进口节流调速仿真与试验

刘波

摘要：通过对建立进口节流调速的数学模型，进行稳定性判断、仿真分析。同时，通过教学实验系统的开发与研究，并进行液压控制系统实验。实验动态响应曲线和仿真动态响应曲线比较分析，解决进口节流调速在应用中存在的问题，为教学科研提供平台。

关键词：进口节流调速数学模型仿真实验

0引言

随着教育改革的逐步深入，如何培育具有创新精神的职业技术人才已经成为职业技术院校面临的热点问题之一。专业实验教学肩负着如何培育学生的动手能力及创造性思维的最直接、最重要的责任。于是，教育改革也就对专业实验教学提出了更高和更新的要求。因此本次毕业论文是根据自己的教学需要和所学专业的要求，对液压进口节流调速系统的教学实验开发与研究。

1建立进口节流调速的数学模型

1.1进口节流调速的工作原理图这种调速回路将节流阀装在液压缸的进油路上，即串联在液压泵和液压缸之间

1.2系统的数学模型为了分析方便，作如下假设：

系统供油压力由溢流阀调节为恒定值，回油压力为零，不考虑液流在管道中的损失和动态特性，油的温度和密度均为常数[18]。

1.2.1液压缸活塞的受力平衡方程式中：

P1（t）——液压缸进口压力；

A1——液压缸无杆腔活塞的有效面积；

m——运动部件质量；

B——粘性摩擦阻尼系数；

u（t）——活塞的运动速度；

F（t）——负载力。

1.2.2系统的流量方程式中：

Q1（t）——液压缸的进口流量；

V——回路高压腔总容积；

K——油液体积弹性模量；

KL——液压缸的泄漏系数。

1.2.3节流阀的流量方程QT（t）=Q1（t）=cAT[Pp-P1（t）]φ式中：

QT（t）——节流阀的流量；

c——节流系数；

AT——节流阀的通流面积；

Pp、P1——节流阀进、出口压力；

φ——节流指数，φ=。

将上式线性化并写成增量表达式

式中：

KQ=c（pp-p10）流量放大系数；

Kp=cAT0（pp+p10）-压力流量系数；

p10——液压缸进口压力稳态值；

AT0——节流阀通流面积稳态值。

1.2.4调速系统的动态方块图

A1P1（s）=msU（s）+BU（s）+F（s）

Q1（s）=A1U（s）+sP1（s）+KLP1（s）

Q1（s）=KQAT（s）-KPP1（s）

即由上述三式画出方块图，如图2所示。

1.2.5系统传递函数

①以AT（s）为输入，U（s）为输出，认为F（s）=0的传递函数

KQAT（s）=A1U（s）+(s+KL+KP)P1（s）

②以F（s）为输入，U（s）为输出，认为AT（s）=0的传递函数

其中负号表示外负载力F增加时，液压缸的速度要降低。

2进口节流调速回路仿真

根据进口节流调速回路的动态方块图，在MATLAB的仿真状态下建立Simulink模型

2.1以AT（s）为输入，U（s）为输出，认为F（s）=0的仿真分析

2.1.1阶跃响应曲线当负载力F不变，节流阀的通流面积AT以阶跃信号输入时

当节流阀的通流面积AT突然增大时，节流阀的流量QT逐渐增加，一直到达稳定后，节流阀的流量QT才保持不变，因此液压缸活塞的速度u也逐渐增加，而达稳定后保持不变。

2.1.2斜波响应曲线当负载力F不变，节流阀的通流面积AT以斜波信号输入

当节流阀的通流面积AT逐渐增大时，节流阀的流量QT逐渐增加，进入液压缸的流量QT也逐渐增加，因此液压缸活塞的速度u也逐渐增加。

2.2以F（s）为输入，U（s）为输出，认为AT（s）的仿真分析

2.2.1阶跃响应曲线当节流阀的通流面积AT不变，负载力F以阶跃信号输入

当负载力F突然增大时，节流阀的流量QT也突然减小，液压缸活塞的速度u急剧下降，负载力F增加到稳定时，节流阀的流量QT也达到稳定，液压缸活塞的速度u也趋于稳定。

2.2.2斜波响应曲线当节流阀的通流面积AT不变，负载力F以斜波信号输入

当负载力F逐渐增大时，节流阀的流量QT成反比例的减小。压缸活塞的速度u成线性的、反比例的下降。

3教学实验系统的组成

4液压控制系统的组成及原理

4.1控制检测系统的组成系统控制检测部分的组成为：计算机、A/D和D/A数据采集集成板PCL－812PG、32路隔离数字量I/O卡PCL－730、压力传感器、速度传感器。

4.2调速系统的控制过程在进行进口节流调速实验时，启动计算机控制系统和液压泵的电动机，使计算机控制系统和液压泵运行，此时泵处于卸载状态；使三位四通换向阀的电磁铁1DT通电、2DT断电；二位二通换向阀的电磁铁3DT通电、4DT断电。液压泵输出的油液经过进口节流阀调节后，进入工作液压缸的左腔，右腔回油，液压缸的活塞杆外伸，当计算机发出加载指令控制信号时，通过D/A转换，经放大，驱动比例溢流阀加载，使加载液压缸的右腔回油，左腔通过二位二通吸液阀进油。通过速度传感器测得工作液压缸的活塞杆外伸速度（速度差）和压力传感器检测工作液压缸两腔的压力（压力差），其输出的速度（速度差）和压力（压力差）值经A/D转换、放大后输入到计算机中。从而检测出进口节流调速回路的动态特性。使三位四通换向阀的电磁铁1DT断电、2DT通电；二位二通换向阀的电磁铁4DT通电、3DT断电。工作液压缸的活塞杆快速缩回，此时比例溢流阀不加载。在停止实验时，液压泵又不停止工作，电磁铁1DT和2DT断电，使液压泵卸荷。

4.3系统的硬件框图根据液压节流调速系统的控制要求和实验方法，设计出系统的硬件框

4.4系统软件液压节流调速控制系统的软件是实现系统功能的核心，它包括系统人机界面模块和数据处理模块。控制对象有3个参数，两个检测参数和一个控制参数，并且系统实时性要求较高，同时为了方便试验人员操作，软件设计采用Windows下可视化编程技术。

开发工具为NationalInstrument公司的虚拟仪器测控开发软件：LabWindows/CVI。这个软件是以C语言和WindowsAPI为基础建立起来的软件开发工具。它继承了Windows下多窗口、多任务和消息事件驱动机制等特点，同时又具有自己开发的信号处理、图形动态显示软件包，是一个很好的实时监控软件开发平台。此软件完备的数字信号处理功能和多线程功能大大提高了工作效率，而且具有诸如PCL、GPIB、VXI、PXI等接口板卡的驱动程序库，这对于测控系统的硬件接口模块的开发提供了很大帮助

4.5系统软件的设计控制软件主要由人机界面模块和数据处理模块这两部分组成，软件整体结构

5实验结果

利用实验设备和测量仪器可测得实验系统在阶跃信号和斜波信号的输入情况下的动态响应曲线。通过比例溢流阀加载可获得进口节流调速系统的动态响应曲线

6结论

6.1实验动态响应曲线和仿真动态响应曲线比较可知，两种响应曲线基本相符，但还存在区别。油液的有效容积弹性模量按常值进行的仿真曲线要比实验动态响应曲线高一点，这是由于液压缸的调速系统可以等效为弹簧质量系统，油液的有效容积弹性模量愈大，系统的液压弹簧刚度愈大，固有频率也愈大，而实际上，在液压力较低时，油液的有效容积弹性模量较小的缘故。对于进口节流调速实验系统，当外加负载突然改变时，实验台的液压缸活塞受力平衡状态被破坏，速度急剧增加，产生“前冲”现象，同时进油腔的压力迅速下降，此时会引起一定的流量超调，经过一个短暂的过渡过程时间，速度经几次振荡后恢复稳态值。

6.2构建了完整的液压进口节流调速教学实验系统，可实现快速方便的操作和控制。

6.3控制软件设计采用LabVIEW的监控软件，该系统具有界面友好，操作简单，实时性好，可靠性高，结构简单等特点。在液压节流调速实验系统中表现出了很好的稳定性和可靠性。

6.4仿真和实验结果基本相吻合，说明了理论分析的正确性，同时也表明本文所设计的液压节流调速教学实验系统具有较重要的应用价值。

6.5在此基础上可以进一步开发相关的教学和科研。

参考文献：

[1]叶立群.职业技术教育学[M].福州：福建教育出版社.1995.

[2]韩乾等.专业实验教学改革的再思考[J].实验室研究与探索.2003.22(5).

[3]徐元昌.流体传动与控制[M].上海：同济大学出版社.1998.

[4]邢耀国.机床液压调速系统动态特性的计算机仿真与实验研究[D].西安交通大学.1993.

[5]高钦和.进油节流调速液压回路爬行现象的建模与仿真分析[J].机床与液压.2000.5.

[6]赵国华.液压进口节流带背压的节流调速回路速度刚度分析[J].广西机械.1998.2.