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参数可变液压蓄能器研究

权凌霄  
【摘要】: 液压蓄能器是液压控制系统中用于存储能量、减小压力冲击及吸收压力脉动的最为直接和有效的元件,对降低系统能耗、减小噪声、延长元件及系统寿命、提高系统性能有着至关重要的作用。但是,传统蓄能器在使用过程中存在着基础理论不细致及工作参数不可变的两大缺陷,制约其使用效果。因此,本文针对这种现状中开展以下研究工作: 1.基础理论研究针对传统蓄能器两大缺陷,提出参数可变蓄能器样机及其计算机控制系统的设计思想,确定其工作原理,并进行工程设计,在此基础上对其进行深入研究,为参数自适应型蓄能器研究奠定基础。 (1)结合单自由度系统振动理论,研究液压系统的振动数学模型及液压系统的振动机理,并分析阻尼、惯性元件(质量块)及容性元件(弹簧)变化对液压系统振动的影响。 (2)基于气腔参数改变会对蓄能器动态性能有较大影响的理论,设计阀控非对称缸气体参数在线调整装置,并采用机理分析方法建立高压气体负载工况下的阀控非对称缸状态空间模型。 (3)总结分析磁流变阻尼器MRFD(Magneto-rheological Fluid Damper)研究成果,设计适用于参数可变蓄能器样机的阀式磁流变液MRF(Magneto-rheological Fluid)工作腔,同时基于MRF的力学机理及阻尼力计算理论,研究其工作腔数学模型。 (4)在对蓄能器油口阻尼效应研究基础上,设计基于伺服电机驱动的半主动进油阻尼调节机构。然后,分别建立伺服电机、轴向旋转运动部分及直线运动部分的数学模型,进而研究半主动阻尼调节机构的整体状态空间数学模型。 (5)在对传统活塞式蓄能器和皮囊式蓄能器工作原理及数学模型基础上,综合两类蓄能器的结构优点,设计具有气腔、磁流变液腔及油腔的参数可变蓄能器装置。然后,建立其力学模型,对参数可变蓄能器装置的状态空间模型进行研究。 2.仿真分析基于各部分数学模型,首先研究各控制系统的能控性及能观性,然后对各部分的动态性能进行仿真分析。针对基于气体负载的阀控非对称缸装置,分析初始气体当量、初始充气体积及液压缸位置的变化对该装置性能的影响;针对伺服电机驱动的半主动阻尼调节机构,仿真研究其动态响应性能;针对参数可变蓄能器装置,仿真分析气体当量、气腔气体体积及进油口通油面积变化对其性能的影响。然后分别针对阀控非对称缸装置及半主动阻尼调节机构的闭环控制系统,研究得出较为适用的PID控制参数和模糊自适应PID控制器。为样机设计提供辅助作用,同时为实验研究提供一定的指导和帮助。 3.样机制造及控制系统搭建结合理论研究及仿真分析结果,设计参数可变液压蓄能器样机图纸并完成加工制造;设计搭建基于“PC+DSP”控制的两级计算机硬件控制系统,采用图形化编程软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)及DSP编程软件CCS3.3(Code Computer Studio IDE),分别编写上下位机的软件程序。 4.实验研究结合理论研究及仿真得到的结论,针对该样机进行实验研究。将样机安装到双通道负载模拟实验系统中,该系统的工况能够实时变化。当工况实时变化时,研究各个子控制系统的动态响应能力,并研究气腔参数、进油口结构参数及MRF工作腔电磁线圈电流变化对参数可变蓄能器装置性能的改善情况。以验证样机结构设计的合理性及数学模型的正确性。 所取得的研究成果将为实现参数可变蓄能器的自适应控制奠定基础。


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