论文部分内容阅读
装载机作为工程机械中重要的机种,对其节能特性的研究可以对其他工程机械的节能方式提供一定的参考价值,因此文章以装载机为主要研究对象,通过分析装载机摇臂液压系统的节能控制方式进一步推广至与其具有相似工况的传统工程机械中。传统的装载机常采用四边联动形式的多路阀来控制液压缸活塞的运动,这种多路阀在控制液压系统流量的过程中进出油口因机械耦合导致同时节流,产生无法避免的节流压力损失,特别是对于装载机的摇臂液压缸,其外负载变化频繁,作业工况复杂,能量损失更加严重。同时,传统装载机的泵源为恒流量系统,当装载机摇臂活塞进行定位时,外负载的变化会对阀后压力产生影响导致定位不准确,位置控制效果不佳。针对以上问题,通过结合泵控系统的低能耗优点、阀控位置系统的高精度特点和负载敏感技术对压力控制的快响应优势,提出变转速负载敏感进出口独立控制系统,同时选择控制参数可以根据系统外部负载干扰进行实时调参的模糊PID控制方法,提出了一种可用于装载机摇臂液压系统的模糊PID进出口独立控制负载敏感液压系统。本文以厦工XG916Ⅱ型装载机液压控制系统作为课题的研究对象,在国家重点研发计划“工程机械用高压多路阀”课题三“泵阀协同压力流量复合控制型起重机多路阀”（2018YFB2001203）的资助下,提出基于模糊PID进出口独立控制装载机摇臂液压系统。首先,通过Matlab、AMEsim、LMS-motion分别建立试验所用装载机的控制模型、液压模型和机械模型后对原机液压系统进行机液联合仿真,然后根据原机的试验结果验证并修正所建立的仿真模型,获得与实际更加相符的装载机虚拟样机。接着在原模型的基础上将泵源和阀组进行替换,搭建基于模式切换下的模糊PID进出口独立负载敏感装载机摇臂液压系统,通过结合传统泵控流量系统和变转速负载敏感压力控制系统的优点,使摇臂液压缸工作时在保证低能耗的同时获得高精度的位置控制效果。之后针对装载机摇臂实际工况和控制要求对建立的模型进行仿真研究,同时与原机系统进行对比,结果表明所建新系统的能量消耗低于原机摇臂的液压控制系统,同时活塞的定位也获得了良好的控制效果。最后,根据进出口独立负载敏感系统的控制原理建立变转速负载敏感进出口独立控制液压系统的试验平台并进行试验,同时根据试验参数搭建所建新系统的AMESim-MATLAB联合仿真模型并引入随机负载和正弦负载信号作为变化的负载,在控制器中以模式切换的方式将能耗控制模式与位置控制模式结合,最后比较试验和仿真的结果得出结论。结果表明:所设计变转速负载敏感压力控制器对系统压力的控制效果良好;以伺服电机驱动双作用叶片泵作为动力源的负载敏感进出口独立控制系统的位置控制性能和节能效果高于传统泵控和阀控系统,比传统泵控系统节能10.11%。论文的主要研究工作如下:（1）首先提出了本课题的研究背景及意义,接着对针对装载机的节能研究现状进行分析,然后分析传统装载机中节能采取的一般措施,介绍国内外装载机液压控制系统的节能现状,对多路阀的发展历程和典型的液压控制系统进行阐述。针对传统四边滑阀因机械耦合的原因产生无法避免的节流压力损失,引出可以改善此缺陷的进出口独立控制系统。详述了进出口独立控制系统的国内外研究现状,通过这些研究可以知道进出口独立控制不仅可以通过优化控制策略避免节流损失,还因系统本身打破了机械耦合而获得流量压力的独立控制,增加了控制自由度和灵活性。最后针对装载机摇臂液压系统存在的能耗损失等问题,确定了本课题的研究方法和内容。（2）建立试验所用装载机的机液联合仿真模型。采用CATIA对装载机的各个部件进行一比一测绘建立其零件的三维模型,再根据各零件之间的位置约束关系进行装配获得完整的装载机模型,然后采用集成于CATIA中的动力学仿真软件LMS.Virtual.Lab Motion进行对各部位的运动副约束,完成对装载机机械动力学模型的搭建;对装载机工作装置液压系统的工作原理进行分析,建立装载机的液压系统模型。根据实际装载机所用的多路换向阀应用AMESim中的HCD库建立其仿真模型,对所建换向阀的流量特性进行分析。最后将搭建好的装载机工作装置的机械动力模型和液压系统模型通过LMS motion与AMESim专用接口连接进行机液联合仿真,仿真过程中根据装载机的实际工况,通过调整阀的开口获得装载机工作装置尤其是摇臂液压缸在一个工作循环下的压力、位移、速度等特性曲线。最后通过搭建原装载机液压系统试验平台,进行试验验证并修正仿真模型,得到准确装载机负载曲线和虚拟样机。（3）分析装载机工作装置在工作过程中试验与仿真的结果,对装载机的摇臂液压系统典型负载原理进行分析,得到装载机摇臂工作过程的负载曲线和所受的四象限工况,结合国内外专家学者在进出口独立控制和模糊控制的研究基础下,根据摇臂工作特点和实际工况提出变转速负载敏感进出口独立摇臂液压系统,同时结合模糊PID控制方法和对能耗与位置控制方式进行模式切换的控制策略,在数学仿真软件MATLAB中搭建所建立的控制模型。最后建立模糊PID进出口独立负载敏感控制摇臂液压系统MATLAB-AMESim仿真模型。通过联合仿真的结果分析所提变转速负载敏感进出口独立控制技术与模糊PID控制方法相结合的摇臂液压缸控制系统相较于传统四边滑阀控制的摇臂液压系统有着更加优良的控制效果和节能效果。（4）针对摇臂油缸在实际工作过程中所受能耗较大的阻抗工况,设计并搭建变转速负载敏感进出口独立控制液压系统的试验平台并对其工作原理进行介绍,根据控制原理和控制策略,使用伺服电机与双作用叶片泵作为动力源实现流量匹配和负载敏感的功能,由两个比例阀控制执行油缸动作实现进出口独立控制的功能。根据实际的控制方法和控制策略选择BODAS控制器同时对泵和阀控制并进行系统反馈信号的采集,控制器中的控制程序由编程软件根据试验控制要求进行。然后根据试验参数搭建系统的仿真模型并进行仿真分析。最后通过试验和仿真结果分析所建系统的相关特性曲线,同时与传统泵控液压系统和阀控液压系统进行能耗对比并得出结论:基于变转速负载敏感进出口独立控制系统具有更好的节能效果和更高的控制精度。