毕业设计(论文)-基于MATLAB的液压系统的设计与仿真

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西南交通大学

本科毕业设计（论文）

基于MATLAB的液压系统的设计与仿真

摘要

液压电梯是现代社会中一种重要的垂直运输工具，由于其具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国内外中、低层建筑中的应用已相当普遍。液压电梯是集机、电、液一体化的产品，是由多个相互独立又相互协调配合的单元构成，对液压电梯的开发研究涉及机械、液压及自动控制等多个领域。

本文在对液压电梯的实际工作情况做了详细分析后，假定了一个电梯具体的工作条件（包括电梯的最大负载和运行速度等），选定电梯轿厢的支承方式为双缸直顶式、支承液压缸为三级同步液压缸，并设计了满足条件的电梯液压系统。然后根据电梯的工作条件和已设定参数，对各个液压元件进行了设计计算。最后结合实际的情况和一些具体的产品，对液压元件的型号和尺寸的进行了确定。

在此基础上，本文对电梯液压系统进行了数学模型的建立，在建模过程中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。在建立了系统数学模型后，对液压系统进行了仿真分析，得到了系统的速度、压力和位移曲线，这就更直观的反应了系统的运行过程。

根据仿真结果分析，液压缸在运行过程中速度振动较大，本论文将PID控制算法加入到系统中，采用积分分离PID控制方法对本液压系统进行了仿真分析，结果显示加入PID控制方法后系统稳定性得到了提高，具有良好的工作性能。

关键词：液压电梯;双缸直顶式;三级同步液压缸;动态仿真;PID控制

目录

第1章绪论 (1)

1.1液压电梯的发展概况 ............................................................. 错误!未定义书签。

1.1.1 国外液压电梯的发展简况 ......................................... 错误!未定义书签。

1.1.2 国内液压电梯的发展简况 ......................................... 错误!未定义书签。

1.2 液压电梯工作原理概述 (1)

1.3 液压电梯的技术特点 (2)

1.3.1 液压电梯的性能要求 (2)

1.3.2 液压电梯的优点 (2)

1.3.3 液压电梯的缺点 (3)

1.4 本论文的选题意义及研究内容 (3)

1.4.1 本论文的选题意义 (3)

1.4.2 本论文的研究内容 (4)

第2章液压电梯的液压系统设计 (6)

2.1设计背景及工况分析 (6)

2.2 液压系统设计 (7)

2.3 液压缸的设计 (9)

2.3.1 同步伸缩液压缸的工作原理 (9)

2.3.2 同步伸缩缸的参数计算 (10)

2.3.3 缸盖和活塞头设计 (14)

2.3.4 柱塞缸和各级活塞缸的长度计算 (17)

2.3.5 液压缸的密封 (19)

2.4 泵和电机的选择 (20)

2.4.1 泵排量的计算 (20)

2.4.2 电机的选择 (20)

2.5 液压管路的设计 (21)

2.5.1 管路内径的选择 (21)

2.5.2 管道壁厚计算 (22)

2.6 油箱设计 (22)

2.7 过滤器的设计 (23)

2.8 阀的选择 (23)

2.8.1 单向阀的选择 (23)

2.8.2 电磁溢流阀 (23)

2.8.3 节流阀 (23)

2.9 本章小结 (24)

第3章电梯液压系统模型的建立 (25)

3.1电梯上行的数学模型 (27)

3.1.1 泵的数学模型 (27)

3.1.2 单向阀的数学模型 (28)

3.1.3 比例流量阀的数学模型 (28)

3.1.4 液压桥的数学模型 (30)

3.1.5 液控单向阀的模型 (31)

3.1.6 液压缸的数学模型 (31)

3.1.7 系统上行的模型 (34)

3.2 电梯下行的数学模型 (35)

3.3 本章小结 (37)

第4章电梯液压系统的动态仿真 (38)

4.1 simulink简介 (38)

4.2电梯上行时液压系统的仿真分析 (39)

4.2.1 供油子系统的仿真模型 (40)

4.2.2 液压桥和液控单向阀组成调整子系统的仿真模型 (40)

4.2.3 三级同步液压缸构成运行系统的仿真模型 (41)

4.3 电梯上行液压系统的仿真 (45)

4.3.1 电梯上行液压缸的速度曲线 (46)

4.3.2 电梯上行液压缸的位移仿真曲线 (48)

4.3.3 电梯上行液压缸各级缸筒压力仿真曲线 (48)

4.4 本章小结 (49)

第5章电梯液压系统的PID控制 (50)

5.1 PID控制原理 (51)

5.2 位置PID控制算法 (52)

5.3 数字PID控制算法的该进 (53)

5.4 液压电梯液压系统的PID控制器的设计与仿真 (55)

5.4.1 PID控制器设计 (55)

5.4.2 采样周期的确定 (56)

5.4.3 PID控制器参数整定 (57)

5.4.4 电梯液压系统PID控制器仿真 (57)

5.5 本章小结 (63)

结论与展望 ........................................................................................... 错误!未定义书签。致谢 ................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ............................................................................................... 错误!未定义书签。

第1章绪论

1.2 液压电梯工作原理概述

液压电梯作为除电动电梯之外的另外一个电梯种类，其工作原理和曳引电梯有很大的不同。液压电梯是通过电力驱动的泵传递液压油到油缸，柱塞(或者活塞)通过直接或间接的方式作用于轿厢，实现轿厢上行:通过载荷和轿厢重力的作用使油缸中的液压油流回到油箱，实现轿厢下行[13]。

液压电梯的液压传动系统包括以下几个主要部件:

(a)、液压泵站，即电机、油泵、油箱。油泵是将电动机输入的机械能转化为流动油液的压力能。油箱包括控温元件、滤油器、消音器及油管等辅件，以保证液压系统可靠、稳定、持久的工作;

(b)、控制阀，它是由多种阀组合而成的控制阀块，控制液压油的流向、速度及加减速度，从而使轿厢达到良好的运行性能;

(c)、油缸，动力执行元件，将油液的压力能转换为与其直接联接的轿厢运动机械能。

(d)、牵引装置，液压缸的运动，通过牵引装置来牵引电梯轿厢的运动。

轿厢的运动是由电力驱动的泵使具有压力的液压油通过控制阀和管路从油箱流入液压缸，或从液压缸流回油箱来实现的。控制阀及油泵电机靠机房内的控制柜来控制。

液压电梯的控制系统是一个速度控制系统。其工作过程是这样的:当液压电梯上行时，电机带动油泵迫使一部分油液进入油缸，推动柱塞以一定的加速度伸出油缸;接着油泵输出的油液全部进入油缸，轿厢以额定速度运行;当轿厢接近所选层站时，液压电梯捕捉到井道中的减速信号，通过控制系统进入油缸的油液减少，使轿厢以平层速度运行，通常在0.05-0.lm/s之间。当轿厢与所选层站水平时，电梯又捕捉到井道中的停止信号，控制系统关闭所有的上行阀，随后油泵电机停止工作，电梯停在所选层站，同时液压控制系统中的单向阀阻止油液流回油箱，轿厢保持静止。为了使轿厢下行，电器操纵的下行阀打开，靠轿厢重力及载荷使油液通过控制阀以一定的流量流回油箱，柱塞缩回到油缸中，从而实现轿厢下行，其加减速度与上行时基本相同[22]。

液压电梯与电动电梯相比，由于技术实现上完全不同，因此具有其本身的一些特点：液压系统功率重量比大，而且传送距离长，因此机房面积小且设置灵活；一般不

带配重，因此减小了井道尺寸;载重可通过油缸直接作用在地基上，因此载重量大，而且井道不受力，降低了建筑费用。上述特点使得液压电梯适合于中低层建筑(<40m)、大载重 (>1t)、旧屋改造等场合，如仓库、停车场、机场等等，或者在古典建筑、旧房中增设电梯。因此，尽管液压电梯存在着提升高度低、速度低等局限性而受到曳引电梯的巨大挑战，但上述优势使得液压电梯依然在市场中占有可观的份额，而且技术的进步使其依然具有很好的发展前景。

1.3 液压电梯的技术特点

1.3.1 液压电梯的性能要求

电梯工业经过多年的发展，在电梯制造与安装安全规范、电梯技术条件、电梯试验方法、电梯钢丝绳、电梯轿厢、井道、轿厢等各方面都已形成各种严格的技术要求和安装规范，己形成统一的国家标准[11]。液压电梯除了要满足这些要求外，在电梯性能方面，也需要满足以下几项指标：

1）、安全可靠性、稳定性

液压电梯作为一种载人的交通工具，安全性要求十分重要，电梯要求故障率小，应急设施齐全，在任何正常工况(负载变化、油温变化、电网扰动)下，均能按要求的运行曲线反复保持可靠地运行，不得有漏油现象。

2）、经济性

液压电梯结构简单，装拆方便，维护费用低廉，是其保持强有力的市场竞争的根本。

3）、舒适性

特别对于乘客液压电梯，其舒适性的好坏至关重要。人们常常将上浮感、下沉感、不稳定感等统称为不舒适感，产生这种不舒适感的主要原因是人对垂直运动往往比较敏感，尤其是在电梯的加速或者减速段。

1.3.2 液压电梯的优点

液压电梯与其它驱动方式(如曳引电梯)的垂直运输工具相比，具有以下优点[12]: 1）、机房设置灵活。液压电梯靠油管传递动力，因此，机房位置可设置在离井道周围20m的范围内，且机房面积仅4-5m，，再也不需要用传统方式将机房设置在井道

上部，可使建筑结构简化。

2）、井道结构强度要求较低。因液压电梯轿厢自重及载重等垂直负荷均通过液压缸全部作用于地基上，对井道墙及顶部的建筑性能要求低。

3）、井道利用率高。一般液压电梯不设置对重装置，故可提高井道面积的利用率。相同规格的液压电梯要比曳引电梯的井道面积少12%。

4）、结构紧凑。在相同主参数情况下，液压传动系统比曳引驱动系统的体积小、重量轻。

1.3.3 液压电梯的缺点

由于输入功率、控制及结构等条件的限制，一般液压电梯的升程有限(40m)，速度不高(lm/s以下)。

需要输入的功率大。因为液压电梯不设配重，在额定载重量、额定速度及提升高度相同的情况下，液压电梯所需要的电机功率是曳引电梯的2.5-3倍，因为液压电梯配套的动力电路容量比曳引电梯大。尽管液压电梯电机只在上行时工作，但其能量消耗至少为同等曳引电梯的2倍左右。

温度及载荷变化对液压电梯的起制动、加减速有一定的影响。液压电梯的动态速度模型随着环境的变化会有所变化，增加了控制难度。

由于温度的变化和泄漏等因素的影响，当轿厢较长时间停在某层站时会下沉，因此必须采取措施防止轿厢下沉[12]。

1.4 本论文的选题意义及研究内容

1.4.1 本论文的选题意义

由于液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍。由于我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液压电梯也将会有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用场合, 如汽车梯、船用平台等, 由于液压电梯具有功率重量比大、设置安装灵活的优点, 尤其适用。对于这些大载重量电梯, 宜采用对称布置的双缸直顶支承方式, 可使轿厢处于相当平稳的运行状态。目前国内对此类液压电梯的研制还比较

少，而且研究水平还处在一个较低的水平。

为适应国内这种形势，最重要的是利用现有技术力量，投入必要的资金，开展液压电梯的研发，选择适用的控制策略，采用先进的计算机处理方法来对液压系统进行控制。为彻底解决国产化问题，并将液压电梯迅速推向市场，必须优化液压系统设计，设计合理的控制系统，使得电梯的运行性能达到国际水平的前提下，大幅度降低造价，以促进液压电梯在国内大规模的广泛使用。

本论文在对液压电梯的具体工作情况做了详细分析后，设计了一个较优化的电梯液压系统，然后根据轿厢的载重和计划运行速度，对各个液压元件进行了设计计算，最后结合实际情况对液压系统进行了建模和仿真，得出系统运行的曲线。这样更直观的模拟出了电梯在运行过程中的速度、压力和位移的曲线的变化。针对电梯在启动和平稳运行过程中速度的振动较大的情况，本文中在液压系统中加入了PID控制算法，从而有效降低了系统的误差，减少了电梯运行的速度振动，增强了电梯运行的平稳性和舒适性。

1.4.2 本论文的研究内容

1）、电梯液压系统的设计

在以前的液压电梯系统中，很多都采用单缸支承，由于重载液压电梯的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差，这种支承方式偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损。本论文中采用双缸支承电梯轿厢如图1-1，这种方式在电梯运行时，两个液压缸同时对轿厢提供牵引力，这样不仅节约了在电梯运行时液压缸的行程，降低了液压缸的制造成本和安装空间，而且保证了电梯运行过程中的平稳性和安全性。

1-为电梯轿厢 2-为支承液压缸

图1-1 液压电梯结构简图

2）、电梯液压系统的建模

在完成液压系统的设计和相关计算后，需要确立系统合适的控制策略，那么首先要建立系统的数学模型。由于液压电梯液压系统具有长行程、变负载、变液容以及由于油温变化引起变泄漏的特点，直接由其机理推导出数学模型相当复杂。本论文中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。这种建模方法不仅降低了建模的复杂程度，节省了建模的时间，而且这种模型在出现问题时更利于改进。

3）、电梯液压系统的仿真

建立起电梯液压系统的数学模型后，就需要对根据数学模型来建立系统的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink来对系统进行仿真，并且把整个系统分为三个子系统：液压泵、单向阀和调速阀组成供子油系统；液压桥和液控单向阀组成调整子系统；三级同步液压缸构成运行系统，下面对三个子系统分别建立仿真模型，然后再组成系统的总体仿真模型，进行仿真，这样具有很强的可观性和内部可移植性，给程序调试和设计带来很大方便。在对系统仿真过程中，对系统输入了阶跃的流量信号和一个调速信号，系统输出为液压缸的速度、压力和位移曲线。

4）、电梯液压系统的PID控制

在对电梯液压系统进行了仿真后，得到了液压缸运行的速度、压力和位移曲线，

分析各级缸筒的曲线，可以看出液压缸的缸筒的各级速度曲线总体运行都符合设计要求，但是缸筒速度的振动较大，这使得电梯不能稳定的运行。综合考虑，对电梯液压系统加入了PID控制器，以减少液压缸速度运行的误差。在加入了PID控制器后，液压缸缸筒在启动过程中的调整时间减少，速度变得平稳，增加了电梯运行的平稳性和舒适性。

第2章液压电梯的液压系统设计

2.1设计背景及工况分析

随着人们生活水平的不断提高，电梯已经广泛运用于人们日常生活中，而液压电梯则是电梯中的一个重要梯种，液压电梯具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国外中、低层建筑中的应用已相当普遍, 我国对液压电梯的研制、开发起步较晚, 虽已有一些单位开展研究、生产, 但国产化程度不高, 主要依靠进口。随着今后人民生活水平的日益提高, 多层建筑也将安装电梯, 而液压电梯则是最适宜的机种。另外, 旧房改造对液压电梯也将会有大量而迫切的需要。在一些特殊的使用场合, 如汽车梯、船用平台等, 由于液压电梯具有功率重量比大、设置安装灵活的优点, 尤其适用。对于这些大载重量电梯, 宜采用对称布置的双缸直顶支承方式, 可使轿厢处于相当平稳的运行状态[16]。

根据实际情况和参照相关电梯承载的参数，我设定液压电梯的总负载（包括电梯本身自重）为3000Kg，电梯行程为12m，运行平稳速度为0.75m/s，由于重载液压电梯

的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差, 若采用单缸承重, 偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损, 因此宜采用双缸支承[23]。双缸液压电梯的结构简图如图2-1所示。电梯为四层四站, 每层高3米, 采用直顶支承方式, 两柱塞缸左右对称布置, 分别立于相应导轨一侧。

1-为电梯轿厢 2-为支承液压缸

图2-1 液压电梯结构简图

2.2 液压系统设计

液压电梯中用得最多的液压系统是节流调速系统。本液压系统也采用节流调速系统, 上行时为旁路节流调速, 下行时为回油节流调速[25], 液压系统原理见图2-2。