摘要：通過對建立進口節流調速的數學模型，進行穩定性判斷、仿真分析。同時，通過教學實驗系統的開發與研究，并進行液壓控制系統實驗。實驗動態響應曲線和仿真動態響應曲線比較分析，解決進口節流調速在應用中存在的問題，為教學科研提供平臺。

關鍵詞：進口節流調速 數學模型 仿真 實驗

0 引言

隨著教育改革的逐步深入，如何培育具有創新精神的職業技術人才已經成為職業技術院校面臨的熱點問題之一。專業實驗教學肩負著如何培育學生的動手能力及創造性思維的最直接、最重要的責任。于是，教育改革也就對專業實驗教學提出了更高和更新的要求。因此本次畢業論文是根據自己的教學需要和所學專業的要求，對液壓進口節流調速系統的教學實驗開發與研究。

1 建立進口節流調速的數學模型

1.1 進口節流調速的工作原理圖 這種調速回路將節流閥裝在液壓缸的進油路上，即串聯在液壓泵和液壓缸之間

1.2 系統的數學模型 為了分析方便，作如下假設：

系統供油壓力由溢流閥調節為恒定值，回油壓力為零，不考慮液流在管道中的損失和動態特性，油的溫度和密度均為常數[18]。

1.2.1 液壓缸活塞的受力平衡方程式中：

P1（t）——液壓缸進口壓力；

A1——液壓缸無桿腔活塞的有效面積；

m——運動部件質量；

B——粘性摩擦阻尼系數；

u（t）——活塞的運動速度；

F（t）——負載力。

1.2.2 系統的流量方程式中：

Q1（t）——液壓缸的進口流量；

V——回路高壓腔總容積；

K——油液體積彈性模量；

KL——液壓缸的泄漏系數。

1.2.3 節流閥的流量方程 QT（t）=Q1（t）=cAT[Pp-P1（t）]φ 式中：

QT（t）——節流閥的流量；

c——節流系數；

AT——節流閥的通流面積；

Pp、P1——節流閥進、出口壓力；

φ——節流指數，φ= 。

將上式線性化并寫成增量表達式

式中：

KQ=c（pp-p10） 流量放大系數；

Kp= cAT0（pp+p10）- 壓力流量系數；

p10——液壓缸進口壓力穩態值；

AT0——節流閥通流面積穩態值。

1.2.4 調速系統的動態方塊圖

A1P1（s）=msU（s）+BU（s）+F（s）

Q1（s）=A1U（s）+ sP1（s）+KLP1（s）

Q1（s）=KQAT（s）-KPP1（s）

即由上述三式畫出方塊圖，如圖2所示。

1.2.5 系統傳遞函數

①以AT（s）為輸入，U（s）為輸出，認為F（s）=0的傳遞函數

KQAT（s）=A1U（s）+( s+KL+KP)P1（s）

②以F（s）為輸入，U（s）為輸出，認為AT（s）=0的傳遞函數

其中負號表示外負載力F增加時，液壓缸的速度要降低。

2 進口節流調速回路仿真

根據進口節流調速回路的動態方塊圖，在MATLAB的仿真狀態下建立Simulink模型

2.1 以AT（s）為輸入，U（s）為輸出，認為F（s）=0的仿真分析

2.1.1 階躍響應曲線 當負載力F不變，節流閥的通流面積AT以階躍信號輸入時

當節流閥的通流面積AT突然增大時，節流閥的流量QT逐漸增加，一直到達穩定后，節流閥的流量QT才保持不變，因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加，而達穩定后保持不變。

2.1.2 斜波響應曲線 當負載力F不變，節流閥的通流面積AT以斜波信號輸入

當節流閥的通流面積AT逐漸增大時，節流閥的流量QT逐漸增加，進入液壓缸的流量QT也逐漸增加，因此液壓缸活塞的速度u也逐漸增加。

2.2 以F（s）為輸入，U（s）為輸出，認為AT（s）的仿真分析

2.2.1 階躍響應曲線 當節流閥的通流面積AT不變，負載力F以階躍信號輸入

當負載力F突然增大時，節流閥的流量QT也突然減小，液壓缸活塞的速度u急劇下降，負載力F增加到穩定時，節流閥的流量QT也達到穩定，液壓缸活塞的速度u也趨于穩定。

2.2.2 斜波響應曲線 當節流閥的通流面積AT不變，負載力 F以斜波信號輸入

當負載力F逐漸增大時，節流閥的流量QT成反比例的減小。壓缸活塞的速度u成線性的、反比例的下降。 3 教學實驗系統的組成

4 液壓控制系統的組成及原理

4.1 控制檢測系統的組成 系統控制檢測部分的組成為：計算機、A/D 和D/A數據采集集成板PCL－812PG、32路隔離數字量I/O卡PCL－730、壓力傳感器、速度傳感器。

4.2 調速系統的控制過程 在進行進口節流調速實驗時，啟動計算機控制系統和液壓泵的電動機，使計算機控制系統和液壓泵運行，此時泵處于卸載狀態；使三位四通換向閥的電磁鐵1DT通電、2DT斷電；二位二通換向閥的電磁鐵3DT通電、4DT斷電。液壓泵輸出的油液經過進口節流閥調節后，進入工作液壓缸的左腔，右腔回油，液壓缸的活塞桿外伸，當計算機發出加載指令控制信號時，通過D/A轉換，經放大，驅動比例溢流閥加載，使加載液壓缸的右腔回油，左腔通過二位二通吸液閥進油。通過速度傳感器測得工作液壓缸的活塞桿外伸速度（速度差）和壓力傳感器檢測工作液壓缸兩腔的壓力（壓力差），其輸出的速度（速度差）和壓力（壓力差）值經A/D轉換、放大后輸入到計算機中。從而檢測出進口節流調速回路的動態特性。使三位四通換向閥的電磁鐵1DT斷電、2DT通電；二位二通換向閥的電磁鐵4DT通電、3DT斷電。工作液壓缸的活塞桿快速縮回，此時比例溢流閥不加載。在停止實驗時，液壓泵又不停止工作，電磁鐵1DT和2DT斷電，使液壓泵卸荷。

4.3 系統的硬件框圖 根據液壓節流調速系統的控制要求和實驗方法，設計出系統的硬件框

4.4 系統軟件 液壓節流調速控制系統的軟件是實現系統功能的核心，它包括系統人機界面模塊和數據處理模塊?？刂茖ο笥?個參數，兩個檢測參數和一個控制參數，并且系統實時性要求較高，同時為了方便試驗人員操作，軟件設計采用Windows下可視化編程技術。

開發工具為National Instrument公司的虛擬儀器測控開發軟件：LabWindows/CVI。這個軟件是以C語言和Windows API為基礎建立起來的軟件開發工具。它繼承了Windows下多窗口、多任務和消息事件驅動機制等特點，同時又具有自己開發的信號處理、圖形動態顯示軟件包，是一個很好的實時監控軟件開發平臺。此軟件完備的數字信號處理功能和多線程功能大大提高了工作效率，而且具有諸如PCL、GPIB、VXI、PXI等接口板卡的驅動程序庫，這對于測控系統的硬件接口模塊的開發提供了很大幫助

4.5 系統軟件的設計 控制軟件主要由人機界面模塊和數據處理模塊這兩部分組成，軟件整體結構

5 實驗結果

利用實驗設備和測量儀器可測得實驗系統在階躍信號和斜波信號的輸入情況下的動態響應曲線。通過比例溢流閥加載可獲得進口節流調速系統的動態響應曲線

6 結論

6.1 實驗動態響應曲線和仿真動態響應曲線比較可知，兩種響應曲線基本相符，但還存在區別。油液的有效容積彈性模量按常值進行的仿真曲線要比實驗動態響應曲線高一點，這是由于液壓缸的調速系統可以等效為彈簧質量系統，油液的有效容積彈性模量愈大，系統的液壓彈簧剛度愈大，固有頻率也愈大，而實際上，在液壓力較低時，油液的有效容積彈性模量較小的緣故。對于進口節流調速實驗系統，當外加負載突然改變時，實驗臺的液壓缸活塞受力平衡狀態被破壞，速度急劇增加，產生“前沖”現象，同時進油腔的壓力迅速下降，此時會引起一定的流量超調，經過一個短暫的過渡過程時間，速度經幾次振蕩后恢復穩態值。

6.2 構建了完整的液壓進口節流調速教學實驗系統，可實現快速方便的操作和控制。

6.3 控制軟件設計采用LabVIEW的監控軟件，該系統具有界面友好，操作簡單，實時性好，可靠性高，結構簡單等特點。在液壓節流調速實驗系統中表現出了很好的穩定性和可靠性。

6.4 仿真和實驗結果基本相吻合，說明了理論分析的正確性，同時也表明本文所設計的液壓節流調速教學實驗系統具有較重要的應用價值。

6.5 在此基礎上可以進一步開發相關的教學和科研。

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