D 和D/A數(shù)據(jù)采集集成板PCL-812PG、32路隔離數(shù)字量I/O卡PCL-730、壓力傳感器、速度傳感器。其組成及原理如圖10所示。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)的控制過程 在進行進口節(jié)流調(diào)速實驗時，啟動計算機控制系統(tǒng)和液壓泵的電動機，使計算機控制系統(tǒng)和液壓泵運行，此時泵處于卸載狀態(tài);使三位四通換向閥的電磁鐵1DT通電、2DT斷電;二位二通換向閥的電磁鐵3DT通電、4DT斷電。液壓泵輸出的油液經(jīng)過進口節(jié)流閥調(diào)節(jié)后，進入工作液壓缸的左腔，右腔回油，液壓缸的活塞桿外伸，當計算機發(fā)出加載指令控制信號時，通過D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大，驅(qū)動比例溢流閥加載，使加載液壓缸的右腔回油，左腔通過二位二通吸液閥進油。通過速度傳感器測得工作液壓缸的活塞桿外伸速度(速度差)和壓力傳感器檢測工作液壓缸兩腔的壓力(壓力差)，其輸出的速度(速度差)和壓力(壓力差)值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、放大后輸入到計算機中。從而檢測出進口節(jié)流調(diào)速回路的動態(tài)特性。使三位四通換向閥的電磁鐵1DT斷電、2DT通電;二位二通換向閥的電磁鐵4DT通電、3DT斷電。工作液壓缸的活塞桿快速縮回，此時比例溢流閥不加載。在停止實驗時，液壓泵又不停止工作，電磁鐵1DT和2DT斷電，使液壓泵卸荷。

4.3 系統(tǒng)的硬件框圖 根據(jù)液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和實驗方法，設(shè)計出系統(tǒng)的硬件框圖如圖11所示。

4.4 系統(tǒng)軟件 液壓節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，它包括系統(tǒng)人機界面模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。控制對象有3個參數(shù)，兩個檢測參數(shù)和一個控制參數(shù)，并且系統(tǒng)實時性要求較高，同時為了方便試驗人員操作，軟件設(shè)計采用Windows下可視化編程技術(shù)。

開發(fā)工具為National Instrument公司的虛擬儀器測控開發(fā)軟件:LabWindows/CVI。這個軟件是以C語言和Windows API為基礎(chǔ)建立起來的軟件開發(fā)工具。它繼承了Windows下多窗口、多任務(wù)和消息事件驅(qū)動機制等特點，同時又具有自己開發(fā)的信號處理、圖形動態(tài)顯示軟件包，是一個很好的實時監(jiān)控軟件開發(fā)平臺。此軟件完備的數(shù)字信號處理功能和多線程功能大大提高了工作效率，而且具有諸如PCL、GPIB、VXI、PXI等接口板卡的驅(qū)動程序庫，這對于測控系統(tǒng)的硬件接口模塊的開發(fā)提供了很大幫助

4.5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 控制軟件主要由人機界面模塊和數(shù)據(jù)處理模塊這兩部分組成，軟件整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

5 實驗結(jié)果

利用實驗設(shè)備和測量儀器可測得實驗系統(tǒng)在階躍信號和斜波信號的輸入情況下的動態(tài)響應(yīng)曲線。通過比例溢流閥加載可獲得進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖13、14所示;

6 結(jié)論

6.1 實驗動態(tài)響應(yīng)曲線和仿真動態(tài)響應(yīng)曲線比較可知，兩種響應(yīng)曲線基本相符，但還存在區(qū)別。油液的有效容積彈性模量按常值進行的仿真曲線要比實驗動態(tài)響應(yīng)曲線高一點，這是由于液壓缸的調(diào)速系統(tǒng)可以等效為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，油液的有效容積彈性模量愈大，系統(tǒng)的液壓彈簧剛度愈大，固有頻率也愈大，而實際上，在液壓力較低時，油液的有效容積彈性模量較小的緣故。對于進口節(jié)流調(diào)速實驗系統(tǒng)，當外加負載突然改變時，實驗臺的液壓缸活塞受力平衡狀態(tài)被破壞，速度急劇增加，產(chǎn)生“前沖”現(xiàn)象，同時進油腔的壓力迅速下降，此時會引起一定的流量超調(diào)，經(jīng)過一個短暫的過渡過程時間，速度經(jīng)幾次振蕩后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值。

6.2 構(gòu)建了完整的液壓進口節(jié)流調(diào)速教學實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)快速方便的操作和控制。

6.3 控制軟件設(shè)計采用LabVIEW的監(jiān)控軟件，該系統(tǒng)具有界面友好，操作簡單，實時性好，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單等特點。在液壓節(jié)流調(diào)速實驗系統(tǒng)中表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性和可靠性。

6.4 仿真和實驗結(jié)果基本相吻合，說明了理論分析的正確性，同時也表明本文所設(shè)計的液壓節(jié)流調(diào)速教學實驗系統(tǒng)具有較重要的應(yīng)用價值。

6.5 在此基礎(chǔ)上可以進一步開發(fā)相關(guān)的教學和科研。

參考文獻:

[1]葉立群.職業(yè)技術(shù)教育學[M].福州:福建教育出版社.1995.

[2]韓乾等.專業(yè)實驗教學改革的再思考[J].實驗室研究與探索.2003.22(5).

[3]徐元昌.流體傳動與控制[M].上海:同濟大學出版社.1998.

[4]邢耀國.機床液壓調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的計算機仿真與實驗研究[D].西安交通大學.1993.

[5]高欽和.進油節(jié)流調(diào)速液壓回路爬行現(xiàn)象的建模與仿真分析[J].機床與液壓.2000.5.

[6]趙國華.液壓進口節(jié)流帶背壓的節(jié)流調(diào)速回路速度剛度分析[J].廣西機械.1998.2.