毕业设计(论文)-基于MATLAB的液压系统的设计与仿真

各专业完整优秀毕业论文设计图纸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。