一種帶式傳輸裝置智能控制系統的設計

耿菲

(西安歐亞學院,陜西 西安 710065)

0 引言

帶式傳輸裝置在工業生產、產品運輸中應用廣泛。在特定環境中,為了降低系統壓力損失對液壓系統的影響,通常安裝有相應的液壓蓄能裝置[1-2],而液壓蓄能裝置的安裝雖然起到了一定的壓力補償作用,但這種被動的壓力補償方式存在較為明顯的滯后性,降低了壓力補償的效果[3-4]。因此,在保證帶式傳輸裝置原有性能的同時,應進一步降低壓力損失對液壓系統的影響。本文設計了一種具有比例反饋環節的智能補償系統。在對帶式傳輸裝置進行壓力分析的基礎上,通過比例換向閥、傳感器構成的補償環節達到壓力補償的目的,增強帶式傳輸裝置的穩定性。

1 設計目標

1)在保證帶式傳輸裝置正常工作的同時,降低壓力損失對液壓系統的影響。

2)能夠驅動比例換向閥工作,成比例釋放壓力,降低壓力損失,保持帶傳輸裝置的同步性。

2 帶傳輸裝置的結構與工作原理

2.1 總體結構

液壓式帶傳動裝置的結構[5-6],如圖1所示。

1—傳送帶;2—主液壓馬達;3—主動輪;4、5—傳感器;6—從動輪;7—副液壓馬達。圖1 帶傳動裝置的結構

2.2 工作原理

1)液壓系統原理圖

利用FLuidSIM軟件構建了帶傳動裝置的液壓系統,如圖2所示。

1—主液壓馬達;2—副液壓馬達;3、4—電磁換向閥;5—油箱;6—液壓源。圖2 帶傳動裝置的液壓系統

液壓源6向液壓系統提供一定的系統壓力;當電磁換向閥3、4工作時,帶傳動裝置液壓系統工作中的主液壓馬達1與副液壓馬達2以一定速度進行旋轉。

2)系統壓力分析

在圖2的基礎上進行了系統仿真,如圖3所示。

如圖3所示,在FLuidSIM的仿真環境下[7-8],液壓源6的工作壓力為20MPa,液壓泵流量為5L/min;主液壓馬達轉速為343r/min;副液壓馬達轉速為289r/min。通過FLuidSIM仿真發現主液壓馬達1與副液壓馬達2之間存在明顯的速度偏差,證實系統存在一定的壓力損失。

2.3 系統壓力的偏差分析

本文結合圖3中的仿真模型,在不同工作壓力下,分別得到了主、副液壓馬達的壓力值,如表1所示。

表1 帶傳動裝置的系統壓力值參數 單位:MPa

設液壓系統工作壓力p與主、副液壓馬達的壓力偏差量Δp之間的比例關系為

p=k·Δp

(1)

式中k為比例系數。

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

(2)

可得k≈3.579。

3 控制系統的設計

本文以PID算法中的比例環節為基礎,選用某公司具有較高響應速度的DSPIC30F2010數字信號處理器[9]為控制核心進行控制,控制流程如圖4所示。

圖4 控制系統流程

控制系統的主要功能是:通過壓力傳感器對帶傳動裝置中主、副液壓馬達系統壓力進行檢測,得到主、副液壓馬達系統壓力,當存在壓力變化量Δp時,比較器驅動比例反饋環節,按照比例系數k向智能控制系統中的電磁比例換向閥輸入適當強度的電流,使補償系統成比例釋放壓力,進而達到穩定系統壓力的目的。

4 系統的設計與仿真

本文運用AMESim軟件,通過繪制系統草圖、建立子模型、參數設置、運行仿真4個環節,分別建立了普通帶傳輸系統與智能補償帶傳輸系統的仿真模型,進行了仿真實驗,得到了相應的特性曲線。

4.1 普通帶傳輸系統的仿真模型

1)建立仿真模型,如圖5所示。

1—主液壓馬達;2—副液壓馬達;3、4—電磁換向閥;5—油箱;6—恒壓源;7—信號源。圖5 普通帶傳輸系統的仿真模型

2)設定子模型參數,如表2所示。

表2 普通帶傳輸系統的仿真模型參數

3)工作過程

信號源7產生控制電流,電磁換向閥3、4換向,普通帶傳輸系統工作,液壓馬達1、2轉動,帶傳送裝置進行工作。

4.2 智能補償系統的仿真模型

1)建立智能補償系統的仿真模型,如圖6所示。

1—比較器;2、3—壓力傳感器;4—副液壓馬達;5—電磁比例換向閥;6—電磁換向閥;7—恒壓源;8—信號源;9—比例環節;10—主液壓馬達。圖6 智能補償系統的仿真模型

2)設定智能補償系統的子模型參數,如表3所示。

表3 智能補償系統的仿真模型參數

3)工作過程

信號源8產生控制電流,電磁換向閥6換向,帶傳輸系統工作,液壓馬達4、10轉動,這時系統中的壓力傳感器2、3開始工作,將采集到的信號經比較器1處理,若存在壓力變化量Δp時比例環節9工作,并按照預定算法向補償系統中的電磁比例換向閥5輸入相應比例的控制電流,向系統成比例輸入壓力,進而達到平衡系統壓力,減少壓力變化量的目的,提高帶傳動裝置的穩定性。

5 系統仿真與分析

本文對普通帶傳輸系統與智能補償系統的仿真模型進行了仿真實驗。

5.1 普通帶傳輸系統的仿真

依據4.1節中的仿真模型,按照表2中的參數進行設置并進行仿真,得到相應的特性曲線。如圖7所示。

圖7 普通帶傳輸系統的特性曲線

5.2 智能補償系統的仿真

依據4.2節中的仿真模型,按照表3中的參數進行設置并進行仿真,得到相應的特性曲線。如圖8所示。

圖8 智能補償系統的特性曲線

5.3 結果分析

依據5.1與5.2節中的運行結果,分別對普通帶傳輸系統與智能補償系統進行了仿真實驗并對結果進行比較分析。

1)由圖7可知,普通帶傳輸系統中,主液壓馬達能夠快速達到穩定狀態,而副液壓馬達在開始階段其壓力明顯低于主液壓馬達,兩者間存在明顯的壓力偏差,降低了系統的穩定性。

2)由圖8可知,智能補償系統中,主液壓馬達與副液壓馬達在開始階段均能夠快速地達到穩定狀態。兩者間無明顯的壓力偏差,保證了系統所需的工作壓力。

通過分析證明智能補償系統起到了壓力補償作用,保持了帶傳輸裝置所需壓力的穩定供給。

6 結語

本文首先分析了帶傳輸裝置的結構與工作原理,通過分析與仿真發現負載的連續變化造成了一定的系統壓力損失。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節的智能補償系統,通過向帶傳動裝置液壓系統成比例進行壓力輸入,進而達到壓力補償的作用。最后,以AMESim為手段搭建了普通帶傳輸系統與智能補償系統的仿真模型并進行了仿真運算,通過結果的對比分析,表明智能補償系統起到了補償作用,保持了帶傳動系統的穩定性,具有一定的應用價值。