一種補償液壓過濾裝置壓力損失的智能系統(tǒng)設計

鄭凱

(西安交通工程學院 電氣工程學院，陜西 西安 710300)

0 引言

液壓系統(tǒng)在工業(yè)設備、機械加工中應用廣泛，而在特定環(huán)境中，為了降低外部雜質(zhì)對液壓系統(tǒng)的影響，通常安裝有相應的過濾裝置[1-2]，而過濾裝置的安裝雖然起到了凈化液壓油的目的，但也造成了一定的系統(tǒng)壓力損失[3-4]。因此，應在保證過濾裝置原有性能的同時，進一步降低壓力損失對液壓系統(tǒng)的影響。本文設計了一種具有比例反饋環(huán)節(jié)的智能補償系統(tǒng)，在對過濾裝置輸入與輸出端口進行壓力分析的基礎上，通過比例反饋環(huán)節(jié)使補償回路工作，進而達到壓力補償?shù)哪康模栽鰪娨簤合到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 設計目標

1)在保證過濾裝置正常工作的同時，降低壓力損失對液壓系統(tǒng)的影響。

2)能夠?qū)毫M行有效檢測，驅(qū)動比例反饋環(huán)節(jié)工作，使補償系統(tǒng)成比例釋放壓力，降低壓力損失。

2 帶有過濾裝置的液壓系統(tǒng)與工作原理

2.1 總體結構

帶有過濾裝置的液壓系統(tǒng)[5-6]，如圖1所示。

1—液壓馬達；2—手動二位四通換向閥；3—過濾裝置；4—油箱；5—液壓源；6、7—壓力表。

2.2 工作原理

液壓系統(tǒng)的仿真如圖2所示。液壓源5向液壓系統(tǒng)提供一定的系統(tǒng)壓力；當手動二位四通換向閥2工作時，液壓系統(tǒng)工作中的液壓馬達1以一定速度進行旋轉(zhuǎn)。

圖2 有過濾裝置液壓系統(tǒng)的仿真

在FLuidSIM的仿真環(huán)境下[7-8]，若液壓源5的工作壓力為6.00MPa，液壓泵流量為10L/min；則過濾裝置輸入端口的壓力為5.19MPa；輸出端口的壓力為4.69MPa。通過FLuidSIM仿真發(fā)現(xiàn)過濾裝置的輸入端口與輸出端口相比具有明顯的壓力損失。

2.3 系統(tǒng)壓力的偏差分析

結合圖2中的仿真模型，分別在不同工作壓力下，得到了過濾裝置輸入與輸出端口處的壓力值，如表1所示。

表1 過濾裝置輸入與輸出端口的壓力值 單位：MPa

設液壓系統(tǒng)工作壓力P與過濾裝置輸入、輸出端口壓力增量ΔP之間的比例關系為

P=kΔP

(1)

式中k為比例系數(shù)。

在表1的基礎上，結合式(1)構建了比例系數(shù)k的數(shù)學模型，并利用MATLAB分析且得到了比例系數(shù)。

(2)

可得k=11.789

3 控制系統(tǒng)的設計

本文以PID算法中的比例環(huán)節(jié)為基礎，選用某公司具有較高響應速度的DSPIC30F2010數(shù)字信號處理器[9]為控制核心進行控制，控制流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)的主要功能是，通過壓力傳感器對過濾裝置輸入端口與輸出端口壓力進行處理，得到兩端口壓力間的增量ΔP，同時通過比例反饋環(huán)節(jié)，按照比例系數(shù)k向補償系統(tǒng)中的比例換向閥輸入適當強度的電流，使補償系統(tǒng)成比例釋放壓力，進而達到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。

4 系統(tǒng)的設計與仿真

本文運用AMEsim軟件[10]，通過繪制系統(tǒng)草圖、建立子模型、參數(shù)設置、運行仿真4個環(huán)節(jié)，分別建立無補償系統(tǒng)與智能補償系統(tǒng)的仿真模型，并進行了仿真實驗，得到了相應的特性曲線。

4.1 系統(tǒng)模型的建立

繪制系統(tǒng)草圖。分別從Signal、Control電子器件庫、Hydraulic液壓庫選取相應的元件進行系統(tǒng)草圖的繪制；建立子模型[11]，本系統(tǒng)所用元件均來自于AMEsim軟件的標準庫。為各個子模型設置參數(shù)，就是為子模型中的系數(shù)賦予具體的值[12]。運行仿真，查看相應元件仿真結果，繪制動態(tài)曲線。

a)無補償系統(tǒng)的仿真模型

1)建立仿真模型，如圖4所示。

1—液壓馬達；2—電磁換向閥；3—過濾裝置；4—油箱；5—恒壓源；6—溢流閥；7—控制源；8—介質(zhì)屬性。

2)設定子模型參數(shù)，如表2所示。

表2 無補償系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

3)工作過程

控制源7產(chǎn)生控制電流，電磁換向閥2換向，液壓系統(tǒng)工作，液壓馬達1轉(zhuǎn)動，這時過濾裝置3工作，過濾液壓油，造成了一定的系統(tǒng)壓力損失。

b)智能補償系統(tǒng)的仿真模型

1)建立仿真模型，如圖5所示。

1—液壓馬達；2—電磁換向閥；3、5—傳感器；4、11—過濾裝置；6—溢流閥；7、9—油箱；8、10—恒壓源；12—比例環(huán)節(jié)；13—比例換向閥；14—控制源；15—介質(zhì)屬性。

2)設定子模型參數(shù)，如表3所示。

表3 智能補償系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

3)工作過程

控制源14產(chǎn)生控制電流，電磁換向閥2換向，液壓系統(tǒng)工作，液壓馬達1轉(zhuǎn)動，這時系統(tǒng)中的過濾裝置4過濾液壓油，同時過濾裝置11、輸入端口的傳感器5與輸出端口的傳感器3同時工作，完成壓力信號的采集與處理，在得到壓力變化的增量ΔP后，比例環(huán)節(jié)12工作，并按照預定算法向補償回路中的比例換向閥13輸入相應比例的控制電流，使補償回路向系統(tǒng)成比例輸入壓力，進而降低過濾裝置4造成的壓力損失。

4.2 系統(tǒng)仿真與分析

本文對無補償系統(tǒng)與智能補償系統(tǒng)進行了仿真實驗。

a)無補償系統(tǒng)的仿真

依據(jù)圖4中的仿真模型，按照表2中的參數(shù)進行設置并進行仿真，得到相應的特性曲線，如圖6所示。

圖6 無補償系統(tǒng)的特性曲線

b)智能補償系統(tǒng)的仿真

依據(jù)圖5中的仿真模型，按照表3中的參數(shù)進行設置并進行仿真，得到相應的特性曲線，如圖7所示。

c)結果分析

依據(jù)a)與b)中的運行結果，分別對無補償系統(tǒng)與智能補償系統(tǒng)進行了仿真實驗，并對結果進行比較分析。如圖6、圖7所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，無補償系統(tǒng)的實際供給壓力0.528 1MPa低于系統(tǒng)所需的工作壓力0.6MPa。

圖7 智能補償系統(tǒng)的特性曲線

當采用智能補償系統(tǒng)時，實際供給壓力約為0.59MPa與系統(tǒng)所需的工作壓力0.6MPa基本相同。通過分析證明智能補償系統(tǒng)起到了較好的壓力補償效果。

5 結語

本文首先分析了帶有過濾裝置液壓系統(tǒng)的結構與工作原理，通過分析與仿真發(fā)現(xiàn)過濾裝置造成了一定的系統(tǒng)壓力損失。其次，針對壓力損失這一問題，文中以比例換向閥、傳感器為硬件核心設計了一種具有比例反饋環(huán)節(jié)的智能補償回路，通過補償回路向工作系統(tǒng)成比例進行壓力輸入，進而達到壓力補償?shù)淖饔谩Ｗ詈螅訟MESim為手段搭建了無補償系統(tǒng)與智能補償系統(tǒng)的仿真模型，并進行了仿真運算，通過結果的對比分析，表明智能補償系統(tǒng)對過濾裝置所造成的壓力損失進行了有效補償，保持了液壓系統(tǒng)所需壓力的穩(wěn)定供給，具有一定的應用價值。