超高压液压脉冲波形的产生与应用

摘要

液压系统由于其功率重量比大、响应速度快、控制性能好、可实现过载保护等优点而广泛应用于汽车、工程机械、农业机械和国防等诸多领域。液压系统在工作过程中，由于液压阀的开闭或换向导致油液流动的方向迅速改变或突然停止流动，在流动液体和运动部件的惯性下，油液瞬间被压缩，系统压力出现瞬间上升，产生液压脉冲。通常情况下，这种瞬间上升的压力峰值可达正常压力的若干倍，从而给液压系统带来不利影响甚至灾难性后果。因此，为了提高液压系统的可靠性，需要对液压元件进行脉冲试验，而脉冲试验的关键是产生符合标准的液压脉冲波形。液压系统近年来朝着高压大流量方向发展，也对液压脉冲波形产生系统提出了更高的要求。由于超高压液压脉冲波形产生系统涉及超高压、大流量的电液伺服控制，对于超高压液压脉冲波形产生系统的研究不仅能应用于液压元件的脉冲试验，也有助于推动相关领域理论、技术和装备的发展。
　　论文以超高压液压脉冲波形产生系统为研究对象，以降低系统能耗、提高系统响应速度与精度为目标，采用理论分析、计算机仿真、数学计算和试验研究相结合的方法，对超高压液压脉冲波形产生系统进行了系统、深入的研究。论文提出了基于二级阀控制腔压差反馈的超高压液压脉冲波形产生系统，并研制了试验样机，可以产生方波、水锤波、正弦波等多种液压脉冲波形;采用蓄能器对将负载在回程阶段释放的高压油液能量吸收、储存起来，在下一个增压冲程阶段释放，实现了超高压液压脉冲波形产生系统节能，使得系统总能耗降低;提出了模糊重复控制策略，并应用于超高压液压脉冲波形产生系统，并与PID控制系统进行了对比，试验结果表明模糊重复控制器的采用明显降低了系统跟随误差。
　　有关各章内容分述如下:
　　第一章，从液压脉冲的产生和广泛存在出发，阐述了液压脉冲试验的重要性;总结了液压脉冲试验标准的发展和国内外研究现状，论述了标准液压脉冲波形的产生方法;介绍了超高压液压技术、液压系统节能技术和液压系统控制策略等相关技术进展。
　　第二章，提出了超高压液压脉冲波形产生系统，建立了系统的数学模型和AMESim仿真模型;设计了采用复合节流窗口的液控阀，以实现不同阀芯开口时的不同流量增益，可以满足超高压液压脉冲波形产生系统负载变化范围较大的需求;通过调节液控阀控制腔的压差反馈增益，可以改变系统阻尼比，进而实现对系统超调量的控制，提供了一种在方波输入的情况下产生可控制的水锤波的方法，也为水锤波试验提供了理论依据。
　　第三章，采用蓄能器对超高压液压脉冲波形产生系统进行了节能设计，以回收系统在回程阶段的能量;分析计算了系统的功率、能耗、效率等，并与不采用蓄能器的液压系统进行了对比;采用蓄能器进行节能设计后，系统总能耗降低15％，总效率从63％提高到76％;采用蓄能器的液压系统，对于阶跃输入、方波输入、水锤波输入信号的响应也明显优于不采用蓄能器的系统，尤其是响应速度显著提高;同时提供了一种直接跟随输入指令信号的脉冲波形产生方法，可以产生方波、水锤波等脉冲波形。
　　第四章，通过分析超高压液压脉冲波形产生系统的数学模型，得出其开环增益随着负载变化而变化的特点，因而采用传统控制策略难以同时实现稳定性及精确性的要求;在分析重复控制策略优劣的基础上提出了模糊重复控制策略，并应用于超高压液压脉冲波形产生系统;采用模糊重复控制策略后系统跟随误差随着循环次数的增加逐步减小，证明了系统的精确性、收敛性及稳定性。
　　第五章，将设计的节能型超高压液压脉冲产生系统应用于软管脉冲试验，并研制了试验样机;对基于液控阀压差反馈的液压系统的超调量进行了试验研究，证明了可以通过调节压差反馈增益实现不同的超调量，进而得到目标波形;对于采用蓄能器的节能型超高压液压脉冲波形产生系统进行了试验研究，证明蓄能器的采用明显提高了系统的控制性能，同时提供了一种直接跟随输入指令信号的脉冲波形产生方法;对模糊重复控制策略与PID控制策略进行了对比试验研究，试验结果表明，在循环10个周期以后，模糊重复控制系统对于正弦波输入和水锤波输入的周期综合误差分别比传统PID控制系统降低了99％和87％，相对误差分别降低了54％和40％。
　　第六章，概况了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需要进一步研究的工作和方向。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 液压脉冲概述

1．1．1 液压脉冲的产生

1．1．2 油液惯性引起的液压脉冲分析

1．1．3 运动部件惯性引起的液压脉冲分析

1．1．4 液压脉冲试验的重要性

1．2 液压脉冲试验国内外研究进展

1．2．1 液压脉冲试验标准的发展

1．2．2 液压脉冲试验的国内外研究现状

1．3 标准脉冲波形的产生方法

1．3．1 基于电磁换向阀的增压式脉冲产生装置

1．3．2 基于凸轮的单出杆缸脉冲产生装置

1．3．3 基于伺服阀的增压式脉冲产生装置

1．3．4 基于开环控制的脉冲产生袭置

1．4 相关技术进展

1．4．1 超高压液压技术

1．4．2 液压系统节能技术

1．4．3 液压系统控制策略

1．5 课题的研究意义及研究内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 课题研究难点

1．5．3 课题研究内容

2 超高压液压脉冲波形产生系统的设计

2．1 超高压液压脉冲波形产生系统概述

2．1．1 超高压液压脉冲波形产生系统原理

2．1．2 超高压液压脉冲波形产生系统的数学模型

2．1．3 超高压液压脉冲波形产生系统的仿真分析

2．2 液控阀的设计

2．2．1 液控阀原理

2．2．2 液控阀的参数匹配性设计

2．2．3 液控阀的参数验证分析

2．2．4 液控阀的建模与仿真分析

2．3 基于压差反馈的液压系统的超调分析

2．3．1 数学模型

2．3．2 仿真分析

2．4 本章小结

3 超高压液压脉冲波形产生系统的节能分析

3．1 液压系统节能概述

3．2 基于蓄能器的液压系统节能设计

3．3 理论分析

3．3．1 不带蓄能器的液压系统的功率分析

3．3．2 带蓍能器的液压系统的功率分析

3．3．3 不带蓄能器的液压系统的能耗分析

3．3．4 带蓄能器的液压系统的能耗分析

3．3．5 不带蓄能器的液压系统的效率分析

3．3．6 带蓄能器的液压系统的效率分析

3．4 仿真分析与计算

3．4．1 功率对比

3．4．2 能耗对比

3．4．3 系统效率对比

3．5 控制性能仿真分析

3．5．1 阶跃响应

3．5．2 方波响应

3．5．3 水锤波响应

3．6 本章小结

4 超高压液压脉冲波形产生系统的控制策略

4．1 超高压液压脉冲波形产生系统数学模型

4．2 重复控制理论概述

4．2．1 内模原理

4．2．2 重复控制原理

4．2．3 重复控制系统的稳定性

4．2．4 改进型重复控制系统

4．2．5 重复控制系统的设计方法

4．3 模糊重复控制策略

4．4 控制性能仿真分析

4．5 本章小结

5 超高压液压脉冲波形产生系统的应用

5．1 试验样机的研制

5．1．1 机械结构设计

5．1．2 控制系统设计

5．2 基于压差反馈的系统超调分析

5．3 采用蓄能器的节能系统的控制性能分析

5．3．1 阶跃响应

5．3．2 方波响应

5．3．3 水锤波响应

5．4 模糊重复控制策略的应用

5．4．1 正弦波响应

5．4．2 水锤波响应

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的学术成果

附录