阀控液压马达速度伺服系统仿真分析_贾文铜
基于MATLAB泵控马达变转速节流复合调速系统PID控制仿真
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
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PID控制器的设计与仿真综述
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报告
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。
液压泵控马达数字调速系统研究
衡, 从而使阀芯回到零位, 反馈杠杆的方程为
Ff = ( x V k21 + x p k2 k1 ) K h ,
( 11)
式中 k2 为杠杆比, k2 = ( a+ b) / c.
2 液压泵控马达调速系统动态特性
2 1 液压泵控马达的动态特性分析 假设变量泵输入轴的转速不变, 以变量泵的排
量比 为输入, 定量马达的转速为输出, 建立该调速 系统模型. 将式( 3 ) ( 4 ) 进行拉普拉斯变换, 可得到 系统的传递函数, 代入泵和马达的实际参数, 其频率 特性图与阶 跃 输 入时 域 响 应曲 线 如 图 3 和图 4 所示.
过仿 真模型优化得到的数字 PI D 控 制参数能很好地 用于实际 泵控马 达调速 系统的 闭环控 制, 并 能获得 良好的 稳
பைடு நூலகம்
定性和快速性.
关键词: 液压泵控马达; 排量伺服机构; 频率特性; 数字 PI D 算法
中图分类号: T H 137 3
文献标识码: A
文 章编号: 1001 0645 ( 2009 ) 03 0205 05
V0
e
dph . dt
( 3) 式中: qV, ip 为变量泵理论输出流量; qV , im 为马达理论 输入流量; qV, zp 为 泵泄漏 流量; qV, zm 为 马达泄漏 流
量; V pmax 为泵的最大排量; V m 为定量马达排量; p 为泵的输入轴角速度; m 为马达的输出轴角速度; 为泵的排量比; vp 为泵的容积效率; mp 为马达的容 积效率; ph 为泵控马 达系统高低压回路压力差; Cs 为泵或马达的层流泄漏系数; 为工作液压油的动 力黏度; e 为工作液压油的弹性模量.
气动阀控制系统的建模与仿真分析
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
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。
液压伺服控制系统的建模与分析
F(t)
（ 1 t)
t
(t)
sin wt e t
F(s)
1 s
1 s2 1
s s2 w2 1
s
第3章 液压动力元件
本章摘要
液压动力元件是由液压放大元件和液压执行 元件组成。 有四种基本型式的液压动力元件：阀控液压 缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。 本章将建立几种基本的液压动力元件的传递 函数，分析它们的动态特性和主要性能参数。
由方框图求得液压缸输出位移传递函数：
Xp
mtVt
4e Ap2
s3
Kq Ap
Xv
Kce Ap2
1
Vt
4 e K ce
s FL
mt Kce Ap2
BpVt
4e Ap2
s2
1
Bp Kce Ap2
KVt
4e Ap2
s
KKce Ap2
式中，Kce为总的流量系数，Kce=Kc+Ktc
Khmin 4 A 2 P e / Vt
2、液压谐振频率的概念 设活塞及负载在总质量是m，在没有阻尼的情 况下，由于存在两种储能元件（弹性和质 量），位能和动能反复转换，系统出现谐振， 无阻尼谐振频率为：
Wh Kh / m Ap2e (1/V10 V20 ) / m
当V10 V20时
Wh 4 Ap2eVt / m
s
s2
h2
2 h h
s
1
s FL
液压固有频率： 液压阻尼比：
h
4e Ap2
mtVt
h
Kce Ap
emt Bp
Vt 4 Ap
Vt
emt
忽略Bp后近似为：