基于模糊 PID 控制的液壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用摘要: 在液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，針對(duì)當(dāng)前的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)新的控制策略被提出，其分析了液壓系統(tǒng)的制動(dòng)特性和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)。根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)利用MATLAB/SIMULINK 建立了仿真模型。為了保持可操縱性和提高制動(dòng)效率，考慮到非線性特征、時(shí)變和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的不確定性，模糊控制論被采用。由于缺乏單模糊控制器，又設(shè)計(jì)出了模糊 PID 控制器。通過(guò)具有更好控制精度的傳統(tǒng) PID 控制器，模糊控制器得到了優(yōu)化。模擬結(jié)果表明模糊 PID 控制器使車胎在制動(dòng)過(guò)程中總能達(dá)到完美的滑動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)確保汽車有更好的方向機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性，使制動(dòng)距離相對(duì)縮短。 關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)；液壓；模糊控制；PID 控制器；模擬1. 前言防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）是一種采用電子控制技術(shù)的機(jī)電液體綜合裝置。它是基于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)在預(yù)留范圍內(nèi)通過(guò)汽車輪胎剎車過(guò)程來(lái)控制滑動(dòng)系數(shù)，從而提高制動(dòng)效率和橫向穩(wěn)定性以及方向可操縱性。對(duì)于液壓 ABS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制器主要用于控制閘壓力的變化：當(dāng)較大的電流進(jìn)入電磁閥，制動(dòng)主缸和制動(dòng)輪缸間的通道被堵塞，制動(dòng)輪缸和液壓燃料箱相通，制動(dòng)液從前者流向后者，因此閘壓力立即減少。同時(shí)電動(dòng)機(jī)開(kāi)啟，驅(qū)使液壓泵工作。制動(dòng)液被迫流回液壓汽油箱，然后被運(yùn)輸?shù)綔?zhǔn)備開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的制動(dòng)主缸；當(dāng)較小的電流進(jìn)入電磁閥，所有的通道都被堵塞，所以閘壓力保持不變。在電磁閥關(guān)掉后，制動(dòng)主缸里的高壓制動(dòng)液（包括從液壓泵輸出的制動(dòng)液）再次進(jìn)入制動(dòng)輪缸，增加閘壓力。增壓和降壓的速度能通過(guò)電磁閥轉(zhuǎn)換油料來(lái)控制。ABS 是一種時(shí)變的、非線性的、未確定的系統(tǒng)?？刂撇呗詮膯慰刂颇Ｊ街饾u發(fā)展，例如 PID 控制、模糊控制、神經(jīng)控制等等，它們都是基于加速和減速邏輯門限發(fā)展成為結(jié)合各種控制模式的綜合性控制模式。在本文中，模糊 PID 控制器對(duì)于 ABS 來(lái)說(shuō)是一個(gè)結(jié)合了單模糊控制和 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)的混合控制模式。這個(gè)混合控制系統(tǒng)能充分利用兩種控制策略來(lái)達(dá)到更好的控制結(jié)果。2. ABS 動(dòng)態(tài)模型（1 ）汽車模型七自由度（包括四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)、車身側(cè)擺動(dòng)、縱向和橫向的移動(dòng)）車輛模型如圖一所示。考慮到輪胎滾動(dòng)阻力和空氣動(dòng)力阻力的影響，汽車運(yùn)動(dòng)的基本方程式如下： ????? ?432121 sincos xxyyXx FFFf ????? ?? 432121 cosin yyyyyf????? ???? ?bFFFa BBMyyyyX Xrfz 432121 cossi 2/incos???? ?????xyxfvv????fx 和 fy 表示汽車的縱向力和橫向力，F(xiàn) x1 和 Fy1 表示每個(gè)輪子和地面間產(chǎn)生的摩擦力，Vx、Vy、M Z、? 表示縱向和橫向的速率，慣性的瞬間和橫向擺動(dòng)的角速度，B f、Br 表示前輪距和后輪距，M 是汽車總質(zhì)量， IZ是是整個(gè)汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（2 ）輪胎模型描述四個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程式如下：??iftfixti IMRF??/??ωi 是輪子的角加速度，I ωi 是輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M f 是輪子的制動(dòng)力矩， Mft 是輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，R i 是輪子的有效半徑。車輪滑動(dòng)的方程式如下： ??xyivaIS/rctansi????S 和 a 分別是車輪縱向滑動(dòng)和車輪橫向滑動(dòng)。在車輪與地面間，摩擦和滑動(dòng)的長(zhǎng)度系數(shù)的關(guān)系如圖 2（μ x）雙線性模型所示。函數(shù)關(guān)系如下：???????rghrghrh SIS????????//?? rS??μ、μ h、μ g 分別表示增長(zhǎng)系數(shù)，增長(zhǎng)系數(shù)最大值和滑動(dòng)增長(zhǎng)系數(shù)，S 和 Sr 表示滑動(dòng)和預(yù)期滑動(dòng)。摩擦力橫向系數(shù)和滑動(dòng)間的關(guān)系采用復(fù)雜曲線所表達(dá)，如圖 2(μy)。（3 ）制動(dòng)器模型設(shè)置制動(dòng)器模型的目的是為了建立車輪制動(dòng)瞬間和閘壓力在制動(dòng)器中的關(guān)系。模擬時(shí)，集中在不同車輪泵上的閘壓力直接作為車輪閘壓力的輸入值。當(dāng) ABS 工作時(shí)，中斷驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制制動(dòng)管路壓力，并且車輪閘壓力被安裝在制動(dòng)管路附近的壓力調(diào)節(jié)器所控制。因此通過(guò) ABS 控制器的控制算法算出了閘壓力值。3. 模糊控制器的設(shè)計(jì)模擬模型的控制配置為四個(gè)途徑，四個(gè)車輪上每個(gè)分別裝有一個(gè)感應(yīng)器。每個(gè)控制途徑的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。在本文中，ABS 模糊控制器的設(shè)計(jì)使車輪滑動(dòng)保持接近目標(biāo)值，期望能獲得更好的制動(dòng)性能，橫向穩(wěn)定性是在要求范圍內(nèi)?；刂剖且环N連續(xù)的數(shù)量控制，可以采用 PID 和優(yōu)化控制等方法。雖然 PID 的方法簡(jiǎn)單且有實(shí)用性，但是它的參數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)情況匹配，然而因?yàn)檐囕v操縱模式多變和輪胎的非線性，匹配參數(shù)是一件很困難的事。模糊控制可以采用多變的工作情況和非線性系統(tǒng)，而且有穩(wěn)健性的優(yōu)勢(shì)。輪胎的滑動(dòng)誤差（e）和它的變化率（ec）作為模糊控制器精確的輸入量。閘壓力的變化量（Δp）作為精確的輸出。滑動(dòng)誤差為預(yù)期的 S0 和實(shí)際的 S 之間的差距。e，ec 和 Δp在特定的基本定域里分別被量化，因此在相應(yīng)的量化定域里得到模糊輸入 E 和 EC 以及模糊輸出 Δp。模糊控制器變量的定域和隸屬函數(shù)如圖 4 所示。模糊控制器輸入變量采用 E 和 EC。在不同泵里的制動(dòng)汽油壓力 Δp 作為輸出變量。圖 4（a）（ b）（c）分別所示的是兩個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量的隸屬。為了得到更高的靈敏度，每個(gè)變量隸屬采用三角函數(shù)，分別如下所示：E 分成五個(gè)等級(jí)：NB，NS ，ZE ，PS ，PB。EC 分為三個(gè)等級(jí)：NB，ZE ，PB。Δp 分為五個(gè)等級(jí)：NB，NS ，ZE ，PS ，PB。在圖 4 里，每個(gè)變量隸屬函數(shù)分為更小的級(jí)別，為了防止太多的規(guī)則控制過(guò)程反應(yīng)太慢。相比之下我們期望變量 EC 有一個(gè)較小的輸出敏感度，所以它只被分成了三個(gè)級(jí)別。為了提高控制的敏感性，在較小的誤差領(lǐng)域內(nèi)采用了高識(shí)別模糊設(shè)置，而在大誤差領(lǐng)域內(nèi)采用低識(shí)別模糊設(shè)置，所以系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。因此它更加接近零點(diǎn)，并且通過(guò)變量Δp 的隸屬函數(shù)更多的控制策略被采納。構(gòu)建 ABS 模糊控制規(guī)則是為了表現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系。當(dāng) ABS 工作，輸入輸出之間的變量作為邏輯推論規(guī)定了輸入輸出間的語(yǔ)言變量?？刂埔?guī)律設(shè)置的數(shù)被輸入語(yǔ)言變量數(shù)和其隸屬數(shù)所確定。本文采用的模糊規(guī)則如表 1 所示，四個(gè)途徑的模糊邏輯采用的是同樣的控制規(guī)則。模糊邏輯研究法采用馬丹尼最大值和無(wú)窮小推論，以及在去模糊化中采用了重心法。根據(jù)模糊控制，模擬結(jié)果如圖 5 和圖 6 所示。初始狀態(tài)設(shè)置為 V0=30km/h。在這些圖中，F(xiàn)L、 FR、RR、RL 分別指左前輪、右前輪、左后輪、右后輪， Vx 是車速。分析滑動(dòng)曲線，車速和輪速形成兩個(gè)曲線。我們發(fā)現(xiàn)采用模糊控制可以限制實(shí)際的滑動(dòng)更接近于期望的結(jié)果，防止車輪抱死和汽車無(wú)法控制。但是滑動(dòng)波動(dòng)更接近于預(yù)期值，說(shuō)明模糊控制器在控制精度方面較低，而避免系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力很好。為了克服單模糊控制的缺點(diǎn)，PID 控制器被用于提高控制精度。4. 模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)理念：當(dāng)滑動(dòng)誤差較大，模糊控制才會(huì)被采用，因?yàn)樗忻艚莺洼^強(qiáng)的抗干擾能力；當(dāng)滑動(dòng)誤差較小，PID 控制方法被采用，因?yàn)樗懈玫姆€(wěn)定性和更高的控制精度。根據(jù)模糊 PID 控制器，ABS 的結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。在本文中，滑動(dòng)誤差的絕對(duì)值被設(shè)置為閾值。當(dāng)少于這個(gè)值，采用 PID 控制，反之采用模糊控制。閾值的選擇直接影響 PID 控制器和模糊控制器工作時(shí)間的長(zhǎng)度，而且對(duì)控制效果也有很大的影響。如果這個(gè)值選的太大，PID 控制器的工作時(shí)間會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，將會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)性。如果這個(gè)值太小，模糊控制器的工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)影響控制的精度。5. 模擬結(jié)果和模糊 PID 控制器的分析初始狀態(tài)是 V0=30km/h，控制器門限被設(shè)置為 0.08。模擬結(jié)果如圖 8 到圖 11 所示。汽車制動(dòng)數(shù)據(jù)如表格 2 所示。后穩(wěn)定在預(yù)期值附近。圖中沒(méi)有很大的浮動(dòng)，幅度范圍保持在-0.1～0.1 之間。因?yàn)樨?fù)載的移動(dòng)使輪胎和地面間的摩擦力增大，在轉(zhuǎn)為制動(dòng)的過(guò)程中，只考慮了橫向移動(dòng)而忽略了俯仰移動(dòng)，這將導(dǎo)致在分配制動(dòng)力時(shí)出現(xiàn)誤差。因此，在 1.56 秒時(shí)前輪有停止轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，而后輪依然正常轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖 9 我們可以看出在 ABS 開(kāi)始工作后車輪的速度很好地跟隨汽車的速度。車輪一直保持減速狀態(tài)，所以車身的方向穩(wěn)定性能被控制。對(duì)比單模糊控制器，模糊 PID 控制器的穩(wěn)定誤差顯然更小，制動(dòng)穩(wěn)定性更好。如圖 10 和圖 11 表明，制動(dòng)距離是 7.9 米，汽車的橫向偏移量是 1.22 米。制動(dòng)距離并不是很理想，因?yàn)樵谥苿?dòng)開(kāi)始時(shí) ABS 還未工作，所以車輪速度下降的很慢，明顯延長(zhǎng)了距離。而汽車的橫向偏移量在允許范圍內(nèi)。這證明了模糊 PID 控制器能更好地控制方向穩(wěn)定性和可操作性。6. 總結(jié)本文通過(guò)研究汽車制動(dòng)模式，考慮了 ABS 模式的非線性和不確定性，設(shè)計(jì)出一個(gè)模糊控制器，實(shí)施了系統(tǒng)的模擬并且分析了模擬結(jié)果。結(jié)果證實(shí)模糊控制器能有效地控制車輛制動(dòng)。鑒于模糊控制器控制精度方面的局限性，在采用相同模糊規(guī)則的情況下，模糊 PID控制器被設(shè)計(jì)出來(lái)。模擬結(jié)果表明模糊 PID 控制器使輪胎在制動(dòng)過(guò)程中一直保持更理想的滾動(dòng)狀態(tài)，確保操縱方向、穩(wěn)定性和制動(dòng)性能更佳優(yōu)越，并且它證實(shí)了模糊 PID 控制器能達(dá)到更理想的制動(dòng)控制性能。 中 北 大 學(xué) 信 息 商 務(wù) 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書系 名 ： 機(jī)械工程專 業(yè) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名： 高世成學(xué) 號(hào)：12020144X10設(shè) 計(jì) 題 目 ： 礦用掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)起 迄 日 期 : 2016 年 2 月 29 日 ~ 2016 年 6 月 10 日指 導(dǎo) 教 師 : 董磊系 主 任 : 暴建崗發(fā)任務(wù)書日期: 2016 年 2 月 28 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1．畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求：由于液壓系統(tǒng)承載力大，所以液壓系統(tǒng)是煤礦機(jī)械中最為重要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之一。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割煤的工作均由液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成。因此，對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)工作中重要的一項(xiàng)內(nèi)容。本課題要求首先根據(jù)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)其工況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立牽引速度——流量特征方程，確定液壓系統(tǒng)各元件參數(shù)，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。2．畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體工作內(nèi)容：（1）原始數(shù)據(jù)：①采用油泵開(kāi)式系統(tǒng)，對(duì)油缸的速度實(shí)行容積調(diào)速。②主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式為上升、下降、左擺、右擺和推進(jìn)。③切割頭牽引速度 ν≤6 m/min。④執(zhí)行元件負(fù)載特性為基本均勻等幅脈動(dòng)牽引力。最大牽引力為 Fmax≤15 t。⑤工作性能要求：a） 精度，速度精度△ν/ν 不小于 5%b） 系統(tǒng)總效率不小于 75%c） 系統(tǒng)正常工作時(shí)油溫不大于 75℃d） 系統(tǒng)操作在控制室完成，應(yīng)有過(guò)壓過(guò)熱、油位保護(hù)及信號(hào)顯示。e） 液壓系統(tǒng)的工作性質(zhì)：間斷工作，連續(xù)時(shí)間不超過(guò) 4 小時(shí)。（2）根據(jù)平衡方程、額定壓力計(jì)算，建立牽引速度——流量特征方程。（3）確定液壓系統(tǒng)元件參數(shù)并選擇合適的元件，包括泵、電機(jī)、液壓油缸等。（4）繪制液壓系統(tǒng)原理圖。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書3．對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的要求：（1）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，內(nèi)容須包括詳細(xì)的液壓系統(tǒng)計(jì)算說(shuō)明（2）液壓系統(tǒng)原理圖 1 張（3）升降油缸零件圖 1 張，換向閥零件圖 1 張（4）相關(guān)外文文獻(xiàn)翻譯 1 份4．畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃：起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容2016 年2 月 29 日~ 3 月 10 日3 月 11 日~ 4 月 1 日4 月 2 日~ 5 月 1 日5 月 2 日~ 6 月 7 日6 月 8 日~ 6 月 10 日文獻(xiàn)檢索、撰寫開(kāi)題報(bào)告系統(tǒng)額定壓力計(jì)算，建立牽引速度——流量特征方程確定液壓系統(tǒng)元件參數(shù)繪制液壓系統(tǒng)原理圖及零件圖設(shè)計(jì)答辯學(xué)生所在系審查意見(jiàn)：系主任： 年 月 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告文 獻(xiàn) 綜 述1、前言 隨著近50年的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，液壓技術(shù)已經(jīng)成為了一門影響現(xiàn)代機(jī)械裝備技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科和基礎(chǔ)技術(shù)，液壓機(jī)是一種利用液體壓力來(lái)傳遞能量，以實(shí)現(xiàn)各種壓力加工工藝的機(jī)床。隨著新工藝及新技術(shù)的應(yīng)用，液壓機(jī)在金屬加工及非金屬成形方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在機(jī)床行業(yè)中的占有份額正在大幅度攀升。目前，我國(guó)的液壓件已從低壓到高壓形成系列，并生產(chǎn)出許多新型元件，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電業(yè)數(shù)字控制閥等。我國(guó)機(jī)械工業(yè)在認(rèn)真消化、推廣國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)液壓技術(shù)的同時(shí)，大力研制、開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)液壓件新產(chǎn)品，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和新技術(shù)應(yīng)用的研究，積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，合理調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)一些性能差而且不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的液壓件產(chǎn)品，采用逐步淘汰的措施。壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，具有獨(dú)立的動(dòng)力機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)。采用按鈕集中控制，可實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)及半自動(dòng)三種操作方式。本機(jī)器的工作壓力、壓制速度、空載快速下行和減速的行程范圍均可根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)整，并能完成一般壓制工藝。此工藝又分定壓、定程兩種工藝動(dòng)作供選擇。定壓成型之工藝動(dòng)作在壓制后具有保壓、延時(shí)、自動(dòng)回程、延時(shí)自動(dòng)退回等動(dòng)作。本機(jī)器主機(jī)呈長(zhǎng)方形，外形新穎美觀，動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、動(dòng)作 靈敏可靠。該機(jī)并設(shè)有腳踏開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)工藝動(dòng)作的循環(huán)。2、研究現(xiàn)狀液壓系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)運(yùn)用的越來(lái)越廣泛，對(duì)技術(shù)的掌握也越來(lái)越成熟，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有了獨(dú)特的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但對(duì)于現(xiàn)代信息化及機(jī)械自動(dòng)化的時(shí)代，在國(guó)內(nèi)液壓系統(tǒng)的發(fā)展還有很大的發(fā)展空間。液壓元件是機(jī)械工程運(yùn)作的核心，在國(guó)內(nèi)每年有 350 億以上的行業(yè)需求，目前液壓元件的進(jìn)口比率已超過(guò)了 65%，介于高端產(chǎn)品對(duì)技術(shù)的要求，目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外技術(shù)的差距，所使用的液壓元件基本還是進(jìn)口，但各國(guó)液壓工業(yè)產(chǎn)值約占機(jī)械工程總產(chǎn)值的3.5%，而我國(guó)僅占 0.2%左右，但社會(huì)快速發(fā)展的過(guò)程中，進(jìn)口的取代，市場(chǎng)存量之大，維修市場(chǎng)的增長(zhǎng)是行業(yè)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，所以相對(duì)來(lái)講我國(guó)的液壓行業(yè)仍然有很大的發(fā)展空間，特別機(jī)械工程近幾年的迅猛發(fā)展，液壓元件故障幾乎占到了所有機(jī)械工程故障的 50%，可預(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年，液壓元件的維修市場(chǎng)將出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，在比較巨大的機(jī)械主機(jī)配套市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)占的比率并不高，主要還是依靠國(guó)外的產(chǎn)品，進(jìn)口的取代空間巨大。目前在國(guó)際市場(chǎng)上機(jī)械工程兩級(jí)方向的發(fā)展已傾向于微型化及小型化，但在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的壽命與進(jìn)口產(chǎn)品還有很大差距，要縮短與進(jìn)口產(chǎn)品的差距，因此在材料和產(chǎn)品表面處理工藝的技術(shù)需求還要進(jìn)一步的提高和提煉，才能有效提高液壓產(chǎn)品的使用壽命，縮短與進(jìn)口產(chǎn)品之間的差距，快速實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)液壓產(chǎn)品的主導(dǎo)化和獨(dú)立化。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)行業(yè)中有著很重要的作用，并且因?yàn)樗鼉?yōu)越的使用性能，使它的使用范圍更廣泛，這也就要求我們要更大程度的提升液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的新能，然而我國(guó)在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面缺少與外國(guó)同行業(yè)的技術(shù)交流，并且我國(guó)的制造工藝要落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，這就要求我們更努力的為發(fā)展我國(guó)的技術(shù)事業(yè)奮發(fā)圖強(qiáng)。3、發(fā)展趨勢(shì)目前，不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)都是趨向于兩個(gè)大方面，節(jié)能、機(jī)電一體化。1． 減少能耗，充分利用能量液壓技術(shù)在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能及反轉(zhuǎn)換方面，已取得很大進(jìn)展，但一直存在能量損耗，主要反映在系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械損失上。如果全部壓力能都能得到充分利用，則將使能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率得到顯著提高。為減少壓力能的損失，必須解決下面幾個(gè)問(wèn)題： ①減少元件和系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損失，以減少功率損失。主要表現(xiàn)在改進(jìn)元件內(nèi)部流道的壓力損失，采用集成化回路和鑄造流道，可減少管道損失，同時(shí)還可減少漏油損失； ②減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量，避免采用節(jié)流系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力；③采用靜壓技術(shù)，新型密封材料，減少磨擦損失； ④發(fā)展小型化、輕量化、復(fù)合化、廣泛發(fā)展 3 通徑、4 通徑電磁閥以及低功率電磁閥； ⑤改善液壓系統(tǒng)性能，采用負(fù)荷傳感系統(tǒng)，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)和采用蓄能器回路；⑥為及時(shí)維護(hù)液壓系統(tǒng)，防止污染對(duì)系統(tǒng)壽命和可靠性造成影響，必須發(fā)展新的污染檢測(cè)方法，對(duì)污染進(jìn)行在線測(cè)量，要及時(shí)調(diào)整，不允許滯后，以免由于處理不及時(shí)而造成損失。2.機(jī)電一體化電子技術(shù)和液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的液壓傳協(xié)與控制技術(shù)增加了活力，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化可以提高工作可靠性，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，改變液壓系統(tǒng)效率低，漏油、維修性差等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)出力大、慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),其主要發(fā)展動(dòng)向如下： (1)電液伺服比例技術(shù)的應(yīng)用將不斷擴(kuò)大。液壓系統(tǒng)將由過(guò)去的電氣液壓 on-oE 系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)比例控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)，為適應(yīng)上述發(fā)展,壓力、流量、位置、溫度、速度、加速度等傳感器應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)接口也應(yīng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和兼容。 (2)發(fā)展和計(jì)算機(jī)直接接口的功耗為 5mA 以下電磁閥，以及用于脈寬調(diào)制系統(tǒng)的高頻電磁閥(小于 3mS)等。 (3)液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油的污染等數(shù)值將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和診斷，由于計(jì)算機(jī)的價(jià)格降低，監(jiān)控系統(tǒng)，包括集中監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將得到發(fā)展。 (4)計(jì)算機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)化，特別對(duì)高精度、“高級(jí)”系統(tǒng)更有此要求。 (5)由電子直接控制元件將得到廣泛采用，如電子直接控制液壓泵，采用通用化控制機(jī)構(gòu)也是今后需要探討的問(wèn)題，液壓產(chǎn)品機(jī)電一體化現(xiàn)狀及發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]陳大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993[2]張人杰.液壓缸的設(shè)計(jì)制造和維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993[3]冀宏，唐鈴鳳.液壓氣壓傳動(dòng)與控制[M].北京：華中科技大學(xué)出版社.[4]蘇爾皇.液壓流體力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.[5]范存德.液壓技術(shù)手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.[6]張利平.液壓傳動(dòng)與控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004[7]林建亞，何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988[8]雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990[9]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005[10]孟延軍，陳敏. 液壓傳動(dòng)[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2008.09[12]張永茂.AutoCAD 機(jī)械繪圖基礎(chǔ)與實(shí)例[M].北京：海洋出版社，2006[13]付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011[14]王宇亮.基于 AMESim 的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障仿真研究[J].2011[15]Tian Junying.Research on extension element model in hydraulic system.Mechatronics and Automation, 2009. 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Chapman 2001.1.課題的提出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要,技術(shù)創(chuàng)新是目前礦山機(jī)械所面臨的新挑戰(zhàn)。面對(duì)新世紀(jì)煤礦生產(chǎn)的新需要，礦山機(jī)械將向大型化、智能化、無(wú)人化方向發(fā)展。目前，懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。但是隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，要求巷道施工向更加安全、優(yōu)質(zhì)、省力、高效、舒適的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的截割部的液壓系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，一定程度上滿足了上述要求， 但仍然是手工操作，司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，舒適性較差，勞動(dòng)生產(chǎn)率也較低，同時(shí)由于系統(tǒng)壓力保持不當(dāng)。 截割斷面高度和面積都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而從整體上影響了掘進(jìn)工作的速度和質(zhì)量。另外礦井的施工質(zhì)量、施工安全很大程度上取決于人為因素，采堀業(yè)仍然屬于苦、險(xiǎn)、臟行業(yè)，因事故而傷亡的人數(shù)也較多。從根本上實(shí)現(xiàn)采掘的智能化是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱難的任務(wù)。 由于液壓系統(tǒng)承載力大，所以液壓系統(tǒng)是煤礦機(jī)械中最為重要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之一。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割煤的工作均由液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成。因此，對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)工作中重要的一項(xiàng)內(nèi)容。本課題要求首先根據(jù)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)其工況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立牽引速度——流量特征方程，確定液壓系統(tǒng)各元件參數(shù)，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。綜合上述得出，優(yōu)化懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的液壓系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的截割高度和截割斷面。完成液壓的系統(tǒng)的高精度控制，是為將來(lái)截割斷面的自動(dòng)成型打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的保證?；谝陨显?，本論文提出了“礦用式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析”這一課題。2 主要工作和研究手段本論文主要完成懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，具體的說(shuō)就是：(l) 掘進(jìn)機(jī)截割部機(jī)械部分三整建模及液壓缸受力分析:利用 Pro/E 三維軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行建模裝配，同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)曲線，模擬截割部動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，得出液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)——液壓缸的受力曲線圖。(2) 掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì);根據(jù)掘機(jī)截割部工作原理。設(shè)計(jì)截割部的液壓系統(tǒng)原理圖，同時(shí)根據(jù)液壓缸受力曲線圖，得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大受力，并以此為依據(jù)對(duì)液壓系統(tǒng)的多個(gè)元件進(jìn)行選型。(3)掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模:根據(jù)液壓系統(tǒng)原理及受力情況，對(duì)液圧系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。(4)用 MATLAB 對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真:根據(jù)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用 MATLAB 仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到較為理想的動(dòng)態(tài)特性曲線，從而進(jìn)行仿真結(jié)果的分析，并通過(guò)改變系統(tǒng)參數(shù)，研究各參數(shù)對(duì)部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，為整個(gè)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。(5) PID 模擬控制;運(yùn)用模擬 PID 控制，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，使整個(gè)系統(tǒng)控制靈活、自適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高、穩(wěn)定性好，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見(jiàn)：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在系審查意見(jiàn)：系主任： 年 月 日目 錄第 1 章 緒論……………………… .11.1 引言 11.2 掘進(jìn)機(jī)的分類及特點(diǎn) 11.3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 21.4 課題的提出 4第 2 章 掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 42.1掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介.42.2 主要結(jié)構(gòu)及工作原理 42.3 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 52.4 液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 72.5 截割部升降液壓缸的控制模式 72.6 液壓元件的設(shè)計(jì)與選型 72.6.1 液壓缸設(shè)計(jì) 72.6.2 液壓固有頻率校驗(yàn) 82.6.3 選擇液壓泵 92.6.4 蓄能器的確定 .102.6.5 伺服閥的選擇 .112.6.6 過(guò)濾器的選擇 .122.6.7 管件的選定 .132.6.8 管路的布置 .14第 3 章 液壓系統(tǒng)的建模 .143.1數(shù)學(xué)模型的建立方法143.1.1 微分方程法 .143.1.2傳遞函數(shù)法153.1.3 狀態(tài)空間法 .163.1.4 功率鍵合圖法 .163.2 液壓伺服系統(tǒng)的物理模型 .163.3 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 .173.3.1 非對(duì)稱缸模型建立 .183.3.2 閥控非對(duì)稱缸其它環(huán)節(jié)的模型的建立 .253.3.3 閥控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)總體模型 .27第 4 章 結(jié) 論 .27參考文獻(xiàn) .28致 謝 .321第 1 章 緒 論1.1 引言巷道掘進(jìn)與掘進(jìn)機(jī)的第一次嘗試，從早期就有了。jahrhunderts 普列依斯盾構(gòu)機(jī)和 Anderson鉆井機(jī)（隧道掘進(jìn)機(jī)英格里斯），安德森和覆蓋板都可單獨(dú)工作。獨(dú)立工作時(shí)，利用液壓缸的運(yùn)動(dòng)，形狀符合現(xiàn)代機(jī)器的概念。但由于許多結(jié)構(gòu)性缺點(diǎn)，大多主機(jī)沒(méi)有得到工業(yè)應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后，機(jī)逐漸在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。在前蘇聯(lián)和美國(guó)，考慮到煤的性質(zhì)，單頭掘進(jìn)機(jī)鉆柱，用于開(kāi)采煤巷掘進(jìn)，也逐漸發(fā)展起來(lái) [1][2]。1.2 掘進(jìn)機(jī)的分類及特點(diǎn)按照巷道掘進(jìn)機(jī)對(duì)于切割面的截割方式可劃分為兩種：全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)（如圖 1.1 所示）。圖 1.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)機(jī)，又稱連續(xù)式掘進(jìn)機(jī)，它的工作機(jī)構(gòu)是通過(guò)一系列的切割機(jī)或圓盤和錐刀合成。在平行于工作平面的表面中心線旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的機(jī)器一起工作。隧道掘進(jìn)機(jī)功率容量大，在整個(gè)過(guò)程中連續(xù)的工作，破碎的煤炭生產(chǎn)能力很高，因此，合理地分布在切削刀具上的壓力均勻，硬盤機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，利于獨(dú)立的工作。但是全斷面掘進(jìn)機(jī)也存在一些缺點(diǎn) [3][4]：2(1) 為了對(duì)不同規(guī)格的隧道進(jìn)行隧道施工，由于隧道斷面尺寸和形狀的不好，所以需要進(jìn)行輔助破碎機(jī)構(gòu)的安裝；(2) 掘進(jìn)半煤巖巷道時(shí)，煤、巖不能分別截割；(3) 由于巨大的圓盤式工作機(jī)構(gòu)的尺寸，很難進(jìn)入工件表面檢查，維修和更換的工具，必要時(shí)還要離開(kāi)工作面；(4) 作業(yè)線較高的投資，對(duì)軌道線路、隧道、地質(zhì)的適應(yīng)性差；由于該機(jī)床的使用缺陷，大大阻礙了機(jī)床的使用，因?yàn)槭褂萌婢蜻M(jìn)機(jī)的成本很高。大多數(shù)的隧道掘進(jìn)機(jī)，又稱循環(huán)式隧道掘進(jìn)機(jī)。本設(shè)備只可同時(shí)切割工作面的一部分，要切割整個(gè)巖層，必須要連續(xù)多次的工作才能完成完整面的切割。懸臂式掘進(jìn)機(jī)也叫做部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，可以在工作面上，下，左和右的自由擺動(dòng)和截割頭旋轉(zhuǎn)，可以是任何形式的懸臂安裝切片。根據(jù)不同形式的刀頭，也可以是縱軸式掘進(jìn)機(jī)和橫軸式掘進(jìn)機(jī)。上述掘進(jìn)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn) [5][6][7]：(1) 掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖速度快，提高了安全性，質(zhì)量和生產(chǎn)操作；如果支護(hù)作業(yè)的工作后，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)破巖，可以完成運(yùn)輸?shù)确矫?，效率高，而且是在掘進(jìn)機(jī)破巖隧道開(kāi)挖和挖掘煤炭，煤巖周圍光滑，減少了大量的支護(hù)量，這種方法比傳統(tǒng)法，可以提高速度的 1.5～2 倍，避免了煤巷和巖石爆炸引起的破壞現(xiàn)象，有利的巷道支護(hù)，也可以減少瓦斯氣體泄漏的危險(xiǎn)，提高生產(chǎn)的安全性。(2) 結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)先進(jìn)；日前懸臂式掘進(jìn)機(jī)多采用耙裝式裝載機(jī)構(gòu)和履帶式行走機(jī)構(gòu)。其裝載能力大、調(diào)運(yùn)靈活、工作可靠。(3) 快速巷道有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)條件，合理部署工作面準(zhǔn)備和更換；(4) 工作方式靈活，適應(yīng)性強(qiáng)；(5) 經(jīng)濟(jì)、安全、成本低；31.3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r當(dāng)今世界主要產(chǎn)煤國(guó)的掘進(jìn)機(jī)的路線長(zhǎng)是總長(zhǎng)的 40%至 50%，近幾年來(lái)，不僅應(yīng)用于硬度較小的煤巖，而且在比較硬的煤巷掘進(jìn)中也提高了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，一些重型掘進(jìn)機(jī)在國(guó)外也可以切割一些堅(jiān)硬的巖石切割的軌道。近年來(lái)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研究和發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [8][9]：(1) 截割功率穩(wěn)定提高，機(jī)器的可靠性提高；(2) 配套設(shè)備多樣化；機(jī)器能力的充分發(fā)揮得到各國(guó)的重視，各國(guó)對(duì)巷道綜合機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行了研究。為了縮短輔助時(shí)間和中間穩(wěn)定頂板，錨桿的廣泛支持，以支持并行操作的機(jī)械，液壓或自己獨(dú)立的盾牌掩護(hù)，但效果并不理想。經(jīng)過(guò)必要的運(yùn)輸，通常裝載機(jī)后橋帶式輸送機(jī)膠帶設(shè)置活動(dòng)煤倉(cāng)。(3) 采用機(jī)電一體化技術(shù)；國(guó)外新型掘進(jìn)機(jī)具有改善工況測(cè)試和診斷系統(tǒng)，可以在早期發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障，并快速排除故障，縮短了相應(yīng)的機(jī)器停機(jī)時(shí)間，大大提高生產(chǎn)率；也可以確保穩(wěn)定的負(fù)載切斷機(jī)制，以避免手動(dòng)操作不當(dāng)造成的系統(tǒng)尖峰負(fù)荷，延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。新機(jī)器方向的部分進(jìn)行切割，切割路徑，循環(huán)程序，對(duì)截面輪廓尺寸的監(jiān)測(cè)。（4）研究和探索新的切割技術(shù)，如高壓水射流鉆孔機(jī)的發(fā)展，沖擊振動(dòng)式切割機(jī)等的研究；雖然我國(guó)引進(jìn)前蘇聯(lián)的設(shè)備，中國(guó)的掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展起步較晚，由于技術(shù)水平和條件的限制，不能廣泛用于生產(chǎn)?！?5”年以前，中國(guó)的機(jī)器狀態(tài)研究還停留在輕切削階段?？萍既藛T經(jīng)過(guò)不懈的努力通過(guò) 30年的研究創(chuàng)新，我們?nèi)〉昧丝上驳难芯砍晒Ｊ沟脵C(jī)器從的輕型，中型和重型機(jī)械進(jìn)行隧道工作時(shí)，發(fā)生了一個(gè)質(zhì)的變化 [15][16]。掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階，接近國(guó)外同行的水平，已經(jīng)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，從切割機(jī)的功率為 30千瓦提高到 320千瓦，機(jī)重從 13噸重增加到 110噸，切割也逐漸在煤和煤巖兩大系列，更多 10個(gè)品種。特別是在“八五”時(shí)期至“九五”時(shí)期計(jì)劃的發(fā)展，從早期的煤巖型掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)性能達(dá)到同類產(chǎn)品的水平，具有良好的性價(jià)比。而且高壓水射流切割技術(shù)和切割技術(shù)有了新的探4索和要求，可編程邏輯控制器（PLC）應(yīng)用于電子機(jī)器的控制部分，在電子系統(tǒng)的插件中也有一個(gè)性能和故障診斷機(jī)制 [14][13]。以上闡述了國(guó)內(nèi)外巷道式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展與現(xiàn)狀，目前我國(guó)的技術(shù)水平雖然在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，但是和國(guó)外一些先進(jìn)的技術(shù)相比還是有一定差距的。1.4 課題的提出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，礦山機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新是當(dāng)前面臨的新挑戰(zhàn)。而且施工安全和施工質(zhì)量，在很大程度上取決于人的因素，屬于苦，臟，因事故傷亡人數(shù)仍占很大比例，改變這一點(diǎn)基本上是一個(gè)長(zhǎng)期的任務(wù)。但是液壓系統(tǒng)流量大，因此，液壓系統(tǒng)在煤礦機(jī)械中最重要的之一是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在挖掘機(jī)和煤炭切割工作是由一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工作中的一個(gè)重要因素。本課題首先根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，創(chuàng)造工作條件和結(jié)構(gòu)分析的流量特性方程的速度，牽引液壓系統(tǒng)各元件參數(shù)，確定液壓系統(tǒng)示意圖 [11]。第 2 章 掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介EBZ160 掘進(jìn)機(jī)是懸臂縱軸式掘進(jìn)機(jī)，是一種巷道綜合掘進(jìn)設(shè)備，切割，供應(yīng)，行走，噴霧抑塵于一體。懸臂式掘進(jìn)機(jī)操作時(shí)，主機(jī)把巖石和煤巖切割，破碎機(jī)的運(yùn)行至尾部由傳送帶或輸送機(jī)運(yùn)走。掘進(jìn)機(jī)切割臂的上、下、左、右在預(yù)定的角度自由擺動(dòng)。履帶機(jī)構(gòu)能適應(yīng)地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。該類機(jī)器主要用于采煤巷道的掘進(jìn)，適用于掘進(jìn)破碎煤巖斷面 6～24 ,硬度 f＝4～8 平方米的煤或半煤巖巷道，也可用于其它巷道施工。52.2 主要結(jié)構(gòu)及工作原理EBZ160 掘進(jìn)機(jī)主要由行走、截割、裝運(yùn)三大機(jī)構(gòu)和液壓、電氣、水路三大系統(tǒng)組成，通過(guò)各部分動(dòng)作的協(xié)調(diào)和配合，完成掘進(jìn)巷道的作業(yè)過(guò)程，其外形如圖 2.1 所示。圖 2.1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖在每個(gè)氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)作用下切割，煤巖被切割頭從煤壁上切下，通過(guò)控制行走部、鏟煤板、鏟底通過(guò)旋轉(zhuǎn)星輪輸送機(jī)傳送到第一運(yùn)輸機(jī)，第一電機(jī)拖動(dòng)鏈在鏟入口處的巖石。第二皮帶運(yùn)往煤操作入口，第二次將煤巖運(yùn)出，以確保機(jī)器的穩(wěn)定性。2.3 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)本液壓系統(tǒng)由油缸、泵站、油箱以及與之相聯(lián)接的配管所組成。6如圖 2.2所示，恒壓變量泵液壓系統(tǒng)的石油供應(yīng)作為動(dòng)力源，通過(guò)流量自動(dòng)控制閥泵的出口閥；和過(guò)度的安全作用；蓄能器吸收沖擊，儲(chǔ)能源，石油過(guò)濾器；設(shè)有過(guò)濾閥，以保證液壓閥的液壓油清潔度；液壓缸作為執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)橫臂做上下運(yùn)動(dòng)而工作狀態(tài)和相關(guān)單位的外部結(jié)構(gòu)及尺寸，管路線通過(guò)軟管連7接，同時(shí)，必須滿足系統(tǒng)的響應(yīng)速度。圖 2.2 液壓系統(tǒng)原理圖82.4 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)參數(shù)參照表 2.1 所示。表 2.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)參數(shù)2.5 截割部升降液壓缸的控制模式液壓缸的控制方式主要是位移控制、力控制、速度控制、加速度控制等。在實(shí)際工作中，按照應(yīng)用目的的不同，來(lái)選擇不同的控制模式。切割部分采用位移控制方式來(lái)控制切割臂抬起放下，使切割頭達(dá)到相應(yīng)的位置，并將其切割。2.6 液壓元件的設(shè)計(jì)與選型2.6.1 液壓缸設(shè)計(jì)(1) 負(fù)載壓力的確定根據(jù) Pro/E 對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出 F max ? 83000N ，同時(shí)由于截割部在整個(gè)工作過(guò)程中，速度很慢，可以忽略 F 慣 ，即 F 慣 ? 0 。根據(jù)截割部機(jī)械部分的設(shè)計(jì)得出，整個(gè)截割部重量為 7.7t ，所以重力負(fù)載為 F 負(fù) ? 7.7t 。9初選系統(tǒng)壓力為 ps=16MPa ，取負(fù)載壓 PL=2/3Ps=10.67MPa 。(2) 活塞直徑 D 與活塞桿直徑 d 的確定取活塞桿直徑 d 與活塞直徑 D 之比 0.6，則： 式中：A —有效作用面積。計(jì)算得 d ? 106.8mm ，D? 178.6mm 。根據(jù) GB/T 7938-1987 選定液壓缸額定壓力為 18MPa；根據(jù) GB/T 2348-1993 將液壓缸內(nèi)徑圓整為 D ? 180mm ；根據(jù) GB/T 2348-1993 將活塞桿直徑圓整為 d ? 110mm 。有效作用面積 A ? 3.889 ? 10 ?3 mm2 。無(wú)桿腔 A 2 的面積為：A2 = D2 = × 0.182 = 0.025m24π π有桿腔面積 A 1 為：A1 = d2 = × （0.18-0.11） 2 = 0.016m2π π(3) 液壓缸行程 X 的確定根據(jù)截割高度及機(jī)械部分設(shè)計(jì)以及國(guó)標(biāo) GB2349-1980 ，將油缸最大行程位移 X ? 700mm 。2.6.2 液壓固有頻率校驗(yàn)對(duì)于四通閥控非對(duì)稱液壓缸，液壓固有頻率為：t2em4VA???式中：β e ─液壓有效體積彈性模量；Vt ─總壓縮容積， m3 ； mt ─總負(fù)載質(zhì)量，kg；??6262 10839107.14 ??????dpL ??10液壓缸有效作用面積 A? 3889mm2 ；總壓縮容積考慮為缸的總?cè)莘e一般工程機(jī)械中取 β e ? 700MPa 。根據(jù)上式計(jì)算得液壓固有頻率轉(zhuǎn)化為頻率綜上所述，液壓固有頻率大于工作頻率，系統(tǒng)可以正常工作。2.6.3 選擇液壓泵(1) 確定最大流量多液壓缸同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為qvp ≥ k(∑ qv max )液壓缸最大速度取 X max ? 1.2mm/s ? 0.072m/min ，所以液壓最大流量為考慮泄露因素，因此取泵最大流量qvp≧2kqL max式中： k—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取 k=1.1~1.3 min/64.732.18.2qmax LkLvp ????(2) 確定最大工作壓力式中：∑△P—從液壓泵到液壓缸入口處的管路損失，取 1MPa。由于 pp ≥16MPa ，???pspHzfh82.5???min/32.1842maxax LDXqL????srad/2.5107.8.19370436????32t m0178.418.0???SDV11所以取 p p ? 18MPa 。(3) 確定液壓泵的規(guī)格根據(jù)以上所求得的數(shù)據(jù)，可以選用柱塞泵 63PCY14-1B。具體參數(shù)見(jiàn)表 2.2表 2.2 變量柱塞泵參數(shù)表(4) 泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)確定泵的最大輸出功率為泵的最大流量和壓力的乘積，所以它的輸入功率為 pvq??式中：P —泵最大輸入功率， pkW；pp —泵最大工作壓力，MPa； qvp —泵最大流量，L/min；ηp —泵的效率，一般取 0.8~0.85。代入數(shù)據(jù)得 WPk18.0647183????2.6.4 蓄能器的確定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)存和釋放液體的能力壓。它的基本功能是：當(dāng)系統(tǒng)壓力流體系統(tǒng)中的液體壓力時(shí)，蓄能器內(nèi)，直接在一個(gè)蓄電池，一個(gè)內(nèi)部和外部的壓力相等；相反，當(dāng)內(nèi)部流體壓力蓄能器是高于系統(tǒng)當(dāng)液體的壓力蓄能器內(nèi)的流動(dòng)系統(tǒng)中的蓄能器內(nèi)外壓力平衡。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定蓄能器的總?cè)莘e：12??120p-tl64.q?V式中： q—閥關(guān)閉前管內(nèi)流量，L/min；i—產(chǎn)生沖擊波的管長(zhǎng)，m；t—閥由全開(kāi)到全關(guān)時(shí)間，s；P1—蓄能器最低工作壓力，MPa； P2—蓄能器最高工作壓力，MPa。閥關(guān)閉前管內(nèi)的流量可認(rèn)為是同時(shí)動(dòng)作的液壓缸的最大總流量即 q??47.64 L/min 。對(duì)于壓力相對(duì)穩(wěn)定性較高的系統(tǒng)，要求蓄能器最低工作壓力與蓄能器最高工作壓力之差盡量在 1MPa 左右，故此蓄能器的最低工作壓力取 p1 ? 16MPa 。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：本文采用常用氣囊式蓄能器，根據(jù)工作壓力及總?cè)莘e，可以選擇型號(hào)為 NXQA-L0.63/20-A 來(lái)吸收壓力脈動(dòng)和沖擊。表 2.3 蓄能器參數(shù)表2.6.5 伺服閥的選擇由上述數(shù)據(jù)可知，液壓缸最大流量為 q max ? 47.64L/min ，考慮到泄露等影響，伺服閥流量應(yīng)留有一定余量，通常取 15%左右的負(fù)載流量作為閥的儲(chǔ)備流量，在快速性高的系統(tǒng)中取 30%更好一些，截割升降油缸速度不是很快，????LPV 83.0610-8-24.64.7t-0641.qp20 ?????13因此取 15% ，則伺服閥輸出流量： min/46.71.15qvL??閥壓降由上述可知根據(jù) q v 和 p v ，由選擇伺服閥規(guī)格時(shí)使用的列線圖查得額定流量（閥的壓降為 55?10 5 MPa 時(shí)的輸出流量）為 76L / min 的閥可以滿足系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)采用雙噴嘴擋板力反饋式電液伺服閥。伺服閥的主要參數(shù)如表 2.4 所示。表 2.4 伺服閥參數(shù)表在系統(tǒng)工作過(guò)程中，閥的實(shí)際壓降為： lsp-p???L式中：ps —系統(tǒng)供油壓力， ps ? 16MPa ；pL —額定負(fù)載壓力， pL ? 10.67MPa ；p1 —液壓站至伺服閥的管路總壓降，本文取 p1 ≈ 1MPa 。將上述參數(shù)帶入上式得：p n ? 4.33MPa于是伺服閥的工作流量為：a.3pMPsv?142.6.6 過(guò)濾器的選擇為了延長(zhǎng)零件的使用壽命，液壓系統(tǒng)中使用過(guò)濾器過(guò)濾固體雜質(zhì)，和及時(shí)清潔的方法，使液壓元件工作可靠。約 75%的液壓介質(zhì)的污染。因此，過(guò)濾器的液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)是一個(gè)重要的輔助軟件，相對(duì)常規(guī)的過(guò)濾器的選擇系統(tǒng)顯得更為重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在這里你可以選擇過(guò)濾精度 5～10μ 的精過(guò)濾器。參數(shù)見(jiàn)表 2.5：表 2.5 過(guò)濾器參數(shù)表這些過(guò)濾器的精度較高，并有一個(gè)閥門，一個(gè)旁路閥、空氣污染濾芯等的裝置，更換過(guò)濾器和濾芯的清潔元件，油箱的油不流出，從而提高了液壓系統(tǒng)工作的可靠性。2.6.7 管件的選定(1) 管件包括管道和管接頭。a．管件的材料本系統(tǒng)壓力為 16MPa，根據(jù)切割件的外形尺寸和機(jī)器的工作特性，將管道與高壓軟管連接。b．油管的內(nèi)徑油管直徑主要取決于油流量，管徑選擇過(guò)小，管內(nèi)流速過(guò)大，會(huì)增加功率損耗，溫度上升，容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，引起振動(dòng)和噪聲。合理選擇油管內(nèi)徑，可得下式：型號(hào) 流量（L/min）壓力損失（MPa ）過(guò)濾精度（μ） 重量（kg）TF63×80 63 ＜0.01 80 0.82min/64.7in/26.5.3460qn LLpL ?????15式中：d—道內(nèi)徑（mm）；qv —通過(guò)管道內(nèi)的流量（L/min）； v —管內(nèi)允許流速（m/s）。其中 V的值在整個(gè)液壓系統(tǒng)管路中可取 V = 3 ~6m/s ，此處，取 v = 5m/s 。液壓系統(tǒng)管路內(nèi)徑將其圓整為 d ? 25mm ；根據(jù)軟管的公稱通徑和公稱壓力，選取軟管壁厚為 2.5mm。(2) 管接頭的選擇由于是在地下掘進(jìn)，工作環(huán)境惡劣，操作進(jìn)行的共同所有的卡套式的管接頭。卡套式結(jié)構(gòu)先進(jìn)具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，并且性能良好。2.6.8 管路的布置軟管的布置考慮以下幾點(diǎn)：a．軟管與接頭的連接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長(zhǎng)度不能小于軟管外徑的二倍，因此軟管的彎曲半徑不能太?。籦．軟管的長(zhǎng)度要顧及到軟管在通入壓力油后，長(zhǎng)度方向?qū)l(fā)生收縮形變，一般收縮量為管長(zhǎng)的 3%-4%，因此，軟管安裝時(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)；c．軟管要避免與機(jī)械上尖銳部分相摩擦和接觸，以免軟管損壞；d．軟管接頭的軸線，要保持在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)軟管受損；e．軟管在安裝時(shí)要確保不發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，為方便安裝，可以把軟管圖上顏色或者問(wèn)路，便于檢查。 mvq3.2460514d?????vq4d??16第 3 章 液壓系統(tǒng)的建模3.1 數(shù)學(xué)模型的建立方法數(shù)學(xué)模型是一種數(shù)學(xué)表達(dá)式，是在實(shí)際液壓系統(tǒng)的抽象、一般情況或合成過(guò)程中得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式。液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是反映液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況，能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系；其次，它必須有一個(gè)簡(jiǎn)單、方便的解決方案，特別適合于計(jì)算機(jī)求解。3.1.1 微分方程法液壓系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型是一個(gè)微分方程，用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)公式。對(duì)于一個(gè)輸入函數(shù) u 和一個(gè)輸出函數(shù) y 的系統(tǒng)，其微分方程模型的一般形式為：式中：a1,., an 及 c1.,cm1 均為常數(shù)；y —系統(tǒng)的輸出變量；u —系統(tǒng)的輸入變量。3.1.2 傳遞函數(shù)法在液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)是一個(gè)線性微分方程，線性微分方程描述的選擇輸入變量和輸入變量在特定的順序的微分方程模型超過(guò) 3倍，相應(yīng)的分析是困難的，通常需要改為傳遞函數(shù)模型。對(duì)上式兩邊取拉氏變換，若系統(tǒng)中 y,u 及各階導(dǎo)數(shù)的初值為零，可得：式中：Y (S) —輸出變量的拉氏變換；U (S) —輸入變量的拉氏變換；??????)(.c)( a11n SUcSSYYammm nnn????? ucdtctuyadtdtyt mmnnnn ????? ??? 11117設(shè) G(S)=Y(S)/U(S),則有式中：G(S) —系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可以表示特征。不同的系統(tǒng)，如果動(dòng)態(tài)性能相同，可以具有相同的傳遞函數(shù)形式。經(jīng)典控制理論框圖也往往是在動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)中，對(duì)輸入，輸出，和反饋的信息可以很容易地繪制圖表，更加直觀方便.根據(jù)方塊圖的傳遞函數(shù)模型或其他類型的模型框圖和傳遞函數(shù)等操作。主要是通過(guò)信號(hào)線，點(diǎn)和方框的三個(gè)要素，相應(yīng)的變換系統(tǒng)的功能方框圖，可以求出系統(tǒng)的函數(shù)。3.1.3 狀態(tài)空間法變量是最小的運(yùn)動(dòng)，完整的表征系統(tǒng)是一組變量。變變量表示系統(tǒng)之間的輸入和輸出和系統(tǒng)的微分方程。只要變量系統(tǒng)，給定的輸入，輸出，可以在任何時(shí)間。因此，空間分析包括兩個(gè)基本步驟：一是變量的定義和解決方案，二是由變量的生產(chǎn)。在數(shù)學(xué)中的兩個(gè)方程表示：一個(gè)是狀態(tài)方程，表示輸入與輸出方程的狀態(tài)變量，生產(chǎn)與狀態(tài)之間的關(guān)系；3.1.4 功率鍵合圖法鍵合圖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)容易和簡(jiǎn)單的連接圖的標(biāo)準(zhǔn)，描述了作為一個(gè)系統(tǒng)的各元素之間的關(guān)系的影響。這可能反映了元素之間的負(fù)載和系統(tǒng)的功率流，也可以描述動(dòng)態(tài)行為系統(tǒng)各變量之間的因果關(guān)系，很容易直接用鍵圖模擬的狀態(tài)方程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究中的液壓系統(tǒng)，鍵合圖的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)的功率流，在所有條件的作用下，一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，收集，分配和能量轉(zhuǎn)換等。所以功率鍵合圖實(shí)質(zhì)上是一種功率流圖。??nnmaSacG?????11m.183.2 液壓伺服系統(tǒng)的物理模型液壓系統(tǒng)本身是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，我們研究的問(wèn)題不關(guān)心系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，系統(tǒng)的物理?xiàng)l件與實(shí)際系統(tǒng)相同或相似的規(guī)律或過(guò)程中的實(shí)際對(duì)象，即為物理模型。物理模型的主要功能是方便相互模擬，其主要特點(diǎn)應(yīng)該是類似于實(shí)際系統(tǒng)，但理想和簡(jiǎn)單，便于理論和實(shí)驗(yàn)研究。一個(gè)在物理模型往往是必要的，近似的方法來(lái)描述物理系統(tǒng)。忽略小作用的物理變量的假設(shè)，一個(gè)線性的因果關(guān)系假設(shè)參數(shù)不隨時(shí)間變化；以適應(yīng)產(chǎn)量分布參數(shù)；假定系統(tǒng)和邊界條件的不確定性，對(duì)環(huán)境的影響，如噪音。應(yīng)該指出的是，由于物理系統(tǒng)不是純粹的理想化，它很可能是物理模型只反映了物理性質(zhì)的決定性行動(dòng)。本課題中，液壓系統(tǒng)采用的是伺服閥控制非對(duì)稱液壓缸（單出桿缸）的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，截割臂從左下角開(kāi)始，成 S 型回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向上進(jìn)行截割煤層，本文重點(diǎn)考慮液壓元件在系統(tǒng)中的功能和作用而不考慮元件本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，一個(gè)單向的系統(tǒng)組件相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的線性電阻的液體，可視為管道和不考慮液壓缸動(dòng)態(tài)特性的影響，如圖所示 3.1機(jī)構(gòu)：圖 3.1 控制系統(tǒng)物理模型3.3 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立在研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，必須考慮那些系統(tǒng)性能的主要因素，忽略了一些次要因素。如果我們考慮，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型太復(fù)雜，不僅增加了復(fù)雜性，解決問(wèn)題，提高解決問(wèn)題的模擬計(jì)算的累積誤差。此外，遇到問(wèn)題的方程或所謂19?的“剛性”，病理所以對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建模時(shí)，就要根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際情況和問(wèn)題研究的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行一些假設(shè)。a．液壓密度變化小不考慮液體在閥腔里的壓縮性,在實(shí)際計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)；b．制造誤差可以忽略，因?yàn)橄嗤愋偷囊簤涸慕Y(jié)構(gòu)和幾何形狀相同的形狀；c．被忽略的內(nèi)部摩擦損失，流體質(zhì)量和管道的動(dòng)態(tài)特性的影響；d．每工作腔的液壓缸等壓力，潤(rùn)滑油溫度和體積彈性模量被認(rèn)為是恒定的；e．液壓缸的內(nèi)、外泄露為層流流動(dòng)；f．該閥是零開(kāi)口四邊滑動(dòng)閥，節(jié)流窗口，對(duì)稱性，閥口是流動(dòng)的；g．活塞在液壓缸的 2個(gè)工作腔容積等于做的小運(yùn)動(dòng)。3.3.1 非對(duì)稱缸模型建立本文所采用液壓缸為非對(duì)稱缸，所以應(yīng)該從活塞桿收縮和伸出兩個(gè)方面進(jìn)行建模?？梢悦枋鋈缦拢罕玫暮愎β史匠?、伺服閥的流量方程、伺服閥的流量、液壓缸的受力平衡方程：(1) 液壓缸活塞桿收縮情況（ xv ≥ 0 ）a．滑閥流量方程伺服閥進(jìn)、回油腔流量方程為：式中：q1 —進(jìn)油腔流量， m3 / s ； q2 —回油腔流量， m3 / s ；Cd —流量系數(shù)； W —伺服閥窗口的面積梯度，m；—液體的密度，kg/m 3；ps —油源壓力，Pa； p1 —有桿腔壓力，Pa； p2 —無(wú)桿腔壓力，Pa；??dtxApWxCqtpvd psv22 1d1????20xv —伺服閥閥芯位移，m。A1 —液壓缸有桿腔活塞有效面積，m 2；A2 —液壓缸無(wú)桿腔活塞有效面積，m 2； xp —活塞位移，m；b．流量連續(xù)性方程根據(jù)流量的連續(xù)性，可寫出液壓缸進(jìn)油口流量：液壓缸回油口流量式中：Cip —液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)，m 5/(N.S)；Cep —液壓缸外泄漏系數(shù)，m 5/(N.S)；β e —有效體積彈性模量，Pa；利用以上兩式可引入流量比 η，即液壓缸穩(wěn)態(tài)時(shí)力平衡方程為N = p1 A1 ? p2 A2 式中： N —液壓缸推力。由上式可得：我們定義負(fù)載壓力為聯(lián)立得1-q21s12????2121pAp???21p-??L??dtpvCpdtxAeepip 12211q???????dtvp-pdtxq 1e2e21ip221????;1),./(325 ????ipeiptaCCSNm液壓缸輸出功率為所以，我們可以定義負(fù)載流量為得出負(fù)載流量方程式中：Cte—等效泄漏系數(shù)， ；3epi2te5,./Cte—附加泄漏系數(shù)，V—等效容積， )(/,14,333 取 平 均 值其 中 sAVsVt??S—為缸的總行程。c．液壓缸的力平衡方程液壓元件的動(dòng)態(tài)特性，受到負(fù)荷影響。負(fù)荷通常包括粘性阻尼力，彈性力和任意外部負(fù)載功率負(fù)載。在這力量的嚴(yán)重性和硬度的煤截割臂，液壓缸輸出力和負(fù)載力的平衡方程。式中：mt —活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量，kg；BX —活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；K —負(fù)載彈簧剛度；FL —外負(fù)載力。1qL?LpxptL FKdtBmA???21dtpVCdtxAq LetstaLtepL ?41 ????3231 1,???????LsLs ppp??112121 qpL?22d．負(fù)載流量方程線性化閥的壓力－流量特性是非線性的。利用線性化理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，必須將這個(gè)方程線性化。上式可簡(jiǎn)化為如下形式式中：kp—流量增益， ;)1(2qk3dp??????）（ LsvLpWCxkc—流量 —壓力系數(shù)， )1((3?LsvdLc xC把上式進(jìn)行拉式變換得：由上述可分別畫出位置和壓力控制系統(tǒng)方框圖，如圖 3.2、圖 3.3 所示。圖 3.2 由負(fù)載流量獲得液壓缸活塞位移的方框圖11 pqxeqALAvLL ????丨丨 LcvqLkx?LpPptL etstaLtepcvqL FKXBXsmPANVCQk????21 4?23圖 3.3 由負(fù)載壓力獲得液壓缸活塞位移的方框圖聯(lián)立去掉 QL 和 PL 得式中：Kce —總流量－壓力系數(shù)， Kce=Kc+Cte ；Qta —附加泄漏流量， Qta=Ctδps 。在動(dòng)力學(xué)方程，考慮慣性負(fù)載，負(fù)載的彈性和可壓縮性油液和液壓缸泄漏等因素的影響，是一種很常見(jiàn)的方式，實(shí)踐往往是相對(duì)簡(jiǎn)單的，在這個(gè)系統(tǒng)中，橫臂和液壓油缸的活塞桿連接在非彈性負(fù)載慣量負(fù)載。由附加泄漏流量 Qtα 對(duì)2121212121321 111121131 1 )4()4(4 ))4()4(4 )AKksBkAKVsBVAmksVQFXksAksBks sVkAxX cepcetepttceet taLectcevp cepcetpttceet taLetcevp ?????? ?????????24tehmA214???速度的影響很小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)上述可知，本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程在 K =0 ，?? 1 以及忽略 Q ta 對(duì)速度的影響時(shí)，可簡(jiǎn)化為：PSXAB21式中：—液壓固有頻率h?—液壓阻尼比 h? tepteck VB?114?當(dāng) Bp較小可以忽略不計(jì)時(shí)， 可近似寫成h的 傳 遞 函 數(shù) 為 ：對(duì) 指 令 輸 入 vX對(duì)干擾輸入 FL的傳遞函數(shù)為：（2）液壓缸活塞桿伸出情況 ）（ 0?vxa.滑閥流量方程tecVmAKh??1?????????12sskXhqvp??????????12)4(1sskVAXhectcevp???)(411)(44121 212121????????? ????ssFkVAXksBmksFVAhLectcevqp epttceet Letcevqp???或25伺服閥進(jìn)，回流量方程為:b.流量連續(xù)性方程液壓缸進(jìn)油口流量：液壓缸回油口流量與 力時(shí) 同 理 ， 可 定 義 負(fù) 載 壓0?vx負(fù)載流量液壓缸兩工作腔的壓力分別為所以，負(fù)載流量方程為式中： ;1)-(;3'' 32'' ????epiteta eitete CC附 加 泄 漏 系 數(shù) ，等 效 泄 漏 系 數(shù) ，dtxApWxCqtpvd psvd1'2 2'1)-(???'1qL?dtpVCpdtxAqeeip 22122'1)-(????3131)-(????LsLs pp，dtpVCpdtxAqeeip 11121'2 -)-(?????12-pL?dtVpCdtxAqLetstatepLL?4'''2?26)(2,12433'' 取 平 均 值其 中等 效 容 積 ， sAVsVVtt ?????c.液壓缸的力平衡方程d.液壓缸負(fù)載流量方程線性化式中： )1(-2-;)1(-, 3'' 3'' ?????????LsvdLcc LsdvLqq pWxCpqkkx壓 力 系 數(shù) ，流 量流 量 增 益化簡(jiǎn)得得：LpptL FKxdtBxmpA-22 ?LcvqLkx''-?2'22'2'2'32' '''' 4144 )( AKksVAkBsVAkmsVFsXX ceetcpeptctet Letcevqp ???????????????? ???statta tecece PCQQkk''' '''' ???附 加 泄 漏 流 量 ，壓 力 系 數(shù) ，總 流 量式 中 ：273.3.2 閥控非對(duì)稱缸其它環(huán)節(jié)的模型的建立(1) 伺服閥的數(shù)學(xué)模型伺服傳遞函數(shù)是線性伺服閥特性的近似解析表達(dá)式，它是對(duì)系統(tǒng)線性化的線性分析，特別是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了簡(jiǎn)化分析，并考慮相應(yīng)的精度更好，從實(shí)用的角度。一般閥通過(guò)第二振蕩形式的傳遞函數(shù)。如果伺服閥在某些系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)要遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的負(fù)載響應(yīng)，例如超過(guò) 10次，當(dāng)伺服閥可以作為一階慣性環(huán)節(jié)，甚至作為一個(gè)比例的連接。電液流量伺服閥的二階近似傳遞函數(shù)當(dāng)伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率（3~5 倍）時(shí)，伺服閥可近似看成慣性環(huán)節(jié)：當(dāng)伺服閥的頻寬大于液壓固有頻率（5~10 倍）時(shí)，伺服閥可近似看成慣性環(huán)節(jié)：式中：Wsv (s) —伺服閥的傳遞函數(shù)；Gsv (s) — Ksv ? 1 時(shí)伺服閥的傳遞函數(shù)；Ksv — 伺服閥增益，以電流 I N 為輸入、以閥芯位移 X v 為輸出時(shí) Ksv ?X v/I N ??201svsvsvsvsv KIQGKW???????sTKIQsGKvv???1??svsvKI??0?????????12)4('''''2' hhLcetcevqpsFskVAkX???28ωsv —伺服閥的固有頻率，rad/s；ζ sv —伺服閥的阻尼比； Tsv —伺服閥的時(shí)間常數(shù)；ζ sv —阻尼系數(shù)，無(wú)因次量；（2） 伺服放大器的數(shù)學(xué)模型該伺服放大器對(duì)電壓和電流轉(zhuǎn)換器的高輸出阻抗，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)高于伺服閥的響應(yīng)，固有頻率大于液壓缸的固有頻率，因此放大器被簡(jiǎn)化成比例分量。則：I=KaU式中：I —伺服放大器傳遞函數(shù)，A；U —伺服放大器輸出電壓，V；Ka —放大器的比例增益，A/V。(3) 位移傳感器的數(shù)學(xué)模型位移傳感器的相應(yīng)頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的相應(yīng)頻率，故將位移傳感器簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，則U= K f X P 式中：U—位移傳感器輸出電壓，V；X P —液壓缸位移變化，mm；K f —位移傳感器反饋增益，V/mm。3.3.3 閥控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)總體模型(1) 伺非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)控制框圖針對(duì)升降缸系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠、其工作要求，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真,其方框圖 3.4 如下：