变转速变排量闭式泵控系统特性与位置伺服控制技术研究

摘要

闭式泵控系统具有结构简单紧凑、可靠性高、节能性好、调速范围宽等一系列优点，近年来，在液压传动领域受到越来越广泛的关注。本文针对目前广泛研究的直驱泵控系统存在动态响应速度慢、低速特性差的缺陷，采用变排量与变转速相结合方式构建了一种双变量闭式泵控系统，对系统的实现原理、动态特性以及位置伺服控制技术等展开了较为深入的系统仿真与实验研究。
　　分析总结了闭式泵控系统的工作原理、组成及特点，给出了双变量闭式泵控系统实现方案。针对液控伺服变量泵存在变量机构复杂、排量控制特性差、故障率高等问题，提出采用伺服电机驱动滚珠丝杠来对变量泵变量机构进行操作，从而实现排量精确伺服控制。给出变量泵主要技术参数和斜盘驱动力矩的计算方法，完成了变量泵开发与设计。
　　分析了系统中各组成模块的性能特点，对其中非线性环节运用死区、时滞和饱和等进行了简化处理，运用解析法建立了各子模块以及双变量闭式泵控电液伺服系统数学模型，表明该系统属于典型相乘非线性系统。借助于MATLAB/Simulink仿真平台，对双变量泵控电液伺服系统的阶跃响应特性进行了仿真分析，获得系统参数对系统动态响应特性的影响规律，为双变量闭式泵控系统的设计提供了依据。
　　采用PID控制与控制量比例分配的思路建立了双变量泵控系统位置闭环控制仿真模型，对系统阶跃响应以及不同频率的余弦与方波信号跟踪特性进行了仿真研究，获得了PID控制器参数与分配系数对系统响应速度、控制精度以及超调量与调整时间的影响规律。结果表明普通PID控制难以满足复杂非线性双变量泵控电液伺服系统控制要求。
　　系统阐述了迭代学习控制原理、收敛性与具体实施步骤，根据双变量泵控系统的特点，将迭代学习控制和普通PID控制相结合建立了开闭环PID迭代学习控制算法，完成了开闭环PID迭代学习控制器的设计。对双变量泵控电液位置伺服系统在开闭环PID迭代学习控制下的余弦曲线跟踪特性进行了仿真研究，结果表明开闭环PID迭代学习控制收敛速度快、控制精度高，而且能有效消除死区、时滞等非线性因素的影响。
　　在CQYZ-D电液伺服控制实验台上，基于Labview和WPLSoft软件平台开发了集数据采集、数据处理和数据保存、串口通信以及控制信号发送为一体的泵控电液伺服控制实验平台。在实验台上实现了位置闭环PID控制器和开闭环PID迭代学习控制器的开发，并对其位置伺服控制性能进行了系统的实验研究。结果表明不同PID控制器参数下系统的响应速度、控制精度和稳态误差有所不同，相对于传统PID控制，开闭环PID迭代学习控制能有效消除死区、时滞等非线性因素对系统正弦曲线跟踪的影响，控制精度高，效果显著。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及意义

1．2 泵控电液伺服系统国内外研究现状及应用

1．3 电液伺服控制技术的研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 双变量泵控系统实现方案与伺服变量泵开发

2．1 阀控电液伺服系统及存在问题

2．2 泵控电液伺服系统原理与特点

2．2．1 开式泵控电液伺服系统原理

2．2．2 闭式泵控液压系统

2．3 双变量闭式泵控系统构建

2．4 新型伺服变量泵开发

2．4．1 伺服变量泵的变量机构设计

2．4．2 伺服变量泵主要技术参数设计计算

2．4．3 斜盘驱动力矩分析与计算

2．5 本章小结

3．1 电液伺服控制系统原理及组成

3．2 液压系统常用建模方法

3．2．1 解析法建模

3．2．2 状态空间法建模

3．2．3 功率键合图法建模

3．3．2 伺服变量泵数学模型的建立

3．3．3 闭式泵控非对称缸模块数学模型的建立

3．3．4 位移反馈模块数学模型的建立

3．3．5 双变量泵控系统数学模型的建立

3．4 双变量泵控系统特性仿真分析

3．4．1 双变量泵控系统仿真参数

3．4．2 双变量泵控系统动态特性仿真分析

3．4．3 排量转速分配系数比与系统特性之间关系

3．5 三种闭式泵控系统对比仿真研究

3．6 本章小结

4 双变量泵控系统控制策略研究

4．1．1 模拟PID控制原理

4．1．2 数字PID控制原理

4．1．3 PID控制器参数整定方法

4．2 双变量泵控位置伺服系统PID控制仿真

4．2．1 阶跃响应PID控制仿真及结果分析

4．2．2 余弦跟踪PID控制仿真及结果分析

4．2．3 方波跟踪PID控制仿真及结果分析

4．3 双变量泵控系统开闭环PID迭代学习控制器设计

4．3．1 迭代学习控制原理

4．3．2 开、闭环迭代学习控制结构

4．3．3 迭代学习收敛性分析

4．4 双变量泵控位置伺服系统迭代学习控制仿真

4．4．1 闭环PID迭代学习控制余弦跟踪仿真分析

4．4．2 开闭环PID迭代学习控制余弦跟踪仿真分析

4．4．3 双变量泵控系统PID控制与开闭环PID迭代学习控制仿真比较

4．5 本章小结

5 双变量泵控系统实验研究

5．1 系统实验台设计

5．1．1 实验台硬件结构设计

5．1．2 控制系统软件设计

5．2．1 阶跃响应实验结果及分析

5．2．2 正弦信号跟踪实验结果及分析

5．2．3 方波信号跟踪实验结果及分析

5．3 直驱泵控系统开闭环PID迭代学习控制实验研究

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及获得专利