二次調(diào)節(jié)應用在液壓升降機中的仿真與分析

盧青松　 李嵐

摘 要：液壓系統(tǒng)已經(jīng)涉獵機械的各個行業(yè)，對工程機械的發(fā)展有著不可磨滅的作用[1]。尤其最近幾年，由于工程的需要，液壓升降機被廣泛使用，但是由于升降機燃油利用率低，油耗高等缺點，使液壓升降機的節(jié)能要求凸顯出來。本文將二次調(diào)節(jié)技術應用到液壓升降機中進行仿真分析，通過與傳統(tǒng)的升降機進行仿真對比發(fā)現(xiàn)，基于二次調(diào)節(jié)的液壓升降機在流量利用率上有很大的提高，運動狀態(tài)也很穩(wěn)點，在能源節(jié)約方面有很大的改進，有很好的節(jié)能效果。

關鍵詞：液壓升降機；二次調(diào)節(jié)；仿真；節(jié)能

1 液壓升降機的工作原理

液壓升降機是由液壓機構，行走機構，支撐機構和電動控制機構等組成。其中液壓機構是提供液壓升降機運動的主要動力來源[2]。當升降平臺承載工件上升時，液壓缸提供動力來驅動其運動； 當工件下降時，液壓缸將存儲潛在的能量釋放[3]。

液壓系統(tǒng)在控制升降機的工作過程中，主要是由各種液壓閥共同作用調(diào)節(jié)的，包括節(jié)流閥、單向閥以及隔爆型電磁換向閥。此外增加液控單向閥保證在工作運轉中發(fā)生意外能夠及時自鎖。并且安裝了超載控聲報警器，能夠及時發(fā)現(xiàn)超載與設備故障等問題。

因為液壓升降機的升降主要依賴液壓裝置提供壓力能進行工作，因此如果要改善液壓升降機的能耗問題就需要從液壓裝置入手，解決了液壓裝置的能耗問題，進而也就解決了液壓升降裝置的能耗問題?，F(xiàn)在把二次調(diào)節(jié)技術與液壓系統(tǒng)結合起來，通過調(diào)節(jié)與改善繪制出仿真效果圖進行分析。

2 二次調(diào)節(jié)的定義與控制原理

二次調(diào)節(jié)是直接作用在元件上，對元件進行第二次改變，通過改變元件的排量來順應外力的影響[4]。由于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直處于壓力恒定的狀態(tài)。所以系統(tǒng)內(nèi)部間壓力不會相互影響，進而對回路功率的影響很小。

二次調(diào)節(jié)技術的控制主要有PID控制、自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制。PID控制應用最廣泛，本文的基于二次調(diào)節(jié)的液壓升降機也是使用了PID控制。

控制信號為

u（t）=Kpe（t）+Ki∫t0e（t）dt+Kdde（t）dt

其中e（t），u（t），y（t），r（t）分別為相應的控制信號。且有e（t）= r（t） y（t）。

其中的大小，對控制系統(tǒng)的影響很大，關乎著系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。比例因子越小，控制系統(tǒng)在運轉中越趨近平穩(wěn)，反之越大，控制系統(tǒng)在運轉中起伏越明顯。而的作用是避免誤差，增強系統(tǒng)運轉的平穩(wěn)。最后的積分環(huán)節(jié)影響著閉環(huán)系統(tǒng)的靜差問題。增加積分環(huán)節(jié)會消除閉環(huán)系統(tǒng)的靜差現(xiàn)象，如果想很好地解決閉環(huán)系統(tǒng)的靜差問題，最好調(diào)節(jié)的大小，的大小影響著積分環(huán)節(jié)的作用效果，調(diào)節(jié)，也就是改善閉環(huán)系統(tǒng)的靜差問題。

3 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的建立

通過上面的總結，現(xiàn)在建立二次調(diào)節(jié)在液壓升降裝置的二維圖，結合AMEsim軟件進行仿真分析，其模型如下圖1所示。

1變量泵；2馬達；3、9溢流閥；4、5單向閥；6二位二通換向閥；7回轉換向閥；8蓄能器；10、11二位三通換向閥；12、13節(jié)流閥；14二次元件；15負載；16轉速傳感器；17系統(tǒng)給定轉速；18PID控制

PID控制比例系數(shù)與系統(tǒng)運轉的平穩(wěn)性有關，因此選擇合適的參數(shù)很重要。通過臨界比例度法選擇確定Kp=4；ki=0.1；kd=0.3。

4 仿真結果

通過使用AMEsim軟件進行建模仿真，我們得出了傳統(tǒng)升降機的回轉馬達流量曲線如下圖2，以及回轉馬達和液壓泵的流量曲線如下圖3。

根據(jù)圖2和圖3顯示，我們可以得出以下結論，液壓泵在啟動的過程中共輸出流量為11.6L，總損失流量為6.38L，從而可知液壓裝置中泵的流量利用率為45.9%。

通過與傳統(tǒng)的升降機進行對比分析，在升降機工作過程中我們列出三種類型的液壓系統(tǒng)的流量利用率的對比方案，如下表所示。

回轉系統(tǒng)流量利用率表

通過上表的數(shù)據(jù)顯示，我們可以確定：傳統(tǒng)的升降機流量利用率比降低；在蓄能器能量回收型的液壓系統(tǒng)中，雖然壓力差很小，但是流量利用率任然不夠理想；由于二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)回路功率損失小，負載間壓力不相互影響等特點，使得其流量利用率明顯高出一般液壓系統(tǒng)流量利用率很多。

由于液壓油是一種不可壓縮的液體，所以液壓油不可能產(chǎn)生壓力。它必須依靠其他介質來轉換和積累壓力能量。蓄能器是一種儲能裝置，可以在壓力容器中儲存液壓壓力，并在需要時釋放。蓄電池是液壓系統(tǒng)中一個重要的輔助元件，可以保證系統(tǒng)的正常運行。它在維護工作穩(wěn)定性、延長工作壽命、提高系統(tǒng)的動態(tài)質量方面起著重要作用。蓄能器為液壓系統(tǒng)提供經(jīng)濟、安全、節(jié)能、可靠、環(huán)保的效果非常明顯。因此，為了研究液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果，必須研究蓄壓器的壓力變化。累加器的壓力變化曲線如下圖4所示。利用蓄電池的壓力變化曲線來確定液壓旋轉裝置的工作原理。

下圖5是升力旋轉平臺的轉速曲線。升力的旋轉平臺是由蓄能器和液壓泵驅動的。

通過AMEsim軟件進行仿真，我繪制了傳統(tǒng)的升降機回轉裝置的負載轉速曲線如圖6（a），蓄能器液壓升降裝置中負載的轉速曲線如圖6（b），以及二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)升降裝置中負載的轉速曲線如圖6（c）。通過比較，我們得出結論：將二次調(diào)節(jié)技術運用到液壓系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)的速度波動小，勻加速階段更加平穩(wěn)，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好[7]。

（a）（b）

5 結論

本文將傳統(tǒng)的升降機進行改進研究，將二次調(diào)節(jié)技術應用到液壓升降機中，通過建模仿真分析，與傳統(tǒng)的升降機回轉系統(tǒng)進行對比分析，得出二次調(diào)節(jié)型液壓升降機的運轉過程中更穩(wěn)定，能源利用率更高，具有良好的節(jié)能效果。

參考文獻：

[1]張安裕.雙活塞串聯(lián)液壓缸的理論研究與設計[D].武漢科技大學，2014.

[2]王春初.車用裝卸液壓升降機執(zhí)行機構的優(yōu)化系列設計[D].上海交通大學，2003.

[3]張大歡.節(jié)能型升降機液壓系統(tǒng)改進設計[J].北京：煤礦機械出版社，2009.

[4]余文霞.二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)控制的研究[D].沈陽工業(yè)大學，2003.

[5]吳振闊，張亮，張波.PID參數(shù)整定和優(yōu)化[J].河北：中國高新技術企業(yè)出版社，2010.

[6]陳勤彰.淺談皮囊式蓄能器[J].山東：華東紙業(yè)出版社，2012.

[7]王欣.基于二次調(diào)節(jié)液壓挖掘機回轉制動節(jié)能研究[D].南華大學，2015.

作者簡介：盧青松（1990），男，漢族，河南人，在校研究生，研究方向：流體傳動與控制。