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基于能量调节的电液变转速控制系统研究

沈海阔  
【摘要】: 电液变转速控制技术通过改变泵的转速来实现对系统的控制,由于它从动力源头实现控制,从而具有很高的节能潜力,但在实际应用中存在低速性能差、系统响应慢等问题,限制了其应用范围。 本论文提出了基于能量调节的电液变转速控制系统——在系统中设置能量调节器,结合电液节流控制技术,以统一的控制器按照能量调节的思想根据负载实际的能量需求对系统中各个环节进行控制。在能量调节的思想下,能量调节器在系统减速及低速运行时储存能量,减小能量的损失;在系统加速时释放能量,克服由于电机与泵惯量大,在加速时无法提供足够的流量的缺点,从而提高系统加速时的响应速度并提升系统效率。 论文研究了系统的运行机理、控制策略及设计原则,仿真与实验结果表明:本系统具有接近于传统的电液变转速控制系统的效率而更高于电液比例控制的节流调速系统的动态响应速度与良好的低速控制性能。 第1章以大量的国内外文献调研为基础,全面论述了节流调速和容积调速两种调速技术的控制特性和优缺点以及电液变转速技术的发展历程,重点介绍了电液变转速控制技术相比于传统液压调速技术的优势及不足,为了解决电液变转速技术的缺陷,提出了本课题所研究的基于能量调节的电液变转速控制技术,同时介绍了本课题将要用到的蓄能器在液压系统中的应用和自动控制理论的发展概况。最后,提出了本课题的方案背景、研究意义和研究的主要内容。 第2章从理论上分析了电液变转速技术的缺点及产生原因,在分析电液变转速技术的基础上提出了基于能量调节的电液变转速控制技术,通过对比和分析,选择了蓄能器储能方式的能量调节器结构,并以液压缸位置控制系统为例进行了整体结构设计,给出了基于能量调节的电液变转速液压缸控制系统的工作过程。 第3章分析了蓄能器的工作特性并建立了能量调节器的数学模型,对数学模型进行线性化得到了系统的传递函数,据此分析了蓄能器容量及预充压力对能量调节器工作特性的影响。以非线性数学模型对能量调节器进行了数值仿真,验证了能量调节器的能量调节效果,并得到了影响其控制性能的关键参数。 第4章对基于能量调节原理的电液变转速控制系统的主系统进行了数学建模,得到了主系统的非线性微分方程,结合能量调节器的数学模型,建立了整个系统的仿真模块图。根据仿真模块图通过固定某个参数的方式进行了节流调速系统和节流一变转速控制系统的仿真,仿真结果验证了第1、2章分析的两种调速技术的响应和功耗特性的正确性。对系统的数学模型进行了线性化分析,得到了系统能控、能观特性,并通过描绘根轨迹的方式得到了关键参数对系统动态性能的影响。 第5章提出了系统的总体控制方案和面向能量调节的控制策略,在此基础上设计了系统的总控制器。为了验证本系统的控制性能,与其他3种典型液压系统进行了一系列仿真对比,仿真结果验证了本系统在动态特性和能耗特性上的优越性。通过理论计算和仿真得到了蓄能器的选型原则,并得到了变频器—电动机加减速参数对系统的影响。 第6章设计了基于能量调节的电液变转速控制系统试验台,详细介绍了试验台的液压回路、电气系统和控制软件。得到了系统的方波输入响应和正弦伯德图,通过实验曲线对系统进行了深入分析,并在同一试验台上进行了节流调速和节流—变转速复合控制实验,进行了性能对比,实验结果验证了课题设计思路的正确性。 第7章对基于能量调节电液变转速控制技术在速度系统控制中的应用进行了研究,分析了速度控制系统与位置控制系统的不同,提出了速度控制系统的控制策略,对系统进行了仿真分析和实验验证,结果表明,基于能量调节的电液变转速控制技术在速度控制方面也具有节能及快速性的优势。


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